Inimesed on keerulised olendid, kes lisaks oma põhivajaduste rahuldamisele vajavad ka selgitusi oma olemasolu ja päritolu kohta. Sellest tulenevad mitmesugused postulaadid, alates religioossetest ja filosoofilistest kuni teaduslikeni. Teadusvaldkonnas postuleeriti molekulaarse evolutsiooni teooria, mida nimetatakse kemosünteesi teooriaks , mis põhines teadlaste Alexander Oparini ja John Haldane'i uuringutel, kes, kuigi nad ei töötanud koos, jõudsid sama hüpoteesini. See hüpotees, mille Oparin ja Haldane sõnastasid 1920. aastatel (klassikaliste postulaatide kohaselt 1924), tugineb Suure Paugu teooria loodud alustele, on vastu spontaanse tekkimise teooriale ja pakub alternatiivi religioossetele teooriatele elu tekke kohta.
Mida kehtestab kemosünteetiline teooria?
Elu tekke kemosünteesi teooria väidab , et ürgatmosfääris olev vesinik (H₂ ) reageeris süsiniku-, lämmastiku- või hapnikuaatomitega, moodustades toitaineterikka supi, mis sisaldas lihtsaid orgaanilisi ühendeid . See supp, mida nimetatakse ka ürgseks supiks , andis kokkupuutel erinevate ürgenergiaallikatega (välk, ultraviolettkiirgus, vulkaaniline kuumus) alguse mitmetele aminohapetele , mis moodustavad orgaanilise elu ehitusplokid. Tohutute ajavahemike jooksul need molekulid ühinesid, organiseerusid ja muutusid keerukamaks, moodustades lõpuks metaboolse aktiivsusega molekulaarseid agregaate – st süsteeme, mis on võimelised läbi viima protsesse, mis sarnanevad tänapäeva kõige lihtsamate elusorganismide omadega.
Teisisõnu, kemosünteesi teooria väidab, et atmosfääri- ja energeetilistes tingimustes, mis valitsesid Maad selle esimeste miljardite aastate jooksul, algas orgaaniliste molekulide abiootiline süntees . Aja jooksul moodustasid need molekulid organiseeritud struktuure (erinevate autorite sõnul koatservaadid, protobiondid, valgu mikrosfäärid, sulfobios), mis omandasid järk-järgult selliseid omadusi nagu toitumine, eritumine, paljunemine ja geneetilise teabe säilitamine, võimaldades seega esimeste rakkude teket.
Kemosünteetiline teooria: kuidas elu Maal tekkis?
Kõige laiemalt aktsepteeritud kosmoloogilise teooria kohaselt tekkis universum äärmiselt tihedast ja kuumast olekust ning aja jooksul tekkisid galaktikad, tähed ja planeedid. Selles kontekstis tekkis varajane Maa suurest vesinikgaasi ja teiste valguselementide pilvest. Samal ajal tekkisid Päike ja teised päikesesüsteemi planeedid ning noor planeet koges intensiivse geoloogilise ja vulkaanilise aktiivsuse perioodi.
Algselt oli Maa temperatuur äärmiselt kõrge, kuid see jahtus järk-järgult ja veeauru kondenseerumisest hakkasid tekkima ürgsed ookeanid . Sel ajal oli atmosfäär tänapäevast väga erinev: selles domineerisid veeaur , metaan (CH4 ) , ammoniaak (NH3 ) , süsinikdioksiid (CO2 ) ja molekulaarne vesinik (H2 ) . See gaaside segu moodustas peamiselt redutseeriva atmosfääri , mis on väga erinev tänapäeva oksüdeerivast, hapnikurikkast atmosfäärist.
Erinevalt tänapäevast puudus sel algfaasil osoonikiht , mis nüüd kaitseb Maa pinda suure osa ultraviolettkiirguse eest. Seetõttu jõudis igasugune kiirgus, sealhulgas ultraviolett- ja infrapunakiired, otse Maa pinnale. Lisaks pakkusid intensiivne vulkaaniline aktiivsus, meteoriitide kokkupõrked ja sagedased elektritormid tohutul hulgal energiat . Selles väga dünaamilises ja energilises keskkonnas suutsid esimesed orgaanilised ühendid ürgsetes ookeanides – näiteks lihtsüsivesikud , lipiidid ja aminohapped – korduvalt moodustuda ja laguneda, kuni lõpuks saavutasid mõned kombinatsioonid keemilise stabiilsuse , mis soodustas nende akumuleerumist ja evolutsiooni.
Miljonite aastate jooksul ühendusid need ained keemiliselt üksteisega, moodustades üha keerukamaid molekule , mis Oparini sõnul piirdusid omamoodi spontaanse membraaniga . Neid molekulide rühmitusi, millel oli teatud organiseeritus ja keskkonnast eraldatus, nimetati protobiontideks . Nende primitiivsete süsteemide olemasolu oleks kestnud pikka aega ja põlvkondade jooksul omandasid mõned neist elusolendite omadusi, nagu võime end toita , jäätmeid eritada ja paljuneda . See viimane protsess hõlmas geneetilist teavet säilitavate ja edastavate molekulide, näiteks nukleiinhapete , ilmumist.
Evolutsioonilisest vaatenurgast eelnesid need protobiontid esimestele lihtsatele rakkudele , mis hiljem ilmusid. Arvatakse, et esimesed Maal tekkinud elusolendid olid väga sarnased teatud tänapäeva bakteritega : väga lihtsad, üherakulised, prokarüootsed organismid, mis toitusid keskkonnas juba esinevatest orgaanilistest ühenditest (heterotroofid) ning mis aja jooksul mitmekesistusid ja muutusid keerukamaks, kuni tekkisid mitmerakulised organismid.
Atmosfääritingimused vastavalt kemosünteesi postulaatidele
Kemosünteesi teooria väidab, et primitiivsel atmosfääril pidid olema omadused, mis soodustasid redutseerivaid reaktsioone , kuna kui oleks eksisteerinud atmosfäär, millel oleksid praegusega sarnased oksüdatiivsed kalduvused, oleksid ürgse supi komponendid kiiresti lagunenud. Sel põhjusel väidavad teadlased, kes on erinevaid evolutsiooniteooriaid postuleerinud, et planeedi algtingimustes ei oleks vaba hapnikku saanud märkimisväärses koguses eksisteerida , kuna oksüdatsioonireaktsioonid ei oleks soodustanud elu järkjärgulist arengut ebastabiilsetest orgaanilistest ühenditest.
Seda redutseerivat atmosfääri seletatakse osaliselt selliste gaaside nagu vesinik, metaan, ammoniaak ja veeaur, aga ka teiste ühendite, näiteks vesiniktsüaniidi, domineerimisega. Molekulaarse hapniku (O₂ ) ja kiirgust filtreeriva osoonikihi puudumisel said kõrgsageduslik päikeseenergia ja elektrilaengud neile gaasidele otse mõjuda, lõhkudes sidemeid ja soodustades uute molekulide moodustumist. See lõi keemilise keskkonna, kus orgaanilise sünteesi reaktsioonid olid termodünaamiliselt võimalikud ja pidevalt jätkusid.
Kemosünteetilise teooria alused
Spontaanse genereerimise teooria pretsedentidega (mis olid tol ajal laialdaselt aktsepteeritud) murdnud teooriate seeria pakkumise etappi kinnistasid prantsuse teadlase Louis Pasteuri uuringud, kes 1864. aastal oma katsetes näitas, et "elu tuleb elust ". Need tulemused lammutasid idee, et organismid võivad praegustes tingimustes tekkida otse inertsest ainest, ja sillutasid teed keerukamate ja sidusamate selgituste otsimisele elu päritolu kohta kauges minevikus, väga erinevates tingimustes.
Nende uute selgituste hulgas on kemosünteesi teooria , mis väidab, et elu tekkis varajases atmosfääris ja hüdrosfääris esinevate põhiliste keemiliste elementide reaktsioonist ja kombinatsioonist . Selle postulaadi peamised elemendid on allpool üksikasjalikult selgitatud:
Maa koostis algstaadiumis: see teooria väidab, et algselt oli planeedil atmosfäär, milles puudus vaba hapnik, kuid mis oli rikas teiste komponentide, peamiselt vesiniku ( kõrges kontsentratsioonis ) poolest, muutes selle redutseerivaks atmosfääriks . See omadus hõlbustas vesinikuaatomite vabanemist olemasolevatest keemilistest ühenditest, soodustades liitumis- ja sünteesireaktsioone. Lisaks sisaldas atmosfäär ka teisi aluselisi keemilisi ühendeid, nagu vesiniktsüaniid (HCN), metaan (CH4 ) , süsinikdioksiid (CO2 ) , vesi (H2O ) ja muud ained. See segu moodustas aluse prebiootilisele keemilisele reaktsioonile, mis andis alust esimestele orgaanilistele ühenditele.
- Toitev puljong moodustub: tuntud ka kui esmasündinu supp, koosnes aglomeratsioonist Toitev vedelik, mis on rikas lihtsate molekulide poolest See moodustus kõigi nende ürgse atmosfääri komponentide vees lahustumisest. Sellest vedelikumahust tekkisid esimesed mered. Kuidas see juhtus? Kemosünteesi teooria väidab, et tagajärjel atmosfääri järkjärguline jahtumineVulkaanidelt ja planeedi kuumalt pinnalt pärit veeaur kondenseerus. Veepiisad kandsid endaga kaasas gaase ja osakesi, moodustades toitaineterikka segu, mis kogunes süvenditesse (ürgsetesse ookeanidesse ja järvedesse), kus see püsis pikka aega ilma massilise lagunemise ohuta hapniku ja lagunevate organismide puudumise tõttu.
- Keerukamate struktuuride välimus: Selles protsessis toimub mitmesuguste tegevus Energiaallikadnäiteks äikesetormid, suure energiaga päikesekiirgus ja vulkaanipursked. Nende reaktsioonide tulemuseks oli keerukate komponentide moodustumine, näiteks lihtsad suhkrud, rasvhapped, glütseriin y aminohappedAja jooksul tekkisid keemilise evolutsiooni käigus struktuurid, mida Oparin nimetas koatserveeribSt orgaaniliste molekulide kolloidsed agregaadid resistentsemad ja arenenumad kui olid praeguste nukleiinhapete ja üldiselt elussüsteemide eelkäijad.
Koaservaatide moodustumine
Oparin leidis, et selles ürgses supis sisalduvate keemiliste liikide evolutsiooniprotsessis tekkisid koatservaadid . Need olid keerulised organismid, mis moodustusid orgaaniliste molekulide, näiteks lihtvalkude, lipiidide ja polüsahhariidide ühinemisel. Teatud jagunemis- ja faasieraldumisprotsesside käigus ühinesid need rühmad suuremateks ja stabiilsemateks struktuurideks, omandades omamoodi membraani, mis muutis nad ümbritsevast keskkonnast suhteliselt sõltumatuks. Sel viisil tekkisid süsteemid, millel oli võime isesünteesida ( võime toota osa oma toidust) ja sisemine organisatsioon, mis arenesid üha stabiilsemateks ja keerukamateks vormideks, kuni neist said tõelised elusstruktuurid. Kemosünteesi teooria kohaselt olid need ürgorganismid meie planeedi taime- ja loomariigi päritolu.
Algselt puudus osoonikiht, mis oleks rakke otsese päikesekiirguse eest kaitsnud. Seetõttu arvatakse, et esimesed struktuurid tekkisid ja hävisid korduvalt päikeseenergia otsese mõju tõttu. Miljonite aastate pärast võisid mõned neist ürgrakkudest areneda keerukamateks orgaanilisteks süsteemideks , mis võimaldasid neil tõhusamalt paljuneda. Seejärel hakkasid mõned neist eluvormidest oma toitu päikeseenergiast sünteesima , viies läbi fotosünteesi protsessi ja vabastades atmosfääri molekulaarset hapnikku. Aja jooksul võimaldas see atmosfäärihapnik osoonikihi moodustumist , mis muutis radikaalselt pinnatingimusi ja võimaldas keerukamate eluvormide levikut.
Koatservaadi moodustumise protsessi on lihtsustatult defineeritud allpool:
- Kõik algab a moodustamisest organiseeritud ja suhteliselt stabiilne orgaaniline molekul vesikeskkonnas.
- Aja möödudes moodustub teine komplementaarne molekul (a makromolekul, näiteks peptiid või lihtne polümeer) ja see saab koatservaadi osaks, stabiliseerides molekulaarset agregaati.
- See makromolekul või nende komplekt võib jõuda eraldi algsest koatservaadist, säilitades osa oma keemilisest organisatsioonist.
- Eraldunud makromolekul hakkab lagunema. meelitada ligi teisi ühilduvaid ühendeid ja siduda need oma struktuuriga, luues seeläbi uue koatservaadi, mille omadused on sarnased originaaliga. Sel viisil toimuvad protsessid algeline replikatsioon ja keemiline valik.
Seda koatservaatide hüpoteesi peetakse elu alguse kemosünteesi teooria aluseks varases staadiumis, enne protobioonide olemasolu RNA või DNA-ga, mis on võimelised paljunema mehhanismide kaudu, mis on sarnasemad tänapäeva prokarüootsete bakterite omadega.
Enne kui asume termini "koatservaadid" tähenduse üksikasjalikumalt määratlema, on vaja meenutada selle etümoloogilist päritolu . See sõna tuleneb ladina keelest, täpsemalt tegusõnast "coacervare", mida saab tõlkida kui "kogunema" või "kuhjama ". See termin viitab täpselt molekulide kogunemisele või rühmitamisele kolloidsetes tilkades vesikeskkonnas.
Koatservaadid on seega süsteemid, mis moodustuvad keeruliste molekulide, näiteks elementaarvalkude ja aminohapete, ning teiste orgaaniliste ühendite liitumisel. Neid süsteeme peetakse äärmiselt primitiivsete elusolendite mudeliteks , kuna paljude bioloogide ja biokeemikute sõnul olid need planeedi Maa elu arengus võtmetähtsusega, kuigi neist ei saanud täielikke rakke, nagu me neid täna teame.
Muud eelrakulised mudelid: sulfobios ja valgu mikrosfäärid
Aja jooksul on mitmed teadlased pakkunud välja alternatiivseid või täiendavaid mudeleid koatservaatide selgitamiseks, et selgitada elu tekkimise varajast staadiumi. Kuigi need mudelid ei esinda tingimata varajasel Maal eksisteerinud tegelikke struktuure, näitavad nad, kuidas lihtsad ained võivad anda alust teatud organiseeritustasemega süsteemidele.
Mehhiko teadlane Alfonso Herrera , keda elu päritolu probleem sügavalt huvitas, kirjeldas rakueelseid mudeleid, mida ta nimetas "sulfobiosteks ". Need saadi anorgaanilistest ühenditest, nagu ammooniumtiotsüanaat ja formaliin , ilma et oleks vaja kasutada olemasolevaid bioloogilisi aineid. Kuigi on ebatõenäoline, et sulfobiosid esindavad täpselt struktuure, mis eelnesid esimestele päris rakkudele, on need illustreeriv näide sellest, kuidas aine võib lihtsamatest vormidest jõuda kõrgematele organiseerituse tasemetele . Herrera oli esimene teadlane, kes kasutas elu päritoluga seotud eksperimentaalsete mudelite kujundamiseks ainult mittebioloogilisi aineid .
Sidney Fox pakkus välja teise eelrakuliste süsteemide mudeli, mida tuntakse kui "valgu mikrosfäärid ". Need mikrosfäärid tekivad keemiliste reaktsioonide seeria kaudu, mille käigus aminohapped polümeriseeruvad kuumuse mõjul , moodustades lihtsaid peptiidahelaid. Seejärel, kui need polümeerid lahustatakse vees sobiva pH ja soola kontsentratsiooni tingimustes, kipuvad nad agregeeruma sfäärilisteks struktuurideks, mida ümbritseb omamoodi membraan või kate. Kuigi mikrosfääridel on teatav morfoloogiline sarnasus rakkudega (neil on sfääriline kuju, sisemised ja välised piirid ning isegi keemilised gradiendid), ei peeta neid täielikeks elussüsteemideks. Sellest hoolimata pakub nende teke väärtuslikku teavet selle kohta, kuidas esimesed organiseeritud süsteemid enne rakke võisid tekkida.
Eksperimentaalsed panused „ürgse supi” teemal
Lisaks koatservaatidele, sulfobiosidele ja mikrosfääridele on kemosünteesi teooria usutavuse kontrollimiseks läbi viidud arvukalt katseid. Nende uuringute eesmärk on olnud lähendada primitiivse atmosfääri ja hüdrosfääri tingimusi ning jälgida, millised orgaanilised molekulid võivad spontaanselt moodustuda.
Cyril Ponnamperuma viis läbi katseid, mis simuleerisid primitiivset hüdrosfääri ja atmosfääri , tuginedes klassikalise Miller-Urey eksperimendi üldpõhimõtetele. Ta asetas kolbi, milles vesi aurustus, ja kogus redutseeriva atmosfääri reaktsioonisaadused, mis auruga otseses kokkupuutes moodustasid nn. "ürgse supi". Ühes oma katsetest hoidis ta vesiniktsüaniidi (HCN) lahust mitu päeva ultraviolettvalgusega ja leidis, et olid moodustunud lämmastikalused adeniin ja guaniin , mis on elussüsteemides esinevate nukleiinhapete olulised komponendid. See tulemus kinnitas ideed, et varajase Maa usutavates tingimustes oli võimalik sünteesida geneetilise materjali võtmekomponente ilma eelneva bioloogilise sekkumiseta.
Stanley Milleri ja Harold Urey eksperiment
Kuigi kemosünteesi teooria postulaadid püstitasid algselt Oparin ja Haldane, taastasid kaks teadlast – Stanley Miller ja Harold Urey – hiljem väikesemahulise laborikatse abil varajase atmosfääri tingimused, tuginedes oma aja mudelitele. Selleks allutasid nad vesiniku , metaani ja ammoniaagi segu mitmele elektrilaengule , eesmärgiga simuleerida äikesetorme, mida arvatakse varasel Maal sagedaseks olevat. Tulemuseks oli mitmete orgaaniliste hapete , sealhulgas aminohapete, süntees.
Selle katse põhieesmärk oli näidata, et orgaaniliste ühendite süntees võib olla spontaanne protsess, mis toimub varajases atmosfääris leiduvatest lihtsatest molekulidest, eeldusel, et piisavad energiaallikad on kättesaadavad. See katse oli üks mõjukamaid empiirilisi tõendeid kemosünteesi teooria kohta.
Oma katse jaoks kasutasid Miller ja Urey suletud ahelaga klaaskolbi , mis oli osaliselt veega täidetud ja ühendatud teise kambriga, mis sisaldas eelmainitud gaasisegu. Vesi kuumutati keemiseni, tekitades auru, mis ringles gaasikambrisse, samal ajal kui elektroodide süsteem genereeris segu läbivaid kõrgepinge elektrilaenguid, simuleerides eelajaloolisi torme. Seejärel aur ja gaasid kondenseerusid ja naasid veekolbi, lõpetades tsükli. Katse kestis umbes nädala , mille järel saadud saadusi analüüsiti.
Esimene märk keemiliste reaktsioonide toimumisest oli vee värvuse muutus , mis oli algselt selge ja aja jooksul omandas roosaka tooni, enne kui lõpuks pruuniks muutus. Seda muutust tõlgendati aminohapete ja teiste süsteemis sünteesitud orgaaniliste molekulide kontsentratsiooni suurenemise tagajärjel . Keemilise analüüsi tehnikate abil identifitseeriti mitu aminohapet, sealhulgas glütsiin ja alaniin , aga ka teisi olulisi orgaanilisi ühendeid.
See katse oli otsustav panus, mis toetab teooriat, et esimesed eluvormid võisid tekkida spontaansete keemiliste reaktsioonide kaudu ürgatmosfääris ja ookeanides ilma otsese üleloomuliku sekkumiseta, vaid keemia ja füüsika seaduste tulemusena sobivas keskkonnas.
Kontrollimise piirangud
Kemosünteesi teooria testimiseks läbi viidud katsed on näidanud, et elu päritolu Oparini ja Haldane'i pakutud viisil on usutav . Seda teooriat toetavad selliste teadlaste nagu Miller, Urey, Ponnamperuma, Fox ja teiste töö. Siiski ei saa eirata tõsiasja, et kogu see protsess toimus tohutu aja jooksul , hõlmates planeedi keemilise koostise järkjärgulist muutumist.
Kuna ajaskaala on tohutu ja hõlmab kogu elu tekkimise protsessi Maal, on seda laborites võimatu täielikult ja täpselt taasesitada . Teadlased saavad teatud eelduste alusel taastada vaid varajase stsenaariumi fragmente ja uurida konkreetseid reaktsioone, mis annavad vihjeid selle kohta, mis võis toimuda, kuid nad ei saa kogu lugu täpselt rekonstrueerida.
Ajaline takistus koos elu varaseimate etappide otseste tõendite peaaegu täieliku kadumisega (nii vanad kivimid ega fossiilid pole hästi säilinud) seab teadlased keerulise stsenaariumi ette. Võib-olla ei ole kunagi võimalik absoluutse täpsusega teada , kuidas tekkisid planeedi esimesed organismid ega milline oli keemiliste ja bioloogiliste sündmuste täpne järjestus.
Vaatamata sellele puudusele on kemosünteesi teooria võimaldanud meil maalida sidusa ja teaduslikult usaldusväärse pildi sellest, milline võis olla elu teke Maal. Geoloogia, keemia, molekulaarbioloogia ja astrobioloogia andmete integreerimise abil on loodud selgitav raamistik, milles lihtsad molekulid andsid keskkonna poolt soosituna järk-järgult teed keerukatele süsteemidele, mis on võimelised ennast paljundama, metaboliseerima ja evolutsioonima. See pidevalt läbivaadatav ja rikastuv vaade on endiselt üks kindlamaid ettepanekuid selle mõistmiseks, kuidas inertne aine võis meie planeedil eluks muutuda.
Bibliograafia:
- Wetto, Milena (ilma kuupäevata). Kemosünteetiline teooria: elu teke Maal:
https://www.lifeder.com/teoria-quimiosintetica/
- Autoriõigus. (2008–2019) KOATSERVAATIDE MÄÄRATLUS:
https://definicion.de/coacervados/
- Manuel (Nd) Mis on kemosünteesi teooria? Põhitõed ja eksperiment.
https://www.recursosdeautoayuda.com/teoria-quimiosintetica/
- Haldane-Oparin (n.d.). Kemosünteesi teooria.
https://portalacademico.cch.unam.mx/alumno/biologia2/unidad1/teoriaQuimiosintetica
Kõigi nende teoreetiliste ja eksperimentaalsete panustega on kemosünteesi teooria kinnistunud kui üks kõige täielikumaid ja detailsemaid teaduslikke selgitusi elu päritolu kohta, integreerides primitiivse Maa keemia, selles keskkonnas saadaoleva energia ja aine loomupärase võime organiseeruda ja areneda üha keerukamateks vormideks.