Nguồn gốc của sự sống: Sự tiến hóa hóa học, sự hình thành của sự sống nguyên thủy và đó là sự tiến hóa
Nguồn gốc của sự sống :: A. Hóa sinh (Tiến hóa hóa học) B. Sinh học (Sự hình thành của sự sống nguyên thủy) C. Nhận thức (Bản chất của cuộc sống nguyên thủy và sự tiến hóa của nó).
Lý thuyết hiện đại về nguồn gốc sự sống được đề xuất bởi một nhà hóa sinh người Nga, Alexander I. Oparin (1923 AD) và được hỗ trợ bởi một nhà khoa học người Anh, JBS Haldane (1928 AD), do đó còn được gọi là lý thuyết Oparin-Haldane.
Nó tuyên bố rằng sự sống nguyên thủy bắt nguồn từ các vùng nước trên trái đất nguyên thủy từ các phân tử hữu cơ không sống (ví dụ, protein RNA, v.v.) bằng tiến hóa hóa học thông qua một loạt các phản ứng hóa học khoảng 4 tỷ năm trước (trong thời kỳ tiền văn hóa) ( tức là khoảng 500 triệu năm sau khi hình thành trái đất). Đó là lý thuyết thỏa đáng nhất vì nó có lời giải thích khoa học và đã được thử nghiệm. Lý thuyết của Oparin còn được gọi là abiogenesis chính.
Các bước khác nhau của lý thuyết hiện đại là:
A. Hóa sinh (Tiến hóa hóa học):
(a) Các điều kiện trên trái đất nguyên thủy, khoảng 4 tỷ năm trước, là như vậy ủng hộ sự tiến hóa hóa học. Khi nhiệt độ bề mặt trái đất nhỏ hơn 100 ° C. Bầu khí quyển của nó có nitơ ở dạng ammorua (-NH 3 ), carbon ở dạng metan (-CH 4 ) và oxy ở dạng hơi nước (H 2 O) nhưng không có oxy tự do nên không khí nguyên thủy Giảm bớt Những hợp chất này được gọi là hợp chất protoplasmic.
(b) Khi trái đất nguội dần, nó đã phát triển một lớp vỏ rắn mà sau đó hình thành các áp thấp và độ cao. Trong khi đó, hơi nước trong khí quyển ngưng tụ và cuối cùng nổi lên mặt nước như mưa. Nước được thu thập trong các vùng áp thấp, hòa tan các khoáng chất như clorua và phốt phát và cuối cùng hình thành các khối nước có kích thước lớn gọi là đại dương.
(c) Hình thành các hợp chất hữu cơ đơn giản:
Khi bề mặt trái đất nguội đến 50-60 ° C, các phân tử và khoáng chất có trong các vùng nước kết hợp và kết hợp lại theo nhiều cách khác nhau thông qua các quá trình ngưng tụ, trùng hợp và khử oxido để tạo thành các hợp chất hữu cơ đơn giản như alcohyd, aldehyd, glycerol, axit béo, purin, pyrimidine, đường đơn giản (ví dụ ribose, deoxyribose, glucose, v.v.) và axit amin.
Các hợp chất hữu cơ tích lũy trong các vùng nước vì sự thoái hóa của chúng rất chậm khi không có bất kỳ chất xúc tác tiêu dùng hoặc enzyme nào hoặc không có oxy. Sự biến đổi như vậy là không thể trong môi trường oxy hóa hiện tại bởi vì oxy hoặc người tiêu dùng vi mô sẽ phân hủy hoặc phá hủy các hạt sống có thể phát sinh chỉ do cơ hội.
Năng lượng cho các phản ứng quang hóa này được cung cấp bởi một trong các yếu tố sau:
(i) Các vụ phun trào núi lửa (nhiệt độ khô cực mạnh của Trái đất),
(ii) Bức xạ mặt trời (tia UV),
(iii) Năng lượng điện được tạo ra trong thời gian sét và
(iv) Phân rã các nguyên tố phóng xạ.
Haldane đề xuất rằng các hợp chất hữu cơ đơn giản này dần dần tích tụ trong các vùng nước này và cuối cùng là một món súp mỏng nóng hổi, hay món súp tiền sinh học, hay nước dùng đã được hình thành. Điều này đặt sân khấu cho các phản ứng hóa học khác nhau.
(d) Hình thành các hợp chất hữu cơ phức tạp:
Các hợp chất hữu cơ đơn giản cho thấy các phản ứng hóa học và trùng hợp ngẫu nhiên để cuối cùng tạo thành các hợp chất hữu cơ phức tạp như polysacarit, chất béo, nucleotide, axit nucleic, polypeptide, v.v.
Các nguồn năng lượng chính cho các phản ứng hóa học và sự hình thành các polyme là: phóng điện, sét, năng lượng mặt trời, ATP và pyrophosphate. Sự bay hơi của nước dẫn đến nồng độ các monome và trùng hợp ưa thích.
Các polyme này ổn định hơn nên chúng chiếm ưu thế trong các vùng nước. Nồng độ cao của các polyme đã làm thay đổi trạng thái cân bằng hóa học theo hướng hình thành các polyme ổn định từ các monome không ổn định.
(e) Hình thành các protobionts:
Đối với nguồn gốc của sự sống, phải đáp ứng ba điều kiện sau:
(i) Phải có một nguồn cung cấp liên tục các phân tử tự sản xuất, được gọi là máy sao chép.
(ii) Sao chép các bản sao này phải chịu đột biến (thay đổi).
(iii) Hệ thống các thiết bị sao chép phải yêu cầu cung cấp năng lượng tự do liên tục và cách ly một phần với môi trường chung.
Yếu tố chính chịu trách nhiệm cho các đột biến trong các bộ sao (phân tử prebiotic) có lẽ là các chuyển động nhiệt gây ra bởi nhiệt độ cao trong khi sự cô lập một phần đã đạt được trong các tập hợp của chúng. Oparin và Sydney Fox đề xuất rằng các hợp chất hữu cơ phức tạp được tổng hợp abiogenogen trên trái đất nguyên thủy sau đó có xu hướng tích tụ và hình thành các tập hợp giống như tế bào keo lớn gọi là protobionts.
Những dạng sống không tế bào đầu tiên như vậy có lẽ bắt nguồn từ 3 tỷ năm trước. Chúng sẽ có các phân tử khổng lồ chứa RNA, protein, polysacarit v.v ... Những tập hợp này có thể tách các tổ hợp phân tử khỏi môi trường xung quanh và có thể duy trì môi trường bên trong.
Nhưng nhược điểm chính của họ là không thể sinh sản. Các tập hợp vi mô, hình cầu, ổn định và động lực này được gọi là coacervates (L. acervus = cọc - Hình 7.4) của Oparin và microspheres của Sydney Fox.
Vì các coacervate này không có màng ngoài lipid và không thể sinh sản, chúng không thực hiện được các yêu cầu như một ứng cử viên của tiền thân có thể xảy ra của sự sống. Microspheres đã trở nên thành công và nhân lên khi chúng có sức mạnh của sự tăng trưởng và phân chia (vừa chớm nở, phân mảnh và phân hạch nhị phân - Hình 7.5).
B. Sinh học (Sự hình thành của cuộc sống nguyên thủy):
Vì sinh lý tế bào là kết quả của hoạt động enzyme, do đó các enzyme phải phát triển trước các tế bào. Dần dần các tập hợp gen trở nên được bao quanh bởi một hệ thống enzyme phức tạp hình thành nên tế bào chất. Những enzyme này có thể đã kết hợp các bazơ nitơ, đường đơn giản và phốt phát thành các nucleotide.
Các nucleotide có thể đã kết hợp để tạo thành axit nucleic dường như là các phân tử sinh học đáp ứng điều kiện cung cấp chất sao chép trong nguồn gốc của sự sống.
Hiện tại sinh học phân tử hoạt động theo nguyên tắc giáo điều trung tâm, trong đó tuyên bố rằng dòng thông tin di truyền là đơn hướng và được hiển thị như sau:
DNA (Phiên mã) → RNA (Dịch) → Protein
(Với thông tin di truyền) (Với thông điệp di truyền)
Cơ chế này có lẽ phát triển từ cơ chế đơn giản hơn nhiều.
Axit nucleic và protein (enzyme) là hai phân tử sinh học phụ thuộc lẫn nhau. Protein được tổng hợp bởi một quá trình bắt đầu bằng sự phiên mã các thông tin từ DNA sang mRNA sau đó được dịch mã trên các ribosome trong khi axit nucleic phụ thuộc vào các enzyme protein để sao chép.
Do đó, protein và axit nucleic tạo thành hai hợp chất hóa học chính của sự sống. Lý thuyết Proteinoid nói rằng các phân tử protein tiến hóa đầu tiên, trong khi giả thuyết gen trần nói rằng axit nucleic có nguồn gốc đầu tiên và kiểm soát sự hình thành protein.
Sự tổng hợp in vitro của phân tử RNA của 77 ribonucleotide của HG Khorana (1970) đã đưa ra suy đoán rằng có lẽ RNA, chứ không phải DNA, là vật liệu di truyền nguyên thủy. Quan điểm này được hỗ trợ thêm bằng việc phát hiện ra một số Ribozyme (phân tử RNA có đặc tính enzyme).
Vì vậy, quan điểm mới nhất là các tế bào đầu tiên sử dụng RNA làm vật liệu di truyền và DNA sau đó phát triển từ khuôn mẫu RNA chỉ khi sự sống dựa trên RNA được bao bọc trong màng. Cuối cùng DNA đã thay thế RNA làm vật liệu di truyền cho hầu hết các sinh vật. Một số cơ hội liên kết của protein, purin, pyrimidine và các hợp chất hữu cơ khác có thể đã tạo ra một hệ thống có thể sinh sản.
Một màng giới hạn mỏng đã được phát triển xung quanh tế bào chất bằng cách gấp lớp đơn chất của phospholipids để tạo thành màng tế bào. Do đó, có thể các tế bào đầu tiên phát sinh theo cách tương tự như các đồng trùng hợp được hình thành trong các vùng nước nguyên thủy. Các cấu trúc giống như tế bào đầu tiên của hoàng cung với sức mạnh phân chia được gọi là hov eobionts và hay tiền tế bào. Những dạng tế bào đầu tiên của sự sống bắt nguồn từ khoảng 2.000 triệu năm trước.
Chúng có lẽ tương tự như Mycoplasma, đã tạo ra Monerans (các tế bào không có nhân được xác định rõ) và Protistans (các tế bào có nhân khác biệt). Monera bao gồm Prokaryote như vi khuẩn và vi khuẩn lam. Protista đã tạo ra Eukaryote phát triển thành Động vật nguyên sinh, Metazoa và Metaphyta. Tổ tiên chung một tế bào đầu tiên của vi khuẩn cổ, vi khuẩn eubaryia và sinh vật nhân chuẩn được gọi là progenote.
Bằng chứng thực nghiệm về sự tiến hóa phân tử của Abiogen của sự sống:
Năm 1953 sau Công nguyên, Stanley L. Miller (Hình 7.8) (một nhà hóa sinh) và Harold C. Urey (một nhà thiên văn học) đã chứng minh bằng thực nghiệm sự hình thành các hợp chất hữu cơ đơn giản từ các hợp chất đơn giản hơn trong điều kiện khử (Hình 7.9).
Nó được gọi là thí nghiệm mô phỏng. Nó nhằm mục đích đánh giá tính hợp lệ của yêu cầu Oparin và Haldane về nguồn gốc của các phân tử hữu cơ trong điều kiện Trái đất nguyên thủy. Họ đã sử dụng hỗn hợp khí metan-amoniac-hydro (mô phỏng bầu khí quyển nguyên thủy) trong khoảng một tuần qua một tia lửa điện (khoảng 75.000 vôn, mô phỏng sự phát sáng của đất nguyên thủy và cung cấp nhiệt độ khoảng 800 ° C) giữa hai điện cực vonfram trong một buồng khí (được gọi là thiết bị phóng tia lửa) được đặt trong điều kiện giảm.
Khí metan, amoniac và hydro được lấy theo tỷ lệ 2: 2: 1. Họ đã thông qua các sản phẩm nóng thông qua một thiết bị ngưng tụ (để ngưng tụ và thu thập sản phẩm cuối nước,
Tương đương với súp của Haldane).
Thí nghiệm điều khiển chứa tất cả các yêu cầu ngoại trừ nguồn năng lượng. Sau mười tám ngày, họ đã phân tích hóa học các hợp chất hóa học bằng phương pháp sắc ký và so màu. Họ đã tìm thấy nhiều axit amin (glycine, alanine, axit aspartic, axit glutamic, v.v.), peptide, purin, pyrimidine và axit hữu cơ.
Những purin và pyrimidine đóng vai trò là tiền chất của axit nucleic. Những axit amin này rất cần thiết cho sự hình thành protein. Các sản phẩm trung gian đã được tìm thấy là aldehyd và HCN. Trong thí nghiệm kiểm soát, lượng phân tử hữu cơ không đáng kể đã được chú ý.
Phân tích hàm lượng thiên thạch cũng cho thấy các hợp chất tương tự cho thấy các quá trình tương tự đang xảy ra ở nơi khác trong không gian.
Bằng chứng thực nghiệm về sự hình thành các hợp chất hữu cơ phức tạp:
Sydney W. Fox (1957 AD) đã báo cáo rằng khi hỗn hợp 18-20 axit amin được đun nóng đến điểm sôi (160 đến 210 ° C trong vài giờ) và sau đó được làm lạnh trong nước, nhiều chuỗi axit amin trùng hợp và hình thành chuỗi polypeptide, gọi là proteinoit.
Fox tuyên bố rằng các protein này với nước tạo thành các tập hợp keo được gọi là coacervates hoặc microspheres (Hình 7.10). Chúng có đường kính khoảng 1-2, giống với vi khuẩn coccoid về hình dạng và kích thước.
Chúng có thể được gây ra để hạn chế bề ngoài giống như chớm nở trong vi khuẩn và nấm (nấm men). Ông cũng báo cáo sự hình thành porphyrin, nucleotide và ATP từ các hợp chất vô cơ và HCN.
Hình thành các cốt liệu phức tạp:
Oparin báo cáo rằng nếu một hỗn hợp của một protein lớn và một polysacarit bị lắc, coacervate được hình thành. Cốt lõi của các coacervate này chủ yếu được hình thành từ protein, polysacarit và một số nước và được phân lập một phần từ dung dịch nước xung quanh có lượng protein và polysacarit thấp hơn. Nhưng những coacervate này không có màng ngoài lipit và không thể sinh sản.
C. Nhận thức (Bản chất của cuộc sống nguyên thủy và sự tiến hóa của nó):
Phần tự nhiên hoạt động ngay cả tại thời điểm nguồn gốc của sự sống. Tiếp tục lựa chọn các eobiont thành công hơn cùng với sự hoàn hảo của hệ thống màng có thể dẫn đến sự hình thành của tế bào đầu tiên.
Các tế bào đầu tiên là kỵ khí (thu được năng lượng bằng cách lên men một số phân tử hữu cơ vì không có oxy), prokaryotic (với nucleoid như ở vi khuẩn) và chemoheterotrophic (thực phẩm có nguồn gốc từ các phân tử hữu cơ hiện có).
Chúng bắt đầu lấy các hợp chất hữu cơ dinh dưỡng từ các vùng biển nguyên thủy như các khối xây dựng và nguồn năng lượng của chúng. Vì vậy, các tế bào đã phát triển đến kích thước khổng lồ. Để hạn chế kích thước của chúng, chemoheterotrophs bắt đầu giảm thiểu tế bào và do đó tăng số lượng của chúng.
Để đối phó với việc cung cấp các hợp chất hữu cơ đang cạn kiệt, một số trong các hóa trị này đã tiến hóa thành kỵ khí, prokaryotic và chemoautotrophs. Họ bắt đầu tổng hợp thực phẩm hữu cơ của riêng mình từ các hợp chất vô cơ với sự hiện diện của năng lượng hóa học (cũng từ sự phân hủy các hợp chất vô cơ) và các enzyme, ví dụ như vi khuẩn khử sunfat, vi khuẩn nitrat hóa, vi khuẩn sắt, v.v. bị đột biến
Đối mặt với vấn đề gia tăng sự thiếu hụt các hợp chất vô cơ, một số chemoautotrophs đã phát triển porphyrin và vi khuẩn diệp lục (sắc tố quang hợp màu xanh lá cây) và bắt đầu quang hợp (tổng hợp carbohydrate). Điều này dẫn đến sự phát triển của kỵ khí, prokaryotic và photoautotrophs. Chúng phát triển khoảng 3500-3800 triệu năm trước.
Quang tự dưỡng đầu tiên là anoxygenic vì chúng không sử dụng nước làm nguyên liệu trong quang hợp. Sau đó, những chất diệp lục này đã phát triển và bắt đầu sử dụng nước làm thuốc thử để O 2 được tiến hóa trong quá trình quang hợp. Các quang tự dưỡng oxy và hiếu khí đầu tiên là vi khuẩn lam được cho là tiến hóa khoảng 3.300 - 3.500 triệu năm trước.
Tương tự, JW Schopf (1967) đã báo cáo sự hiện diện của 22 axit amin trong một tảng đá 3000 triệu năm tuổi trong khi hóa thạch lâu đời nhất thuộc về tảo xanh lục, cụ thể là Archaespheroids barbertonensis, khoảng 3, 3 đến 3, 5 tỷ năm trước.
Trong thời gian dài, các dạng sống chủ yếu và có lẽ là duy nhất trên trái đất là vi khuẩn, nấm mốc và vi khuẩn lam. Dần dần, tảo xanh lam phát triển thành các dạng tảo khác. Người ta ước tính rằng sinh vật nhân chuẩn đã phát triển khoảng 1600 triệu năm trước.
Sinh vật nhân chuẩn đầu tiên tiến hóa thông qua đột biến ở sinh vật nhân sơ (Raff và Mahler, 1972) hoặc hiệp hội cộng sinh của các sinh vật nhân sơ khác nhau (Marguilis, 1970). Sau đó, nhiều loại tảo, nấm, động vật nguyên sinh và các sinh vật sống khác đã được phát triển.
