أصل الحياة: نظرية المنشأ الحديثة للحياة
اقرأ هذه المقالة للتعرف على النظرية الحديثة المعروفة أيضًا باسم Oparin-Haldane Theory of Origin of Life!
النظرية الحديثة أو Oparin-Haldane Theory of Origin of Life:
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. تفاعلت المركبات العضوية لإنتاج جميع أنواع الجزيئات الكبيرة التي نظمت لتشكيل أول نظام أو خلايا حية.
الصورة مجاملة: upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6f/Blacksmoker_in_Atlantic_Ocean.jpg
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. كان AI Oparin (1894-1980) عالم روسي. نشر كتابه "أصل الحياة" في عام 1936 ، ونسخة باللغة الإنجليزية في عام 1938. ولد JBS Haldane (1892-1964) في إنجلترا لكنه هاجر إلى الهند في يوليو 1957 واستقر في بوبانسوار ، أوريسا. كان عالم الأحياء ، والكيمياء الحيوية وعلم الوراثة. أعطى كل من Oparin (1938) و Haldane (1929) وجهات نظر مماثلة بشأن أصل الحياة.
تشمل وجهات نظر المودم بشأن أصل الحياة التطور الكيميائي والتطور البيولوجي:
التطور الكيميائي (كيموجيني):
1. المرحلة الذرية:
كان للأرض المبكرة ذرات لا حصر لها من كل هذه العناصر (مثل الهيدروجين والأكسجين والكربون والنيتروجين والكبريت والفوسفور ، إلخ) والتي تعتبر ضرورية لتشكيل البروتوبلازم. 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 ، الفوسفور ، الكلور ، الفلور ، الكبريت ، إلخ في قلب الأرض ، (ج) شكلت الذرات الأخف من النيتروجين ، الهيدروجين ، الأكسجين ، الكربون ، الخ. الأجواء البدائية.
2. تشكيل الجزيئات غير العضوية:
الذرات الحرة مجتمعة لتشكيل جزيئات غير عضوية مثل H 2 (هيدروجين) ، N 2 (نيتروجين) ، H 2 0 (بخار الماء) ، CH 4 (Methane) ، NH 3 (Ammonia) ، C0 2 (ثاني أكسيد الكربون). 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 فقد تكون المياه والأمونيا أول جزيئات الأرض البدائية.
3. تشكيل الجزيئات العضوية البسيطة (مونومرات):
تفاعلت الجزيئات غير العضوية المبكرة وأنتجت جزيئات عضوية بسيطة مثل السكريات البسيطة (مثل الريبوز ، ديوكسيريبوز ، الجلوكوز ، إلخ) ، والقواعد النيتروجينية (مثل البيورينات ، البيريميدين) ، والأحماض الأمينية ، والغليسيرول ، والأحماض الدهنية ، إلخ.
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.
CH 4 + C0 2 + H 2 0 -> Sugars + Glycerol + Fatty Acids
CH 4 + HCN + NH 3 + H 2 0 -> Purines + Pyrimidines
CH 4 + NH 3 + C0 2 + H 2 0 -> الأحماض الأمينية
يجب أن تكون بعض المصادر الخارجية تعمل على خليط 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.
كان JB Haldane (1920) عبارة عن حساء يشبه الحساء من مواد كيميائية تم تكوينها في محيطات من الأرض المبكرة التي يعتقد أن الخلايا الحية قد ظهرت بها ، يطلق عليها "حساء prebiotic" (وتسمى أيضًا "حساء مخفف ساخن"). 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:
ستانلي ميلر في عام 1953 ، الذي كان حينها طالب دراسات عليا في جامعة هارولد أوري (1893-1981) في جامعة شيكاغو ، أظهر بوضوح أن الإشعاع فوق البنفسجي أو التصريفات الكهربائية أو الحرارة أو مزيج من هذه يمكن أن تنتج مركبات عضوية معقدة من خليط من الميثان والأمونيا والمياه (تيار الماء) ، والهيدروجين. كانت نسبة الميثان والأمونيا والهيدروجين في تجربة ميلر 2: 1: 2.
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. أجرى ميلر التجربة لاختبار فكرة أن الجزيئات العضوية يمكن تركيبها في بيئة تقليل.
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 بتصنيع مجموعة كبيرة ومتنوعة من المركبات العضوية بما في ذلك البيورينات ، والسكريات البيريميدين والبسيطة ، وما إلى ذلك. ويعتبر أن "اللبنات الأساسية" مثل النيوكليوتيدات والأحماض الأمينية ، وما إلى ذلك من الكائنات الحية يمكن أن تكون قد تشكلت على الأرض البدائية.
4. تشكيل الجزيئات العضوية المعقدة (الجزيئات الكبيرة):
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 جامعة جنوب فوكس في جامعة ميامي أنه إذا تم تسخين خليط شبه جاف من الأحماض الأمينية ، يتم توليف 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.
سكر + سكر ———-> السكريات
الاحماض الدهنية + الغليسيرول ———-> الدهون
الأحماض الأمينية - + الأحماض الأمينية --——–> البروتينات
القواعد النيتروجينية + السكريات الخماسية + الفوسفاط ———> النيوكليوتيدات
النيوكليوتيدات + النيوكليوتيدات ———–> الأحماض النووية
الذي جاء أول رنا أو بروتين؟
الفرضية الأولى للـ RNA:
في أوائل الثمانينات من القرن الماضي ، اقترح ثلاثة من العلماء (Leslia orgel و Francis Crick و Carl Woese) عالم RNA كمرحلة أولى في تطور الحياة حيث قام RNA بتحفيز جميع الجزيئات الضرورية للبقاء والتكرار. شارك توماس سيك وسيدني ألتمان في جائزة نوبل في الكيمياء عام 1989 لأنهما اكتشفا أن الحمض النووي الريبي يمكن أن يكونا ركيزة وإنزيما.
إذا كانت الخلايا الأولى تستخدم الحمض النووي الريبي كجزيئها الوراثي ، فإن الحمض النووي تطور من قالب RNA. ربما لم يتطور الحمض النووي كما جزيء وراثي un tills الحياة القائمة على الحمض النووي الريبي أصبحت مغلفة في الغشاء. وبمجرد أن تحل الخلايا DNA محل الحمض النووي الريبي (RNA) على أنه الرمز الجيني لمعظم الكائنات الحية.
فرضية البروتين الأولى:
عدد من المؤلفين (على سبيل المثال سيدني فوكس ، 1978) زعموا أنه يجب أن يكون النظام التحفيزي للبروتين قد تطور قبل النظام التكراري للأحماض النووية. وقد أظهرت سيدني فوكس أن الأحماض الأمينية تبلمر بشكل بارز عند تعرضها للحرارة الجافة لتشكيل البروتينات.
نظرية كيرنس سميث:
تم اقتراحه من قبل جراهام كايمز سميث ، حيث أن كلا من البروتينات و RNA نشأ في نفس الوقت.
تشكيل nucleoproteins:
تشكلت جزيئات البروتين النووي العملاقة عن طريق اتحاد جزيئات الحمض النووي والبروتين. تم وصف جسيمات البروتين النووي هذه على أنها جينات حية مجانية. أعطت البروتينات النووية على الأرجح أول علامة على الحياة.
التطور البيولوجي (Biogeny):
شروط أصل الحياة:
من أجل أصل الحياة ، هناك حاجة لثلاثة 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.
1. Protobionts أو Protocells:
هذه هي نوعان على الأقل من الهياكل المختبرية البسيطة إلى حد ما ، مثل أوبارنز ، و microspheres فوكس التي تمتلك بعض المتطلبات الأساسية لخلايا البروتو.
على الرغم من أن هذه الهياكل تم إنشاؤها بشكل مصطنع ، إلا أنها تشير إلى احتمال أن تكون العبوات الغشائية غير البيولوجية (خلايا البروتون) قادرة على الحفاظ على نظم تفاعلية لفترات زمنية قصيرة على الأقل ، وأدت إلى إجراء أبحاث على الإنتاج التجريبي للحويصلات المرتبطة بالغشاء والتي تحتوي على جزيئات ، وخلايا البروتو.
(ط) التكسير:
اقترح الافتراض الأول Oparin (1920). ووفقًا لهذه الفرضية ، يمكن أن تكون الخلية الأولية الباكرة عبارة عن تجلط. أعطى Oparin مصطلح coacervates. كانت هذه الهياكل غير الحية التي أدت إلى تشكيل الخلايا الحية الأولى التي تطورت منها اليوم الخلايا الأكثر تعقيدًا.
وتوقع أوبرين أن تكون الخلية البروتينية تتكون من الكربوهيدرات والبروتينات والدهون والأحماض النووية التي تراكمت لتكوين تجمد. كان من الممكن أن يتكون مثل هذا الهيكل من مجموعة من الجزيئات العضوية العضوية المحاطة بفيلم من جزيئات الماء.
هذا الترتيب لجزيئات الماء ، على الرغم من أنه ليس غشاء ، يمكن أن يعمل كحاجز مادي بين الجزيئات العضوية ومحيطها. يمكن أن يأخذوا المواد من المناطق المحيطة بهم بشكل انتقائي ويدمجونها في هيكلهم.
تم تركيبها في المختبر. يمكنهم امتصاص المواد الكيميائية بشكل انتقائي من المياه المحيطة بها ودمجها في هيكلها. تحتوي بعض الأحماض على إنزيمات توجه نوعًا معينًا من التفاعل الكيميائي.
ولأنهم يفتقرون إلى غشاء محدد ، لا يدعي أحد أنهم على قيد الحياة ، لكنهم يظهرون بعض الحياة مثل الشخصيات. لديهم منظمة بسيطة ولكنها مستمرة. يمكنهم البقاء في حل لفترات طويلة. لديهم القدرة على زيادة في الحجم.
(2) المجهرية:
فرضية أخرى هي أن الخلية الأولية البدائية يمكن أن تكون مجهرية. والمجهر الصغير هو مجموعة غير حية من الجزيئات العضوية ذات الحدود الخارجية المزدوجة الطبقات. مصطلح microsphere قدمه سيدني فوكس (1958-1964).
أظهر سيدني فوكس القدرة على بناء microsphere من البروتينات. البروتينات Proteinoids هي عبارة عن تراكيب بروتينية تتكون من سلاسل متفرعة من الأحماض الأمينية. تتكون البروتينات من تخليق الأحماض الأمينية بجفاف عند درجة حرارة 180 درجة مئوية. أظهر فوكس ، من جامعة ميامي ، أنه من الممكن الجمع بين الأحماض الأمينية الأحادية في بوليمرات البروتينات. كما أظهر القدرة على بناء microspheres من هذه proteinoids.
لاحظت فوكس وحدات صغيرة تشبه الخلايا الكروية التي نشأت من تجمعات البروتينات. كانت تسمى هذه المجاميع الجزيئية المجهرية البروتينات. يمكن أن تكون أول أشكال الحياة غير الخلوية نشأت منذ 3 مليارات سنة. كانوا ليصبحوا جزيئات عملاقة (RNA ، بروتينات ، عديد السكاريد الخ.).
يمكن تشكيل المجهرية عندما توضع البروتينات في الماء المغلي ويسمح ببطء لتبرد. تنتج بعض المواد التي تحتوي على البروتينات بنية مزدوجة الحدود تحيط بالغلاف الميكروي. على الرغم من أن هذه الجدران لا تحتوي على الدهون ، إلا أنها تظهر بعض الخصائص الشبيهة بالغشاء وتقترح بنية الغشاء الخلوي.
تتضخم المجهرية أو تتقلص اعتمادا على الإمكانات التناضحية في المحلول المحيط. كما أنها تعرض نوعًا من الحركة الداخلية (الجري) مشابهة لتلك التي تعرضها الخلايا وتحتوي على بعض البروتينات التي تعمل كأنزيمات. باستخدام ATP كمصدر للطاقة ، يمكن للكريات الدقيقة توجيه تشكيل polypeptides والأحماض النووية. يمكنهم امتصاص المواد من الوسط المحيط.
لديهم القدرة على الحركة ، والنمو ، والانشطار الثنائي في جزيئين ، والقدرة على الإنجاب من خلال التبرعم والتجزئة. ظاهريا ، يشبه مهدها تلك البكتيريا والفطريات.
وفقا لبعض الباحثين ، يمكن اعتبار الخلايا المجهرية الخلايا الحية الأولى.
2. أصل بدائيات النوى:
ظهرت بدائيات النواة من الخلايا الأولية قبل حوالي 3.5 مليار سنة في البحر. كان الجو غير هوائي لأن الأكسجين الحر كان غائباً في الغلاف الجوي. لا تحتوي بدائيات النواة على الغشاء النووي أو الهيكل الخلوي أو العضيات المعقدة. تقسم الانشطار الثنائي. تظهر بعض أقدم الخلايا الأحفورية المعروفة كأجزاء من ستروماتوليت. يتم تشكيل Stromatolites اليوم من الرواسب و prokaryotes الضوئي (أساسا cynobacteria الخيطية - الطحالب الخضراء الزرقاء).
3. تطور وسائل التغذية:
(1) المتغايز:
من المفترض أن تكون أول بدائيات النواة قد حصلت على الطاقة عن طريق تخمير الجزيئات العضوية من مرق البحر في جو خالٍ من الأكسجين (تقليل الجو). كانوا يتطلبون المواد العضوية الجاهزة كغذاء وبالتالي كانوا كائنات غيرية التغذية.
(2) Autotrophs:
نظرًا للزيادة السريعة في عدد الكائنات غيرية التغذية ، بدأ المغذِّي من مياه البحر بالاختفاء واستنفد تدريجيًا. التي أدت إلى تطور autotrophs. كانت هذه الكائنات قادرة على إنتاج جزيئاتها العضوية عن طريق التخليق الكيميائي أو التركيب الضوئي.
(أ) الـ Chemoautotrophs:
توقف انخفاض في درجة الحرارة توليف الجزيئات العضوية في مياه البحر. تم تحويل بعض من بدائيات النواة في وقت مبكر إلى chemoautotrophs التي أعدت الأغذية العضوية باستخدام الطاقة المنطلقة خلال بعض التفاعلات الكيميائية غير العضوية. كانت هذه chemoautotrophs اللاهوائية مثل البكتيريا اللاهوائية الحالية. أصدروا ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.
(ب) مدخلات الصور الفوتونية:
إن تطور جزيء الكلوروفيل قد مكَّن بعض الخلايا الطبيعية من استخدام الطاقة الضوئية وتوليف الكربوهيدرات. كانت هذه الصور الفوتوغرافية اللاهوائية. لم يستخدموا الماء كمصدر للهيدروجين. كانت مشابهة لبكتيريا الكبريت الحالية التي تنقسم فيها كبريتيد الهيدروجين إلى هيدروجين وكبريت. تم استخدام الهيدروجين في صناعة الأغذية وتم إطلاق الكبريت كمنتج نفايات.
استخدم مصدر الهواء الهوائي في الماء الماء كمصدر للهيدروجين وثاني أكسيد الكربون كمصدر للكربون لتجميع الكربوهيدرات في وجود الطاقة الشمسية. كانت أول صور ضوئية هوائية هي البكتيريا الزرقاء (الطحالب الخضراء الزرقاء) مثل الأشكال التي كانت تحتوي على الكلوروفيل. أطلقوا الأكسجين في الغلاف الجوي كمنتج من التمثيل الضوئي. كان المصدر الرئيسي للاختلاف الجيني هو الطفرة.
ثورة الأكسجين:
ومع ازدياد عدد عينات الصور ، تم إطلاق الأكسجين في البحر والجو. الأكسجين الحر من التفاعل مع الميثان والأمونيا الموجودة في الجو البدائي وتحويل الميثان والأمونيا إلى ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين الحر.
CH 4 + 20 2 ————-> CO 2 + 2H 2 O
4NH 3 + 3O 2 ——––> 2N 2 + 6H 2 O
أقدم حفرية تنتمي إلى الطحالب الخضراء الزرقاء ، وتسمى Archaeospheroides barbertonensis التي يبلغ عمرها 3.2 مليار سنة. ظهر أكسجين النواة الأولية لأول مرة قبل 2.5 مليار سنة على الأقل.
4. تشكيل طبقة الأوزون:
ومع تراكم الأوكسجين في الغلاف الجوي ، غير الضوء فوق البنفسجي بعض الأكسجين 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.
5. أصل Eukaryotes:
تم تطوير حقيقيات النوى من خلايا بدائية النواة البدائية منذ حوالي 1.5 مليار سنة. هناك نوعان من وجهات النظر فيما يتعلق بأصل النواة حقيقية النواة.
(1) المنشأ التكافلي:
وفقا لمارغوليس (1970-1981) من جامعة بوسطن ، غمرت بعض الخلايا المضيفة اللاهوائية المفترسة البكتيريا الهوائية البدائية لكنها لم تهضمها. هذه البكتيريا الهوائية أثبتت نفسها داخل الخلايا المضيفة باعتبارها symbionts. أصبحت خلايا المضيف المفترس هذه أول خلية حقيقية النواة.
تطورت الخلايا المضيفة المفترسة التي تكتسح البكتيريا الهوائية إلى خلايا حيوانية بينما الخلايا التي استولت على كل من البكتيريا الهوائية والطحالب الخضراء المزرقة أصبحت خلايا نباتية حقيقية النواة. أثبتت البكتيريا الهوائية نفسها بأنها الميتوكوندريا والطحالب الخضراء الزهرية مثل البلاستيدات الخضراء.
(ثانيا) المنشأ عن طريق Invagination:
ووفقًا لهذه النظرة ، ربما تكون العضيات الخلوية للخلايا حقيقية النواة قد نشأت عن طريق غشاء الغشاء السطحي للخلايا بدائية النواة البدائية.
