АБИОГЕНЕЗ: ОСНОВНЫЕ ТЕОРИИ - БИОЛОГИЯ - 2024

Абиогенез относится к числу процессов и шагов , которые произошли первые формы жизни на Земле, инертный мономерные исходных блоки, с течением времени было способно к увеличить их сложность. В свете этой теории жизнь возникла из неживых молекул при соответствующих условиях.

Вполне вероятно, что после того, как абиогенез произвел простые жизненные системы, биологическая эволюция дала начало всем сложным формам жизни, которые существуют сегодня.

Источник: pixabay.com

Некоторые исследователи считают, что процессы абиогенеза должны были произойти хотя бы один раз в истории Земли, чтобы дать начало гипотетическому организму LUCA или последнему универсальному общему предку (от аббревиатуры на английском языке, последний универсальный общий предок), около 4 миллиардов лет назад. лет.

Предполагается, что у LUCA должен был быть генетический код, основанный на молекуле ДНК, которая с ее четырьмя основаниями, сгруппированными в триплеты, кодировала 20 типов аминокислот, из которых состоят белки. Исследователи, пытающиеся понять происхождение жизни, изучают процессы абиогенеза, которые привели к появлению LUCA.

Ответ на этот вопрос вызывает множество сомнений и часто окутан туманом тайны и неопределенности. По этой причине сотни биологов предложили ряд теорий, которые варьируются от появления первичного супа до объяснений, связанных с ксенобиологией и астробиологией.

Из чего он состоит?

Теория абиогенеза основана на химическом процессе, в результате которого простейшие формы жизни возникли из безжизненных предшественников.

Предполагается, что процесс абиогенеза происходил непрерывно, в отличие от представления о внезапном появлении в случае удачного события. Таким образом, эта теория предполагает существование континуума между неживой материей и первыми живыми системами.

Точно так же предлагается ряд разнообразных сценариев, в которых начало жизни могло произойти из неорганических молекул. Эти условия обычно экстремальны и отличаются от нынешних условий на Земле.

Эти предполагаемые пребиотические условия часто воспроизводятся в лаборатории, чтобы попытаться создать органические молекулы, как в знаменитом эксперименте Миллера и Юри.

Происхождение жизни: теории

Происхождение жизни было одной из самых спорных тем для ученых и философов со времен Аристотеля. По мнению этого важного мыслителя, разлагающаяся материя могла быть преобразована в живых животных благодаря спонтанному действию природы.

Абиогенез в свете аристотелевской мысли можно резюмировать в его знаменитой фразе omne vivum ex vivo, что означает «вся жизнь происходит от жизни».

Впоследствии довольно большое количество моделей, теорий и предположений пытались выяснить условия и процессы, которые привели к возникновению жизни.

Наиболее выдающиеся теории, как с исторической, так и с научной точки зрения, которые пытались объяснить происхождение первых живых систем, будут описаны ниже:

Теория самозарождения

В начале 17 века предполагалось, что формы жизни могут возникать из безжизненных элементов. Теория спонтанного зарождения была широко принята мыслителями того времени, поскольку имела поддержку католической церкви. Таким образом, живые существа могли происходить как от своих родителей, так и от неживой материи.

Среди наиболее известных примеров, используемых в поддержку этой теории, можно назвать появление червей и других насекомых в разлагающемся мясе, лягушек, появившихся из грязи, и мышей, появившихся из грязной одежды и пота.

На самом деле были рецепты, обещавшие создание живых животных. Например, чтобы создать мышей из неживой материи, зерна пшеницы нужно было объединить с грязной одеждой в темноте, и в течение нескольких дней появлялись живые грызуны.

Сторонники этой смеси утверждали, что человеческий пот на одежде и ферментация пшеницы были руководящими факторами формирования жизни.

Опровержение самозарождения

В семнадцатом веке в утверждениях теории спонтанного зарождения стали замечать недостатки и пробелы. Только в 1668 году итальянский физик Франческо Реди разработал подходящий экспериментальный план, чтобы отвергнуть его.

В своих контролируемых экспериментах Реди помещала мелко нарезанные кусочки мяса, завернутые в муслин, в стерильные контейнеры. Эти кувшины были должным образом покрыты марлей, чтобы ничто не могло соприкасаться с мясом. Кроме того, в эксперименте использовался еще один набор банок, которые не были закрыты крышками.

В течение нескольких дней червей наблюдали только в открытых банках, поскольку мухи могли свободно проникать внутрь и откладывать яйца. В случае закрытых банок яйца помещали прямо на марлю.

Точно так же исследователь Лаззаро Спалланцани разработал серию экспериментов, чтобы отвергнуть предпосылки спонтанного зарождения. Для этого он приготовил серию бульонов, которые подвергал длительному кипячению, чтобы уничтожить любые микроорганизмы, которые там будут жить.

Однако сторонники самопроизвольного зарождения утверждали, что количество тепла, которому подвергались бульоны, было чрезмерным и разрушило «жизненную силу».

Вклад Пастера

Позже, в 1864 году, французский биолог и химик Луи Пастер решил положить конец постулатам спонтанного зарождения.

Для достижения этой цели Пастер изготовил стеклянные контейнеры, известные как «колбы на гибкой стойке», поскольку они были длинными и изогнутыми на концах, что предотвращало проникновение любых микроорганизмов.

В этих сосудах Пастер сварил серию бульонов, которые остались стерильными. Когда у одного из них сломалась шея, она за короткое время стала зараженной, и микроорганизмы начали размножаться.

Свидетельства, предоставленные Пастером, были неопровержимы, они опровергли теорию, существовавшую более 2500 лет.

панспермия

В начале 1900-х шведский химик Сванте Аррениус написал книгу под названием «Сотворение миров», в которой предположил, что жизнь пришла из космоса через споры, устойчивые к экстремальным условиям.

По логике вещей, теория панспермии вызвала много споров, кроме того, что она не давала объяснения происхождения жизни.

Хемосинтетическая теория

При изучении экспериментов Пастера одним из косвенных выводов его данных является то, что микроорганизмы развиваются только из других, то есть жизнь может происходить только из жизни. Это явление получило название «биогенез».

Следуя этой точке зрения, возникнут теории химической эволюции под руководством русского Александра Опарина и англичанина Джона Д.С. Холдейна.

Эта точка зрения, также называемая хемосинтетической теорией Опарина-Холдейна, предполагает, что в пребиотической среде на Земле была атмосфера, лишенная кислорода и с высоким содержанием водяного пара, метана, аммиака, углекислого газа и водорода, что делало ее высоко восстановительной.

В этой среде были разные силы, такие как электрические разряды, солнечная радиация и радиоактивность. Эти силы действовали на неорганические соединения, давая начало более крупным молекулам, создавая органические молекулы, известные как пребиотические соединения.

Миллер и Юри эксперимент

В середине 1950-х исследователям Стэнли Л. Миллеру и Гарольду К. Юри удалось создать гениальную систему, которая имитировала предполагаемые древние условия атмосферы на Земле, следуя теории Опарина-Холдейна.

Стэнли и Юри обнаружили, что в этих «примитивных» условиях простые неорганические соединения могут давать начало сложным органическим молекулам, необходимым для жизни, таким как аминокислоты, жирные кислоты, мочевина и другие.

Образование полимеров

Хотя вышеупомянутые эксперименты предполагают вероятный путь происхождения биомолекул, которые являются частью живых систем, они не предлагают никакого объяснения процесса полимеризации и повышенной сложности.

Есть несколько моделей, которые пытаются прояснить этот вопрос. Первый связан с твердыми минеральными поверхностями, где большая площадь поверхности и силикаты могут действовать как катализаторы для молекул углерода.

Глубоко в океане гидротермальные источники являются подходящим источником катализаторов, таких как железо и никель. Согласно лабораторным экспериментам, эти металлы участвуют в реакциях полимеризации.

Наконец, в океанских желобах есть горячие бассейны, которые из-за процессов испарения могут способствовать концентрации мономеров, способствуя образованию более сложных молекул. Гипотеза «изначального супа» основана на этом предположении.

Сверка результатов Миллера и Пастера

Следуя порядку идей, обсужденных в предыдущих разделах, мы видим, что эксперименты Пастера показали, что жизнь не возникает из инертных материалов, в то время как данные Миллера и Юри указывают на то, что это так, но на молекулярном уровне.

Чтобы согласовать оба результата, необходимо иметь в виду, что состав земной атмосферы сегодня полностью отличается от пребиотической атмосферы.

Кислород, присутствующий в текущей атмосфере, будет действовать как «разрушитель» образующихся молекул. Также следует учитывать, что источники энергии, которые предположительно привели к образованию органических молекул, больше не присутствуют с частотой и интенсивностью пребиотической среды.

Все формы жизни, присутствующие на Земле, состоят из набора структурных блоков и больших биомолекул, называемых белками, нуклеиновыми кислотами и липидами. С их помощью можно «вооружить» основу текущей жизни: клетки.

В клетке сохраняется жизнь, и на этом принципе Пастер утверждает, что каждое живое существо должно происходить из другого, ранее существовавшего.

Мир РНК

Роль автокатализа во время абиогенеза имеет решающее значение, по этой причине одна из самых известных гипотез о происхождении жизни - это гипотеза мира РНК, которая постулирует начало от одноцепочечных молекул со способностью к саморепликации.

Это понятие РНК предполагает, что первыми биокатализаторами были не молекулы белковой природы, а молекулы РНК - или подобный ей полимер - со способностью катализировать.

Это предположение основано на свойстве РНК синтезировать короткие фрагменты с использованием отжига, который направляет процесс, в дополнение к стимулированию образования пептидов, сложных эфиров и гликозидных связей.

Согласно этой теории, предковая РНК была связана с некоторыми кофакторами, такими как металлы, пиримидины и аминокислоты. С развитием и усложнением метаболизма появляется возможность синтезировать полипептиды.

В ходе эволюции РНК была заменена более химически стабильной молекулой - ДНК.

Современные представления о происхождении жизни

В настоящее время предполагается, что жизнь возникла по экстремальному сценарию: океанические районы возле вулканических жерл, где температура может достигать 250 ° C, а атмосферное давление превышает 300 атмосфер.

Это подозрение возникает из-за разнообразия форм жизни, обитающих в этих враждебных регионах, и этот принцип известен как «теория горячего мира».

Эти среды были заселены архебактериями, организмами, способными расти, развиваться и воспроизводиться в экстремальных условиях, вероятно, очень похожих на пребиотические условия (включая низкие концентрации кислорода и высокие уровни CO ₂ ).

Термическая стабильность этих сред, обеспечиваемая ими защита от внезапных изменений и постоянный поток газов - вот некоторые из положительных качеств, которые делают морское дно и вулканические жерла подходящими средами для зарождения жизни.

Термины биогенеза и абиогенеза

В 1974 году известный исследователь Карл Саган опубликовал статью, в которой разъяснялось использование терминов биогенез и абиогенез. Согласно Сагану, оба термина были ошибочно использованы в статьях, связанных с объяснением происхождения первых живых форм.

Среди этих ошибок - использование термина биогенез в качестве антонима. То есть биогенез используется для описания происхождения жизни, начиная с других живых форм, в то время как абиогенез относится к происхождению жизни из неживой материи.

В этом смысле современный биохимический путь считается биогенным, а пребиологический метаболический путь - абиогенным. Поэтому необходимо уделять особое внимание использованию обоих терминов.

Ссылки

1. Бергман, Дж. (2000). Почему абиогенез невозможен. Ежеквартальный журнал Creation Research Society, 36 (4).
2. Просс, А., и Паскаль, Р. (2013). Происхождение жизни: что мы знаем, что можем знать и чего никогда не узнаем. Открытая биология, 3 (3), 120190.
3. Садава Д. и Пурвес WH (2009). Жизнь: наука биология. Panamerican Medical Ed.
4. Саган, К. (1974). О терминах «биогенез» и «абиогенез». Истоки жизни и эволюция биосфер, 5 (3), 529–529.
5. Шмидт, М. (2010). Ксенобиология: новая форма жизни как высший инструмент биобезопасности. Биологические исследования, 32 (4), 322–331.
6. Серафино, Л. (2016). Абиогенез как теоретический вызов: некоторые размышления. Журнал теоретической биологии, 402, 18–20.