Nguồn gốc của sự sống: Lý thuyết hiện đại về nguồn gốc của sự sống

Đọc bài viết này để tìm hiểu về Lý thuyết hiện đại còn được gọi là Lý thuyết Oparin-Haldane về nguồn gốc của sự sống!

Lý thuyết hiện đại hay Lý thuyết Oparin-Haldane về nguồn gốc sự sống:

Theo lý thuyết này, sự sống bắt nguồn từ trái đất sơ khai thông qua các quá trình hóa lý của các nguyên tử kết hợp với nhau để tạo thành các phân tử, các phân tử lần lượt phản ứng để tạo ra các hợp chất vô cơ và hữu cơ. Các hợp chất hữu cơ tương tác để tạo ra tất cả các loại đại phân tử được tổ chức để tạo thành hệ thống sống hoặc tế bào đầu tiên.

Hình ảnh lịch sự: tải lên.wik mega.org/wikipedia/commons/6/6f/Blacksmoker_in_Atlantic_Ocean.jpg

Do đó, theo lý thuyết này, "sự sống" bắt nguồn từ trái đất của chúng ta một cách tự nhiên từ vật chất không sống. Các hợp chất vô cơ đầu tiên và sau đó là các hợp chất hữu cơ được hình thành phù hợp với điều kiện môi trường luôn thay đổi. Điều này được gọi là tiến hóa hóa học không thể xảy ra trong điều kiện môi trường hiện tại trên trái đất. Điều kiện phù hợp với nguồn gốc sự sống chỉ tồn tại trên trái đất nguyên thủy.

Lý thuyết Oparin-Haldane còn được gọi là lý thuyết hóa học hoặc lý thuyết tự nhiên. AI Oparin (1894-1980) là một nhà khoa học người Nga. Ông đã xuất bản cuốn sách Nguồn gốc của Life Đời năm 1936 và phiên bản tiếng Anh năm 1938. JBS Haldane (1892-1964) sinh ra ở Anh nhưng di cư đến Ấn Độ vào tháng 7 năm 1957 và định cư tại Bhubaneswar, Orissa. Ông là nhà sinh vật học, nhà hóa sinh và nhà di truyền học. Cả Oparin (1938) và Haldane (1929) đều đưa ra quan điểm tương tự về nguồn gốc sự sống.

Quan điểm về modem liên quan đến nguồn gốc sự sống bao gồm tiến hóa hóa học và tiến hóa sinh học:

A. Tiến hóa hóa học (hóa sinh):

1. Giai đoạn nguyên tử:

Trái đất sơ khai có vô số nguyên tử của tất cả các nguyên tố đó (ví dụ hydro, oxy, carbon, nitơ, lưu huỳnh, phốt pho, v.v.) rất cần thiết cho sự hình thành nguyên sinh chất. Các nguyên tử được phân tách thành ba khối đồng tâm theo trọng lượng của chúng, (a) Các nguyên tử nặng nhất của sắt, niken, đồng, v.v. được tìm thấy ở trung tâm trái đất, (b) Các nguyên tử trọng lượng trung bình của natri, kali, silic, magiê, nhôm, phốt pho, clo, flo, lưu huỳnh, v.v ... được thu thập trong lõi trái đất, (c) Các nguyên tử nhẹ nhất của nitơ, hydro, oxy, carbon, v.v ... tạo thành bầu khí quyển nguyên thủy.

2. Sự hình thành các phân tử vô cơ:

Các nguyên tử tự do kết hợp để tạo thành các phân tử vô cơ như H ₂ (Hydrogen), N ₂ (Nitơ), H ₂ 0 (Hơi nước), CH ₄ (Metan), NH ₃ (Amoniac), C0 ₂ (Carbon dioxide). Các nguyên tử hydro có nhiều nhất và phản ứng mạnh nhất trong bầu khí quyển nguyên thủy.

Các nguyên tử hydro đầu tiên kết hợp với tất cả các nguyên tử oxy tạo thành nước và không để lại oxy tự do. Do đó, bầu không khí nguyên thủy đã làm giảm không khí (không có oxy tự do) không giống như bầu không khí oxy hóa hiện tại (với oxy tự do).

Nguyên tử hydro cũng kết hợp với nitơ, tạo thành amoniac (NH ₃ ). Vì vậy, nước và amoniac có lẽ là những phân tử đầu tiên của trái đất nguyên thủy.

3. Hình thành các phân tử hữu cơ đơn giản (Monome):

Các phân tử vô cơ ban đầu đã tương tác và tạo ra các phân tử hữu cơ đơn giản như đường đơn giản (ví dụ ribose, deoxyribose, glucose, v.v.), bazơ nitơ (ví dụ: purin, pyrimidine), axit amin, glycerol, axit béo, v.v.

Những cơn mưa xối xả phải rơi. Khi nước chảy xuống, nó phải tan đi và mang theo muối và khoáng chất, và cuối cùng được tích lũy dưới dạng đại dương. Do đó, nước đại dương cổ đại chứa một lượng lớn NH ₃, CH ₄, HCN, nitrua, cacbua, các loại khí và nguyên tố khác nhau.

CH ₄ + C0 ₂ + H ₂ 0 -> Đường + Glycerol + Axit béo

CH ₄ + HCN + NH ₃ + H ₂ 0 -> Purin + Pyrimidines

CH ₄ + NH ₃ + C0 ₂ + H ₂ 0 -> Axit amin

Một số nguồn bên ngoài phải có tác dụng đối với hỗn hợp cho các phản ứng. Những nguồn bên ngoài này có thể là (i) bức xạ mặt trời như ánh sáng cực tím, tia X, v.v., (ii) năng lượng từ phóng điện như sét, (iii) bức xạ năng lượng cao là những nguồn năng lượng khác (có thể là đồng vị không ổn định trái đất nguyên thủy). Không có tầng ozone trong khí quyển.

Nước canh giống như súp hóa chất hình thành trong các đại dương của trái đất mà từ đó các tế bào sống được cho là đã xuất hiện, được JB Haldane (1920) gọi là 'súp prebiotic' (còn gọi là 'súp loãng nóng'). Do đó, giai đoạn được thiết lập để kết hợp các yếu tố hóa học khác nhau. Sau khi hình thành, các phân tử hữu cơ tích lũy trong nước vì sự thoái hóa của chúng cực kỳ chậm khi không có bất kỳ chất xúc tác nào của sự sống hay enzyme.

Bằng chứng thực nghiệm cho sự tiến hóa phân tử của Abiogen:

Stanley Miller vào năm 1953, khi đó là sinh viên tốt nghiệp của Harold Urey (1893-1981) tại Đại học Chicago, đã chứng minh rõ ràng rằng bức xạ cực tím hoặc phóng điện hoặc nhiệt hoặc sự kết hợp của chúng có thể tạo ra các hợp chất hữu cơ phức tạp từ một hỗn hợp khí metan, amoniac, nước (dòng nước) và hydro. Tỷ lệ khí mêtan, amoniac và hydro trong thí nghiệm của Miller là 2: 1: 2.

Miller đã lưu thông bốn khí khí metan, amoniac, hydro và hơi nước trong một thiết bị kín khí và truyền các luồng điện từ các điện cực ở 800 ° C. Anh ta cho hỗn hợp qua một bình ngưng.

Ông lưu thông khí liên tục theo cách này trong một tuần và sau đó phân tích thành phần hóa học của chất lỏng bên trong thiết bị. Ông tìm thấy một số lượng lớn các hợp chất hữu cơ đơn giản bao gồm một số axit amin như alanine, glycine và axit aspartic. Miller đã tiến hành thí nghiệm để kiểm tra ý tưởng rằng các phân tử hữu cơ có thể được tổng hợp trong môi trường khử.

Các chất khác, như urê, hydro xyanua, axit lactic và axit axetic cũng có mặt. Trong một thí nghiệm khác, Miller đã tuần hoàn hỗn hợp khí theo cách tương tự nhưng anh ta không vượt qua được sự phóng điện. Anh ta không thể có được năng suất đáng kể của các hợp chất hữu cơ.

Sau đó, nhiều nhà điều tra đã tổng hợp rất nhiều hợp chất hữu cơ bao gồm purin, pyrimidine và đường đơn giản, v.v ... Người ta cho rằng các "khối xây dựng" thiết yếu như nucleotide, axit amin, v.v ... của các sinh vật sống có thể hình thành trên đất nguyên thủy.

4. Sự hình thành các phân tử hữu cơ phức tạp (Macromolecules):

Một loạt các axit amin, axit béo, hydrocarbon, purin và pyrimidine, đường đơn giản và các hợp chất hữu cơ khác tích lũy trong biển cổ đại. Trong khí quyển nguyên thủy, sét, năng lượng mặt trời, ATP và polyphosphate có thể đã cung cấp nguồn năng lượng cho các phản ứng trùng hợp của tổng hợp hữu cơ.

SW Fox thuộc Đại học Miami đã chứng minh rằng nếu một hỗn hợp axit amin gần như khô được làm nóng, các phân tử polypeptide được tổng hợp. Tương tự các loại đường đơn giản có thể tạo thành polysacarit và axit béo có thể kết hợp để tạo ra chất béo. Axit amin có thể tạo thành protein, khi các yếu tố khác có liên quan.

Do đó, các phân tử hữu cơ đơn giản nhỏ kết hợp với nhau tạo thành các phân tử hữu cơ phức tạp lớn, ví dụ, các đơn vị axit amin tham gia để tạo thành polypeptide và protein, các đơn vị đường đơn giản kết hợp để tạo thành polysacarit, axit béo và glycerol hợp nhất để tạo thành chất béo, đường, bazơ nitơ và phốt phát kết hợp thành nucleotide mà trùng hợp thành axit nucleic trong các đại dương cổ đại.

Đường + Đường tôn-> Polysacarit

Axit béo + Glycerol trong khi ăn-> Chất béo

Aminoacids- + Aminoacids trong trò chơi >> Protein

Các cơ sở nitơ + Đường Pentose + Phốt phát trên nền> Nucleotide

Nucleotide + Nucleotides trong trò chơi> Axit nucleic

Điều gì đã đến RNA hoặc Protein đầu tiên?

Giả thuyết đầu tiên về RNA:

Đầu những năm 1980, ba nhà khoa học (Leslia orgel, Francis Crick và Carl Woese) đã độc lập đề xuất Thế giới RNA là giai đoạn đầu tiên trong sự tiến hóa của sự sống trong đó RNA xúc tác tất cả các phân tử cần thiết cho sự sống sót và sao chép. Thomas Ceck và Sidney Altman đã chia sẻ giải thưởng Nobel về hóa học năm 1989 vì họ phát hiện ra rằng RNA có thể vừa là chất nền vừa là enzyme.

Nếu các tế bào đầu tiên sử dụng RNA làm phân tử di truyền của chúng, DNA sẽ tiến hóa từ khuôn mẫu RNA. DNA có lẽ đã không tiến hóa khi một phân tử di truyền không làm cho cuộc sống dựa trên RNA trở nên được bao bọc trong màng. Một khi các tế bào tiến hóa DNA có thể thay thế RNA làm mã di truyền cho hầu hết các sinh vật.

Giả thuyết đầu tiên về Protein:

Một số tác giả (ví dụ Sidney Fox, 1978) cho rằng một hệ thống xúc tác protein phải được phát triển trước một hệ thống sao chép axit nucleic. Sidney Fox đã chỉ ra rằng các axit amin bị trùng hợp một cách đột ngột khi tiếp xúc với nhiệt khô để tạo thành proteinoids.

Giả thuyết của Cairns-Smith:

Nó được đề xuất bởi Graham Caims-Smith, theo đó cả protein và RNA có nguồn gốc cùng một lúc.

Sự hình thành của Nucleoprotein:

Các phân tử nucleoprotein khổng lồ được hình thành bởi sự kết hợp của các phân tử axit nucleic và protein. Những hạt nucleoprotein này được mô tả là gen sống tự do. Nucleoprotein có lẽ là dấu hiệu đầu tiên của sự sống.

B. Tiến hóa sinh học (Sinh học):

Điều kiện cho nguồn gốc của sự sống:

Đối với nguồn gốc của sự sống, ít nhất ba điều kiện là cần thiết.

(a) Phải có một nguồn cung cấp các bộ sao, tức là các phân tử tự sản xuất.

(b) Sao chép các bộ sao này phải bị lỗi thông qua đột biến.

Nhiệt độ cao ở trái đất sớm sẽ đáp ứng yêu cầu đột biến.

1. Protobionts hoặc Protocell:

Đây là ít nhất hai loại cấu trúc phòng thí nghiệm được sản xuất khá đơn giản, các đồng trùng hợp của Op Oparin và các kính hiển vi của Fox có một số điều kiện tiên quyết cơ bản của các tế bào proto.

Mặc dù các cấu trúc này được tạo ra một cách nhân tạo, nhưng chúng chỉ ra khả năng các màng bọc phi sinh học (tế bào proto) có thể duy trì các hệ thống phản ứng trong ít nhất là thời gian ngắn và dẫn đến nghiên cứu về việc sản xuất thử nghiệm các túi liên kết màng có chứa các phân tử, tức là, tế bào nguyên sinh.

(i) Coacervates:

Giả thuyết đầu tiên được đề xuất bởi Oparin (1920). Theo giả thuyết này, tế bào proto sớm có thể là một đồng trùng hợp. Oparin đã đưa ra thuật ngữ coacervates. Đây là những cấu trúc không sống dẫn đến sự hình thành của các tế bào sống đầu tiên mà từ đó các tế bào phức tạp hơn ngày nay đã phát triển.

Oparin suy đoán rằng một tế bào proto bao gồm carbohydrate, protein, lipid và axit nucleic tích tụ để tạo thành một coacervate. Một cấu trúc như vậy có thể bao gồm một tập hợp các đại phân tử hữu cơ được bao quanh bởi một màng các phân tử nước.

Sự sắp xếp các phân tử nước này, mặc dù không phải là màng, có thể có chức năng như một rào cản vật lý giữa các phân tử hữu cơ và môi trường xung quanh. Họ có thể chọn lọc lấy vật liệu từ môi trường xung quanh và kết hợp chúng vào cấu trúc của chúng.

Coacervate đã được tổng hợp trong phòng thí nghiệm. Họ có thể hấp thụ chọn lọc các hóa chất từ nước xung quanh và kết hợp chúng vào cấu trúc của chúng. Một số coacervate chứa các enzyme chỉ đạo một loại phản ứng hóa học cụ thể.

Bởi vì họ thiếu một màng xác định, không ai tuyên bố các đồng phạm còn sống, nhưng họ thể hiện một số cuộc sống giống như các nhân vật. Họ có một tổ chức đơn giản nhưng bền bỉ. Họ có thể vẫn còn trong giải pháp cho thời gian dài. Họ có khả năng tăng kích thước.

(ii) Kính hiển vi:

Một giả thuyết khác là tế bào proto sớm có thể là một kính hiển vi. Một microsphere là một tập hợp các đại phân tử hữu cơ không có sự sống với ranh giới ngoài hai lớp. Thuật ngữ microsphere được đưa ra bởi Sydney Fox (1958-1964).

Sidney Fox đã chứng minh khả năng xây dựng các microspheres từ proteinoids. Proteinoids là protein giống như các cấu trúc bao gồm các chuỗi axit amin phân nhánh. Proteinoids được hình thành do sự tổng hợp mất nước của các axit amin ở nhiệt độ 180 ° C. Fox, từ Đại học Miami, đã chỉ ra rằng việc kết hợp các axit amin đơn thành polyme của proteinoids là khả thi. Ông cũng chứng minh khả năng xây dựng các kính hiển vi từ các proteinoid này.

Fox quan sát các đơn vị giống như tế bào hình cầu nhỏ phát sinh từ tập hợp proteinoids. Những tập hợp phân tử này được gọi là microspheres proteinoid. Các dạng sống không tế bào đầu tiên có thể bắt nguồn từ 3 tỷ năm trước. Chúng sẽ là các phân tử khổng lồ (RNA, Protein, Polysacarit, v.v.).

Microspheres có thể được hình thành khi proteinoids được đặt trong nước sôi và từ từ cho phép làm mát. Một số vật liệu proteinoid tạo ra cấu trúc ranh giới kép bao quanh vi cầu. Mặc dù những bức tường này không chứa lipit, nhưng chúng thể hiện một số đặc tính giống như màng và gợi ý cấu trúc của màng tế bào.

Kính hiển vi sưng lên hoặc co lại tùy thuộc vào tiềm năng thẩm thấu trong dung dịch xung quanh. Chúng cũng hiển thị một loại chuyển động bên trong (phát trực tuyến) tương tự như thể hiện bởi các tế bào và chứa một số proteinoid hoạt động như enzyme. Sử dụng ATP làm nguồn năng lượng, microspheres có thể định hướng sự hình thành polypeptide và axit nucleic. Họ có thể hấp thụ vật liệu từ môi trường xung quanh.

Chúng có khả năng vận động, tăng trưởng, phân hạch nhị phân thành hai hạt và khả năng sinh sản bằng cách nảy chồi và phân mảnh. Nhìn bề ngoài, sự chớm nở của chúng giống với vi khuẩn và nấm.

Theo một số nhà điều tra, microspheres có thể được coi là tế bào sống đầu tiên.

2. Nguồn gốc của Prokaryote:

Prokaryote có nguồn gốc từ các tế bào nguyên sinh khoảng 3, 5 tỷ năm trước trên biển. Bầu không khí yếm khí vì oxy tự do không có trong khí quyển. Prokaryote không có màng nhân, tế bào hoặc bào quan phức tạp. Chúng phân chia bằng phân hạch nhị phân. Một số tế bào hóa thạch lâu đời nhất được biết đến xuất hiện như một phần của stromatolites. Stromatolites được hình thành ngày nay từ trầm tích và prokaryote quang hợp (chủ yếu là tảo lục sợi nấm màu xanh lá cây).

3. Sự phát triển của các chế độ dinh dưỡng:

(i) Heterotrophs:

Các prokaryote sớm nhất có lẽ thu được năng lượng bằng cách lên men các phân tử hữu cơ từ nước dùng biển trong khí quyển không có oxy (làm giảm khí quyển). Họ yêu cầu vật liệu hữu cơ sẵn sàng làm thực phẩm và do đó chúng là dị dưỡng.

(ii) Tự kỷ:

Do sự gia tăng nhanh chóng số lượng dị dưỡng, chất dinh dưỡng từ nước biển bắt đầu biến mất và dần cạn kiệt. Điều đó dẫn đến sự phát triển của autotrophs. Những sinh vật này có khả năng tạo ra các phân tử hữu cơ của riêng mình bằng phương pháp tổng hợp hoặc quang hợp.

(a) Hóa trị:

Giảm nhiệt độ ngừng tổng hợp các phân tử hữu cơ trong nước biển. Một số prokaryote đầu tiên đã chuyển đổi thành chemoautotrophs chế biến thực phẩm hữu cơ bằng cách sử dụng năng lượng được giải phóng trong một số phản ứng hóa học vô cơ. Những chemoautotrophs kỵ khí này giống như vi khuẩn kỵ khí hiện tại. Họ đã phát hành CO ₂ trong khí quyển.

(b) Photoautotrophs:

Sự phát triển của phân tử diệp lục cho phép một số nguyên mẫu nhất định sử dụng năng lượng ánh sáng và tổng hợp carbohydrate. Đây là những quang hợp kỵ khí. Họ không sử dụng nước làm nguồn hydro. Chúng tương tự như vi khuẩn lưu huỳnh ngày nay, trong đó hydro sunfua phân tách thành hydro và lưu huỳnh. Hydrogen được sử dụng trong sản xuất thực phẩm và lưu huỳnh được phát hành dưới dạng chất thải.

Các quang tự động hiếu khí đã sử dụng nước làm nguồn hydro và carbon dioxide làm nguồn carbon để tổng hợp carbohydrate khi có mặt năng lượng mặt trời. Các quang tự dưỡng hiếu khí đầu tiên là vi khuẩn lam (tảo xanh lam) giống như các dạng có diệp lục. Họ giải phóng oxy trong khí quyển là sản phẩm của quá trình quang hợp. Nguồn chính của biến thể di truyền là đột biến.

Cuộc cách mạng oxy:

Khi số lượng quang tự động tăng lên, oxy được giải phóng trong biển và khí quyển. Oxy tự do hơn phản ứng với metan và amoniac có trong bầu khí quyển nguyên thủy và biến khí metan và amoniac thành carbon dioxide và nitơ tự do.

CH ₄ + 20 _{2 trong số các trò} chơi-> CO ₂ + 2H ₂ O

4NH ₃ + 3O ₂ cầu hôn >> 2N ₂ + 6H ₂ O

Hóa thạch lâu đời nhất thuộc về tảo xanh lam, có tên Archaeospheroides barbertonensis đã được 3, 2 tỷ năm tuổi. Các prokaryote giải phóng oxy lần đầu tiên xuất hiện ít nhất 2, 5 tỷ năm trước.

4. Sự hình thành của tầng ôzôn:

Khi oxy tích lũy trong khí quyển, tia cực tím đã thay đổi một phần oxy thành ozone.

2O ₂ + O _{2 trận} đấu-> 2O ₃

Ôzôn hình thành một lớp trong khí quyển, ngăn chặn tia cực tím và để lại ánh sáng khả kiến là nguồn năng lượng chính.

5. Nguồn gốc của sinh vật nhân chuẩn:

Sinh vật nhân chuẩn được phát triển từ các tế bào nhân sơ nguyên thủy khoảng 1, 5 tỷ năm trước. Có hai quan điểm liên quan đến nguồn gốc của sinh vật nhân chuẩn.

(i) Nguồn gốc cộng sinh:

Theo Margulis (1970-1981) của Đại học Boston, một số tế bào chủ của động vật ăn thịt kỵ khí nhấn chìm vi khuẩn hiếu khí nguyên thủy nhưng không tiêu hóa được chúng. Những vi khuẩn hiếu khí này tự hình thành bên trong tế bào chủ dưới dạng cộng sinh. Các tế bào chủ ăn thịt như vậy đã trở thành các tế bào nhân chuẩn đầu tiên.

Các tế bào chủ của động vật ăn thịt nhấn chìm vi khuẩn hiếu khí tiến hóa thành tế bào động vật trong khi những tế bào bắt cả vi khuẩn hiếu khí và tảo xanh lam trở thành tế bào thực vật nhân chuẩn. Các vi khuẩn hiếu khí tự thành lập ty thể và tảo xanh lam như lục lạp.