Chemická evoluce

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 6. října 2020; kontroly vyžadují 12 úprav .

Chemická evoluce neboli prebiotická evoluce  je etapa, která předcházela vzniku života [1] [2] [3] , během níž organické , prebiotické látky vznikly z anorganických molekul pod vlivem vnější energie a selekčních faktorů a v důsledku nasazení vlastního -organizační procesy, které jsou vlastní všem relativně složitým systémům, což jsou nepochybně všechny molekuly obsahující uhlík .

Také tyto pojmy označují teorii vzniku a vývoje těch molekul , které mají zásadní význam pro vznik a vývoj živé hmoty.

Vše, co je známo o chemii hmoty, umožňuje omezit problém chemické evoluce na rámec takzvaného „ vodo-uhlíkového šovinismu “, který předpokládá, že život v našem vesmíru je prezentován jediným možným způsobem: jako „ způsob existence proteinových tělísek“ [4] , který je realizovatelný díky unikátní kombinaci polymeračních vlastností uhlíku a depolarizačních vlastností vodného média v kapalné fázi, jako nezbytných a/nebo postačujících (?) podmínek pro vznik a rozvoj všech nám známých forem života. To znamená, že alespoň v rámci jedné vytvořené biosféry může existovat pouze jeden kód dědičnosti společný všem živým bytostem dané bioty , ale zůstává otevřená otázka, zda existují další biosféry mimo Zemi a zda jiné varianty genetického aparátu jsou možné.

Není také známo, kdy a kde začala chemická evoluce. Jakákoli data jsou možná po skončení druhého cyklu tvorby hvězd, ke kterému došlo po kondenzaci produktů explozí primárních supernov , dodávajících těžké prvky (s atomovou hmotností větší než 26) do mezihvězdného prostoru. Druhá generace hvězd , již s planetárními systémy obohacenými o těžké prvky, které jsou nezbytné pro realizaci chemické evoluce, se objevila 0,5–1,2 miliardy let po velkém třesku . Za určitých docela pravděpodobných podmínek může být pro zahájení chemické evoluce vhodné téměř jakékoli prostředí: hlubiny oceánů, útroby planet, jejich povrchy, protoplanetární formace a dokonce i oblaka mezihvězdného plynu, což potvrzuje i rozšířená detekce ve vesmíru. astrofyzikickými metodami mnoha druhů organických látek - aldehydů, alkoholů, cukrů a dokonce i glycinu (aminokyseliny), které společně mohou sloužit jako výchozí materiál pro chemickou evoluci, jejímž konečným výsledkem je vznik života .

Metodologie pro studium chemické evoluce (teorie)

Studium chemické evoluce je komplikováno skutečností, že v současnosti nejsou znalosti o geochemických podmínkách starověké Země dostatečně kompletní.

Kromě geologických dat se tedy jedná i o data astronomická. Podmínky na Venuši a Marsu jsou tedy považovány za podobné podmínkám na Zemi v různých fázích jejího vývoje.

Hlavní údaje o chemické evoluci jsou získány jako výsledek modelových experimentů, během kterých bylo možné získat složité organické molekuly simulací různých chemických složení atmosféry , hydrosféry a litosféry a klimatických podmínek .

Na základě dostupných dat byla předložena řada hypotéz o specifických mechanismech a přímých hnacích silách chemické evoluce.

Abiogeneze

Abiogeneze - tvorba organických sloučenin běžných ve volné přírodě , mimo tělo bez účasti enzymů .

V širokém smyslu je abiogeneze vznik živých věcí z neživých věcí, tedy výchozí hypotéza moderní teorie vzniku života . Ve 20. letech 20. století akademik A. I. Oparin navrhl, že v roztocích makromolekulárních sloučenin mohou spontánně vznikat zóny zvýšené koncentrace , které jsou relativně odděleny od vnějšího prostředí a mohou s ním udržovat výměnu. Říkal jim koacervátové kapky nebo jednoduše koacerváty .

V roce 1953 Stanley Miller experimentálně provedl abiogenní syntézu aminokyselin a dalších organických látek za podmínek, které reprodukují podmínky primitivní Země .

Existuje také teorie hypercyklů , podle níž byly první projevy života spojeny s tzv. hypercykly  - komplexy složitých katalytických reakcí, ve kterých je produkt každé předchozí reakce katalyzátorem pro reakci následující.

V roce 2008 udělali američtí biologové důležitý krok k pochopení počátečních fází vzniku života. Podařilo se jim vytvořit „ protobuňku “ se skořápkou jednoduchých lipidů a mastných kyselin, schopnou z okolí čerpat imidazolem aktivované nukleotidové monofosfáty, „stavební kameny“ nezbytné pro syntézu DNA [5] . V roce 2011 japonští vědci oznámili, že byli schopni vytvořit vezikuly s kationtovým obalem a prvky DNA uvnitř, schopné dělení v důsledku polymerázové řetězové reakce , která replikuje DNA [6] .

Přehled témat

Hypotézy chemické evoluce by měly vysvětlit následující aspekty:

  1. Objevení se ve vesmíru nebo na Zemi podmínek pro autokatalytickou syntézu velkých objemů a značné rozmanitosti molekul obsahujících uhlík, to znamená, že se v abiogenních procesech objevují látky nezbytné a dostatečné pro začátek chemické evoluce.
  2. Vznik relativně stabilních uzavřených agregátů z takových molekul, které jim umožňují izolovat se od prostředí takovým způsobem, že je s nimi možná selektivní výměna hmoty a energie, tedy vznik určitých protocelulárních struktur.
  3. Vzhled v takových agregátech chemických informačních systémů schopných sebezměny a sebereplikace, to znamená vznik elementárních jednotek dědičného kódu.
  4. Vznik vzájemné závislosti mezi vlastnostmi bílkovin a funkcemi enzymů s nosiči informace ( RNA , DNA ), tedy vznik vlastního kódu dědičnosti, jako nezbytná podmínka již pro biologickou evoluci.

Velkým přínosem k objasnění těchto otázek mimo jiné byli tito vědci:

Jednotný model chemické evoluce dosud nebyl vyvinut, možná proto, že dosud nebyly objeveny základní principy.

Předběžné zápasy

Biomolekuly

Prebiotickou syntézu komplexních sloučenin molekul lze rozdělit do tří po sobě jdoucích fází:

  1. Vznik jednoduchých organických sloučenin ( alkoholy , kyseliny , heterocyklické sloučeniny : puriny , pyrimidiny a pyrroly ) z abiogenních materiálů.
  2. Syntéza složitějších organických sloučenin - "biomolekul" - zástupců nejběžnějších tříd metabolitů včetně monomerů  - strukturních jednotek biopolymerů ( monosacharidy , aminokyseliny , mastné kyseliny , nukleotidy ) z jednoduchých organických sloučenin.
  3. Vznik komplexních biopolymerů ( polysacharidy , proteiny , nukleové kyseliny ) z hlavních strukturních jednotek - monomerů.

Jednou z otázek je chemické složení prostředí, ve kterém byla prebiologická syntéza provedena, včetně toho, které anorganické složky byly zdrojem různých prvků tvořících různé organické sloučeniny.

Elementární složení biomolekul:
C H Ó N S P
Sacharidy X X X
Tuky X X X X
Fosfolipidy X X X X X
Veverky X X X X X
Nukleotidy X X X X X
Porfyriny X X X X
Možné anorganické zdroje prvků:
Obnovená forma oxidovaná forma
uhlík (C) Metan (CH 4 ), Oxid uhelnatý (oxid uhelnatý, CO) oxid uhličitý (CO 2 )
vodík (H) vodík (H 2 ) Voda ( H2O )
kyslík (O) H2O _ _ kyslík (O 2 )
dusík (N) Amoniak (NH 3 ) Dusičnany (NO 3 - )
síra (S) Sirovodík (H 2 S) Sírany (SO 4 2- )
fosfor (P) Fosfáty (PO 4 3- )

Všechny hypotézy vycházejí ze skutečnosti, že kromě vody a fosfátů se v počátečních fázích historie Země vyskytovaly v atmosféře a hydrosféře v dostatečném množství pouze redukované formy, které se lišily od chemických sloučenin běžných v novověku, neboť starověká atmosféra neobsahovala molekulární kyslík.

V té době mohlo ultrafialové záření ze Slunce, teplo ze sopečných procesů , ionizující záření z radioaktivního rozpadu a elektrické výboje působit jako zdroj energie, který zahájil syntézu . Existují také teorie, ve kterých redoxní procesy mezi sopečnými plyny (redukční činidlo) a částečně oxidujícími sulfidickými minerály, např. pyritem (FeS 2 ) , mohou sloužit jako zdroj energie nutné pro vznik biomolekul.

Vývoj starověké atmosféry

Vývoj zemské atmosféry je součástí chemické evoluce a navíc důležitým prvkem v dějinách klimatu. Dnes je rozdělena do čtyř důležitých vývojových etap.

Na počátku probíhala tvorba chemických prvků ve vesmíru a vzhled Země z nich – přibližně před 4,56 miliardami let. Naše planeta měla pravděpodobně již poměrně brzy atmosféru vodíku (H 2 ) a helia (He), která se však opět ztratila v kosmickém prostoru. Astronomové také vycházejí ze skutečnosti, že kvůli relativně vysokým teplotám a účinkům slunečního větru mohlo na Zemi a dalších planetách poblíž Slunce zůstat jen malé množství lehkých chemických prvků (včetně uhlíku , dusíku a kyslíku ) . Všechny tyto prvky, které dnes tvoří hlavní část biosféry, přinesly podle této teorie dopady komet z vnějších částí Sluneční soustavy až po dlouhé době, kdy se protoplanety trochu ochladily. . Během prvních pár milionů let po vzniku Sluneční soustavy se srážky s nebeskými tělesy neustále opakovaly, jimi způsobené srážky ničily živé systémy vzniklé v té době globálními sterilizacemi. Vznik života proto mohl začít až po nahromadění vody na dlouhou dobu, alespoň v nejhlubších prohlubních.

S pomalým ochlazováním Země, vulkanickou činností (uvolňování plynů z nitra Země) a globální distribucí materiálů z padlých komet vznikla druhá zemská atmosféra. S největší pravděpodobností se skládal z vodní páry (H 2 O; do 80 %), oxidu uhličitého (CO 2 ; do 20 %), sirovodíku (H 2 S; do 7 %), amoniaku (NH 3 ) a methan (CH4 ) . Vysoké procento vodní páry se vysvětluje tím, že zemský povrch byl v té době ještě příliš horký pro vznik moří. Z vody, metanu a amoniaku mohly v podmínkách mladé Země vznikat především malé organické molekuly (kyseliny, alkoholy, aminokyseliny), později i organické polymery (polysacharidy, tuky, polypeptidy), které byly v kyselé atmosféře nestabilní. .

Poté, co se atmosféra ochladila pod bod varu vody, začalo velmi dlouhé období srážek, které vytvořily oceány. Nasycení ostatních atmosférických plynů vzhledem k vodní páře se zvýšilo. Intenzivní ultrafialové záření způsobilo fotochemický rozklad vody, metanu a čpavku, což mělo za následek akumulaci oxidu uhličitého a dusíku. Lehké plyny – vodík a helium – byly unášeny do vesmíru, oxid uhličitý se ve velkém množství rozpouštěl v oceánu, čímž se zvyšovala kyselost vody. Hodnota pH klesla na 4. Inertní a málo rozpustný dusík N 2 se časem nahromadil a tvořil hlavní složku atmosféry asi před 3,4 miliardami let.

Srážení rozpuštěného oxidu uhličitého reagovalo s kovovými ionty (uhličitany) a další vývoj živých bytostí, které asimilovaly oxid uhličitý, vedl ke snížení koncentrace CO 2 a zvýšení pH ve vodních útvarech.

Kyslík O 2 hraje důležitou roli v dalším vývoji atmosféry. Vznikla s příchodem fotosyntetických živých tvorů, pravděpodobně sinic (modrozelené řasy) nebo podobných prokaryot . Asimilace oxidu uhličitého jimi vedla k dalšímu poklesu kyselosti, nasycení atmosféry kyslíkem zůstalo stále poměrně nízké. Důvodem je okamžité využití kyslíku rozpuštěného v oceánu k oxidaci iontů dvojmocného železa a dalších oxidovatelných sloučenin. Zhruba před dvěma miliardami let tento proces skončil a v atmosféře se začal postupně hromadit kyslík.

Vysoce reaktivní kyslík snadno oxiduje citlivé organické biomolekuly a stává se tak environmentálním selekčním faktorem pro rané organismy. Jen několik anaerobních organismů se dokázalo přestěhovat do ekologických nik bez kyslíku, druhá část vyvinula enzymy (například katalázy ), díky nimž není kyslík nebezpečný. U některých mikroorganismů se tyto enzymy vyvinuly ve složité membránové enzymy, terminální oxidázy, které metabolicky využívají přítomný kyslík k ukládání energie potřebné k růstu jejich vlastních buněk – konečný oxidační krok v aerobním dýchacím řetězci. V závislosti na organismu existují různé formy terminálních oxidáz, například chinoloxidáza nebo cytochrom C oxidáza, které se liší aktivními centry obsahujícími ionty mědi a hemy. To dává důvod se domnívat, že vznikly různými paralelními způsoby vývoje. V mnoha případech se ve stejném organismu vyskytují různé typy terminálních oxidáz. Tyto enzymy jsou poslední v řetězci sekvenčních enzymových komplexů, které šetří redoxní energii přenosem protonů nebo sodných iontů ve formě transmembránového elektrického potenciálu. Ten je dalším komplexem enzymů přeměněn opět na chemickou energii ve formě ATP . Syntéza ATP a dalších složek dýchacího řetězce v evolučním světle je mnohem starší než finální oxidázy, protože již hrály důležitou roli v mnoha aerobních metabolických procesech (aerobní dýchání, mnoho fermentačních procesů , metanogeneze ), stejně jako v anoxygenních procesech. a kyslíkovou fotosyntézou.

Před miliardou let překročil obsah kyslíku v atmosféře hranici jednoho procenta a o několik milionů let později se vytvořila ozónová vrstva . Dnešní obsah kyslíku 21 % byl dosažen teprve před 350 miliony let a od té doby zůstává stabilní.

Význam vody pro vznik a zachování života

Život , jak jej známe (nebo jej definujeme), vyžaduje vodu jako univerzální rozpouštědlo . Voda má řadu vlastností, které umožňují život. Neexistuje žádný důkaz, že život může vzniknout a existovat nezávisle na vodě, a obecně se uznává, že život umožňuje pouze přítomnost vody v kapalné fázi (v určité oblasti nebo na určité planetě ).

Pro syntézu komplexních molekul a dodržování okrajových podmínek autokatalytických reakcí mezi nimi (což poskytuje zásadní možnost přechodu od chemické evoluce k evoluci živé hmoty) jsou důležité následující vlastnosti vody:

Experimenty

Miller-Urey experiment

Jednu z nejznámějších evolučních hypotéz publikovali ve dvacátých letech 20. století ruský badatel A. I. Oparin a britský badatel J. Haldane. Teorie tvrdila, že podmínky na primitivní Zemi podporovaly chemické reakce. Z abiogenních nízkomolekulárních sloučenin v atmosféře a moři měly být syntetizovány komplexní organické sloučeniny. Potřebnou energii dodávalo velmi intenzivní ultrafialové záření, které díky nízkému obsahu kyslíku a ozónu v ní mohlo volně pronikat atmosférou .

V roce 1953 byla tato teorie podložena chemiky Stanleym Millerem a Haroldem C. Ureym velmi dobrými výsledky z experimentu s " pravěkou polévkou ". Experimentálně prokázali, že v prostředí podobném prostředí s předpokládanými prebiotickými podmínkami, přílivem energie zvenčí (blesky), z abiogenních nízkomolekulárních sloučenin (voda, metan , amoniak a vodík), aminokyselin a jednodušších karboxylových a mohou vznikat mastné kyseliny - jeden z nejdůležitějších stavebních kamenů biomolekul (navíc moderní studie konzervovaného obsahu Millerových baněk ukázaly, že obsahují více aminokyselin, než Miller dokázal detekovat [9] ).

V pozdějších, ve většině případů, složitějších experimentech s primordiálním bujónem, byli experimentátoři schopni získat jak všechny nejdůležitější stavební kameny živých bytostí – aminokyseliny , tuky , cukry , nukleotidy  – tak i složitější organické sloučeniny – porfiny a izoprenoidy [10 ] .

Podle biochemika Roberta Shapira jsou aminokyseliny syntetizované Millerem a Ureym mnohem méně komplexními molekulami než nukleotidy . Nejjednodušší z 20 aminokyselin, které jsou součástí přírodních proteinů, má pouze dva atomy uhlíku a 17 aminokyselin ze stejné sady má šest nebo více. Aminokyseliny a další molekuly syntetizované Millerem a Ureym neobsahovaly více než tři atomy uhlíku. A nukleotidy byly v průběhu takových experimentů získány až v roce 2009 [11] [12] .

Ačkoli to ukázalo možnost přirozené tvorby organických molekul, tyto výsledky jsou dnes někdy kritizovány. V experimentu primordiální polévky se předpokládalo, že tehdejší atmosféra měla zásaditý charakter, což odpovídalo tehdejším vědeckým představám. Dnes se ale předpokládá, že atmosféra je slabě alkalická nebo dokonce neutrální, i když otázka ještě není definitivně vyřešena a o lokálních chemických odchylkách atmosférických podmínek se mluví i například v okolí sopek. Pozdější experimenty prokázaly možnost výskytu organických molekul i za těchto podmínek, a to i těch, které se neukázaly v prvních experimentech, ale v mnohem menším množství. To často argumentuje tím, že původ organických molekul jiným způsobem hrál přinejmenším další roli. Jsou uvedeny i teorie vzniku organických látek v okolí hydrotermálních průduchů středooceánských hřbetů .

Jako argument proti původu organických molekul z primordiálního bujónu se někdy uvádí skutečnost, že se během experimentu získá racemát, tedy rovná směs L a D formy aminokyselin. V souladu s tím musel existovat přirozený proces, ve kterém byla preferována určitá varianta chirálních molekul. Někteří vesmírní biologové tvrdí, že je snazší prokázat původ organických sloučenin ve vesmíru, protože podle jejich názoru jsou fotochemické procesy s kruhově polarizovaným zářením, například z pulsarů, schopny zničit molekuly pouze určité rotace. Chirálním organickým molekulám nalezeným v meteoritech skutečně dominovalo 9 % levotočivých. V roce 2001 však Alan Saghatelian [13] ukázal, že samoreplikující peptidové systémy jsou také schopny efektivně vybrat molekuly určité rotace v racemické směsi, což také umožňuje pozemský původ polymerů z určitých optických izomerů.

Další reakce

Z meziproduktů aldehydů a kyseliny kyanovodíkové HCN objevujících se v Miller-Ureyho experimentu lze získat další biomolekuly za simulovaných podmínek Země před 4,5 miliardami let. Tak se Juanu Orovi v roce 1961 podařilo provést syntézu adeninu :

edukty produkty
2 Formaldehyd HCN H2O _ _ Klidný
5 Formaldehyd Ribóza
5 HCN adenin

Z ribózy, adeninu a trifosfátu vzniká adenosintrifosfát (ATP), který se v organismech využívá jako univerzální nosič energie a stavební prvek (jako monofosfát) ribonukleových kyselin (RNA). Bylo také možné syntetizovat guanin a xanthin z derivátů kyseliny kyanovodíkové (HCN), vody (H2O) a amoniaku (NH3) [14] .

Zapojení minerálů a hornin

Wächterhäuserova teorie

Zvláště intenzivní forma příspěvku minerálů a hornin k prebiotické syntéze organických molekul musí probíhat na povrchu minerálů sulfidů železa. Miller-Ureyova teorie má významná omezení, zejména s ohledem na chybné vysvětlení polymerace monomerních složek biomolekuly.

Alternativní scénář vyvíjel od počátku 80. let Günter Wächterhäuser. Podle této teorie vznikl život na Zemi na povrchu železito-sírových minerálů, tedy sulfidů, které dodnes vznikají geologickými procesy, a na mladé Zemi měl být mnohem častější. Tato teorie, v opozici k RNA světové hypotéze , navrhne, že metabolismus předcházel výskyt enzymů a genů . Jako vhodné místo jsou navrhováni černí kuřáci na dně oceánů, kde se hojně vyskytuje vysoký tlak, vysoká teplota, žádný kyslík a různé sloučeniny, které by mohly sloužit jako stavební materiál „cihel života“ nebo jako katalyzátor v řetězec chemických reakcí. Velkou výhodou této hypotézy oproti jejím předchůdcům je, že poprvé je tvorba komplexních biomolekul spojena se stálým spolehlivým zdrojem energie. Energie se uvolňuje při redukci částečně oxidovaných železito-sírových minerálů, např. pyritu (FeS 2 ), vodíkem (reakční rovnice: FeS 2 + H 2 ⇆ FeS + H 2 S) a tato energie je dostatečná pro endotermní syntéza monomerních strukturních prvků biomolekul a jejich polymerace:

Fe 2+ + FeS 2 + H 2 ⇆ 2 FeS + 2 H + ΔG°' = −44,2 kJ/mol

Jiné kovy, jako je železo, také tvoří nerozpustné sulfidy. Kromě toho mají pyrit a další železo-sírové minerály kladně nabitý povrch, na kterém se mohou nacházet, koncentrovat a vzájemně reagovat převážně záporně nabité biomolekuly (organické kyseliny, estery kyseliny fosforečné, thioly). Látky k tomu nezbytné (sirovodík, oxid uhelnatý a železnaté soli) padají z roztoku na povrch tohoto „ železo-sírového světa “. Wächterhäuser ve své teorii vychází ze stávajících základních mechanismů metabolismu a odvozuje z nich uzavřený scénář syntézy složitých organických molekul (organické kyseliny, aminokyseliny, cukr, dusíkaté báze, tuky) z abiogenních nízkomolekulárních sloučenin nacházejících se ve vulkanických plynech. (NH3 , H2 , CO , C02 , CH4 , H2S ) .

Na rozdíl od Miller-Ureyho experimentu nejsou zapojeny žádné zdroje energie zvenčí, ve formě blesku nebo ultrafialového záření; navíc první fáze syntézy za vysokých teplot a tlaků probíhají mnohem rychleji (například chemické reakce katalyzované enzymy). Při teplotách podvodních sopek do 350 °C je vznik života docela myslitelný. Teprve později, když se objevily katalyzátory citlivé na vysoké teploty (vitamíny, proteiny), mělo k evoluci dojít při nižší teplotě.

Scénář Wächterhäuser se dobře hodí pro podmínky hlubokomořských hydrotermálních průduchů, protože tamní teplotní rozdíl umožňuje podobné rozložení reakcí. Nejstarší dnes žijící mikroorganismy jsou tepelně nejodolnější, hraniční známé teplotní maximum pro jejich růst je +122 °C. Kromě toho se aktivní centra železa a síry stále podílejí na biochemických procesech, což může naznačovat primární účast minerálů Fe-S na vývoji života.

Tato teorie má však značnou nevýhodu, která spočívá v tom, že ferroplasma je aerobní mikroorganismus a aerobní metabolismy se objevily evolučně mnohem později než anaerobní. (viz hlavní článek) .

Zinkový svět

Spolu s hypotézou světa „železo-síra“ zvažuje vědecká komunita myšlenku „světa zinku“, kterou navrhl biofyzik Armen Mulkidzhanyan [15] [16] . Předpokládá se, že katalyzátory chemických reakcí zde byly sulfid zinečnatý (ZnS) a sirovodík (H 2 S), které čerpaly energii z ultrafialového záření .

Dusík by tak mohl být redukován na amoniak [17] :

A oxid uhličitý na kyselinu mravenčí:

Kyselina mravenčí a amoniak vzniklé na sulfidu zinečnatém se vysychají ve formě mravenčanu amonného HCOONH4. Tato sůl při zahřívání v suché formě ztrácí vodu a mění se na CHONH2 formamid . Formamid může sloužit jako surovina pro syntézu dusíkatých bází RNA [18] [19] . Navíc se díky vysokému bodu varu (218 °C za normálního tlaku) efektivně hromadí ve vysychajících kalužích a ve formamidovém médiu se na rozdíl od vodného média nukleotidy snadno spojují do RNA a nerozpadají se.

Kromě toho je sulfid zinečnatý schopen přijímat světelnou excitaci z nukleotidů, RNA a dalších molekul. To chrání RNA před degradací UV zářením a zároveň akumulace RNA na povrchu minerálu umožňuje shromáždit více světla a urychluje "fotosyntézu" v daném místě.

Ve prospěch „světa zinku“ je také skutečnost, že železo ve známých strukturách RNA zcela chybí a zinek se vyskytuje častěji než jiné přechodné kovy. Na druhém místě je mangan, který se chová jako zinek. Mnoho ribozymů vyžaduje přítomnost kovových iontů, aby vykazovaly katalytickou aktivitu. Mezi těmito kovy jsou nejběžnější hořčík, zinek a mangan, zatímco železo se nikdy nenachází [20] .

Nejpříznivějším místem pro vznik života tedy nejsou černí kuřáci , ale bahenní sopky , protože mají [21] [22] :

Žádná jiná stanoviště nemají všechny tyto výhody najednou. Například u „černých kuřáků“ nedochází k obohacování draslíkem a fosforem, nedochází k ultrafialovému záření a nedochází k hromadění látek v odpařujících se loužích. Takže bahenní nádoby pozemských geotermálních polí se dnes zdají být nejpravděpodobnějším místem pro vznik života.

Teorii "zinku" podporuje i fakt, že ionty železa snadno štěpí RNA vazbou na 2' a 3' hydroxylové skupiny ribózy. Buňky proto ukládají přebytečné železo ve vázané formě spolu s proteinem feritinem. Zatímco ionty zinku neničí molekulu RNA.

Tvorba makromolekul

Biomakromolekuly jsou proteiny a nukleové kyseliny. Nárůst molekulových řetězců (polymerace) potřebuje energii a dochází k němu při uvolňování vody ( kondenzace ). Při štěpení makromolekul (hydrolýze) se uvolňuje energie. Protože chemická rovnováha je tak silně posunuta směrem k monomerům, že reakce probíhá termodynamicky nevratně směrem k hydrolýze polymerů, je syntéza polymerů nemožná bez konstantního přísunu energie. I při teoretické podpoře odpařování vody, přidávání solí (vázající vodu) nebo rozkladu produktů je rovnováha posunuta jen nepatrně. V důsledku toho je vznik života velmi pravděpodobně spojen se spolehlivým zdrojem energie, který by byl využit k polymeraci.

[Monomery] n + H 2 O n Monomery + teplo,

ale

Energie + Monomery [Monomery] n + H 2 O.

Jako zdroj energie se v biochemii nejčastěji využívá ATP, k jehož tvorbě jsou potřeba již existující enzymy. V podmínkách mladé Země je možné dodávat energii pro syntézu polymerů hydrolytickým štěpením polyfosfátů, které dnes využívají některé enzymy místo štěpení ATP. Je však nepravděpodobné, že by polyfosforečnany byly v požadovaném množství, protože se mohly spontánně tvořit po odpaření roztoků obsahujících fosforečnany, ale také relativně rychle hydrolyzovat a rozpouštět se ve vodě. Podobné procesy by mohly probíhat na pobřeží s pravidelným přílivem a odlivem. Ale v tomto případě by byly všechny procesy závislé na vodě neustále přerušovány, což by příliš zpomalovalo syntézu komplexních sloučenin. Obraťme se proto ke zcela jinému systému, ve kterém probíhá jak syntéza monomerních složek, tak i tvorba polymerů závislých na konstantním zdroji energie – anaerobní redoxní reakce se sulfidy kovů.

Rovnováha syntézy polymerů je posunuta směrem k tvorbě polymerů zvýšením koncentrace monomerů a dehydratací reakčních produktů. Podmínkou toho je omezení reakčního média, které má pouze omezenou výměnu látek s vnějším prostředím. Tradičně se věřilo, že takové procesy probíhají v malých rybnících s vysokým výparem, což vychází z prací C. Darwina. Dnes jsou vulkanické oblasti oceánů se sulfidy kovů usazenými z hydrotermálních průduchů považovány za docela vhodné místo pro vývoj takového scénáře.

Jiná řešení problému mají vážná omezení a je obtížné je srovnávat s podmínkami rané Země. Výhodně je požadováno, aby jeden nebo více kroků vyloučil vodu, což je velmi snadné provést v laboratoři, ale ne v uvažované době na Zemi. Jedním takovým systémem je polymerace karbamidů (RN=C=NR) nebo kyanogenu (N≡CC≡N) v bezvodém médiu. V tomto případě probíhá kondenzace počátečních složek paralelně s reakcí močoviny, při které se uvolňuje potřebná energie:

Energie + [HX-OH] + [HX-OH] [XX] + H2O (HX-OH = monomer, jako je aminokyselina nebo ribóza)

[RN \u003d C \u003d NR] + H2O [ R-NH-CO-NH-R] + energie (pokud se vyskytne R \u003d H močovina )

Při ultrafialovém záření vzniká z kyseliny kyanovodíkové kyanid, ale v sušicí bažině by se těkavá molekula rychle vypařila. Pokud se suchá směs aminokyselin zahřívá několik hodin na 130 °C, vytvoří se makromolekuly podobné proteinům. V přítomnosti polyfosfátů stačí 60 °C. Tyto podmínky mohou nastat, pokud se voda s rozpuštěnými aminokyselinami dostane do kontaktu s horkým sopečným popelem.

Pokud se směs nukleotidů zahřeje v přítomnosti polyfosfátů na 55 °C, pak, ačkoli se objeví polynukleotidy, je spojení stále pravděpodobnější kvůli 5'- a 2'-C-atomům ribózy, protože probíhá snadněji než ve všech organismech dostupné 5'-3'-vazby. Dvojité řetězce jsou tvořeny z obou typů polynukleotidů (srovnej se strukturou DNA). Samozřejmě, 5'-3'-dvojité řetězce jsou stabilnější než 5'-2'.

Pokud na 2' atomu uhlíku ribózy není žádná hydroxylová skupina, získá se deoxoribóza. Nyní se mohou tvořit typické 5'-3' vazby DNA.

Tvorba prebiotických struktur (buněčných prekurzorů)

Buňky udržují své funkce tím, že vytvářejí oddělená prostředí pro chemické reakce, aby oddělily metabolické procesy a eliminovaly nežádoucí reakce. To může vytvářet rozdíly v koncentraci.

Koacerváty

Je známo, že se zvyšující se koncentrací je mnoho organických sloučenin, jejichž molekuly obsahují jak hydrofilní, tak hydrofobní místa , schopné tvorby micel ve vodných roztocích , to znamená uvolňování mikrokapiček organické fáze. Micelizace je pozorována i při vysolování, tedy se zvýšením koncentrace solí v koloidních roztocích biopolymerů-polyelektrolytů, přičemž se uvolňují mikrokapky o průměru 1–500 μm obsahující vysoké koncentrace biopolymerů.

Alexander Ivanovič Oparin (1894-1980) studoval především možnosti metabolismu v koacervátech (z lat. coacervatio - sraženina nebo hromada) - modelových micelách. Ukázal, že omezená prostředí s jednoduchou výměnou látek mohou vzniknout výhradně samoorganizací za předpokladu přítomnosti katalyzátorů se specifickými vlastnostmi. Protože používané látky jsou dnes součástí živých organismů, neměly by být oparinové koacerváty považovány za progenitory buněk, ale za model pro vznik takových progenitorů.

Oparin zkoumal směsi proteinů (histon a albumin), proteiny a uhlohydráty (histon a arabská guma) a proteiny a polynukleotidy (histon nebo lupein a DNA nebo RNA).

Pokud kapičky histonu a arabské gumy obsahují enzym fosforylázu, pak mohou absorbovat glukózu-1-fosfát z prostředí, vytvářet z něj škrob a skladovat ho. Uvolněný fosfát difunduje směrem ven. Kapka se s nahromaděním škrobu zvětšuje, až se rozpadne na malé kapičky, které mohou obsahovat i fosforylázy, samozřejmě méně než původní kapka. Zároveň se zpomaluje metabolismus. Je tedy zřejmé, že pro zachování kvalit buňky je nutná regenerace enzymů po jejím rozdělení.

Přidá-li se k suspenzi enzym rozkládající škrob amyláza, získají se koacerváty s dvoustupňovým metabolismem: 1) absorpcí glukóza-1-fosfátu → syntéza škrobu; 2) stažení fosfátů → rozklad škrobu a stažení maltózy.

Mikrosféry

V roce 1970 dokázal Sydney Fox potvrdit, že rostoucí kapičky, takzvané mikrokuličky, mohou vznikat z produktů podobných proteinům, které vznikají při zahřívání suchých směsí aminokyselin, a také samoskládáním. Jsou odděleny od prostředí membránou s reverzní osmózou a absorbují další materiál podobný proteinům z prostředí. V důsledku toho rostou a jsou opět rozděleny na menší kapky. Na základě toho Fox dospěl k závěru, že tyto systémy mají enzymatické vlastnosti, rozkládají glukózu nebo se chovají jako esteráza nebo peroxidáza , bez přidání enzymů zvenčí.

Svět RNA

Hypotéza světa RNA byla poprvé předložena v roce 1986 Walterem Gilbertem a uvedl, že molekuly RNA byly prekurzory organismů.

Hypotéza je založena na schopnosti RNA uchovávat, přenášet a reprodukovat genetickou informaci a také na její schopnosti katalyzovat reakce jako ribozymy. V evolučním prostředí by molekuly RNA, které se množí převážně samy, byly běžnější než jiné.

Výchozím bodem jsou jednoduché samoreplikující molekuly RNA. Některé z nich mají schopnost katalyzovat syntézu proteinů, které zase katalyzují syntézu RNA a vlastní syntézu (vývoj translace). Některé molekuly RNA jsou spojeny do dvoušroubovice RNA, vyvíjejí se v molekuly DNA a nositele dědičné informace (vývoj transkripce).

Základem jsou určité molekuly RNA, které dokážou zkopírovat jakýkoli vzorek RNA včetně sebe samých. Jennifer A. Doudna a Jack B. Szostak použili jako šablonu pro vývoj tohoto typu RNA, která se řeže a spojuje do intronu prokaryotického jednobuněčného organismu Tetrahymena thermophila. To potvrzuje, že samotné RNA jsou katalytické molekuly v ribozomech, a tak RNA katalyzuje syntézu proteinů. Omezení však spočívá v tom, že u sebereplikující se RNA nejsou základními vazbami mono-, ale oligonukleotidy a jsou zapotřebí pomocné látky.

V roce 2001 bylo zjištěno, že důležitými katalytickými centry ribozomů jsou RNA, a nikoli, jak bylo dříve akceptováno, proteiny. To ukazuje, že katalytickou funkci RNA, jak naznačuje hypotéza světa RNA, dnes živé bytosti využívají.

Vzhledem k tomu, že ribozomy jsou považovány za velmi primitivní buněčné organely, je tento objev považován za důležitý příspěvek k doložení hypotézy o světě RNA. Již nyní lze s jistotou říci, že molekuly RNA mohou syntetizovat proteiny z aminokyselin.

V tomto ohledu jsou zajímavé také nukleoproteiny (komplexy nukleových kyselin s proteiny) jako možné prekurzory RNA.

Dalším prekurzorem RNA by mohly být polycyklické aromatické uhlovodíky . Hypotéza polyaromatického světa se pokouší odpovědět na otázku, jak vznikly první RNA, tím, že navrhuje variantu chemické evoluce od polycyklických aromatických uhlovodíků k řetězcům podobným RNA.

Biomolekuly z vesmíru

Země byla po celou dobu své existence bombardována kometami a meteority. Zvláště intenzivní byly bezprostředně po vzniku planety. Bylo zjištěno, že některé meteority obsahují jednoduché organické sloučeniny, mezi jinými aminokyseliny. Jedním z možných důkazů původu aminokyselin ve vesmíru by mohla být stejná chiralita organických sloučenin (L-aminokyseliny a D-cukry) - v meteoritových aminokyselinách byla prokázána prevalence L-typu až 9 % [ 23] . Ale toto rozdělení lze také vysvětlit působením abiogenních tukových katalyzátorů.[ neznámý termín ] . Experimenty simulující vesmírné podmínky ukázaly, že za takových podmínek mohou vznikat i základní organické sloučeniny, zejména aminokyseliny (Bernstein, M.P., et al. 2002. „Racemické aminokyseliny z ultrafialové fotolýzy mezihvězdných analogů ledu“ Nature 416, 401 a Munoz Caro, G., et al., 2002. "Aminokyseliny z ultrafialového ozáření analogů mezihvězdného ledu" Nature 416, 403).

"Černí kuřáci"

Podmínky prostředí u těchto hydrotermálních průduchů mohly přispět k chemoautotrofnímu původu života . Tuto teorii obhajují badatelé William Martin a Michael Roussel [24] .

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Futuyma DJ Evolution. - Sunderland: Sinauer Associates, 2005. - S. 92-94. - ISBN 0-878-93187-2 .
  2. ↑ Ridley M. Evoluce. — 3. vyd. - Wiley-Blackwell, 2004. - S. 529-531. — 751 s. — ISBN 978-1-4051-0345-9 .
  3. ↑ Rauchfuss, Horst. Chemická evoluce a původ života. - Springer, 2008. - ISBN 978-3-540-78822-5 .
  4. ↑ Engels F. Anti-Dühring; Marx K. a Engels F., Práce, 2. vyd., svazek 20, str. 82.
  5. ↑ Umělé protobuňky syntetizují DNA bez pomoci enzymů
  6. ↑ Jak začalo rozmnožování na Zemi (nepřístupný odkaz) . Získáno 2. října 2012. Archivováno z originálu dne 26. ledna 2012. 
  7. ↑ Prvky: Hypotéza Gaia
  8. ↑ Biotická regulace: Vaše otázky
  9. ↑ „Nové výsledky ze starého experimentu Stanleyho Millera“
  10. ↑ Miller-Urey experiment . lektsii.com. Staženo: 22. března 2020.
  11. ↑ Matthew W. Powner, Beatrice Gerland, John D. Sutherland. Syntéza aktivovaných pyrimidinových ribonukleotidů v prebioticky přijatelných podmínkách // Příroda. 2009. V. 459. S. 239-242.
  12. ↑ Prvky - vědecké novinky: Chemici překonávají hlavní překážku syntézy abiogenní RNA
  13. ↑ A. Saghatelian a kol. , 2001, chiroselektivní peptidový replikátor , Nature, 409, 797-801
  14. ↑ Rutten M.G. . Orovy experimenty s vyhřívaným vodným prostředím .
  15. ↑ Mulkidžanjan Armen Jakovlevič. O původu života ve světě zinku: I. Fotosyntetizující, porézní budovy postavené z hydrotermálně vysráženého sulfidu zinečnatého jako kolébky života na Zemi .
  16. ↑ Mulkidžanjan Armen Jakovlevič. O původu života v zinkovém světě. 2. Ověření hypotézy o fotosyntetizujících budovách sulfidu zinečnatého jako kolébkách života na Zemi. .
  17. ↑ Michail Nikitin. "Zinkový svět" .
  18. ↑ SD Senanayake a H. Idriss. Fotokatalýza a vznik života: Syntéza nukleosidových bází z formamidu na jednotlivých površích TiO2(001) .
  19. ↑ Martin Ferus, Fabio Pietrucci, Antonino Marco Saitta, Antonín Knížek, Petr Kubelík, Ondřej Ivanek, Violetta Shestivska a Svatopluk Civiš. Tvorba nukleobází v Miller-Ureyově redukční atmosféře (Eng).
  20. ↑ Michail Nikitin. Jak si vybrat mezi "zinkovým" a "železo-sírovým" světem? .
  21. ↑ Michail Nikitin. Různé odpovědi na otázku života .
  22. ↑ Michail Nikitin. Původ života. Od mlhoviny k buňce.. — 2016.
  23. ↑ JR Cronin, S. Pizzarello, (2002) Enantiomerické excesy v Meteoritic Amino Acids Science, 275, pp. 951-955 [1]
  24. ↑ M. Martin, MJ Russell, (2003). O původu buněk: hypotéza pro evoluční přechody od abiotické geochemie k chemoautotrofním prokaryotům a od prokaryot k buňkám s jádrem. Philos. Trans. R. Soc. London Ser. B 358, 59-85

Odkazy