أصل الحياة: التطور الكيميائي ، وتشكيل الحياة البدائية وتطورها

أصل الحياة :: أ. كيموجيني (التطور الكيميائي) ب. Biogeny (تشكيل الحياة البدائية) C. Cognogeny (طبيعة الحياة البدائية وتطورها).

النظرية الحديثة لأصل الحياة اقترحها عالم الكيمياء الحيوية الروسي ، ألكسندر آي. أوبارين (1923 م) وأيده عالم بريطاني ، ج.ب.س هالدان (1928 م) ، لذلك تُدعى أيضاً نظرية أوبارين هالدان.

وذكرت أن الحياة البدائية نشأت في المسطحات المائية على الأرض البدائية من الجزيئات العضوية غير الحية (على سبيل المثال ، بروتينات الرنا ، وما إلى ذلك) من خلال التطور الكيميائي من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية منذ حوالي 4 مليارات سنة (في فترة ما قبل الكمبري) ( أي حوالي 500 مليون سنة بعد تكوين الأرض). إنها نظرية مرضية للغاية لأنها تحتوي على تفسير علمي وتم اختبارها تجريبياً. تعرف نظرية أوبارين أيضا بالتولد الحيوي الأساسي.

الخطوات المختلفة للنظرية الحديثة هي:

A. Chemogeny (التطور الكيميائي):

(أ) كانت الظروف على الأرض البدائية ، قبل حوالي 4 بلايين سنة ، هي التي تفضل التطور الكيميائي. عندما كانت درجة حرارة سطح الأرض أقل من 100 درجة مئوية. وكان غلافه الجوي يحتوي على نيتروجين في شكل أموروا (-NH ₃ ) ، وكربون على شكل ميثان (-CH4) وأكسجين على شكل أبخرة مائية (H ₂ O) ولكن لم يكن هناك أي أوكسجين حر ، لذلك كان الجو البدائي "تقليص". كانت تسمى هذه المركبات مركبات protoplasmic.

(ب) مع تبريد الأرض ، طورت قشرة صلبة والتي شكلت فيما بعد المنخفضات والارتفاعات. في هذه الأثناء ، تكثفت أبخرة الماء في الغلاف الجوي وأخيراً وصلت إلى السطح كمطر. المياه التي تم جمعها في المنخفضات ، حلت المعادن مثل كلوريد والفوسفات وأخيرا شكلت الأجسام المائية كبيرة الحجم تسمى المحيطات.

(ج) تشكيل مركبات عضوية بسيطة:

عندما يبرد سطح الأرض إلى 50-60 درجة مئوية ، يتم الجمع بين الجزيئات والمعادن الموجودة في المسطحات المائية وإعادة توحيدها بطرق مختلفة من خلال عمليات التكثيف والبلمرة وتقليل الأكسيدو لتشكيل مركبات عضوية بسيطة مثل الكحولات والألدهيدات والجليسرينول والأحماض الدهنية. ، البيورين ، البيريميدينات ، السكريات البسيطة (مثل الريبوز ، ديوكسيريبوز ، الجلوكوز ، إلخ) والأحماض الأمينية.

تراكم هذه المركبات العضوية في المسطحات المائية لأن تدهورها كان بطيئًا جدًا في غياب أي محفزات للمستهلكين أو الإنزيمات أو غياب الأكسجين. هذا التحول غير ممكن في الغلاف الجوي المؤكسد الحالي لأن الأكسجين أو المستهلكين الصغار سوف يحلل أو يدمر الجسيمات الحية التي قد تنشأ بمجرد مجرد فرصة.

تم توفير الطاقة لهذه التفاعلات الكيميائية الضوئية من خلال أحد العوامل التالية:

(1) الانفجارات البركانية (الحرارة الجافة الشديدة للأرض) ،

(2) الإشعاعات الشمسية (الأشعة فوق البنفسجية) ،

(3) الطاقة الكهربائية المنتجة أثناء البرق، و

(4) اضمحلال العناصر المشعة.

اقترح هالدين أن هذه المركبات العضوية البسيطة المتراكمة تدريجيًا في هذه المسطحات المائية وفي النهاية تم تشكيل "حساء رقيق ساخن" أو "حساء ما قبل حيوي" أو مرق. هذا وضع المسرح لمختلف التفاعلات الكيميائية.

(د) تشكيل المركبات العضوية المعقدة:

أظهرت المركبات العضوية البسيطة فرصة التفاعلات الكيميائية والبلمرة في النهاية لتشكيل مركبات عضوية معقدة مثل السكريات والدهون والنيوكليوتيدات والأحماض النووية والبوليبيبتيدات الخ.

وكانت مصادر الطاقة الرئيسية للتفاعلات الكيميائية وتشكيل البوليمرات هي: التفريغ الكهربائي ، البرق ، الطاقة الشمسية ، ATP و بيروفوسفات. أدى تبخير الماء إلى تركيز المونومرات وفضلت البلمرة.

كانت هذه البوليمرات أكثر استقرارًا لذا فقد هيمنت على هذه الأجسام المائية. وقد أدى التركيز المرتفع للبوليمرات إلى تحويل التوازن الكيميائي نحو تكوين بوليمرات مستقرة من مونومرات غير مستقرة.

(هـ) تشكيل البروتوكولات:

من أجل أصل الحياة ، يجب أن تتحقق ثلاثة شروط:

(ط) يجب أن يكون هناك إمدادات مستمرة من الجزيئات المنتجة الذاتية ، والتي تسمى النسخ المتماثل.

(2) يجب أن يكون نسخ هذه النسخ المتماثلة عرضة لطفرة (تغيير).

(3) يجب أن يتطلب نظام النسخ المتماثل استمرار توفير الطاقة الحرة وعزلتها الجزئية عن البيئة العامة.

ربما كان العامل الرئيسي المسؤول عن الطفرات في النسخ المتماثلة (جزيئات البريبايوتك) هو الحركات الحرارية الناجمة عن ارتفاع درجة الحرارة بينما تم تحقيق العزلة الجزئية داخل مجاميعها. واقترح Oparin و Sydney Fox أن المركبات العضوية المركبة المركبة كيميائيا على الأرض البدائية تميل في وقت لاحق إلى تراكم وتكوين ركام ضخم شبيه بالخلايا الشبيهة بالبروتونات يسمى protobionts.

من المحتمل أن تكون هذه الأشكال الأولى من الحياة غير الخلوية قد نشأت منذ 3 مليارات سنة. سيكون لهذه الجزيئات جزيئات عملاقة تحتوي على الحمض النووي الريبي ، البروتين ، السكريات الخ. يمكن لهذه المجاميع فصل مجموعات من الجزيئات عن المناطق المحيطة بها ، ويمكن أن تحافظ على بيئة داخلية.

لكن العيب الرئيسي هو أنهم غير قادرين على التكاثر. هذه المجاميع المجهرية والكروية والمستقرة والمتحركة كانت تدعى (Coacervates) (L. acervus = pile - Fig. 7.4) بواسطة Oparin و microspheres by Sydney Fox.

وبما أن هذه الجيلاتيد لا تحتوي على غشاء خارجي للدهون ولا يمكنها التكاثر ، فإنها تفشل في الوفاء بالمتطلبات كمرشح لسلائف حياة محتملة. أصبحت الكريات المجهرية ناجحة ومضاعفة حيث أن هذه كانت لديها قوة النمو والقسمة (برعم ، تجزئة وانشطار ثنائي ، صورة 7.5).

B. Biogeny (تشكيل الحياة البدائية):

حيث أن علم وظائف الأعضاء الخلوية هو نتيجة النشاط الأنزيمي ، لذا يجب أن تكون الإنزيمات قد تطورت قبل الخلايا. تدريجياً ، أصبحت مجاميع الجينات محاطة بنظام معقد من الإنزيمات التي شكلت السيتوبلازم. يمكن لهذه الإنزيمات أن تجمع بين قواعد النيتروجين والسكريات البسيطة والفوسفات في النوكليوتيدات.

ربما تكون النيوكليوتيدات مجتمعة لتكوِّن حمضًا نوويًا يبدو أنه الجزيئات الحيوية التي تحقق شرط توريد أجهزة النسخ المتماثلة في أصل الحياة.

في الوقت الحاضر تعمل البيولوجيا الجزيئية على مبدأ العقيدة المركزية التي تنص على أن تدفق المعلومات الوراثية هو أحادي الاتجاه ويظهر على النحو التالي:

الحمض النووي (النسخ) → RNA (الترجمة) → البروتين

(مع المعلومات الجينية) (مع رسالة وراثية)

هذه الآلية ربما تطورت من آلية أبسط بكثير.

الحمض النووي والبروتينات (الإنزيمات) هما جزيئتان حيويتان مترابطتان. يتم تصنيع البروتينات من خلال عملية تبدأ بنسخ المعلومات من الحمض النووي إلى mRNA متبوعة بالترجمة على الريبوسومات بينما تعتمد الأحماض النووية على الإنزيمات البروتينية لتكرارها.

وهكذا ، فإن البروتينات والأحماض النووية تشكل مركبين كيميائيين رئيسيين للحياة. تذكر نظرية البروتينات أن جزيئات البروتين تطورت أولاً ، بينما تنص فرضية الجين المجردة على أن الحمض النووي قد نشأ أولاً وضبط تكوين البروتينات.

في تخليق الجزيء RNA من 77 ريبونوكليوتيدات HG خورانا (1970) أدى إلى تكهنات بأن الحمض النووي الريبي على الأرجح ، وليس الحمض النووي ، هو المادة الوراثية البدائية. تم دعم هذا الرأي كذلك من خلال اكتشاف بعض ريوزوزمات (جزيئات RNA لها خصائص إنزيمية).

لذا فإن أحدث وجهة نظر هي أن الخلايا الأولى استخدمت الحمض النووي الريبي كمواد وراثية لها ، وفي وقت لاحق تطور الحمض النووي من قالب RNA فقط عندما أصبحت الحياة القائمة على RNA مغلفة في الأغشية. وأخيرا ، استبدل الحمض النووي الريبي RNA باعتباره المادة الجينية لمعظم الكائنات الحية. بعض الارتباطات المحتملة من البروتينات ، البيورينات ، البيريميدينات والمركبات العضوية الأخرى ربما تكون قد أدت إلى ظهور نظام يمكن أن يتكاثر.

تم تطوير غشاء محدد نحيف حول السيتوبلازم عن طريق طي أحادي الطبقة من الفوسفوليبيد لتشكيل غشاء الخلية. ومن الممكن بالتالي أن تكون الخلايا الأولى قد نشأت بنفس الطريقة التي نشأت بها الأجنة في أجسام مائية بدائية. كانت تسمى أول الهياكل "الشبيهة بالخلية" مع قوة القسمة "eobionts" أو "Pre-cell". هذه الأشكال الخلوية الأولى للحياة نشأت منذ حوالي 2000 مليون سنة.

ربما كانت هذه مشابهة للميكوبلازما (Mycoplasma) الذي أدى إلى ظهور المونيرانز (خلايا بدون نواة محددة جيداً) و Protistans (خلايا ذات نواة متميزة). وشملت Monera بدائيات النواة مثل البكتيريا والبكتيريا الزرقاء. بروتستا أدى إلى حقيقيات النوى التي تطورت إلى بروتوزوا ، ميتازوا ومتراهايتا. كان يسمى هذا السلف المشترك المبكر وحيد الخلية من البكتيريا ، eubacteria و eukaryotes.

الدليل التجريبي للتطور الجزيئي لأبيوجينيك للحياة:

في عام 1953 ميلادي ، أثبت ستانلي إل ميلر (الشكل 7.8) (عالم كيمياء حيوية) وهارولد سي. أوري (الفلكي) ، على نحو تجريبي ، تكوين مركبات عضوية بسيطة من مركبات أبسط تحت ظروف الاختزال (الشكل 7.9).

يطلق عليه تجربة المحاكاة. كان الهدف منه تقييم مدى صحة مطالبة أوبارين وهالدان بأصل الجزيئات العضوية في حالة الأرض البدائية. أخضعوا غاز الميثان- الأمونيا- خليط الهيدروجين-الماء (محاكاة الغلاف البدائي) لمدة أسبوع تقريباً على شرارة كهربائية (حوالي 75.000 فولت والتي تحاكي تفتيح الأرض البدائية وقدمت درجة حرارة حوالي 800 درجة مئوية) بين قطبين كهربائيين من التنغستن في غرفة الغاز (تسمى جهاز تفريغ شرارة) وضعت في الحد من الظروف.

تم أخذ الميثان والأمونيا والهيدروجين بنسبة 2: 2: 1. اجتازوا المنتجات الساخنة من خلال مكثف (للتكثيف وجمع المنتج النهائي المائي ،

أي ما يعادل حساء هالدين.

احتوت تجربة التحكم على جميع المتطلبات باستثناء مصدر الطاقة. وبعد ثمانية عشر يومًا ، قاموا بتحليل المواد الكيميائية بطريقة كيميائية بواسطة طرق الكروماتوجرافي واللون. وجدوا العديد من الأحماض الأمينية (الجليسين ، ألانين ، حمض الأسبارتيك ، حمض الغلوتاميك الخ) ، الببتيدات ، البيورين ، البيريميدين والأحماض العضوية.

هذه البيورينات و pyrimidines تصرفت كسلائف من الأحماض النووية. هذه الأحماض الأمينية ضرورية لتشكيل البروتينات. تم العثور على المنتجات الوسيطة لتكون ألدهيدات و HCN. في تجربة التحكم ، لوحظت كمية ضئيلة من الجزيئات العضوية.

وكشف تحليل محتوى النيزك أيضًا عن مركبات مماثلة تشير إلى حدوث عمليات مشابهة في مكان آخر في الفضاء.

دليل تجريبي لتشكيل المركبات العضوية المركبة:

ذكرت سيدني دبليو. فوكس (1957 م) أنه عندما يتم تسخين خليط من الأحماض الأمينية 18-20 إلى درجة الغليان (160 إلى 210 درجة مئوية لعدة ساعات) ثم يتم تبريده في الماء ، فإن العديد من الأحماض الأمينية تتبلور وتشكل سلاسل متعددة البيبتيد ، دعا البروتينات.

وذكر فوكس أن هذه البروتينات مع الماء شكلت المجاميع الغروية تسمى coacervates أو microspheres (الشكل 7.10). كانت هذه قطرها حوالي 1-2 ميكرومتر ، على غرار البكتيريا الملتوية في الشكل والحجم.

يمكن أن يكون سبب ذلك أن ينقسم بشكل ظاهر يشبه التبرعم في البكتيريا والفطريات (الخميرة). كما أبلغ عن تكوين البورفيرينات ، النيوكليوتيدات و ATP من المركبات غير العضوية و HCN.

تشكيل الركام المركب:

أفاد Oparin أنه إذا تم تهتز خليط من بروتين كبير وعديد السكاريد ، يتم تكوين الأحماض. تم تكوين قلب هذه الأحماض بشكل أساسي من البروتين والسكاريد وبعض الماء وتم عزله جزئياً عن محلول مائي محيط به كمية أقل من البروتينات وعديد السكريات. لكن هذه الأحشاء لا تحتوي على غشاء خارجي للدهون ولم تكن قادرة على التكاثر.

جيم كوجنوجين (طبيعة الحياة البدائية وتطورها):

القسم الطبيعي يعمل حتى في وقت نشأة الحياة. استمرار الاختيار من أكثر eobionts ناجحة ترافق مع الكمال من نظام الغشاء أدى على الأرجح إلى تشكيل الخلية الأولى.

كانت الخلايا المبكرة لاهوائية (تم الحصول على الطاقة عن طريق تخمير بعض الجزيئات العضوية حيث لم يكن هناك أكسجين متوفر) ، وبدائية النواة (مع النواة كما في البكتيريا) و chemoheterotrophic (مشتق من الغذاء الجاهز من الجزيئات العضوية الموجودة).

بدأت هذه تستمد المركبات العضوية الغذائية من البحار البدائية باعتبارها كتل البناء ومصادر الطاقة. لذا نمت هذه الخلايا إلى حجم هائل. للحد من حجمها ، بدأت chemoheterotrophs الانقسام الخلوي وبالتالي زيادة عددهم.

للتأقلم مع الإمداد المستنفد من المركبات العضوية ، تطورت بعض من هذه المواد الكيميائية إلى اللاهوائية ، بدائية النوى و chemoautotrophs. بدأت هذه بتجميع الأغذية العضوية الخاصة بها من المركبات غير العضوية في وجود الطاقة الكيميائية (أيضا من تدهور المركبات غير العضوية) والانزيمات على سبيل المثال ، البكتيريا للحد من الكبريتات ، والبكتيريا الآزوتية ، والبكتيريا الحديدية وغيرها. واقترحت القوة الرئيسية لهذا النوع من التطور ليكون من الطفرات.

تواجه مشكلة زيادة نقص المركبات غير العضوية ، بعض من chemoautotrophs المتقدمة البورفيرين و bacteriochlorophyll (الصباغ الضوئي الأخضر) وبدأ التمثيل الضوئي (توليف الكربوهيدرات). هذا أدى إلى تطور اللاهوائيات ، بدائيات النواة و photototrophs. تطورت هذه منذ حوالي 3500-3800 مليون سنة.

كانت أول صور الاندروتوترس غير أنوكسيجنيك لأن هذه لم تستخدم المياه كمادة خام في التركيب الضوئي. في وقت لاحق ، تطورت هذه الكلوروفيل الحقيقية وبدأت استخدام الماء ككاشف لذلك تم تطوير O ₂ في عملية التمثيل الضوئي. وكانت أولى صور الانسيابية والأيروبيك هي البكتيريا الزرقاء التي يعتقد أنها تطورت منذ حوالي 3،300 - 3،500 مليون سنة.

وبالمثل ، أبلغ JW Schopf (1967) عن وجود 22 من الأحماض الأمينية في صخرة عمرها 3000 مليون سنة ، في حين أن أقدم حفرية صغيرة تنتمي إلى الطحالب الخضراء الزرقاء ، وهي Archaespheroids barbertonensis ، منذ حوالي 3.3 إلى 3.5 مليار سنة.

لفترة طويلة ، كانت الأشكال المهيمنة وربما الوحيدة على الأرض هي البكتيريا والعفن والبكتيريا الزرقاء. تدريجيا ، تطورت الطحالب الخضراء المزرقة إلى أشكال أخرى من الطحالب. تشير التقديرات إلى أن حقيقيات النوى تطورت إلى حوالي 1600 مليون سنة.

تطورت حقيقيات النوى الأولى من خلال إما طفرة في بدائيات النوى (Raff and Mahler، 1972) أو رابطة تكافلية من بدائيات النواة المختلفة (Marguilis، 1970). في وقت لاحق تم تطوير أنواع عديدة من الطحالب والفطريات والأوليات وغيرها من الكائنات الحية.