Yaşamın Kökeni: Kimyasal Evrim, İlkel Yaşamın Oluşumu ve Evrimi

Yaşamın Kökeni :: A. Kemojen (Kimyasal Evrim) B. Biyojen (İlkel Yaşamın Oluşumu) C. Bilişsel (İlkel Yaşamın Doğası ve Evrimi).

Modern Yaşamın Kökeni Teorisi, bir Rus biyokimyacı Alexander I. Oparin (MS 1923) tarafından önerildi ve İngiliz bir bilim adamı JBS Haldane (MS 1928) tarafından desteklendi, buna Oparin-Haldan teorisi de deniyor.

İlkel yaşamın, ilkel dünyadaki su kütlelerinde, yaşayan yaklaşık 4 milyar yıl önce (Prekambriyen döneminde) bir seri kimyasal reaksiyonla kimyasal evrimden canlı olmayan organik moleküllerden (örn., RNA proteinleri, vb.) Kaynaklandığını belirtti. yani toprağın oluşumundan yaklaşık 500 milyon yıl sonra). En tatmin edici teori çünkü bilimsel bir açıklaması var ve deneysel olarak test edildi. Oparin teorisi aynı zamanda birincil abiogenez olarak da bilinir.

Modern teorinin çeşitli basamakları:

A. Kemojen (Kimyasal Evrim):

(a) İlkel yeryüzündeki koşullar, yaklaşık 4 milyar yıl önce, kimyasal evrimi destekleyen şartlardı. Dünyanın yüzey sıcaklığı 100 ° C'den düşük olduğunda. Atmosferi, ammorua (-NH3), azot, metan (-CH4) formunda karbon ve su buharı (H20) formunda oksijene sahipti; “azaltılması”. Bu bileşikler protoplazmik bileşikler olarak adlandırılmıştır.

(b) Toprak soğudukça, daha sonra çöküntü ve yükselmelere neden olan sağlam bir kabuk geliştirdi . Bu arada, atmosferik su buharları yoğuşmuş ve nihayet yağmur yağdı. Depresyonlarda toplanan su, klorür ve fosfat gibi mineralleri çözdü ve son olarak okyanus adı verilen büyük boyutlu su kütleleri oluşturdu.

(c) Basit organik bileşiklerin oluşumu:

Toprak yüzeyi 50-60 ° C'ye soğutulduğundan, su kütlelerinde bulunan moleküller ve mineraller, alkoller, aldehitler, gliserol, yağ asitleri gibi basit organik bileşikler oluşturmak üzere çeşitli şekillerde yoğuşma, polimerizasyon ve oksido indirgeme işlemleriyle birleştirilir ve yeniden birleştirilir. pürinler, pirimidinler, basit şekerler (örneğin, riboz, deoksiriboz, glikoz, vb.) ve amino asitler.

Bu organik bileşikler su kütlelerinde birikmiştir çünkü bunların bozulması, herhangi bir tüketici veya enzim katalizörü veya oksijen yokluğunda çok yavaş olmuştur. Bu tür bir dönüşüm mevcut oksitleyici atmosferde mümkün değildir, çünkü oksijen veya mikro-tüketiciler tesadüfen oluşabilecek canlı parçacıkları parçalayacaktır veya tahrip edecektir.

Bu fotokimyasal reaksiyonların enerjisi aşağıdaki faktörlerden biriyle sağlandı:

(i) Volkanik püskürmeler (Dünya'nın yoğun kuru ısısı),

(ii) Güneş radyasyonları (UV ışınları),

(iii) Yıldırım sırasında üretilen elektrik enerjisi ve

(iv) Radyoaktif elementlerin çürümesi.

Haldane, bu basit organik bileşiklerin yavaş yavaş bu su kütlelerinde biriktirildiğini ve nihayet bir “sıcak ince çorba” veya “biyotik öncesi çorba” veya et suyunun oluştuğunu ileri sürdü. Bu, çeşitli kimyasal reaksiyonlara sahne oldu.

(d) Karmaşık organik bileşiklerin oluşumu:

Basit organik bileşikler nihayetinde polisakkaritler, yağlar, nükleotitler, nükleik asitler, polipeptitler vb. Gibi karmaşık organik bileşikler oluşturma şansı kimyasal reaksiyonlar ve polimerizasyon göstermiştir.

Kimyasal reaksiyonlar ve polimerlerin oluşumu için ana enerji kaynakları şunlardır: elektriksel deşarj, yıldırım, güneş enerjisi, ATP ve pirofosfatlar. Suyun buharlaştırılması, monomerlerin konsantrasyonuna ve tercih edilen polimerizasyona yol açtı.

Bu polimerler daha kararlıydı, bu yüzden bunlar su kütlelerinde egemen oldu. Yüksek polimer konsantrasyonları, kimyasal dengeyi kararsız monomerlerden kararlı polimerlerin oluşumuna doğru kaydırdı.

(e) Protobiontların oluşumu:

Yaşamın kökeni için, aşağıdaki üç şartın yerine getirilmesi gerekir:

(i) Çoğalıcılar olarak adlandırılan sürekli kendini üreten moleküller arzı bulunmalıdır.

(ii) Bu çoğalıcıların kopyalanması mutasyona tabi tutulmalıdır (değişebilir).

(iii) Çoğalıcılar sisteminin sürekli bir serbest enerji tedariki ve onların genel çevreden kısmi yalıtımı gerektirmiş olması gerekir.

Çoğalıcılardaki (prebiyotik moleküller) mutasyonlardan sorumlu olan ana faktör, muhtemelen yüksek sıcaklıktan kaynaklanan ısıl hareketlerdir ve kısmi izolasyon kümeleri içinde elde edilmiştir. Oparin ve Sydney Fox, ilkel toprakta abiyogenetik olarak sentezlenen karmaşık organik bileşiklerin daha sonra protobionts adı verilen büyük kolloidal hücre benzeri agregatları biriktirme ve oluşturma eğiliminde olduklarını önerdi.

Bu ilk hücresel olmayan yaşam formları muhtemelen 3 milyar yıl öncesine dayanıyordu. Bunlar RNA, protein, polisakaritler vs. içeren dev moleküllere sahip olacaktır. Bu agregalar, moleküllerin kombinasyonlarını çevreden ayırabilir ve bir iç ortamı koruyabilir.

Ancak onların temel dezavantajı, ürememeleriydi. Bu mikroskobik, küresel, stabil ve hareketli agregalar Oparin ve Sydney Fox tarafından mikrosferler tarafından koakervatlar (L. acervus = pile - Şekil 7.4) olarak adlandırılmıştır.

Bu koaservatların lipid dış zarı olmadığından ve üremediğinden, yaşamın muhtemel öncüllerinin bir adayı olarak gereksinimleri yerine getirmekte başarısız olurlar. Mikroküreler, büyüme ve bölünme gücüne (tomurcuklanma, parçalanma ve ikili bölünme-Şek. 7.5) sahip olduklarından başarılı olmuş ve çoğalmıştır.

B. Biyojen (İlkel Yaşamın Oluşumu):

Hücresel fizyoloji, enzimatik aktivitenin bir sonucu olduğundan, enzimlerin hücrelerden önce gelişmiş olması gerekir. Yavaş yavaş gen kümeleri, sitoplazmayı oluşturan kompleks bir enzim sistemi ile çevrelenmeye başladı. Bu enzimler azot bazlarını, basit şekerleri ve fosfatları nükleotitlerde birleştirmiş olabilir.

Nükleotidler, yaşamın kökenindeki çoğalıcıların tedarik koşulunu yerine getiren biyomoleküller gibi görünen nükleik asit oluşturmak için bir araya gelmiş olabilir.

Halen moleküler biyoloji, genetik bilgi akışının tek yönlü olduğunu ve aşağıdaki gibi gösterildiğini belirten merkezi dogma prensibi ile çalışmaktadır:

DNA (Transkripsiyon) → RNA (Çeviri) → Protein

(Genetik bilgi ile) (Genetik mesaj ile)

Bu mekanizma muhtemelen daha basit bir mekanizmadan gelişmiştir.

Nükleik asit ve proteinler (enzimler) birbirine bağlı iki biyomoleküldür. Proteinler, bilgilerin DNA'dan mRNA'ya transkripsiyonu ile başlayan ve ardından ribozomlar üzerinde translasyon ile başlayan bir işlemle sentezlenirken, nükleik asitler replikasyonları için protein enzimlerine bağımlıdır.

Böylece, proteinler ve nükleik asitler yaşamın iki temel kimyasal bileşimini oluşturur. Proteinoid teorisi, protein moleküllerinin ilk önce geliştiğini belirtirken, çıplak gen hipotezi nükleik asidin ilk önce ortaya çıktığını ve protein oluşumunu kontrol ettiğini belirtir.

HG Khorana (1970) tarafından 77 ribonükleotitin RNA molekülünün in vitro sentezi, muhtemelen DNA değil, DNA'nın ilkel genetik materyal olduğu spekülasyonunu ortaya çıkardı. Bu görüş, bazı Ribozimlerin (enzimatik özelliklere sahip RNA molekülleri) keşfi ile daha da desteklenmiştir.

Bu yüzden en son görüş, ilk hücrelerin RNA'yı kalıtsal materyalleri olarak kullandıkları ve daha sonra DNA'nın, RNA bazlı yaşam membranlar içine alındığı zaman bir RNA şablonundan evrimleştiğidir. Sonunda DNA, birçok organizma için genetik materyal olarak RNA'nın yerini aldı. Proteinler, pürinler, pirimidinler ve diğer organik bileşiklerin bazı şans birlikteliği, üreyebilecek bir sistemin ortaya çıkmasına neden olmuş olabilir.

Hücre zarı oluşturmak için tekli fosfolipid tabakalarının katlanmasıyla sitoplazma etrafında ince bir sınırlayıcı zar geliştirilmiştir. Bu nedenle, ilk hücrelerin ilkel su kütlelerinde koaservatlarla oluşturulduğu şekilde oluşması mümkündür. Bölünme gücüne sahip ilk “hücre benzeri” yapılara “eobiyotörler” veya “Ön-hücre” adı verildi. Bu tür ilk hücresel yaşam formları yaklaşık 2, 000 milyon yıl önce ortaya çıktı.

Bunlar belki de Monerans'lara (iyi tanımlanmış çekirdeği olmayan hücreler) ve Protistans'lara (farklı çekirdeğe sahip hücreler) yol açan Mycoplasma'ya benziyordu. Monera, bakteri ve siyanobakteri gibi Prokaryotları içeriyordu. Protista, Protozoa, Metazoa ve Metaphyta'da gelişen Ökaryotlara yol açtı. Bu erken hücreli tek hücreli arkeobakerler, eubakteriler ve ökaryotlar atasına progenot adı verildi.

Abiyogenik Moleküler Yaşam Evriminin Deneysel Kanıtı:

1953'te, Stanley L. Miller (Şekil 7.8) (bir biyokimyacı) ve Harold C. Urey (bir gökbilimci), indirgeyici koşullar altında daha basit bileşiklerden basit organik bileşiklerin oluşumunu deneysel olarak kanıtladı (Şekil 7.9).

Buna simülasyon deneyi denir. İlkel Dünya koşullarında organik moleküllerin kökeni için Oparin ve Haldane iddiasının geçerliliğinin değerlendirilmesi amaçlanmıştır. İki tungsten elektrotu arasında metan-amonyak-hidrojen-su karışımını (ilkel atmosfer atmosferini) elektriksel bir kıvılcım (yaklaşık 75.000 voltluk bir sıcaklıkta simüle eden, yaklaşık 75.000 volt) boyunca maruz bıraktılar. indirgeyici koşullara yerleştirilmiş bir gaz odası (kıvılcım deşarj cihazı olarak adlandırılır)

Metan, amonyak ve hidrojen, 2: 2: 1 oranında alındı. Sıcak ürünleri bir yoğunlaştırıcıdan geçirmişlerdir (yoğunlaşma ve sulu son ürün toplama için,

Haldane çorbasına eşittir).

Kontrol deneyi, enerji kaynağı dışındaki tüm gereklilikleri içeriyordu. On sekiz gün sonra, kimyasal bileşikleri kromatografik ve kolorimetrik yöntemlerle kimyasal olarak analiz ettiler. Birçok amino asit (glisin, alanin, aspartik asit, glutamik asit vb.), Peptitler, pürinler, pirimidinler ve organik asitler buldular.

Bu pürinler ve pirimidinler, nükleik asitlerin öncüleri olarak görev yaptı. Bu amino asitler proteinlerin oluşumu için esastır. Ara ürünler aldehitler ve HCN olarak bulundu. Kontrol deneyinde, önemsiz miktarda organik molekül fark edildi.

Göktaşı içeriğinin analizi, uzayda başka bir yerde de meydana gelen benzer işlemlerin olduğunu gösteren benzer bileşikler ortaya çıkardı.

Kompleks Organik Bileşiklerin Oluşumu Deneysel Kanıtı:

Sydney W. Fox (AD 1957), 18-20 amino asitlik bir karışım kaynama noktasına kadar ısıtıldığında (birkaç saat boyunca 160 ila 210 ° C) ve daha sonra su içinde soğutulduğunda, birçok amino asitin polimerize olduğunu ve polipeptit zincirlerini oluşturduğunu; proteininoidler denir.

Fox, su ile bu proteinlerin koakervatlar veya mikroküreler adı verilen kolloidal agregatları oluşturduğunu belirtti (Şekil 7.10). Bunlar, şekil ve boyuttaki kokoid bakterilere benzer şekilde yaklaşık 1-2 um çaptaydı.

Bunlar, yüzeysel olarak bakteri ve mantarlarda (maya) tomurcuklanmaya benzeyen daralmaya neden olacak şekilde uyarılabilir. Ayrıca inorganik bileşiklerden ve HCN'den porfirin, nükleotit ve ATP oluşumunu bildirmiştir.

Kompleks Agregaların Oluşumu:

Oparin, eğer büyük bir protein ve bir polisakarit karışımı çalkalanırsa, koakervatların oluştuğunu bildirdi. Bu koaservatların çekirdeği esas olarak protein, polisakarit ve bir miktar sudan oluşmuş ve kısmen daha az miktarda protein ve polisakarit içeren çevre sulu çözeltiden kısmen izole edilmiştir. Ancak bu koaservatların dış lipid membranı yoktur ve üremeleri mümkün değildir.

C. Bilişselliğin (İlkel Yaşamın Doğası ve Evrimi):

Doğal bölüm, yaşamın başlangıcında bile çalışmaktadır. Membran sisteminin mükemmelliği ile birlikte daha başarılı eobiyoların seçilmesinin devam etmesi muhtemelen ilk hücrenin oluşumuna yol açtı.

En erken hücreler anaerobik (oksijen bulunmadığından bazı organik moleküllerin fermantasyonuyla elde edilen enerji), prokaryotik (bakterilerde olduğu gibi nükleoid ile) ve kemoheterotrofik (hazır organik moleküllerden elde edilen hazır gıdalar) idi.

Bunlar, ilkel denizlerden, yapı taşları ve enerji kaynakları olarak besleyici organik bileşikler elde etmeye başladı. Böylece bu hücreler muazzam bir boyuta ulaştı. Boyutlarını sınırlandırmak için kemoheterotroflar hücre mitozuna başladılar ve sayıları arttı.

Tüketici organik bileşiklerin tedarikiyle başa çıkmak için, bu kemoheterotrofların bazıları anaerobik, prokaryotik ve kemoautorotroflara dönüşmüştür. Bunlar, kendi organik gıdalarını kimyasal enerjinin varlığında inorganik bileşiklerden (ayrıca inorganik bileşiklerin degradasyonundan) ve enzimler, örneğin, sülfat indirgeyen bakteriler, nitrifikasyon bakterileri, demir bakterileri vs. gibi sentezlemeye başladılar. mutasyonlar olmak.

İnorganik bileşiklerin eksikliğinin artması sorunuyla karşı karşıya olan bazı kemoautotroph'lar porfirin ve bakteriyoklorofil (yeşil fotosentetik pigment) geliştirmiş ve fotosentezi başlatmış (karbonhidrat sentezi). Bu, anaerobik, prokaryotik ve fotoototrofların gelişimine yol açtı. Bunlar yaklaşık 3500-3800 milyon yıl önce gelişti.

İlk fotoarotrotlar, fotosentezde hammadde olarak su kullanmadıkları için anojenikti. Daha sonra, bunlar gerçek klorofil geliştirdi ve suyu reaktif olarak kullanmaya başladı, böylece fotosentez sürecinde O ₂ gelişti. İlk önce oksijen ve aerobik fotoototroflar, yaklaşık 3.300 - 3.500 milyon yıl önce evrimleştiğine inanılan siyanobakterilerdi.

Benzer şekilde, JW Schopf (1967), 3000 milyon yıllık bir kayaçta 22 amino asidin varlığını bildirirken, en eski mikro fosil, yaklaşık 3.3 ila 3.5 milyar yıl önce mavi yeşil alglere, yani Archaespheroids barbertonensis'e aittir.

Uzun süre boyunca, baskın ve belki de dünyadaki tek yaşam formu bakteri, küf ve siyanobakterilerdi. Yavaş yavaş, mavi-yeşil algler diğer alg formlarına dönüşmüştür. Ökaryotların yaklaşık 1600 milyon yıl önce geliştiği tahmin edilmektedir.

İlk ökaryotlar prokaryotlardaki mutasyon (Raff ve Mahler, 1972) veya farklı prokaryotların sembiyotik birlikteliği yoluyla gelişti (Marguilis, 1970). Daha sonra birçok tür alg, mantar, protozoa ve diğer canlı organizmalar geliştirildi.