Абиогенеза: основни теории

Абиогенезата се отнася до поредицата от процеси и стъпки, възникнали от първите форми на живот на Земята, като се започне от инертни мономерни блокове, които с течение на времето успяха да увеличат тяхната сложност. В светлината на тази теория, животът възниква от неживи молекули, при подходящи условия.

Вероятно, след като абиогенезата произведе прости системи на живот, биологичната еволюция ще действа, за да доведе до всички сложни форми на живот, които съществуват днес.

Някои изследователи смятат, че процесите на абиогенезата трябва да са се случили поне веднъж в историята на Земята, за да се създаде хипотетичният организъм LUCA или последният общ универсален предшественик (на акронима на английски , последен универсален общ предшественик ), около 4 милиарда. години.

Предполага се, че LUCA трябва да има генетичен код на базата на ДНК молекулата, която с четирите си бази, групирани в триплети, кодифицира 20 вида аминокиселини, които образуват протеини. Изследователите, които се опитват да разберат произхода на живота, изучават процесите на абиогенеза, които са довели до LUCA.

Отговорът на този въпрос е бил поставен под съмнение и често е обхванат от мъгла на мистерия и несигурност. По тази причина стотици биолози са предложили серия от теории, които включват от появата на първична супа до обяснения, свързани с ксенобиологията и астробиологията.

От какво се състои?

Теорията за абиогенезата се основава на химически процес, чрез който от безжизнените прекурсори се появяват по-прости форми на живот.

Предполага се, че процесът на абиогенезис е протичал непрекъснато, за разлика от изгледа на изведнъж в случай на късмет. Така, тази теория предполага съществуването на континуум между неживата материя и първите живи системи.

По същия начин се предлагат редица различни сценарии, където началото на живота може да започне от неорганични молекули. Обикновено тези среди са екстремни и различни от сегашните условия на Земята.

Тези предполагаеми пребиотични условия обикновено се възпроизвеждат в лабораторията, за да се опита да генерира органични молекули, като известния експеримент на Милър и Ури.

Произходът на живота: теории

Произходът на живота е една от най-спорните теми от учени и философи още от времето на Аристотел. Според този важен мислител разлагащата се материя може да се трансформира в животни с живот благодарение на спонтанното действие на природата.

Абиогенезата в светлината на аристотеловата мисъл може да бъде обобщена в известната му фраза omne vivum ex vivo, което означава, че "целият живот идва от живота".

След това доста голям брой модели, теории и спекулации са се опитали да изяснят условията и процесите, които са довели до произхода на живота.

По-долу ще опишем най-забележителните теории, както от историческа, така и от научна гледна точка, които се стремят да обяснят произхода на първите живи системи:

Теория на спонтанното поколение

В началото на 17-ти век се предполага, че от безжизнените елементи могат да се появят форми на живот. Теорията за спонтанното поколение беше широко приета от мислителите на времето, тъй като имала подкрепата на католическата църква. Така живите същества могат да покълнат и родителите си, и неживата материя.

Сред най-известните примери, използвани в подкрепа на тази теория, е появата на червеи и други насекоми в разлагаща се плът, жаби, които се появяват от калта и мишките, появили се от мръсни дрехи и пот.

Всъщност имаше рецепти, които обещаваха създаването на живи животни. Например, за да се създадат мишки от нежив материал, зърната от пшеница трябваше да се комбинират с мръсни дрехи в тъмна среда и с настъпването на деня се появяват живи гризачи.

Защитниците на този микс твърдят, че човешката пот в дрехите и пшеничната ферментация са агентите, които насочват формирането на живота.

Опровержение на спонтанното поколение

През седемнадесети век започва да забелязва недостатъци и пропуски в изявленията на теорията за спонтанното поколение. Едва през 1668 г. италианският физик Франческо Реди измисли адекватен експериментален проект, който да го отхвърли.

В контролираните си експерименти Реди поставя фино нарязани парчета месо, увити в муселин в стерилни контейнери. Тези буркани бяха правилно покрити с марля, така че нищо не можеше да влезе в контакт с месото. В допълнение, експериментът се брои с друга серия бутилки, които не бяха покрити.

С течение на дните червеите се наблюдават само в откритите буркани, тъй като мухите могат свободно да влизат и да депозират яйцата. В случая с капачки, яйцата се поставят директно върху марлята.

По същия начин изследователят Лазаро Спаланцани разработи серия от експерименти, за да отхвърли предпоставките за спонтанно генериране. За това той разработва серия от бульони, които той подлага на продължително кипене, за да унищожи всеки микроорганизъм, който ще живее там.

Защитниците на спонтанното поколение обаче твърдят, че количеството топлина, на която са изложени бульоните, е прекомерно и унищожава "жизнената сила".

Вноски от Пастьор

По-късно, през 1864 г., френският биолог и химик Луи Пастьор се постарал да сложи край на постулатите за спонтанното поколение.

За да постигне тази цел, Пастьор е направил стъклени съдове, известни като "лебедови шии", защото те са били дълги и извити на върховете, като по този начин предотвратявали навлизането на някакъв микроорганизъм.

В тези контейнери Пастьор свари серия от бульони, които останаха стерилни. Когато шията на единия от тях се счупи, тя се замърси и микроорганизмите се размножиха за кратко време.

Доказателствата, предоставени от Пастьор, бяха неопровержими и успяха да разрушат една теория, която продължи повече от 2500 години.

панспермията

В началото на 1900 г. шведският химик Сванте Аррениус написа книга, озаглавена " Създаване на светове ", в която той предполага, че животът идва от космоса чрез спори, устойчиви на екстремни условия.

Логично е, че теорията за панспермията е заобиколена от много противоречия, освен че тя всъщност не допринася с обяснение за произхода на живота.

Хемосинтетична теория

При изследването на експериментите на Пастьор, едно от косвените заключения на неговите доказателства е, че микроорганизмите се развиват само от други, т.е. животът може да дойде само от живота. Това явление се нарича "биогенеза".

Следвайки тази перспектива, ще се появят теории за химическата еволюция, водени от руския Александър Опарин и англичанина Джон Д.С.

Тази визия, наричана също химиосинтетична теория на Опарин-Халдейн, предполага, че в пребиотична среда Земята притежава атмосфера без кислород и с висока водна пара, метан, амоняк, въглероден диоксид и водород, така че е силно редуцирана.

В тази среда има различни сили като електрически разряди, слънчева радиация и радиоактивност. Тези сили са действали върху неорганични съединения, предизвиквайки по-големи молекули, създавайки органични молекули, известни като пребиотични съединения.

Експериментът на Милър и Ури

В средата на 50-те години на миналия век изследователите Стенли Л. Милър и Харолд Ури успяха да създадат гениална система, която симулира предполагаемите предшественици на атмосферата на земята, следвайки теорията на Опарин-Халдейн.

Стенли и Ури доказаха, че при тези "примитивни" условия простите неорганични съединения могат да създадат сложни органични молекули, необходими за живота, като аминокиселини, мастни киселини, урея и др.

Образуване на полимери

Въпреки че споменатите по-горе експерименти предполагат правдоподобен начин, по който произхождат биомолекулите, които са част от живите системи, те не предполагат никакво обяснение на процеса на полимеризация и увеличаване на сложността.

Има няколко модела, които се опитват да изяснят този въпрос. Първият включва твърди минерални повърхности, където повишената повърхност и силикатите могат да действат като катализатори за въглеродните молекули.

В дълбините на океана хидротермалните отвори са подходящ източник на катализатори, като желязо и никел. Според експерименти в лаборатории тези метали участват в реакциите на полимеризация.

И накрая, в ямите на океаните има горещи езера, които чрез процеси на изпаряване могат да благоприятстват концентрацията на мономерите, насърчавайки образуването на по-сложни молекули. В това предположение се основава хипотезата за "първичната супа".

Съгласувайки резултатите на Милър и Пастьор

Следвайки последователността на идеята, обсъждана в предишните раздели, имаме, че експериментите на Пастьор доказват, че животът не възниква от инертни материали, докато доказателствата на Милър и Ури показват, че това се случва, но на молекулярно ниво.

За да се съгласуват и двата резултата е необходимо да се има предвид, че съставът на земната атмосфера днес е напълно различен от пребиотичната атмосфера.

Кислородът, присъстващ в настоящата атмосфера, би действал като "унищожител" на молекулите, които се образуват. Трябва също така да вземем предвид, че енергийните източници, които предполагаемо насърчават образуването на органични молекули, вече не присъстват с честотата и интензивността на пребиотичната среда.

Всички форми на живот, присъстващи на Земята, са съставени от множество големи структурни блокове и биомолекули, наречени протеини, нуклеинови киселини и липиди. С тях можете да "изградите" основата на текущия живот: клетки.

В клетката животът се утвърждава и на този принцип Пастьор се основава, за да твърди, че всяко живо същество трябва да дойде от друг, който съществува.

Светът на РНК

Ролята на автокатализата по време на абиогенезата е от решаващо значение, поради което една от най-известните хипотези за произхода на живота е тази на света на РНК, който постулира началото от прости верижни молекули с капацитет за само-репликация.

Тази представа за РНК предполага, че първите биокатализатори не са молекули на протеинова природа, а молекули на РНК - или полимер, подобен на този - с възможност за извършване на катализа.

Това предположение се основава на свойството на РНК да синтезира къси фрагменти, използвайки закаляване, което насочва процеса, в допълнение към насърчаване на образуването на пептиди, естери и гликозидни връзки.

Според тази теория предшествената РНК се свързва с някои кофактори като метали, пиримидини и аминокиселини. С напредването и увеличаването на сложността в метаболизма възниква способността за синтезиране на полипептиди.

В хода на еволюцията РНК беше заменена с по-химически стабилна молекула: ДНК.

Съвременни представи за произхода на живота

Понастоящем се подозира, че животът е възникнал в един изключителен сценарий: океански райони в близост до вулканични комини, където температурите могат да достигнат 250 ° C, а атмосферното налягане надвишава 300 атмосфери.

Това подозрение възниква поради разнообразието от форми на живот в тези враждебни региони и този принцип е известен като "гореща световна теория".

Тези среди са колонизирани от архебактерии, организми, способни да растат, развиват и възпроизвеждат в екстремни среди, вероятно много подобни на пребиотичните условия (включително ниски концентрации на кислород и високи нива на СО2).

Термичната стабилност на тези среди, защитата, която те осигуряват срещу внезапни промени и постоянният поток от газове, са някои от положителните качества, които правят морските дъна и вулканичните комини подходяща среда за произхода на живота.

Термини биогенеза и абиогенеза

През 1974 г. известният изследовател Карл Саган публикува статия, изясняваща употребата на термините биогенеза и абиогенеза. Според Саган и двата термина са били злоупотребявани в статии, свързани с обяснения за произхода на първите живи форми.

Сред тези грешки е използването на термина биогенеза като свой собствен антоним. Тоест, биогенезата се използва за описване на произхода на живота от други живи форми, докато абиогенезата се отнася до произхода на живота от неживата материя.

В този смисъл съвременният биохимичен път се счита за биогенен и пребиологичният метаболитен път е абиогенен. Затова е необходимо да се обърне специално внимание на използването на двата термина.