Lidské bytosti jsou komplexní entity, které kromě uspokojování svých základních potřeb vyžadují také vysvětlení své existence a původu. Z toho vyplývají rozmanité postuláty, od náboženských a filozofických oblastí až po vědecké. V rámci vědecké tradice byla postulována teorie molekulární evoluce. chemosyntetická teorieVychází ze studií vědců Alexandra Oparina a Johna Haldana, kteří, přestože nespolupracovali, dospěli ke stejné hypotéze. Tato hypotéza, formulovaná Oparinem a Haldanem ve 20. letech 20. století (v klasickém pojetí 1924), navazuje na základy položené v teorii velkého třesku, staví se proti teorii spontánního vzniku a nabízí alternativu k náboženským teoriím o původu života.
Co stanoví chemosyntetická teorie?
La chemosyntetická teorie původu života uvádí, že vodík (H2) přítomné v prvotní atmosféře reagovaly s atomy uhlíku, dusíku nebo kyslíku za vzniku Výživný vývar bohatý na jednoduché organické sloučeninyTento vývar, nazývaný také primitivní polévka o prvorozená polévkaPři kontaktu s různými zdroji primitivní energie (blesk, ultrafialové záření, sopečné teplo) vzniklo několik aminokyselinyTyto molekuly tvoří základní stavební kameny organického života. Během nesmírných časových období se tyto molekuly kombinovaly, organizovaly a stávaly se složitějšími, až vznikla molekulární agregáty s metabolickou aktivitouTedy systémy schopné provádět procesy podobné těm, které dnes vykonávají nejjednodušší živé organismy.
Jinými slovy, chemosyntetická teorie předpokládá, že za atmosférických a energetických podmínek, které dominovaly Zemi během prvních miliard let její existence, začal proces života na bázi uhlíku. abiotická syntéza organických molekulPostupem času se tyto molekuly vytvořily organizované struktury (koacerváty, protobionty, proteinové mikrosféry, sulfobiomy, podle různých autorů), které postupně získávaly vlastnosti, jako je výživa, vylučování, reprodukce a ukládání genetické informace, což umožnilo vznik prvních buněk.
Chemosyntetická teorie: Jak vznikl život na Zemi?
Podle nejrozšířenější kosmologické teorie vznikl vesmír z extrémně hustého a horkého stavu a postupem času se z něj vytvořily galaxie, hvězdy a planety. V tomto kontextu... Primitivní země Vznikla z velkého oblaku vodíku a dalších lehkých prvků. Současně se formovalo Slunce a další planety sluneční soustavy a mladá planeta zažila období intenzivní geologické a sopečné činnosti.
Zpočátku Teplota Země Byla extrémně vysoká, ale postupně se ochladila a pravěké oceány z kondenzace vodní páry. V té době se atmosféra velmi lišila od té dnešní: dominovala jí vodní párase metanu (CH4), amoniak (NH3), oxidu uhličitého (CO2) A molekulární vodík (H2Tato směs plynů tvořila atmosféru převážně reduktorvelmi odlišné od současné oxidační atmosféry bohaté na kyslík.
Na rozdíl od toho, co se děje dnes, v té počáteční fázi neexistovalo ozonová vrstva ...který dnes chrání zemský povrch před velkou částí ultrafialového záření. Proto všechny typy záření dopadaly přímo na zemský povrch, včetně ultrafialového a infračerveného záření. Kromě toho k tomu přispěla intenzivní sopečná činnost, dopady meteoritů a časté bouřky obrovské množství energieV tomto vysoce dynamickém a energickém scénáři se první organické sloučeniny v primitivních oceánech – jako například jednoduché uhlohydráty, lipidy y aminokyseliny– mohly se znovu a znovu formovat a ničit, dokud nakonec některé kombinace nedosáhly určitého chemická stabilita což napomáhalo jeho akumulaci a vývoji.
Po miliony let se tyto látky chemicky spojovaly a vytvářely stále složitější molekuly které byly podle Oparina vymezeny jakýmsi spontánní membránaTato seskupení molekul s určitým stupněm organizace a oddělení od média byla nazvána protobiontůExistence těchto primitivních systémů trvala dlouhou dobu a v průběhu generací některé z nich získaly vlastnosti živých bytostí, jako například schopnost živit, vylučovat odpad y reprodukovatTento druhý proces zahrnoval vznik molekul schopných ukládat a přenášet genetickou informaci, jako například nukleové kyseliny.
Z evolučního hlediska tito protobionti předcházeli první jednoduché buňky které se objevily později. Předpokládá se, že první živé bytosti, které se objevily na Zemi, byly velmi podobné určitým současné bakterieJednobuněčné, prokaryotické, velmi jednoduché organismy, které se živily organickými sloučeninami již existujícími v prostředí (heterotrofy) a které se postupem času diverzifikovaly a stávaly se složitějšími, až daly vzniknout mnohobuněčným organismům.
Atmosférické podmínky podle chemosyntetických postulátů
Chemosyntetická teorie tvrdí, že primitivní atmosféra Muselo mít vlastnosti, které by povzbuzovaly redukční reakce, protože kdyby existovala atmosféra s oxidačními tendencemi podobnými té současné, složky „Prvorozená polévka“ Rychle by se rozpadly. Z tohoto důvodu vědci, kteří navrhli různé evoluční teorie, tvrdí, že za počátečních podmínek planety Nemohlo tam být žádné významné množství volného kyslíkuprotože oxidační reakce by nepodporovaly postupný vývoj života z nestabilních organických sloučenin.
Tato redukční atmosféra je částečně vysvětlena převahou plynů, jako je vodík, metan, amoniak a vodní pára, spolu s dalšími sloučeninami, jako je kyanovodík. V nepřítomnosti molekulárního kyslíku (O₂)2) a ozonová vrstva, která by filtrovala záření, vysokofrekvenční sluneční energii a elektrické výboje, by mohla na tyto plyny přímo působit, přerušování odkazů a podporující tvorbu nových molekul. To vytvořilo chemické prostředí, ve kterém reakce organické syntézy Byly termodynamicky možné a mohly být udržovány nepřetržitě.
Základy teorie chemosyntetiky
Fáze postulování série teorií, které se rozcházely s precedenty teorie spontánního vzniku (v té době široce přijímaný) byl sloučen ze studií francouzského vědce Louise Pasteura, který v roce 1864 ve svých experimentech prokázal, že „Živé organismy pocházejí z živých organismů“Tyto výsledky vyvrátily myšlenku, že organismy by za současných podmínek mohly vzniknout okamžitě z nehmoty, a vydláždily cestu pro hledání komplexnějších a souvislejších vysvětlení o původu života v dávné minulosti za velmi odlišných podmínek.
Mezi tato nová vysvětlení patří chemosyntetická teoriekterá tvrdí, že život vznikl reakcí a kombinací základní chemické prvky přítomný v rané atmosféře a hydrosféře. Hlavní prvky, které tvoří tento postulát, jsou podrobně vysvětleny níže:
Složení Země v jejích raných stádiích: Tato teorie předpokládá, že na začátku měla planeta atmosféru bez volného kyslíku, ale bohatou na jiné složky, zejména vodík (vysoké koncentrace), takže to byla atmosféra sníženíTato vlastnost usnadňovala uvolňování atomů vodíku z přítomných chemických látek, což podporovalo adiční a syntetické reakce. Atmosféra navíc obsahovala další základní chemické sloučeniny, jako například... kyselina kyanovodíková (HCN), metanu (CH4), oxidu uhličitého (CO2), Voda (H2O) a dalších látek. Tato směs tvořila základ, z něhož se vyvinuly prebiotické chemické reakce, jež vedly ke vzniku prvních organických sloučenin.
- Tvorba výživného vývaru: také známý jako prvorozená polévka, sestával z aglomerace Výživná tekutina bohatá na jednoduché molekuly Vznikla ze všech těchto složek primitivní atmosféry rozpuštěných ve vodě. Tento objem kapaliny dal vzniknout prvním mořím. Jak se to stalo? Chemosyntetická teorie tvrdí, že v důsledku postupné ochlazování atmosféryVodní pára ze sopek a horkého povrchu planety kondenzovala. Kapičky vody s sebou nesly plyny a částice a vytvářely na živiny bohatou polévku, která se hromadila v prohlubních (prvotních oceánech a jezerech), kde se dlouhodobě udržovala bez rizika hromadného rozkladu v důsledku absence kyslíku a rozkládajících se organismů.
- Vzhled složitějších struktur: V tomto procesu působení různých Zdroje energiejako jsou bouřky, vysokoenergetické sluneční záření a sopečné erupce. Výsledkem těchto reakcí byl vznik komplexních složek, jako například jednoduché cukry, mastné kyseliny, glycerinu y aminokyselinyPostupem času chemická evoluce vedla ke strukturám, které Oparin nazval koacervujeIe koloidní agregáty organických molekul odolnější a pokročilejší než byli prekurzory současných nukleových kyselin a obecně živých systémů.
Tvorba koacervátů
Oparin prokázal, že v procesu evoluce chemických látek obsažených v tomto prvorozený vývar, ten koacervujecož byly složité druhy, tvořené spojení organických molekul jako jsou jednoduché proteiny, lipidy a polysacharidy. Během určitých procesů fázového dělení a separace se tato seskupení spojila do větších a stabilnějších struktur, čímž získala druh membrány, která je učinila relativně nezávislými na okolním prostředí. Tímto způsobem systémy schopné samosyntéza látek (schopnost produkovat si část vlastní potravy) a s vnitřní organizací, která se vyvíjela do stále stabilnějších a složitějších forem, až se stala skutečnými živými strukturami. Podle chemosyntetické teorie byly tyto prvotní organismy původem rostlinného a živočišného světa na naší planetě.
Zpočátku neexistovala ozonová vrstva, která by chránila buňky před přímým slunečním zářením. Proto se předpokládá, že první struktury mohly vzniknout a vyvíjet tímto způsobem. opakovaně ničen v důsledku přímého dopadu sluneční energie. Po milionech let se některé z těchto prvotních buněk dokázaly vyvinout do složitější organické systémyTo by jim umožnilo efektivnější množení. Následně se některé z těchto forem života začaly syntetizují si potravu ze sluneční energieprováděním procesu fotosyntézy a uvolňováním molekulárního kyslíku do atmosféry. Postupem času tento atmosférický kyslík umožnil vznik ozonová vrstvacož radikálně změnilo povrchové podmínky a umožnilo expanzi složitějších forem života.
Proces tvorby koacervátu je zjednodušeně definován níže:
- Všechno to začíná vytvořením organizovaná a relativně stabilní organická molekula ve vodném prostředí.
- Postupem času se vytvoří druhá komplementární molekula (a makromolekula, jako je peptid nebo jednoduchý polymer) a stává se součástí koacervátu, čímž stabilizuje molekulární agregát.
- Tato makromolekula, nebo jejich sada, může dosáhnout odděleně od původního koacervátu, přičemž si zachovává část své chemické organizace.
- Makromolekula, která se oddělila, začíná přitahují další kompatibilní sloučeniny a propojit je s jejich strukturou, čímž se znovu vytvoří nový koacervát s vlastnostmi podobnými originálu. Tímto způsobem se procesy rudimentární replikace a chemický výběr.
Tato hypotéza o koacervátech je považována za základní základ chemosyntetické teorie vzniku života v raných stádiích, před existencí protobiontů s RNA nebo DNA schopnými replikace mechanismy podobnými mechanismům současných prokaryotických bakterií.
Než přistoupíme k podrobnějšímu určení významu pojmu koacerváty, je nutné si připomenout jeho Etymologický původJe to slovo odvozené z latiny, konkrétně ze slovesa „coacervare“, které lze přeložit jako „hromadit“ nebo „hromadit“Termín se přesně vztahuje k akumulaci nebo seskupování molekul v koloidních kapénkách ve vodném prostředí.
L koacervuje Jsou to tedy systémy tvořené spojení komplexních molekul jako jsou elementární proteiny a aminokyseliny, spolu s dalšími organickými sloučeninami. Tyto systémy jsou považovány za modely extrémně primitivní živé bytostiprotože podle mnoha biologů a biochemiků byly klíčové pro vývoj života na planetě Zemi, i když se z nich nestaly kompletní buňky, jak je známe dnes.
Další precelulární modely: sulfobios a proteinové mikrosférule
V průběhu času různí vědci navrhli alternativní nebo doplňkové modely ke koacervátům, aby vysvětlili raná stádia vzniku života. Ačkoli tyto modely nemusí nutně reprezentovat skutečné struktury, které existovaly na rané Zemi, ukazují, jak se život vyvinul z... jednoduché látky Je možné generovat systémy s určitým úroveň organizace.
alfonso herreraMexický vědec, velmi zaujatý problémem původu života, popsal některé precelulární modely, které nazval „sulfobionty“Ty byly získány z anorganických sloučenin, jako např. thiokyanát amonný a formalínaniž by se uchylovalo k již existujícím biologickým látkám. Ačkoli je nepravděpodobné, že by sulfobiosa přesně reprezentovala struktury, které předcházely prvním skutečným buňkám, představují ilustrativní příklad toho, jak může hmota dosáhnout vyšší úrovně organizace počínaje jednoduššími úrovněmi. Herrera byl prvním výzkumníkem, který používal výhradně nebiologické látky navrhnout experimentální modely související se vznikem života.
Sidney Fox Navrhl další model precelulárních systémů známý jako „proteinové mikrosféry“Tyto mikrokuličky vznikají řadou chemických reakcí, při kterých... aminokyseliny polymerují působením teplatvořící jednoduché peptidové řetězce. Následně, když se tyto polymery rozpustí ve vodě za vhodného pH a koncentrace soli, mají tendenci agregovat se do sférických struktur obklopeny jakousi membránou nebo obalem. Ačkoli mikrosféruly vykazují určitou morfologickou podobnost s buňkami (mají kulovitý tvar, vnitřní a vnější hranice a dokonce i chemické gradienty), nejsou považovány za kompletní živé systémy. Jejich vznik však nabízí cenné poznatky o tom, jak mohly první organismy vzniknout. organizované systémy před buňkami.
Experimentální příspěvky k „prvotní polévce“
Kromě koacervátů, sulfobios a mikrosférul bylo provedeno mnoho experimentů k ověření věrohodnosti chemosyntetické teorie. Tyto výzkumy se snažily přibližně reprodukovat primitivní atmosférické a hydrosférické podmínky a pozorujte, jaké typy organických molekul mohou vznikat spontánně.
Cyril Ponnamperuma Prováděl experimenty, které simulovaly primitivní hydrosféra a atmosférana základě obecných principů klasického Millerova-Ureyova experimentu. Tento vědec umístil baňku, ve které se voda odpařovala a akumulovala všechny reakční produkty v redukční atmosféře, která v přímém kontaktu s ní vytvořila to, co nazval „Primitivní polévka“V jednom ze svých experimentů představil řešení Kyanovodík (HCN) působení ultrafialových paprsků po dobu několika dnů a zjistil, že dusíkaté báze adenin a guaninzákladní složky nukleových kyselin přítomných v živých systémech. Tento výsledek posílil myšlenku, že za přijatelných podmínek na rané Zemi bylo možné syntetizovat klíčové složky genetického materiálu bez nutnosti předchozího biologického zásahu.
Experiment Stanleyho Millera a Harolda Ureyho
Ačkoli postuláty chemosyntetické teorie původně stanovili Oparin a Haldane, později dva vědci –Stanley Miller y Harold Urey– V zmenšeném laboratorním experimentu, založeném na modelech své doby, znovu vytvořili podmínky primitivní atmosféry. Za tímto účelem vystavili směs vodík, metanu y amoniak na násobky elektrický šoks cílem simulovat elektrické bouře, o nichž se věřilo, že byly na rané Zemi časté. Výsledkem byla syntéza několika organické kyselinyvčetně aminokyselin.
Základním účelem tohoto testu bylo prokázat, že syntéza organických sloučenin Mohlo by se jednat o spontánní proces probíhající z jednoduchých molekul přítomných v první atmosféře, za předpokladu, že existují dostatečné zdroje energie. Tento experiment představoval jeden z nejvlivnějších empirických podkladů pro chemosyntetickou teorii.
Pro návrh svého experimentu použili Miller a Urey skleněná nádoba v uzavřeném okruhuV experimentu bylo určité množství vody umístěno do baňky tak, aby byla částečně naplněna a spojena s jinou komorou obsahující výše zmíněnou směs plynů. Voda byla zahřátá k varu, čímž vznikala pára, která cirkulovala do plynové komory, zatímco systém elektrod generoval elektrické výboje vysokého napětí, které procházely směsí a simulovaly prehistorické bouře. Následně pára a plyny opět kondenzovaly a vracely se do baňky s vodou, čímž se cyklus uzavřel. Experiment trval přibližně jeden týden, proces, po kterém byly analyzovány vzniklé produkty.
Prvním náznakem, že došlo k chemickým reakcím, bylo změna barvy vodykterý byl zpočátku průhledný a postupem času získal narůžovělý odstín, než nakonec zhnědl. Tato změna byla interpretována jako důsledek rostoucího koncentrace aminokyselin a dalších organických molekul syntetizováno v systému. Několik aminokyselin bylo identifikováno pomocí technik chemické analýzy, včetně glycin y alanin, kromě dalších esenciálních organických sloučenin.
Tento experiment byl rozhodujícím příspěvkem, který podporuje teorii, že první formy života mohly vzniknout z spontánní chemické reakce v primitivní atmosféře a oceánech, bez nutnosti přímého nadpřirozeného zásahu, ale v důsledku zákonů chemie a fyziky ve vhodném prostředí.
Omezení pro ověřování
Experimenty provedené za účelem ověření chemosyntetické teorie úspěšně prokázaly, že je pravděpodobný že původ života byl takový, jak ho popsali Oparin a Haldane, což potvrzují i práce badatelů, jako byli Miller, Urey, Ponnamperuma, Fox a další. Nelze však ignorovat skutečnost, že celý tento proces probíhal v průběhu času. obrovské časové úseky, která zahrnovala postupnou transformaci chemie planety.
Vzhledem k tomuto rozsáhlému časovému období, které zahrnovalo celý proces vzniku života na Zemi, se ukazuje, Je nemožné jej reprodukovat v celém rozsahu a věrně. v laboratořích. Vědci mohou za určitých předpokladů znovu vytvořit fragmenty primitivního scénáře a studovat specifické reakce, které poskytují vodítka o tom, co se mohlo stát, ale nemohou přesně rekonstruovat celý příběh.
Překážka času, přidaná k téměř úplná ztráta přímých důkazů Nedostatek dobře zachovalých hornin a fosilií z nejranějších stádií života staví vědce před složitou situaci. Možná to nikdy nebude možné s jistotou zjistit. s absolutní přesností jak vznikly první organismy, které obývaly planetu, ani jaká byla přesná posloupnost chemických a biologických událostí.
Navzdory tomuto nedostatku nám chemosyntetická teorie umožnila vyvodit ucelený a vědecky podložený obraz o tom, co mohlo být zrodem života na Zemi. Integrací dat z geologie, chemie, molekulární biologie a astrobiologie byl vytvořen vysvětlující rámec, v němž jednoduché molekuly postupně ustupovaly, upřednostňované prostředím, komplexním systémům schopným sebereplikace, metabolismu a evoluce. Tento pohled, neustále revidovaný a obohacovaný, zůstává jedním z nejsilnějších návrhů pro pochopení toho, jak se inertní hmota mohla transformovat v život na naší planetě.
Bibliografie:
- Wetto, Milena (n.d.). Chemosyntetická teorie: Vznik života na Zemi:
https://www.lifeder.com/teoria-quimiosintetica/
- Autorská práva. (2008–2019) DEFINICE KOACERVÁTŮ:
https://definicion.de/coacervados/
- Manuel (Nd) Co je chemosyntetická teorie? Základy a experiment.
https://www.recursosdeautoayuda.com/teoria-quimiosintetica/
- Haldane-Oparin (n.d.). Chemosyntetická teorie.
https://portalacademico.cch.unam.mx/alumno/biologia2/unidad1/teoriaQuimiosintetica
Díky všem těmto teoretickým a experimentálním příspěvkům se chemosyntetická teorie upevnila jako jedno z nejkompletnějších a nejpodrobnějších vědeckých vysvětlení původu života, které integruje chemii primitivní Země, energii dostupnou v tomto prostředí a inherentní schopnost hmoty organizovat se a vyvíjet se do stále složitějších forem.