وجهات النظر الحديثة في التطور الكيميائي والبيولوجي
وجهات النظر الحديثة في التطور الكيميائي والبيولوجي!
ووفقاً لهذه النظرية ، نشأت الحياة على الأرض المبكرة من خلال العمليات الفيزيائية الكيميائية للذرات التي تتجمع لتشكل جزيئات ، وتتفاعل الجزيئات بدورها لإنتاج مركبات عضوية وغير عضوية.
تتفاعل المركبات العضوية لإنتاج جميع أنواع الجزيئات الضخمة التي نظمت لتشكيل أول نظام أو خلايا حية.
وهكذا ، نشأت على هذه النظرية "الحياة" على أرضنا بشكل عفوي من مادة غير حية. تم تشكيل المركبات غير العضوية الأولى ثم المركبات العضوية وفقا لظروف بيئية دائمة التغير. وهذا ما يسمى التطور الكيميائي الذي لا يمكن أن يحدث في ظل الظروف البيئية الحالية على الأرض. توجد شروط مناسبة لأصل الحياة فقط على الأرض البدائية.
نظرية أوبارين هالدان تسمى أيضا نظرية كيميائية أو نظرية طبيعية
تشمل الآراء الحديثة المتعلقة بأصل الحياة التطور الكيميائي والتطور البيولوجي:
1. التطور الكيميائي:
(ط) المرحلة الذرية:
في وقت مبكر الأرض السيئة ذرات حرة لا تعد ولا تحصى من تزعج تلك العناصر (على سبيل المثال ، الهيدروجين والأكسجين والكربون والنيتروجين والكبريت والفوسفور ، وما إلى ذلك) التي تعتبر ضرورية لتشكيل بروتوبلازم. تم فصل الذرات في ثلاث كتل متحدة المركز وفقا لأوزانها ، (أ) تم العثور على أثقل ذرات الحديد والنيكل والنحاس ، وما إلى ذلك في وسط الأرض ، (ب) ذرات متوسطة الوزن من الصوديوم والبوتاسيوم والسيليكون والمغنيسيوم تم تجميع الألومونيوم ، والفوسفور ، والكلور ، والفلور ، والكبريت ، وغيرها في قلب الأرض ، (ج) شكلت الذرات الأخف من النيتروجين والهيدروجين والأكسجين والكربون وما إلى ذلك ، الأجواء البدائية.
(2) أصل الجزيئات والمركبات غير العضوية البسيطة:
الذرات الحرة مجتمعة لتشكل جزيئات ومركبات غير عضوية بسيطة. كانت ذرات الهيدروجين هي الأكثر عددا والأكثر تفاعلا في الجو البدائي. ذرات الهيدروجين الأولى مجتمعة مع جميع ذرات الأكسجين لتشكيل الماء وعدم ترك الأكسجين الحر. وهكذا كان الجو البدائي يخفض الجو (بدون الأكسجين الحر) على عكس الجو المؤكسد الحالي (مع الأكسجين الحر). ذرات الهيدروجين أيضا جنبا إلى جنب مع النيتروجين ، وتشكيل الأمونيا (NH 3 ). لذا فإن الماء والأمونيا ربما كانا أول جزيئات مركبة من الأرض البدائية.
(3) أصل المركبات العضوية البسيطة (مونومرات):
احتوى الغلاف الجوي البدائي على غازات مثل ثاني أكسيد الكربون ، CO ، N ، H 2 ، إلخ. النيتروجين والكربون في الغلاف الجوي ممزوجان بالذرات المعدنية ، وهما يتألفان من نيتريد وكربيدات. تفاعل بخار الماء وكربيدات المعادن لتشكيل أول مركب عضوي ، الميثان (CH 4 ). في وقت لاحق على سيانيد الهيدروجين (HCN) تشكلت.
يجب أن تسقط الأمطار الغزيرة:
وعندما هرعت المياه ، يجب أن تذوب وتحمل معها أملاح ومعادن ، وتتراكم في نهاية المطاف في شكل محيطات. وهكذا احتوت المياه المحيطية القديمة على كميات كبيرة من NH 3 ، CH 4 ، HCN ، nitrides ، كربيد ، غازات وعناصر مختلفة.
تفاعلت المركبات المبكرة وأنتجت مركبات عضوية بسيطة مثل السكريات البسيطة (على سبيل المثال ، الريبوز ، ديوكسيريبوز ، الجلوكوز ، الخ) ، والقواعد النيتروجينية (مثل البيورينات ، البيريميدين) ، والأحماض الأمينية ، والغليسيرول ، والأحماض الدهنية ، الخ. تم العمل على الخليط من أجل ردود الفعل. قد تكون هذه المصادر الخارجية (1) الإشعاعات الشمسية مثل الضوء فوق البنفسجي ، الأشعة السينية ، إلخ ، (2) الطاقة من التصريفات الكهربائية مثل البرق ، (3) الإشعاعات عالية الطاقة مصادر أخرى من الطاقات (ربما على نظائر غير مستقرة على الأرض البدائية). لم يكن هناك طبقة الأوزون في الغلاف الجوي.
وقد وصف JBS Haldane (1920) الماء المحيطي الغني بمزيج من المركبات العضوية بأنه "شوربة ساخنة مخففة من المواد العضوية". يسمى "الحساء المخفف الساخن" أيضًا بالحساء البريبايوتيك ". وهكذا تم تعيين المرحلة لمجموعة من العناصر الكيميائية المختلفة. بمجرد تكوين الجزيئات العضوية المتراكمة في الماء لأن تدهورها كان بطيئًا جدًا في غياب أي محفزات للحياة أو الإنزيمات.
الدليل التجريبي للتطور الجزيئي لأبيوجينيك للحياة:
أثبت ستانلي ميلر في عام 1953 بوضوح أن الأشعة فوق البنفسجية أو التصريفات الكهربائية أو الحرارة أو مزيج من هذه يمكن أن تنتج مركبات عضوية معقدة من خليط من الميثان والأمونيا والمياه (تيار الماء) ، والهيدروجين.
قام ميلر بتوزيع أربع غازات - غاز الميثان ، والأمونيا ، والهيدروجين ، وبخار الماء في جهاز ضيق الهواء ، وتم صرف التصريفات الكهربائية من الأقطاب الكهربائية عند 800 درجة مئوية. مرر الخليط من خلال مكثف. قام بتوزيع الغازات باستمرار بهذه الطريقة لمدة أسبوع واحد ثم قام بتحليل التركيبة الكيميائية للسائل داخل الجهاز. وجد عددًا كبيرًا من المركبات العضوية البسيطة بما في ذلك بعض الأحماض الأمينية مثل الألانين والجليسين وحمض الأسبارتيك. أثبت ميلر أن المركبات العضوية هي أساس الحياة.
كما توجد مواد أخرى مثل اليوريا وسيانيد الهيدروجين وحامض اللبنيك وحامض الخليك. في تجربة أخرى ، قام ميلر بتعميم مزيج الغازات بنفس الطريقة ، لكنه لم يمرر التفريغ الكهربائي. لم يستطع الحصول على العائد الهام للمركبات العضوية. في وقت لاحق قام العديد من الباحثين بتوليف مجموعة كبيرة ومتنوعة من المركبات العضوية بما في ذلك البيورينات ، البيريميدين والسكريات البسيطة ، الخ. ويعتبر أن "اللبنات الأساسية" مثل النيوكليوتيدات والأحماض الأمينية ، وما إلى ذلك من الكائنات الحية يمكن أن تكون قد تشكلت على الأرض البدائية.
(4) أصل المركبات العضوية المعقدة (البوليمرات):
مجموعة متنوعة من الأحماض الأمينية والأحماض الدهنية والهيدروكربونات وقواعد البيورين والبيريميدين والسكريات البسيطة والمركبات العضوية الأخرى المتراكمة في البحار القديمة. في الجو البدائي ، قد يكون التفريغ الكهربائي ، والبرق ، والطاقة الشمسية ، و ATP ، و polyphosphates مصدر الطاقة لتفاعلات البلمرة للتوليف العضوي. أثبتت SW Fox أنه إذا تم تسخين خليط شبه جاف من الأحماض الأمينية ، يتم تصنيع جزيئات الببتيد.
وبالمثل يمكن أن تشكل السكريات البسيطة السكريات المتعددة ويمكن أن تتحد الأحماض الدهنية لإنتاج الدهون. يمكن أن الأحماض الأمينية تشكل البروتينات ، عندما كانت العوامل الأخرى المعنية. وهكذا ، فإن الجزيئات العضوية البسيطة الصغيرة مجتمعة لتشكيل جزيئات عضوية معقدة كبيرة ، على سبيل المثال ، وحدات حمض أميني انضمت لتشكيل polypeptides والبروتينات ، ووحدات سكر بسيطة مجتمعة لتشكيل السكريات ، والأحماض الدهنية ، والجليسرول متحدة لتشكيل الدهون والسكريات والقواعد النيتروجينية والفوسفات. دمجها في النيوكليوتيدات التي تبلمر في الأحماض النووية في المحيطات القديمة.
2. التطور البيولوجي:
من أجل أصل الحياة ، هناك حاجة إلى ثلاثة شروط على الأقل:
(أ) يجب أن يكون هناك عرض للنسخ المتماثل ، أي الجزيئات المنتجة ذاتيًا.
(ب) يجب أن يكون نسخ هذه النسخ المتماثلة عرضة للخطأ من خلال الطفرة.
(ج) يجب أن يكون نظام النسخ المتماثل مطلوبا باستمرار من الطاقة الحرة والعزلة الجزئية من البيئة العامة.
كانت درجة الحرارة المرتفعة في أوائل الأرض قد استوفت شرط الطفرة.
أصل الجزيئات البريبايوتك:
تم تحقيق الشرط الثالث ، العزلة الجزئية ، داخل مجاميع جزيئات البريبايوتك التي تكونت بشكل مصطنع. تسمى هذه المجاميع بروتوبيونات يمكن أن تفصل بين مجموعات من الجزيئات من المحيط. إنها تحافظ على بيئة داخلية ولكنها غير قادرة على التكاثر. واثنين من protobionts الهامة هي coacervates والمجهرية.
Coacervates:
لاحظ Oparin (1924) أنه إذا تم تهتز خليط من بروتين كبير وعديد السكاريد ، يتم تكوين التكوُّن. تحتوي الأكاسيد على بروتينات وعديد سكريات وبعض الماء. كما يظهر تعقيدات Oparin شكل بسيط من التمثيل الغذائي. بما أن هذه الجيلاتيد لا تحتوي على أغشية دهنية خارجية وبالتالي فهي لا تستطيع التكاثر. وبالتالي فهي لا تفي بمتطلبات سلائف محتملة للحياة.
المجهرية:
عندما يتم مزج خليط من المركبات العضوية المنتجة اصطناعيا مع microspheres الماء البارد. إذا كان الخليط يحتوي على دهون ، يتكون سطح المجهرية من طبقة ثنائية من الدهون ، تذكرنا (تذكر أشياء الماضي) إلى طبقة ثنائية الدهون في أغشية الخلايا. قام ثعلب سيدني (1950) بتسخين خليط من 18 حمضًا من الأحماض الدهنية لدرجات حرارة تتراوح بين 130 و 180 درجة مئوية. وحصل على البروتين المستقر مثل الجزيئات الضخمة التي سماها بروتينية.
عندما تم تبريد المادة البروتينية وفحصها تحت المجهر ، لاحظت فوكس وحدات صغيرة تشبه الخلايا الكروية التي نشأت من مجموعات من البروتينية. كانت تسمى هذه المجاميع الجزيئية miciospheies protenoid. يمكن أن تكون أول أشكال الحياة غير الخلوية نشأت منذ 3 مليارات سنة. كانوا ليصبحوا جزيئات عملاقة (RNA ، بروتين ، و Polysaccharides الخ).
الخصائص الفيزيائية للمجهرات الكتوية (protosoid microspheres):
كانت مجهرية كروية مع حوالي 1 إلى 2 (أنا في القطر ، على غرار حجم وشكل البكتيريا المتكتلة.
الخصائص الهيكلية من microspheres protenoid:
تحت المجهر الإلكتروني ، لوحظت حدود طبقة مزدوجة متحدة المركز من حولهم والتي يحدث من خلالها نشر المواد. لديهم القدرة على الحركة ، والنمو ، والانشطار الثنائي في جزيئين ، والقدرة على الإنجاب من خلال التبرعم والتجزئة. ظاهريا ، يشبه مهدها تلك البكتيريا والفطريات.
أنشطة تشبه الإنزيمات من المجهرية protenoid:
وقد وجد أن لديهم نشاطًا حفزيًا ، مثل تدهور الجلوكوز. هذا النشاط الأنزيمي من المجهرية protenoid يضيع جزئيا أثناء التسخين.
العيب الرئيسي في microspheres protenoid هو أن لديهم تنوع محدود. وبالتالي فإن آلية العزلة الجزئية التي تؤدي إلى أصل البروتوكولات لا تزال دون حل.
بما أن كل من الأحماض النووية والبروتينية (مع مواد أبسط أخرى) مطلوبة لتطوير وإعادة إنتاج الكائنات الحية التي تعيش اليوم ، فإن السؤال الواضح هو أي من هذه المواد نشأ أولاً؟ لا توجد إجابة واضحة متاحة له.
نموذج RNA الأول:
في السنوات الأخيرة ، تؤيد الأدلة الحمض النووي الريبي (RNA) لتكون مادة من الجين الأول (Woese، 1967، Crick 1968، Orgel 1973، 1986 Watson et al 1986، Darnell et al 1986). وبالتالي قد يكون RNA أول بوليمر ، وقد يكون بعض أشكال النسخ العكسي قد أدى إلى ظهور الحمض النووي و RBA وبدأ الحمض النووي في السيطرة على تخليق البروتين.
لماذا الحمض النووي الريبي وليس الحمض النووي كان أول جزيء حي؟
يتم اكتشاف الأنشطة الإنزيمية لجزيئات الرنا باستمرار ، ولكن لم يعزى أي نشاط إنزيمي إلى الحمض النووي. علاوة على ذلك ، فإن ريبوز أكثر توليفة بسهولة من ديوكسيريبوز تحت الظروف الحيوية المحفزة. جزيء الحمض النووي الريبي المفيد الانتقائي سيكون واحدًا يوجِّه تخليق البروتين الذي يسرع من تكرار RNA (أي ، RNA polymerase).
يمكن أن تكون رنا RNAs حفز تشكيل الدهون مثل الجزيئات التي يمكن أن تكون ، بدورها ، شكلت غشاء البلازما والبروتينات. قد تكون البروتينات قد استحوذت على معظم الوظائف الأنزيمية لأنها محفزات أفضل من RNAs. إذا كانت الخلايا الأولى تستخدم الحمض النووي الريبي (RNA) كجزيئها الوراثي ، فإن الحمض النووي تطور من قالب RNA. وبمجرد تطور الخلايا ، ربما استبدل الحمض النووي الريبي RNA في معظم الكائنات الحية.
تشكيل الخلايا المبكرة:
(1) الكائنات الحية الأولى نشأت في الجزيئات العضوية وفي جو خالٍ من الأكسجين (تقليل الجو). يفترض أنهم حصلوا على الطاقة عن طريق تخمير بعض هذه الجزيئات العضوية. كانت اللاهوائية قادرة على التنفس في غياب الأكسجين. لقد اعتمدوا على الجزيئات العضوية الموجودة لتغذيتهم وبالتالي كانوا كائنات غيرية التغذية.
(2) عندما تم استنفاد إمدادات الجزيئات العضوية الموجودة ، ربما تكون بعض الكائنات غيرية التغذية قد تطورت لتصبح ذاتية التغذية الذاتية (autotrophs). كانت هذه الكائنات قادرة على إنتاج جزيئاتها العضوية عن طريق التخليق الكيميائي أو التركيب الضوئي.
(أ) التخليق الكيميائي:
تسمى الكائنات الحية التي تقوم بعملية التخليق الكيميائي chemoautotrophs. كانت اللاهوائية. طورت الالياف الكيموضوئية القدرة على تخليق جزيئات عضوية من مواد خام غير عضوية. هذا النمط من التغذية موجود حتى الآن في بعض البكتيريا ، على سبيل المثال بكتيريا الكبريت وبكتيريا الحديد والبكتيريا الآزوتية.
(ب) التمثيل الضوئي:
طورت الكائنات الحية الضوئية photototrophs ، الصباغ الكلوروفيل عن طريق الجمع بين مواد كيميائية بسيطة. أعدوا الطعام العضوي باستخدام الطاقة الشمسية التي تم التقاطها بمساعدة الكلوروفيل. كانت تفتقر إلى المسارات البيوكيميائية لإنتاج الأكسجين. كانت لا تزال اللاهوائية وتستخدم الهيدروجين من مصادر أخرى غير المياه.
في مرحلة لاحقة ، تطورت الأكسجين الافراج عن الكائنات الحية الضوئية. كانت هذه مماثلة للطحالب الخضراء الزرقاء الموجودة (البكتيريا الزرقاء). استخدموا الماء للحصول على الهيدروجين والأكسجين المنطلق. بدأت إضافة O 2 إلى الغلاف الجوي في أكسدة الميثان والأمونيا ، والتي بدأت تختفي.
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
4NH 3 + 3O 2 → 2N 2 + 6H 2 O
كانت الحياة موجودة على الأرض منذ حوالي 3.9 مليار سنة. ومع ذلك ، فإن أقدم خزانات دقيقة تم اكتشافها حتى الآن هي تلك الموجودة في البكتيريا الزرقاء الضوئية التي ظهرت قبل 3.3 إلى 3.5 مليار سنة.
تشكيل طبقة الأوزون:
ومع تراكم الأكسجين في الغلاف الجوي ، غيّر الضوء فوق البنفسجي بعض التيفوكسيجين إلى الأوزون.
2O 2 + O 2 → 2O 3
شكل الأوزون طبقة في الغلاف الجوي ، مما أدى إلى حجب الضوء فوق البنفسجي وترك الضوء المرئي كمصدر رئيسي للطاقة.
أصل الخلايا حقيقية النواة (الخلايا النووية الحقيقية):
تطور التنفس الهوائي الأكسجين الكافي في الجو البدائي. بدائيات النوى تعديل تدريجيا لتكييف نفسها وفقا لظروف جديدة. طوروا نواة حقيقية وعضيات خلوية أخرى متخصصة. وهكذا نشأت كائنات حية حقيقية الخلية تشبه الكائنات الحية في محيط أنسيريت ، ويفترض أنها حدثت منذ حوالي 1.5 بليون سنة. أدت حقيقيات النواة البدائية إلى تطور الأوليات ، والنباتات ، والفطريات والحيوانات.
ملخص الخطوات الرئيسية في أصل الحياة وفقا لنظرية أصل الحياة الحديثة.
