Origine della vita: evoluzione chimica, formazione della vita primitiva ed evoluzione

Origine della vita :: A. Chemogeny (evoluzione chimica) B. Biogeny (Formazione di vita primitiva) C. Cognogeny (Natura della vita primitiva e della sua evoluzione).

La moderna teoria dell'origine della vita è stata proposta da un biochimico russo, Alexander I. Oparin (1923 d.C.) e sostenuta da uno scienziato britannico, JBS Haldane (1928 d.C.), così viene anche chiamata teoria di Oparin-Haldane.

Ha affermato che la vita primitiva originata nei corpi idrici sulla terra primitiva da molecole organiche non viventi (ad esempio, proteine ​​RNA, ecc.) Per evoluzione chimica attraverso una serie di reazioni chimiche circa 4 miliardi di anni fa (nel periodo Precambriano) ( cioè circa 500 milioni di anni dopo la formazione della terra). È una teoria molto soddisfacente perché ha una spiegazione scientifica ed è stata testata sperimentalmente. La teoria di Oparin è anche nota come abiogenesi primaria.

I vari passaggi della teoria moderna sono:

A. Chemogeny (evoluzione chimica):

(a) Le condizioni sulla terra primitiva, circa 4 miliardi di anni fa, erano tali che favorivano l'evoluzione chimica. Quando la temperatura superficiale della terra era inferiore a 100 ° C. La sua atmosfera aveva azoto sotto forma di ammorua (-NH ₃ ), carbonio sotto forma di metano (-CH ₄ ) e ossigeno sotto forma di vapori d'acqua (H ₂ O) ma non c'era ossigeno libero quindi l'atmosfera primitiva era “riducendo”. Questi composti erano chiamati composti protoplasmatici.

(b) Quando la terra si raffreddò, sviluppò una crosta solida che in seguito formò depressioni e rilievi. Nel frattempo, i vapori d'acqua atmosferici si condensarono e alla fine arrivarono alla superficie sotto forma di pioggia. L'acqua raccolta nelle depressioni, sciolse i minerali come cloruro e fosfati e formò infine corpi idrici di grandi dimensioni chiamati oceani.

(c) Formazione di composti organici semplici:

Quando la superficie terrestre si è raffreddata a 50-60 ° C, le molecole e i minerali presenti nei corpi idrici si sono combinati e ricombinati in vari modi attraverso i processi di condensazione, polimerizzazione e ossido-riduzione per formare semplici composti organici come alcoli, aldeidi, glicerolo, acidi grassi, purine, pirimidine, zuccheri semplici (es. ribosio, desossiribosio, glucosio, ecc.) e amminoacidi.

Questi composti organici si accumulavano nei corpi idrici perché il loro degrado era molto lento in assenza di catalizzatori di consumatori o enzimi o assenza di ossigeno. Tale trasformazione non è possibile nella presente atmosfera ossidante perché l'ossigeno oi micro-consumatori decompongono o distruggono le particelle viventi che possono sorgere per semplice caso.

L'energia per queste reazioni fotochimiche è stata fornita da uno dei seguenti fattori:

(i) Eruzioni vulcaniche (intenso calore secco della Terra),

(ii) radiazioni solari (raggi UV),

(iii) Energia elettrica prodotta durante il lampo, e

(iv) Decadimento di elementi radioattivi.

Haldane propose che questi semplici composti organici si accumulassero gradualmente in questi corpi d'acqua e alla fine si formò una "zuppa calda e sottile" o una "zuppa pre-biotica" o brodo. Questo ha posto le basi per varie reazioni chimiche.

(d) Formazione di composti organici complessi:

Composti organici semplici hanno mostrato reazioni chimiche e polimerizzazioni casuali per formare composti organici complessi come polisaccaridi, grassi, nucleotidi, acidi nucleici, polipeptidi, ecc.

Le principali fonti di energia per le reazioni chimiche e la formazione di polimeri erano: scariche elettriche, fulmini, energia solare, ATP e pirofosfati. L'evaporazione dell'acqua ha portato alla concentrazione di monomeri e alla polimerizzazione favorita.

Questi polimeri erano più stabili quindi questi erano dominati nei corpi idrici. L'alta concentrazione di polimeri ha spostato l'equilibrio chimico verso la formazione di polimeri stabili da monomeri instabili.

(e) Formazione di protobionts:

Per l'origine della vita, devono essere soddisfatte le seguenti tre condizioni:

(i) Deve esserci un rifornimento continuo di molecole auto-produttrici, chiamate replicatori.

(ii) La copia di questi replicatori deve essere stata soggetta a mutazione (modifica).

(iii) Il sistema dei replicatori deve aver richiesto una fornitura continua di energia libera e il loro parziale isolamento dall'ambiente generale.

Il principale fattore responsabile delle mutazioni nei replicatori (molecole prebiotiche) era probabilmente moti termici indotti da alte temperature mentre l'isolamento parziale è stato raggiunto all'interno dei loro aggregati. Oparin e Sydney Fox proposero che complessi composti organici sintetizzati in modo abiogenico sulla terra primitiva in seguito tendevano ad accumularsi e formavano grandi aggregati simili a cellule colloidali chiamati protobionts.

Tali prime forme di vita non cellulari probabilmente hanno avuto origine 3 miliardi di anni fa. Questi avrebbero molecole giganti contenenti RNA, proteine, polisaccaridi, ecc. Questi aggregati possono separare le combinazioni di molecole dall'ambiente circostante e possono mantenere un ambiente interno.

Ma il loro principale svantaggio era che non erano in grado di riprodursi. Questi aggregati microscopici, sferici, stabili e mobili erano chiamati coacervati (L. acervus = pile - Fig. 7.4) di Oparin e microsfere di Sydney Fox.

Poiché questi coacervati non hanno la membrana esterna lipidica e non possono riprodursi, non soddisfano i requisiti come candidati di probabili precursori della vita. Le microsfere hanno avuto successo e si sono moltiplicate in quanto hanno avuto il potere di crescita e divisione (germogliamento, frammentazione e fissione binaria - Fig. 7.5).

B. Biogenia (Formazione della vita primitiva):

Poiché la fisiologia cellulare è il risultato dell'attività enzimatica, quindi gli enzimi devono essersi sviluppati prima delle cellule. Gradualmente gli aggregati genetici sono stati circondati da un complesso sistema di enzimi che ha formato il citoplasma. Questi enzimi avrebbero potuto combinare le basi azotate, zuccheri semplici e fosfati nei nucleotidi.

I nucleotidi potrebbero essere combinati per formare acido nucleico che sembrano essere le biomolecole che soddisfano la condizione di fornitura dei replicatori nell'origine della vita.

Attualmente la biologia molecolare opera sul principio del dogma centrale che afferma che il flusso di informazioni genetiche è unidirezionale e viene mostrato come segue:

DNA (trascrizione) → RNA (traduzione) → Proteina

(Con informazioni genetiche) (Con messaggio genetico)

Questo meccanismo probabilmente si è evoluto da un meccanismo molto più semplice.

L'acido nucleico e le proteine ​​(enzimi) sono due biomolecole interdipendenti. Le proteine ​​sono sintetizzate da un processo che inizia con la trascrizione di informazioni dal DNA all'mRNA seguita dalla traslazione sui ribosomi mentre gli acidi nucleici dipendono dagli enzimi proteici per la loro replicazione.

Quindi, le proteine ​​e gli acidi nucleici formano due primi composti chimici della vita. La teoria del proteinoide afferma che le molecole proteiche si sono evolute per prime, mentre l'ipotesi del gene nudo afferma che l'acido nucleico originò prima e controllò la formazione delle proteine.

La sintesi in vitro della molecola di RNA di 77 ribonucleotidi di HG Khorana (1970) ha dato origine alla speculazione che probabilmente l'RNA, e non il DNA, era il materiale genetico primordiale. Questa visione è stata ulteriormente supportata dalla scoperta di alcuni Ribozimi (molecole di RNA aventi proprietà enzimatiche).

Quindi l'ultima osservazione è che le prime cellule usavano l'RNA come materiale ereditario e successivamente il DNA si è evoluto da un modello di RNA solo quando la vita basata sull'RNA è stata racchiusa nelle membrane. Infine, il DNA ha sostituito l'RNA come materiale genetico per la maggior parte degli organismi. Qualche associazione casuale di proteine, purine, pirimidine e altri composti organici potrebbe aver dato origine a un sistema che potrebbe riprodursi.

Una sottile membrana limitante è stata sviluppata attorno al citoplasma mediante la piegatura del monostrato di fosfolipidi per formare una membrana cellulare. È quindi possibile che le prime cellule si siano formate nello stesso modo in cui le coacervate si sono formate nei corpi idrici primitivi. Le prime strutture "simili a celle" con potere di divisione erano chiamate "eobionts" o "Pre-cell". Tali prime forme di vita cellulare hanno avuto origine circa 2000 milioni di anni fa.

Questi erano forse simili a Mycoplasma che diede origine a Monerani (cellule senza un nucleo ben definito) e Protisti (cellule con nucleo distinto). La Monera includeva i procarioti come batteri e cianobatteri. Il Protista ha dato origine agli eucarioti che si sono evoluti in protozoi, metazoi e metaphyta. Questo primitivo antenato unicellulare di archeobatteri, eubatteri ed eucarioti era chiamato progenote.

Prova sperimentale dell'evoluzione molecolare abiogenica della vita:

Nel 1953, Stanley L. Miller (Figura 7.8) (un biochimico) e Harold C. Urey (un astronomo) sperimentarono sperimentalmente la formazione di composti organici semplici da composti più semplici in condizioni riducenti (Figura 7.9).

Si chiama esperimento di simulazione. Era finalizzato a valutare la validità della richiesta di Oparin e Haldane sull'origine delle molecole organiche nella condizione della Terra primordiale. Hanno sottoposto la miscela metano-ammoniaca-idrogeno-acqua (simulando l'atmosfera primordiale) per circa una settimana su una scintilla elettrica (di circa 75.000 volt che simulava l'alleggerimento della terra primitiva e forniva una temperatura di circa 800 ° C) tra due elettrodi di tungsteno in una camera a gas (chiamata apparato di scarica a scintilla) posta in condizioni riducenti.

Metano, ammoniaca e idrogeno sono stati presi nel rapporto di 2: 2: 1. Hanno passato i prodotti caldi attraverso un condensatore (per condensazione e raccolta di prodotto finale acquoso,

Equivalente alla zuppa di Haldane).

L'esperimento di controllo conteneva tutti i requisiti tranne la fonte di energia. Dopo diciotto giorni, hanno analizzato chimicamente i composti chimici mediante metodi cromatografici e colorimetrici. Hanno trovato molti aminoacidi (glicina, alanina, acido aspartico, acido glutammico ecc.), Peptidi, purine, pirimidine e acidi organici.

Queste purine e pirimidine fungevano da precursori degli acidi nucleici. Questi amminoacidi sono essenziali per la formazione delle proteine. I prodotti intermedi sono risultati essere aldeidi e HCN. Nell'esperimento di controllo è stata rilevata una quantità insignificante di molecole organiche.

L'analisi del contenuto di meteoriti ha rivelato anche composti simili che indicano processi simili che si verificano altrove nello spazio.

Prova sperimentale della formazione di composti organici complessi:

Sydney W. Fox (1957 d.C.) ha riferito che quando una miscela di 18-20 aminoacidi viene riscaldata al punto di ebollizione (da 160 a 210 ° C per diverse ore) e poi raffreddata in acqua, molti amminoacidi hanno polimerizzato e formato catene polipeptidiche, chiamato proteinoidi.

La Fox affermò che questi proteinoidi con acqua formavano gli aggregati colloidali chiamati coacervati o microsfere (Figura 7.10). Questi erano di circa 1-2 μm di diametro, simili ai batteri coccoid nella forma e nelle dimensioni.

Questi potrebbero essere indotti a costrizione superficialmente simile a germogliare in batteri e funghi (lievito). Ha anche riferito la formazione di porfirine, nucleotidi e ATP da composti inorganici e HCN.

Formazione di aggregati complessi:

Oparin ha riportato che se si agita una miscela di una grande proteina e un polisaccaride, si formano coacervati. Il nucleo di questi coacervati era formato principalmente da proteine, polisaccaridi e acqua, ed era parzialmente isolato dalla soluzione acquosa circostante con una minore quantità di proteine ​​e polisaccaridi. Ma questi coacervati non hanno membrana esterna di lipidi e non sono stati in grado di riprodursi.

C. Cognogeny (Natura della vita primitiva e sua evoluzione):

La sezione naturale funzionava anche al momento dell'origine della vita. La selezione continua di eobionti più riusciti accompagnata con la perfezione del sistema a membrana ha probabilmente portato alla formazione della prima cellula.

Le prime cellule erano anaerobiche (ottenevano energia mediante la fermentazione di alcune molecole organiche in assenza di ossigeno), procarioti (con nucleoloide come nei batteri) e chemioeterotrofici (alimenti pretrattati derivati ​​da molecole organiche esistenti).

Questi hanno iniziato a ricavare composti organici nutritivi dai mari primitivi come blocchi di costruzione e fonti di energia. Quindi queste cellule sono cresciute a dimensioni enormi. Per limitare le loro dimensioni, i chemioeterotrofi hanno iniziato la mitosi cellulare e ne hanno aumentato il numero.

Per far fronte all'esaurimento delle sostanze organiche, alcuni di questi chemioeterotrofi si sono evoluti in anaerobici, procarioti e chemoautotrofi. Questi hanno iniziato a sintetizzare il loro stesso cibo biologico da composti inorganici in presenza di energia chimica (anche dalla degradazione di composti inorganici) ed enzimi quali batteri che riducono il solfato, batteri nitrificanti, batteri di ferro, ecc. La forza principale per questo tipo di evoluzione è stata proposta essere di mutazioni.

Affrontando il problema dell'aumento della carenza di composti inorganici, alcuni chemoautotrofi hanno sviluppato porfirine e batterioclorofilla (pigmento fotosintetico verde) e iniziato la fotosintesi (sintesi di carboidrati). Ciò ha portato all'evoluzione di fotoautotrofi anaerobici, procarioti e. Questi si sono evoluti circa 3500-3800 milioni di anni fa.

I primi fotoautotrofi erano anossici perché non utilizzavano l'acqua come materia prima nella fotosintesi. Successivamente, questi svilupparono la vera clorofilla e iniziarono a usare l'acqua come reagente, così O ₂ si sviluppò nel processo della fotosintesi. I primi fotoautotropi ossigenati e aerobici erano cianobatteri che si ritiene si evolvano da 3.300 a 3.500 milioni di anni fa.

Allo stesso modo, JW Schopf (1967) ha riportato la presenza di 22 amminoacidi in una vecchia roccia di 3000 milioni, mentre il più antico micro-fossile appartiene alle alghe blu-verdi, vale a dire gli Archaespheroids barbertonensis, da 3, 3 a 3, 5 miliardi di anni fa.

Per lungo tempo, le forme dominanti e forse le uniche forme di vita sulla terra erano batteri, muffe e cianobatteri. Gradualmente, le alghe blu-verdi si sono evolute in altre forme di alghe. Si stima che gli eucarioti si siano sviluppati intorno a 1600 milioni di anni fa.

I primi eucarioti si sono evoluti attraverso la mutazione nei procarioti (Raff e Mahler, 1972) o l'associazione simbiotica di diversi procarioti (Marguilis, 1970). Successivamente sono stati sviluppati molti tipi di alghe, funghi, protozoi e altri organismi viventi.