PREBIOOTTINEN EVOLUUTIO: MISSÄ SE TAPAHTUI JA MIKÄ ON VÄLTTÄMÄTÖNTÄ - BIOLOGIA - 2025

Termi prebioottinen evoluutio viittaa joukkoon hypoteettisia skenaarioita, joilla pyritään selittämään elämän alkuperä, joka alkaa elottomasta aineesta ympäristössä primitiivisissä olosuhteissa.

On ehdotettu, että primitiivisen ilmakehän olosuhteet olivat voimakkaasti pelkistäviä, mikä edisti orgaanisten molekyylien, kuten aminohappojen ja peptidien, muodostumista, jotka ovat proteiinien rakennuspalikoita; ja puriinit ja pyrimidiinit, jotka muodostavat nukleiinihappoja - DNA: ta ja RNA: ta.

Lähde: pixabay.com

Alkeelliset olosuhteet

Kuvittelemalla, kuinka ensimmäiset elämän muodot syntyivät maan päälle, voi olla haastava - ja jopa melkein mahdoton - kysymys, jos emme sijoita itseämme oikeaan primitiiviseen ympäristöön.

Siksi avain elämän ymmärtämiseen abioottisista molekyyleistä, jotka on suspendoitu kuuluisaan "primitiiviseen keittoon", on ilmapiiri siinä syrjäisessä ympäristössä.

Vaikka ei ole täysin samaa kemikaalin koostumuksesta ilmakehän, koska ei ole mitään keinoa vahvistaa kokonaan, hypoteeseja vaihtelevat vähentää koostumuksista (CH ₄ + N ₂, NH ₃ + H ₂ O: n tai CO ₂ + H ₂ + N ₂) neutraalimpiin ympäristöihin (vain CO ₂ + N ₂ + H ₂ O).

On yleisesti hyväksyttyä, että ilmakehässä ei ollut happea (tämä elementti kasvatti pitoisuuttaan merkittävästi elämän saapumisen myötä). Aminohappojen, puriinien, pyrimidiinien ja sokerien tehokkaaseen synteesiin tarvitaan pelkistävän ympäristön läsnäolo.

Jos tuolloin todellisessa ilmakehässä ei ollut näitä prebioottisia kemiallisia olosuhteita, orgaanisten yhdisteiden piti olla peräisin pölyhiukkasista tai muista avaruuskappaleista, kuten meteoriiteista.

Missä prebioottinen evoluutio tapahtui?

Maapallon fyysiseen avaruuteen liittyy useita hypoteeseja, jotka sallivat ensimmäisten biomolekyylien ja replikaattorien kehittämisen.

Teoria, joka on saavutettu merkittävän seurauksena biomolekyylien muodostumisessa valtameren hydrotermisissä tuuletusaukkoissa. Muiden kirjoittajien mielestä on kuitenkin epätodennäköistä ja he diskreditoivat näitä alueita tärkeinä aineina prebioottisynteesissä.

Teoria ehdottaa, että kemiallinen synteesi tapahtui veden läpi kulkemalla kaltevuudella 350 ° C - 2 ° C.

Tämän hypoteesin ongelma syntyy, koska orgaaniset yhdisteet hajoavat korkeissa lämpötiloissa (350 ° C) syntetisoinnin sijasta, mikä viittaa vähemmän äärimmäisiin ympäristöihin. Joten hypoteesi on menettänyt tukensa.

Mitä tarvitaan prebioottiseen evoluutioon?

Prebioottiseen evoluutioon liittyvän tutkimuksen suorittamiseksi on tarpeen vastata joukkoon kysymyksiä, joiden avulla voimme ymmärtää elämän syntymistä.

Meidän on kysyttävä itseltämme, millainen katalyyttinen prosessi suosi elämän alkuperää ja mistä ensimmäisten reaktioiden suosima energia otettiin. Vastaamalla näihin kysymyksiin voimme mennä pidemmälle ja kysyä, olivatko ensimmäiset esiintyneet molekyylit membraaneja, replikaattoreita vai metaboliitteja.

Vastaamme nyt jokaiselle näistä kysymyksistä saadaksesi käsityksen elämän mahdollisesta alkuperästä prebioottisessa ympäristössä.

katalysaattorit

Elämä, sellaisena kuin tiedämme sen tänään, vaatii sarjan "kohtalaisia ​​olosuhteita" kehittyäkseen. Tiedämme, että suurin osa orgaanisista olennoista esiintyy siellä, missä lämpötila, kosteus ja pH ovat fysiologisesti hyväksyttäviä - lukuun ottamatta Extremofiilisiä organismeja, jotka nimensä perusteella viittaavat ääriympäristöihin.

Yksi elävien järjestelmien merkityksellisimmistä ominaisuuksista on katalysaattorien läsnäolo. Elävien olentojen kemiallisia reaktioita katalysoivat entsyymit: proteiiniluonteiset monimutkaiset molekyylit, jotka lisäävät reaktioiden nopeutta useilla suuruusluokilla.

Ensimmäisillä elävillä olentoilla on täytynyt olla samanlainen järjestelmä, todennäköisesti ribotsyymit. Kirjallisuudessa on avoin kysymys, olisiko prebioottinen evoluutio tapahtunut ilman katalyysiä.

Todisteiden mukaan biologinen kehitys ilman katalyyttiä olisi ollut erittäin epätodennäköistä - koska reaktioiden olisi pitänyt tapahtua monumentaalisia aikavälejä. Siksi heidän olemassaolonsa oletetaan olevan varhaisessa vaiheessa elämää.

energia

Prebioottisen synteesin energian piti näkyä jostakin. Ehdotetaan, että tietyillä epäorgaanisilla molekyyleillä, kuten polyfosfaateilla ja tioestereillä, voisi olla tärkeä rooli reaktioiden energian tuotannossa - aikoina ennen solujen kuuluisan energia "valuutan": ATP: n olemassaoloa.

Energeettisesti geneettisen tiedon sisältävien molekyylien replikaatio on erittäin kallistapahtuma. Keskimääräiselle bakteerille, kuten E. coli, yksi replikaatiotapahtuma vaatii 1,7 * 10 ¹⁰ ATP-molekyyliä.

Tämän poikkeuksellisen korkean luvun olemassaolon ansiosta energialähteen läsnäolo on kiistaton edellytys luotavan skenaarion luomiseksi, josta elämä sai alkunsa.

Samoin ”redox” -tyyppisten reaktioiden olemassaolo olisi voinut myötävaikuttaa abioottiseen synteesiin. Ajan myötä tästä järjestelmästä voi tulla tärkeitä elementtejä elektronien kuljetuksessa solussa, joka liittyy energian tuotantoon.

Mikä solukomponenteista syntyi ensin?

Solussa on kolme peruskomponenttia: kalvo, joka rajaa solutilan ja muuttaa siitä erillisen yksikön; replikattorit, jotka tallentavat tietoa; ja metaboliset reaktiot, joita tapahtuu tässä järjestelmässä. Näiden kolmen komponentin toiminnallinen integraatio saa aikaan solun.

Siksi evoluution valossa on mielenkiintoista kysyä, mikä kolmesta nousi esiin ensin.

Kalvojen synteesi näyttää olevan yksinkertainen, koska lipidit muodostavat spontaanisti vesikulaarisia rakenteita, joilla on kyky kasvaa ja jakaa. Vesikkeli mahdollistaa replikaattorien varastoinnin ja pitää metaboliitit keskittyneinä.

Nyt keskustelu keskittyy replikaation johtamiseen verrattuna aineenvaihduntaan. Ne, jotka antavat enemmän replikaatiolle painoa, väittävät, että ribotsyymit (RNA: lla, jolla on katalyyttinen voima) pystyivät replikoitumaan, ja mutaatioiden esiintymisen ansiosta saattaa syntyä uusi metabolinen järjestelmä.

Päinvastainen näkemys korostaa yksinkertaisten molekyylien - kuten trikarboksyylihapposyklissä olevien orgaanisten happojen - muodostumisen merkitystä palamiselle kohtalaisissa lämpölähteissä. Tästä näkökulmasta nämä metaboliitit osallistuivat prebioottisen evoluution ensimmäisiin vaiheisiin.

Viitteet

1. Anderson, PW (1983). Ehdotettu malli prebioottiselle evoluutiolle: kaaoksen käyttö. Kansallisen tiedeakatemian julkaisut, 80 (11), 3386-3390.
2. Hogeweg, P., ja Takeuchi, N. (2003). Monitasoinen valinta prebioottisen evoluution malleissa: osastot ja alueellinen itseorganisaatio. Elämän alkuperä ja biosfäärin evoluutio, 33 (4-5), 375-403.
3. Lazcano, A., ja Miller, SL (1996). Elämän alkuperä ja varhainen kehitys: prebioottinen kemia, pre-RNA-maailma ja aika. Cell, 85 (6), 793 - 798.
4. McKenney, K., ja Alfonzo, J. (2016). Prebiootikoista probiootteihin: tRNA-modifikaatioiden kehitys ja toiminnot. Elämä, 6 (1), 13.
5. Silvestre, DA, ja Fontanari, JF (2008). Pakkausmallit ja prebioottisen evoluution tietokriisi. Lehti teoreettisesta biologiasta, 252 (2), 326-337.
6. Wong, JTF (2009). Prebioottinen evoluutio ja astrobiologia. CRC Press.