Mennesker er komplekse enheter som, i tillegg til å tilfredsstille sine grunnleggende behov, også krever forklaringer på sin eksistens og opprinnelse. Fra dette oppstår ulike postulater, alt fra religiøse og filosofiske felt til vitenskapelige. Innenfor den vitenskapelige tradisjonen ble en teori om molekylær evolusjon postulert. kjemosyntetisk teoriBasert på studiene til forskerne Alexander Oparin og John Haldane, som, til tross for at de ikke samarbeidet, kom frem til den samme hypotesen. Denne hypotesen, formulert av Oparin og Haldane på 1920-tallet (1924 i klassiske termer), viderefører grunnlaget som ble lagt i Big Bang-teorien, motsetter seg teorien om spontan generasjon og tilbyr et alternativ til religiøse teorier om livets opprinnelse.
Hva etablerer den kjemosyntetiske teorien?
La kjemosyntetisk teori om livets opprinnelse sier at hydrogen (H2) som finnes i den primordiale atmosfæren, reagerte med karbon-, nitrogen- eller oksygenatomer og dannet en Næringsrik buljong rik på enkle organiske forbindelserDenne buljongen, også kalt primitiv suppe o førstefødtesuppeVed kontakt med ulike primitive energikilder (lyn, ultrafiolett stråling, vulkansk varme) ga det opphav til flere aminosyrerDisse molekylene utgjør de grunnleggende byggesteinene i organisk liv. Over enorme tidsperioder kombinerte, organiserte og ble disse molekylene mer komplekse inntil de dannet molekylære aggregater med metabolsk aktivitetDet vil si systemer som er i stand til å utføre prosesser som ligner på de enkleste levende organismene i dag.
Med andre ord foreslår den kjemosyntetiske teorien at prosessen med karbonbasert liv begynte under de atmosfæriske og energiske forholdene som dominerte jorden i løpet av de første milliarder av år. abiotisk syntese av organiske molekylerOver tid dannet disse molekylene seg organiserte strukturer (koacervater, protobionter, proteinmikrosfærer, sulfobioer, ifølge forskjellige forfattere) som gradvis tilegnet seg egenskaper som ernæring, utskillelse, reproduksjon og lagring av genetisk informasjon, og dermed tillot fremveksten av de første cellene.
Kjemosyntetiske teorier: hvordan oppsto livet på jorden?
I følge den mest allment aksepterte kosmologiske teorien oppsto universet fra en ekstremt tett og varm tilstand, og over tid ble galakser, stjerner og planeter dannet. I den sammenhengen, Primitiv jord Den oppsto fra en stor sky av hydrogengass og andre lette elementer. Samtidig ble solen og de andre planetene i solsystemet dannet, og den unge planeten opplevde en periode med intens geologisk og vulkansk aktivitet.
Først, den Jordens temperatur Det var ekstremt høyt, men litt etter litt kjølnet det ned og urhav fra kondensering av vanndamp. På den tiden var atmosfæren svært annerledes enn i dag: den ble dominert av vanndamp, The metan (CH4), The ammoniakk (NH3), The karbondioksid (CO2) Og molekylært hydrogen (H2Denne blandingen av gasser utgjorde hovedsakelig en atmosfære av reductorveldig forskjellig fra den nåværende oksiderende atmosfæren som er rik på oksygen.
I motsetning til hva som skjer i dag, var det ingen i den innledende fasen ozonlag som i dag beskytter jordoverflaten mot mye av den ultrafiolette strålingen. Derfor nådde alle typer stråling jordoverflaten direkte, inkludert ultrafiolette og infrarøde stråler. I tillegg bidro intens vulkansk aktivitet, meteorittnedslag og hyppige tordenvær enorme mengder energiI dette svært dynamiske og energiske scenariet ble de første organiske forbindelsene i de primitive havene – som for eksempel enkle karbohydrater, lipider y aminosyrer– de kunne dannes og bli ødelagt om og om igjen helt til noen kombinasjoner til slutt oppnådde en viss kjemisk stabilitet som favoriserte dens akkumulering og utvikling.
I millioner av år har disse stoffene kjemisk kombinert seg med hverandre og dannet stadig mer komplekse molekyler som ifølge Oparin var avgrenset av en slags spontan membranDisse grupperingene av molekyler med en viss grad av organisering og separasjon fra mediet ble kalt protobionterDisse primitive systemene har eksistert i lange perioder, og over generasjoner har noen av dem tilegnet seg egenskaper som ligner på levende vesener, som evnen til å ernære, skille ut avfall y raseDenne sistnevnte prosessen involverte fremveksten av molekyler som er i stand til å lagre og overføre genetisk informasjon, slik som nukleinsyrer.
Fra et evolusjonært perspektiv gikk disse protobiontene før første enkle celler som dukket opp senere. Det antas at de første levende vesenene som dukket opp på jorden var svært like visse nåværende bakterierencellede, prokaryote, svært enkle organismer som livnærte seg av organiske forbindelser som allerede fantes i miljøet (heterotrofer), og som over tid diversifiserte og ble mer komplekse inntil de ga opphav til flercellede organismer.
Atmosfæriske forhold i henhold til kjemosyntetiske postulater
Kjemosyntetiske teorier sier at primitiv atmosfære Den måtte ha egenskaper som ville oppmuntre til reduserende reaksjoner, siden, hadde det vært en atmosfære med oksidative tendenser som ligner den nåværende, komponentene i "Førstefødte suppe" De ville ha blitt raskt degradert. Av denne grunn hevder forskere som har foreslått de ulike evolusjonsteoriene at under planetens opprinnelige forhold, Det kan ikke ha vært noen betydelige mengder fritt oksygensiden oksidasjonsreaksjoner ikke ville ha fremmet den progressive utviklingen av liv fra ustabile organiske forbindelser.
Denne reduserende atmosfæren forklares delvis av overvekten av gasser som hydrogen, metan, ammoniakk og vanndamp, sammen med andre forbindelser som hydrogensyanid. I fravær av molekylært oksygen (O₂),2) og et ozonlag som ville filtrere stråling, høyfrekvent solenergi og elektriske utladninger kunne virke direkte på disse gassene, brytende lenker og favoriserer dannelsen av nye molekyler. Dette skapte et kjemisk miljø der organiske syntesereaksjoner De var termodynamisk mulige og kunne opprettholdes kontinuerlig.
Grunnlaget for kjemosyntetisk teori
Fasen med å postulere en rekke teorier som brøt med presedensene til teorien om spontan generasjon (allment akseptert på den tiden) ble konsolidert fra studiene til den franske vitenskapsmannen Louis Pasteur, som i 1864 demonstrerte i sine eksperimenter at «levende ting kommer fra levende ting»Disse resultatene avkreftet ideen om at organismer kunne oppstå umiddelbart fra inert materie under nåværende forhold, og banet vei for å søke etter mer komplekse og sammenhengende forklaringer på livets opprinnelse i en fjern fortid, under svært forskjellige forhold.
Blant disse nye forklaringene er kjemosyntetisk teorisom sier at livet oppsto fra reaksjonen og kombinasjonen av grunnleggende kjemiske elementer tilstede i den tidlige atmosfæren og hydrosfæren. Hovedelementene som utgjør dette postulatet er forklart i detalj nedenfor:
Jordens sammensetning i dens tidlige stadier: Denne teorien går ut ifra at planeten i begynnelsen hadde en atmosfære som manglet fritt oksygen, men var rik på andre komponenter, hovedsakelig hydrogen (høye konsentrasjoner), så det var en atmosfære reduserendeDenne egenskapen gjorde det mulig å frigjøre hydrogenatomer fra de tilstedeværende kjemiske stoffene, noe som favoriserte addisjons- og syntesereaksjoner. I tillegg inneholdt atmosfæren andre basiske kjemiske forbindelser som... hydrocyansyre (HCN), metan (CH4), karbondioksid (CO2), vann (H2O) og andre stoffer. Denne blandingen dannet grunnlaget for utviklingen av de prebiotiske kjemiske reaksjonene som ga opphav til de første organiske forbindelsene.
- Dannelse av næringsbuljongen: også kjent som førstefødtesuppe, besto av agglomerasjonen av en Næringsrik væske rik på enkle molekyler Den ble dannet av alle disse komponentene i den primitive atmosfæren oppløst i vann. Denne væskemengden ga opphav til de første havene. Hvordan skjedde dette? Den kjemosyntetiske teorien sier at, som en konsekvens av progressiv avkjøling av atmosfærenVanndamp fra vulkaner og planetens varme overflate kondenserte. Vanndråpene bar med seg gasser og partikler, og dannet en næringsrik suppe som samlet seg i fordypninger (primitive hav og innsjøer) hvor den forble i lange perioder uten risiko for massenedbrytning på grunn av fravær av oksygen og nedbrytende organismer.
- Utseende av mer komplekse strukturer: I denne prosessen, handlingen til ulike Energikildersom tordenvær, høyenergisk solstråling og vulkanutbrudd. Resultatet av disse reaksjonene var dannelsen av komplekse komponenter som enkle sukkerarter, fettsyrer, glyserin y aminosyrerOver tid ga kjemisk evolusjon opphav til strukturer som Oparin kalte coacervates, det vil si, kolloidale aggregater av organiske molekyler mer resistente og avanserte enn forløperne til dagens nukleinsyrer og generelt til levende systemer.
Dannelse av koacervater
Oparin slo fast at i utviklingsprosessen av de kjemiske artene som finnes i det førstefødt buljong, den coacervatessom var komplekse arter, dannet av forening av organiske molekyler som enkle proteiner, lipider og polysakkarider. Under visse fasedelings- og separasjonsprosesser ble disse gruppene knyttet sammen til større, mer stabile strukturer, og dermed fikk de en slags membran som gjorde dem relativt uavhengige av omgivelsene. På denne måten ble systemer som var i stand til selvsyntese av stoffer (evnen til å produsere noe av sin egen mat) og med intern organisering, som ville utvikle seg til stadig mer stabile og komplekse former inntil de ble virkelige levende strukturer. I følge kjemosynteseteorien var disse urorganismene opprinnelsen til plante- og dyreverdenen på planeten vår.
I starten fantes det ikke noe ozonlag som beskyttet cellene mot direkte sollys. Derfor antas det at de første strukturene kan ha blitt dannet og utviklet seg på denne måten. ødelagt gjentatte ganger på grunn av den direkte innfallet av solenergi. Etter millioner av år kunne noen av disse urcellene utvikle seg til mer komplekse organiske systemerDette ville ha tillatt dem å formere seg mer effektivt. Deretter begynte noen av disse livsformene å syntetisere maten sin fra solenergived å utføre fotosynteseprosessen og frigjøre molekylært oksygen til atmosfæren. Over tid muliggjorde dette atmosfæriske oksygenet dannelsen av ozonlagsom radikalt endret overflateforholdene og tillot utvidelse av mer komplekse livsformer.
Prosessen med koacervatdannelse er definert på en forenklet måte nedenfor:
- Det hele begynner med dannelsen av en organisert og relativt stabilt organisk molekyl i det vandige mediet.
- Etter hvert som tiden går, dannes et andre komplementært molekyl (et makromolekyl, for eksempel et peptid eller en enkel polymer) og det blir en del av koacervatet, og stabiliserer det molekylære aggregatet.
- Dette makromolekylet, eller settet av dem, kan nå atskilt fra det opprinnelige koacervatet, og opprettholder deler av sin kjemiske organisasjon.
- Makromolekylet som har separert seg begynner å tiltrekke seg andre kompatible forbindelser og koble dem til strukturen deres, og dermed gjenskape et nytt koacervat med egenskaper som ligner på originalen. På denne måten prosesser av rudimentær replikasjon og kjemisk utvalg.
Denne hypotesen om koacervater regnes som et grunnleggende grunnlag for den kjemosyntetiske teorien om livets opprinnelse i de tidlige stadiene, før eksistensen av protobionter med RNA eller DNA som er i stand til å replikere gjennom mekanismer som ligner mer på dagens prokaryote bakterier.
Før vi går videre til å bestemme mer detaljert betydningen av begrepet koacervater, er det nødvendig å huske på dets Etymologisk opprinnelseDet er et ord som stammer fra latin, nærmere bestemt fra verbet «coacervare», som kan oversettes til «å akkumulere» eller «å hope seg opp»Begrepet refererer nettopp til akkumulering eller gruppering av molekyler i kolloidale dråper i et vandig medium.
den coacervates De er derfor systemer dannet av forening av komplekse molekyler slik som elementære proteiner og aminosyrer, sammen med andre organiske forbindelser. Disse systemene regnes som modeller av ekstremt primitive levende vesenersiden de, ifølge mange biologer og biokjemikere, var nøkkelen til utviklingen av liv på planeten Jorden, selv om de ikke ble komplette celler slik vi kjenner dem i dag.
Andre precellulære modeller: sulfobios og proteinmikrosfærer
Over tid har diverse forskere foreslått alternative eller komplementære modeller for koacervater for å forklare de tidlige stadiene av livets opprinnelse. Selv om disse modellene ikke nødvendigvis representerer de faktiske strukturene som eksisterte på den tidlige jorden, viser de hvordan livet utviklet seg fra... enkle stoffer Det er mulig å generere systemer med en viss organisasjonsnivå.
Alfonso HerreraEn meksikansk vitenskapsmann, svært interessert i problemet med livets opprinnelse, beskrev noen precellulære modeller som han kalte «sulfobionter»Disse ble oppnådd fra uorganiske forbindelser som ammoniumtiocyanat og formalinuten å ty til eksisterende biologiske stoffer. Selv om sulfobios sannsynligvis ikke nøyaktig representerer strukturer som gikk forut for de første virkelige cellene, utgjør de et illustrerende eksempel på hvordan materie kan oppnå høyere organisasjonsnivåer med utgangspunkt i enklere nivåer. Herrera var den første forskeren som utelukkende brukte ikke-biologiske stoffer å designe eksperimentelle modeller knyttet til livets opprinnelse.
Sidney Fox Han foreslo en annen modell av precellulære systemer kjent som «proteinmikrosfærer»Disse mikrosfærene genereres gjennom en rekke kjemiske reaksjoner der aminosyrer polymeriserer under påvirkning av varmedanner enkle peptidkjeder. Når disse polymerene deretter løses opp i vann under passende pH- og saltkonsentrasjonsforhold, har de en tendens til å å aggregere til sfæriske strukturer omgitt av en slags membran eller et dekke. Selv om mikrosfærer viser en viss morfologisk likhet med celler (de har en sfærisk form, indre og ytre grenser, og til og med kjemiske gradienter), regnes de ikke som komplette levende systemer. Likevel gir dannelsen av dem verdifull innsikt i hvordan de første organismene kan ha oppstått. organiserte systemer før cellene.
Eksperimentelle bidrag om «ursuppen»
I tillegg til koacervater, sulfobios og mikrosfærer, har en rekke eksperimenter blitt utviklet for å teste plausibiliteten til den kjemosyntetiske teorien. Disse undersøkelsene har forsøkt å reprodusere, omtrentlig, primitive atmosfæriske og hydrosfæriske forhold og observer hvilke typer organiske molekyler som kan dannes spontant.
Cyril Ponnamperuma Han utførte eksperimenter som simulerte primitiv hydrosfære og atmosfærebasert på de generelle prinsippene i det klassiske Miller-Urey-eksperimentet. Denne forskeren plasserte en kolbe der vann fordampet og akkumulerte alle reaksjonsproduktene i en reduserende atmosfære som, i direkte kontakt med den, dannet det han kalte en «primitiv suppe»I et av eksperimentene sine presenterte han en løsning på hydrogencyanid (HCN) til virkningen av ultrafiolette stråler i flere dager og fant at nitrogenholdige baser adenin og guaninessensielle komponenter av nukleinsyrer som finnes i levende systemer. Dette resultatet forsterket ideen om at det under plausible forhold på den tidlige jorden var mulig å syntetisere viktige komponenter i genetisk materiale uten behov for forutgående biologisk inngrep.
Stanley Miller og Harold Urey-eksperimentet
Selv om postulatene i den kjemosyntetiske teorien opprinnelig ble lagt frem av Oparin og Haldane, ble to senere forskere –Stanley Miller y Harold Urey– De gjenskapte forholdene i den primitive atmosfæren i et nedskalert laboratorieeksperiment, basert på modeller fra sin tid. For å gjøre dette utsatte de en blanding av hydrogen, metan y ammoniakk til multipler elektrisk støtmed mål om å simulere de elektriske stormene som antas å ha vært hyppige på den tidlige jorden. Resultatet var en syntese av flere organiske syrerinkludert aminosyrer.
Det grunnleggende formålet med denne testen var å demonstrere at syntese av organiske forbindelser Det kan være en spontan prosess som oppstår fra enkle molekyler som er tilstede i den første atmosfæren, forutsatt at det finnes tilstrekkelige energikilder. Dette eksperimentet utgjorde en av de mest innflytelsesrike empiriske støttene for den kjemosyntetiske teorien.
For utformingen av eksperimentet sitt brukte Miller og Urey en glassbeholder i lukket kretsI eksperimentet ble en viss mengde vann plassert i en kolbe slik at den ble delvis fylt og koblet til et annet kammer som inneholdt den nevnte gassblandingen. Vannet ble kokt opp, noe som produserte damp som sirkulerte inn i gasskammeret, mens et system av elektroder genererte høyspent elektriske utladninger som passerte gjennom blandingen og simulerte forhistoriske stormer. Deretter kondenserte dampen og gassene igjen og returnerte til kolben med vann, og dermed ble syklusen avsluttet. Eksperimentet varte i omtrent en uke, en prosess hvoretter de dannede produktene ble analysert.
Det første tegnet på at kjemiske reaksjoner hadde funnet sted var endring i vannfargesom i utgangspunktet var gjennomsiktig og over tid fikk en rosaaktig fargetone før den til slutt ble brun. Denne endringen ble tolket som en konsekvens av den voksende konsentrasjon av aminosyrer og andre organiske molekyler syntetisert i systemet. Flere aminosyrer ble identifisert ved hjelp av kjemiske analyseteknikker, inkludert glycin y alanin, i tillegg til andre essensielle organiske forbindelser.
Dette eksperimentet var et avgjørende bidrag som støtter teorien om at de første livsformene kunne ha blitt dannet fra spontane kjemiske reaksjoner i den primitive atmosfæren og havene, uten behov for direkte overnaturlig inngripen, men som et resultat av kjemiens og fysikkens lover i et passende miljø.
Begrensninger for verifisering
Eksperimenter utført for å teste kjemosynteseteorien har vist at det er plausibel at livets opprinnelse var slik Oparin og Haldane beskrev det, forsterket av arbeidet til forskere som Miller, Urey, Ponnamperuma, Fox og andre. Det faktum at hele denne prosessen skjedde over tid kan imidlertid ikke ignoreres. enorme tidsperioder, som omfattet den gradvise transformasjonen av planetens kjemi.
På grunn av denne omfattende tidsperioden, som omfattet hele prosessen med fremveksten av liv på jorden, viser det seg Det er umulig å gjengi den i sin helhet og trofast. i laboratorier. Forskere kan bare gjenskape fragmenter av det primitive scenariet under visse antagelser, og studere spesifikke reaksjoner som gir ledetråder om hva som kan ha skjedd, men de kan ikke nøyaktig rekonstruere hele historien.
Tidens hindring, lagt til nesten totalt tap av direkte bevis Mangelen på godt bevarte bergarter og fossiler fra de tidligste stadiene av livet gir forskere et komplekst scenario. Det kan hende det aldri blir mulig å vite det sikkert. med absolutt presisjon hvordan de første organismene som bebodde planeten ble dannet, og heller ikke hva den nøyaktige rekkefølgen av kjemiske og biologiske hendelser var.
Til tross for denne ulempen har kjemosynteseteorien tillatt oss å trekke en sammenhengende og vitenskapelig solid bilde av hva som kunne ha vært opphavet til liv på jorden. Ved å integrere data fra geologi, kjemi, molekylærbiologi og astrobiologi, har man konstruert et forklarende rammeverk der enkle molekyler gradvis ga vei, favorisert av miljøet, for komplekse systemer som er i stand til selvreplikasjon, metabolisme og evolusjon. Dette synet, som stadig revideres og berikes, er fortsatt et av de mest robuste forslagene for å forstå hvordan inert materie kunne ha blitt til liv på planeten vår.
Bibliografi:
- Wetto, Milena (u.å.). Kjemosyntetisk teori: Fremveksten av liv på jorden:
https://www.lifeder.com/teoria-quimiosintetica/
- Opphavsrett. (2008-2019) DEFINISJON AV KOACERVAT:
https://definicion.de/coacervados/
- Manuel (Nd) Hva er kjemosynteseteorien? Grunnleggende prinsipper og eksperiment.
https://www.recursosdeautoayuda.com/teoria-quimiosintetica/
- Haldane-Oparin (n.d.). Kjemosyntetisk teori.
https://portalacademico.cch.unam.mx/alumno/biologia2/unidad1/teoriaQuimiosintetica
Med alle disse teoretiske og eksperimentelle bidragene er den kjemosyntetiske teorien konsolidert som en av de mest komplette og detaljerte vitenskapelige forklaringene om livets opprinnelse, og integrerer kjemien til den primitive jorden, energien som er tilgjengelig i det miljøet og materiens iboende evne til å organisere seg og utvikle seg til stadig mer komplekse former.