Evoluția chimică

Pe măsură ce evoluția chimică sau abiogeneza sunt numite procese sau mecanisme care controlează dezvoltarea organismelor vii din materiale anorganice și organice explică materialele datorită ipotezelor științifice. A început în Hadean (până acum aproximativ 4 miliarde de ani), prima secțiune din Precambrian . În eoarhean , a doua perioadă a Precambriei, a început evoluția organismelor celulare. Au apărut procariotele . De atunci, viața s-a format din viață ( biogeneză ). Amestecul necunoscut de substanțe anorganice care a facilitat apariția vieții este adesea o supă primordială ( supa primordială engleză ), la care se face referire la Urschleim sau la sucul primordial , dar realitatea acestei idei este controversată.

Caracteristica evoluției chimice este formarea spontană a structurii prin autocataliză , inclusiv dezvoltarea omociralității . Condiția prealabilă este echilibrul stării staționare departe de echilibrul termodinamic . Gradienții termici și chimici ai izvoarelor termale de pe fundul mării sunt probabil motori.

Există diverse ipoteze despre evoluția chimică. Acestea sunt susținute în principal de experimente bazate pe cunoștințe geologice despre compoziția chimică a atmosferei terestre , a hidrosferei și a litosferei , precum și a condițiilor climatice din acel moment. Deși s-a observat deja formarea chimică a moleculelor complexe care sunt necesare proceselor biologice, nu s-a format încă niciun sistem viu. Experimentele sunt în prezent insuficiente pentru a formula o teorie închisă care poate explica modul în care a apărut viața.

Pare sigur că o singură formă de viață, și anume aceea bazată pe acizi nucleici ( ARN și ADN ), a predominat (dacă ar fi trebuit să existe mai multe sau sunt deloc posibile). Indicațiile esențiale pentru această teorie sunt egalitatea blocurilor de bază ale celor două macromolecule esențiale tipice vieții în toate formele de viață cunoscute (cele cinci nucleotide ca blocuri de acizi nucleici și cei 21 de aminoacizi ca blocuri de proteine ) și cod genetic universal valabil .

Considerații preliminare

Ipotezele evoluției chimice trebuie să explice diverse aspecte:

1. Originea abiogenă a biomoleculelor, adică dezvoltarea lor din precursori non-vii sau neorganici ( cosmochimie ).
2. Apariția sistemelor de informații chimice auto-replicate și variabile, adică apariția celulelor (probabil în co- evoluție cu viruși ).
3. Apariția dependenței reciproce de funcție ( enzime ) și informații (ARN, ADN).
4. Condițiile de mediu ale pământului în urmă cu 4,5 până la 3,5 miliarde de ani (sau posibil pe alte corpuri cerești comparabile din sistemele noastre sau din alte planete - cum ar fi lunile, exoplanetele , exo-lunile sau chiar planemos , acum sau mai devreme).

Ideile mai vechi despre generația spontană au fost infirmate în 1860 de experimentele lui Louis Pasteur și pentru microbiologie . Noile științe ale biologiei celulare , virologiei și biochimiei (biologie moleculară) au fost capabile să coroboreze teoria evoluției, dar au arătat și lumină asupra complexității enorme a proceselor vieții, astfel încât un răspuns la întrebarea de la început a părut fără speranță și a fost inițial în mare parte ignorat.

Un model unificat pentru evoluția chimică este încă în așteptare, posibil pentru că principiile de bază nu au fost încă descoperite.

Biomolecule

Formarea prebiotică a moleculelor organice complexe poate fi împărțită în trei etape:

1. Formarea moleculelor organice simple ( alcooli , acizi , heterocicluri precum purinele și pirimidinele ) din substanțe anorganice.
2. Formarea elementelor de bază ( zaharuri simple , aminoacizi , piroli , acizi grași , nucleotide ) ale moleculelor organice complexe din molecule organice simple.
3. Crearea moleculelor organice complexe din elementele de bază.

Analiza elementară a acestor molecule conduce la problema pe care compuși anorganici au fost necesare pentru formarea lor.

Compoziția biomoleculelor

	C.	H	O	N	S.	P.
glucide	X	X	X
Lipidele	X	X	X	X		X
Proteine	X	X	X	X	X
Nucleotide	X	X	X	X		X
Porfirine	X	X	X	X

posibilă sursă anorganică a elementelor

	redus	oxidat
Carbon (C)	Metan (CH 4 )	Dioxid de carbon (CO 2 ), monoxid de carbon (CO)
Hidrogen (H)	Hidrogen (H 2 )	Apă (H 2 O)
Oxigen (O)	Apă (H 2 O)	Oxigen (O 2 )
Azot (N)	Amoniac (NH 3 )	Azotați (NO 3 - )
Sulf (S)	Sulfură de hidrogen (H 2 S)	Sulfati (SO 4 2− )
Fosfor (P)	Fosfină (PH 3 )	Fosfați (PO 4 3− )

Toate ipotezele presupun că, pe lângă apă și fosfat, doar formele reduse ale compușilor chimici de astăzi erau disponibile inițial în cantități suficiente, deoarece atmosfera primordială conținea cu greu oxigen molecular.

Razele UV și fulgerele sunt folosite ca surse de energie . Conform unor teorii recente foarte remarcabile, energia necesară pentru crearea de bio-molecule ar proveni alternativ din procesele redox anaerobe între gazele vulcanice reduse și mineralele sulfidice, cum ar fi pirita ( FeS ₂ ).

Rolul atmosferei terestre

Atmosfera pământului era răcoroasă în momentul abiogenezei, vezi așa-numitul paradox al tânărului soare slab . Avea un caracter reducător , deci era în mare parte lipsit de oxigen molecular și fără un strat de ozon . Vapori de apă colectați în atmosferă la temperaturi ridicate. Acest lucru condensat și apa colectată pe suprafața pământului.

Rolul apei în evoluția vieții

Viața așa cum o știm (sau o definim) are nevoie de apă ca solvent universal. Are proprietăți care, conform înțelegerii științifice acceptate, permit apariția vieții (vezi și principiul antropic ). Este posibil ca viața să poată apărea și să existe independent de apă, dar mulți oameni de știință presupun că prezența apei lichide (într-o anumită zonă sau pe o anumită planetă precum Marte ) nu numai că ne permite genul de viață, dar este foarte probabil să apară energie.

Următoarele proprietăți ale apei sunt relevante pentru originea vieții:

• Apa este lichidă într-un interval de temperatură în care moleculele organice sunt stabile.
• Apa este deosebit de potrivită ca mediu polar pentru reacții chimice , deoarece permite amestecarea omogenă , poate oferi protoni pentru cataliză și are o capacitate termică ridicată și astfel absoarbe excesul de căldură de reacție.
• Anomalia a apei apelor impiedica inghetarea din partea de jos și menține o suprafață de temperatură uniformă.
• Apa, este dizolvată în materiale, cum ar fi apa de mare, se formează în regiuni înghețate de diferite concentrații, care sunt înconjurate de Eismembranen. Conform ipotezei controversate de gheață de mare a fizicianului Hauke ​​Trinks , nu numai biomoleculele, ci și viața au luat ființă.

Ipoteze și experimente privind evoluția chimică

Primele teorii despre nămolul primordial

După ce considerațiile premoderne ale generației spontane au fost infirmate, biologi precum Jean-Baptiste de Lamarck au susținut totuși convingerea că trebuie să fi existat cel puțin o generație spontană . De asemenea, Lorenz Oken în 1805 a teoretizat că toată viața ar consta în acumulări de bule mici (acesta a fost precursorul teoriei celulare ) și că Urschleim ar fi umplut, care era compus din materie anorganică. Acești termeni tehnici germani au fost creați de Oken.

Ipoteza Oparin-Haldane

În anii 1920, omul de știință britanic JBS Haldane și biochimistul sovietic Aleksandr Oparin au publicat independent una dintre cele mai faimoase ipoteze asupra evoluției . Teoria spune că și atunci condițiile pământului au favorizat anumite reacții chimice. Ambii cercetători au fost de părere că moleculele organice pot fi formate din materiale abiogene sub acțiunea unei surse externe de energie (de exemplu, radiația ultravioletă foarte intensă ) și că atmosfera primordială, care conținea amoniac , vapori de apă și o mică proporție de oxigen liber , ar fi putut avea un efect de reducere. Ambii au suspectat, de asemenea, că primele forme de viață au apărut în oceanul primordial cald și nu au fost autotrofe , ci heterotrofe .

Oparin credea că viața a evoluat din coacervate - agregate sferice formate spontan de molecule lipidice - ținute împreună de forțe electrostatice și care ar fi putut fi precursorii celulelor. Lucrarea lui Oparin cu coacervatele a confirmat că enzimele, care sunt fundamentale pentru reacțiile biochimice din metabolism , au funcționat mai eficient atunci când sunt închise într-un înveliș de membrană decât atunci când înotează liber în soluții apoase. Haldane, care nu era familiarizat cu coacervatele lui Oparin, credea că s-au format mai întâi molecule organice simple, care, expuse la lumina ultravioletă, au devenit progresiv mai complexe, până când celulele s-au format în cele din urmă. Ideile lui Haldane și Oparin au stat la baza multor cercetări care s-au ocupat de abiogeneză în următoarele câteva decenii.

Experimentul Miller-Urey

În 1953, chimistul Stanley Miller și Harold C. Urey au testat această ipoteză folosind experimentul de supă primordială. În experiment, au arătat că într-un mediu - similar condițiilor prebiotice presupuse - compușii organici mai complecși, cum ar fi aminoacizii și acizii carboxilici și grași inferiori, sunt formați din compuși anorganici (apă, amoniac și hidrogen) și pot fi metan . În experimentele de supă primordiale mai târziu, mai complexe, mai complexe, ar putea fi produse toate elementele esențiale ale ființelor vii [aminoacizi, lipide , purine (baze nucleotidice) și zaharuri], precum și compușii organici complecși porfirină și izopren .

Deși acest lucru a arătat posibilitatea fundamentală a formării naturale a moleculelor organice, semnificația acestui rezultat pentru cursul real al dezvoltării vieții pământești este acum adesea privită critic. În experimentul de supă primordială, s-a presupus la acea vreme că atmosfera pământească avea un caracter de reducere chimică, care corespundea stării de cunoaștere din acel moment. Astăzi, pe de altă parte, se presupune adesea că atmosfera a fost doar puțin redusă sau chiar neutră în acest moment, dar întrebarea nu a fost încă clarificată în cele din urmă și sunt discutate și neomogenitățile chimice locale ale condițiilor atmosferice, de exemplu în vecinătatea vulcanilor. Experimentele ulterioare au arătat că moleculele organice se formează chiar și în condiții atmosferice atât de schimbate; chiar și cele care nu au apărut în experimentul original, dar randamentul este mult redus. Prin urmare, se susține adesea că alte posibilități pentru originea moleculelor organice trebuie să fi jucat cel puțin un rol suplimentar. Sunt menționate în principal formarea moleculelor organice în spațiu și transferul lor pe pământ de către meteoriți sau formarea în vecinătatea așa-numiților fumători negri .

Ca argument suplimentar împotriva originii moleculelor organice biologice conform experimentului cu supă primordială, se folosește adesea că un racemat , adică un amestec de L-aminoacizi și D-aminoacizi , a apărut în acest experiment . Cu toate acestea, mulți aminoacizi găsiți în organismele vii sunt configurate în L (vezi chiralitatea biologică ). Deci, ar trebui să existe un proces natural care preferă să selecteze molecule chirale cu o anumită manevrabilitate. De la astrobiologi ar trebui remarcat faptul că acest lucru este mai ușor de explicat universul, deoarece procesele fotochimice au radiații polarizate circular, de exemplu, produse de pulsari capabili să distrugă doar anumite molecule chirale. De fapt, molecule organice chirale au fost găsite în meteoriți în care frecvența formei L a predominat cu până la 9%. Cu toate acestea, în 2001 s-a arătat că sistemele peptidice auto-replicabile sunt, de asemenea, capabile să amplifice în mod eficient produsele homocirale dintr-un racemat original, care, potrivit acestor cercetători, susține înțelegerea originii terestre a manevrabilității moleculelor biologice.

Günter Wächtershäuser exprimă îndoieli fundamentale cu privire la condițiile experimentului de supă primordială . Alte studii ajung, de asemenea, la concluzia că condițiile primitive ale Pământului timpuriu nu corespundeau celor simulate în experiment.

Reacții suplimentare și rețele de reacție

Din produsele intermediare formaldehidă (CH ₂ O) și acid cianhidric (HCN) , care au loc în experimentul Miller-Urey , biomolecule suplimentare pot fi produse în condițiile simulate ale pământului acum 4,5 miliarde de ani. Așa a reușit Juan Oro să sintetizeze adenina în 1961:

Eductele			Produse
2 CH 2 O	HCN	H 2 O	Serine
5 CH 2 O			Riboză
	5 HCN		Adenină

El a demonstrat, de asemenea, formarea de adenină și guanină prin polimerizarea termică a cianurii de amoniu într-o soluție apoasă. Adenozin trifosfatul (ATP) este format din riboză, adenină și trifosfat , care este utilizat în organisme ca purtător universal de energie și ca element constitutiv (ca monofosfat) al acizilor ribonucleici (ARN).

Un software, AllChemy , pentru rețelele de reacție chimică sintetică pentru cercetarea abiogenezei poate, în parte validat experimental, să prezică căile de origine pentru substanțele relevante din punct de vedere biochimic.

Există, de asemenea, modele de cercetare cu „rețele de reacție continuă” chimice în care substanțele simple reacționează în condiții modelate în apă sub radiații pentru a forma materii prime importante pentru ARN , de exemplu .

Implicarea mineralelor și a rocilor

• Moleculele organice sunt protejate de radiațiile UV în mici cavități din rocă.
• Suprafețele de cristal pot servi ca matrice pentru macromolecule în creștere. Suprafețele cristaline pot prefera anumite forme moleculare. L- și D-aminoacizii sunt depuși pe un cristal de calcit în diferite locuri.
• Aharon Katchalssky ( Institutul Weizmann Israel) a reușit să producă proteine ​​cu o lungime a lanțului de peste 50 de aminoacizi cu un randament de aproape 100% într-o soluție apoasă cu ajutorul montmorillonitului mineral argilos .
• Ionii metalici pot acționa ca catalizatori sau donatori de electroni sau pot fi încorporați în biomolecule.
• Mineralele de argilă au adesea o încărcare electrică și pot astfel atrage și păstra molecule organice încărcate.

Lumea fier-sulf

O formă deosebit de intensă de participare a mineralelor și a rocilor în sinteza prebiotic de molecule organice pot afecta suprafața sulfurii de fier au jucat -Mineralen ( „Ur-sandwich“, în engleză: sandviș primordial ). Teoria Miller-Urey are limitări serioase, în special în ceea ce privește lipsa unei explicații pentru polimerizarea blocurilor de construcție monomerice formate în biomolecule.

Prin urmare, un scenariu alternativ pentru evoluția timpurie a vieții a fost dezvoltat de Günter Wächtershäuser încă de la începutul anilor 1980 , care a câștigat rapid sprijinul filosofului Karl Popper pentru teoria sa alternativă . Potrivit acestui fapt, viața pe pământ ar fi apărut pe suprafața mineralelor de fier-sulf, adică sulfurile care se formează și astăzi prin procese geologice în vulcanii de adâncime, au apărut mult mai frecvent în primele zile ale pământului și probabil și pe trebuie să fie disponibile multe exoplanete , exo -Moon și planemos . Și în sistemul nostru solar, unele dintre lunile mai mari ale planetelor gazoase sunt suspectate a fi un ocean extraterestru sub stratul de gheață .

Marele avantaj al acestui concept față de toate celelalte teorii este că face posibilă, pentru prima dată, cuplarea formării bio-moleculelor complexe la o sursă de energie disponibilă și fiabilă continuu. Energia provine din reducerea sulfului din mineralele fier-sulf, cum ar fi pirita (FeS ₂ ) cu hidrogen elementar (H ₂ ) ( schema de reacție : FeS ₂  + H ₂  ⇌ FeS + H ₂ S) și furnizează suficientă energie pentru a produce un sinteza amoniacului prebiotic și, de asemenea, pentru a conduce reacțiile de sinteză endergonică pentru blocurile monomerice ale biomoleculelor și pentru polimerizarea lor. Similar ionilor de fier , alți ioni de metale grele formează, de asemenea, sulfuri insolubile cu hidrogen sulfurat (vezi gruparea hidrogen sulfurat ).

În plus, pirita și alte minerale fier-sulf oferă suprafețe încărcate pozitiv pe care biomoleculele încărcate predominant negativ (acizi organici, esteri fosfați, tiolați) se pot acumula (adesea prin reacții complexe de formare ), se pot concentra și reacționa unul cu altul. În acest scop, substanțele necesare, cum ar fi sulfura de hidrogen, monoxidul de carbon și sărurile de fier-II, ies din soluție, de asemenea, direct la suprafața acestor „ E isen- S chwefel- W elt ” ( ESW ). Pentru teoria sa, Wächtershäuser se bazează pe mecanismele metabolice de bază care există și astăzi și derivă din acestea un scenariu consistent de sinteză a moleculelor organice complexe și a biomoleculelor (acizi organici, aminoacizi, zaharuri, nucleobaze, lipide) din molecule anorganice simple precursoare, pot fi găsite în gazele vulcanice (NH ₃ , H ₂ , CO, CO ₂ , CH ₄ , H ₂ S).

Spre deosebire de ipoteza lui Miller-Urey, nu este necesară nicio forță externă sub formă de fulgere sau radiații UV; În plus, primele reacții chimice simple au loc mult mai repede la temperaturi ridicate, fără a fi împiedicate de acestea (cum ar fi reacțiile biochimice catalizate de enzime). Deoarece temperaturile de până la 350 ° C pot fi atinse în vulcanii de adâncime, ne putem imagina cu ușurință originea vieții la aceste temperaturi ridicate. Abia mai târziu, după ce au apărut catalizatori sensibili la temperatură (vitamine, proteine), evoluția ulterioară trebuie să fi avut loc în nișe mai reci.

Prin urmare, scenariul Wächershäuser se potrivește bine condițiilor observate la fumătorii negri din adâncime, deoarece în aceste structuri, datorită gradienților abrupți de temperatură de la interior la exterior, o astfel de îngustare pare a fi ușor posibilă. Microorganismele vii în prezent, care sunt considerate a fi cele mai primitive, sunt în același timp cele mai termofile cu o temperatură (anterioară) maximă pentru creștere la +113 ° C. În plus, centrele fier-sulf au o funcție importantă în multe enzime topice , de ex. B. lanțul respirator . Acest lucru ar putea indica implicarea inițială a mineralelor Fe-S în evoluția vieții, mai ales că acestea sunt produse metabolice ale bacteriilor anaerobe chiar și astăzi.

Teza originii chemo- autotrofe a vieții la fumătorii de culoare este reprezentată în special de cercetătorii William Martin și Michael Russell. De altfel, datorită independenței extinse față de lumina unei stele centrale, apariția vieții este, de asemenea, concepută la o distanță mai mare de ea (sau complet fără ea), în afara zonei clasice locuibile .

Evoluția chimică în scoarța continentală

Geologul Ulrich Schreiber și chimistul fizic Christian Mayer de la Universitatea din Duisburg-Essen urmăresc o abordare complet diferită a evoluției chimice și a originii vieții cu un model care se concentrează pe scoarța terestră ca mediu de reacție. Acestea includ astfel un spațiu de reacție care nu a fost încă luat în considerare: zone de fractură purtătoare de apă și gaze (zone de falie tectonică) în cadrul primelor complexe crustale continentale (cratoni). Crusta continentală este mai groasă și mai rece decât scoarța oceanică și are o structură mult mai eterogenă. Tensiunile din scoarță duc la zonele de defect care ajung în mantaua pământului, prin care se ridică gazele mantei. În zonele deschise de avarie, toate materiile prime necesare chimiei organice a vieții se găsesc din abundență. Fosfat din apatite dizolvate, CO, H ₂ , CO ₂ , N ₂ , NH ₃ , HCN, sulf și compuși de bor, toate metalele alcaline și alcalino-pământoase, sulfurile de fier și toți catalizatorii metalici. Reacțiile de CO și H ₂ , comparabil cu sinteza Fischer / Tropsch, conduc la molecule cu lanț lung în toate etajele adânci cu condiții diferite valori de pH, presiune și temperatură, care formează baza pentru componentele celulare. Mai mult, chimia hidrotermală oferă aminoacizi, baze organice și zaharuri.

Pe lângă toate materiile prime necesare, există și alte avantaje decisive pentru locul în care se formează scoarța continentală. A fost protejat de radiațiile UV și de fluxul de particule al vântului solar care a lovit-o în faza incipientă. Impactul tardiv al meteoritului nu a afectat niciodată întreaga crustă continentală. Gazele care încă scap în mofete (puțuri minerale, gheizere de apă rece) de pe suprafața pământului sunt supercritice de la o adâncime de 800 - 1000 de metri (în funcție de presiune și compoziție). Aceasta înseamnă că acestea reprezintă o stare intermediară între un lichid și un gaz. Este crucial ca dioxidul de carbon, de exemplu, să acționeze ca un solvent organic în această stare de fază, în care substanțele organice hidrofobe sunt dizolvate și între ele (precum și la interfața cu apa cu componente hidrofile) pot reacționa. Suprafețele defecte au nenumărate colțuri și proeminențe în care gazele supercritice sunt prinse. Acest lucru creează nenumărate micro-autoclave în care pot avea loc reacții care nu sunt posibile la suprafață și care, cu o durată de viață a zonelor de defect de milioane de ani.

Cea mai interesantă zonă se găsește la o adâncime de aproximativ 1000 de metri, unde se poate aștepta tranziția de fază de la supercritic la dioxid de carbon subcritic. Aici se concentrează substanțele organice nepolare, deoarece dioxidul de carbon își pierde proprietățile solventului. Aceste substanțe organice ar putea fi detectate în cristalele de cuarț care cresc în acest mediu. Datorită fluctuațiilor de presiune (mareele pământului sau gheizerele cu apă rece controlate de CO ₂ ) există și tranziții periodice de fază, care provoacă acumularea și dezintegrarea veziculelor. Veziculele cuprind componente organice în concentrație mare și acumulează substanțe amfifile (de exemplu precursori lipidici sau peptide amfifile) în membranele lor. De asemenea, s-ar putea arăta că în aceste condiții este posibilă o evoluție moleculară eficientă.

Limitele zonelor de avarie sunt foarte eterogene. În plus față de mineralele de argilă nou formate și microfisurile proaspete, provocate de cutremur, în toate tipurile de minerale, apar imagini de fundal din minerale sulfuroase de fier și metale grele. Aceasta înseamnă că modelele menționate mai sus, de exemplu cele ale lumii fier-sulf, pot fi integrate sau legate fără probleme.

Formarea macromoleculelor

Biomacromoleculele sunt proteine și acizi nucleici . Alungirea lanțurilor moleculare ( polimerizare ) necesită energie și are loc cu eliminarea apei ( reacție de condensare ). În schimb, divizarea macromoleculelor ( hidroliza ) asigură energie. Deoarece echilibrul chimic este atât de departe de partea monomerilor încât aceste reacții sunt ireversibile termodinamic în direcția hidrolizei polimerului, nu poate exista o sinteză a polimerilor fără un sistem de alimentare cu energie activat. Construcțiile teoretice auxiliare, cum ar fi evaporarea apei, adăugarea de sare (elimină apa) sau precipitarea produselor, doar modifică această problemă nesemnificativ. Prin urmare, crearea vieții este foarte probabil legată de cuplarea la o sursă de energie fiabilă care poate fi utilizată pentru sinteza polimerilor.

${\ displaystyle \ mathrm {[Monomers] _ {n} + (n-1) \, H_ {2} O \ rightarrow n \, Monomers \, + W {\ ddot {a}} rme}}$

dar

${\ displaystyle \ mathrm {Energy + n \, Monomers \, \ rightarrow [Monomers] _ {n} + (n-1) \, H_ {2} O}}$

Principala sursă de energie utilizată astăzi în biochimie este ATP , deși formarea sa necesită prezența enzimelor. Pe de altă parte, în condițiile proto-pământului, se poate imagina și energizarea sintezei polimerilor prin clivajul hidrolitic al polifosfatului, care este folosit și astăzi de unele enzime în loc de ATP. Cu toate acestea, chiar și cu polifosfați este dificil să ne imaginăm că acestea au fost disponibile în cantitățile necesare, deoarece se pot forma spontan atunci când soluțiile care conțin fosfat sunt evaporate, dar, de asemenea, se hidrolizează spontan din nou relativ rapid atunci când intră din nou în soluție. Pe baza acestor considerații, ar trebui să se solicite un golf de mare puțin adânc ca loc de origine al vieții, care se usucă în mod regulat și este inundat din nou. Dar acest lucru ar întrerupe, de asemenea, toate procesele dependente de apă din nou și din nou și cel puțin întârzia foarte mult apariția vieții. În cele din urmă, ne putem imagina și un sistem complet diferit în care atât sinteza blocurilor de construcție, cât și formarea de polimeri dependentă de energie au loc ca un proces continuu în cuplare neîntreruptă la o sursă de energie fiabilă, și anume reacții redox anaerobe cu sulfuri metalice. Acestea sunt încă eliberate în cantități mari la fundul oceanelor prin activitate vulcanică, unde dezvoltă, printre altele, structuri precum fumătorii de culoare , care sunt dens populate de diferite microorganisme și animale superioare.

Echilibrul sintezei polimerului este deplasată prin creșterea concentrației blocurilor de construcție (monomeri) și de desecare produsele în favoarea formării polimerilor. Condiția prealabilă pentru aceasta este compartimentarea, adică delimitarea spațiilor de reacție unele de altele, care sunt doar într-un schimb limitat de substanțe cu mediul înconjurător. În teoria convențională, acest lucru a fost stabilit în corpuri mici de apă (iazuri) de mică adâncime, cu o rată ridicată de evaporare, o idee de bază care se întoarce la Charles Darwin. Cu toate acestea, chiar și astăzi în zonele vulcanice de la adâncime, sulfurile metalice precipitate sub formă de caverne mici sunt observate în structurile mari ale fumătorilor negri , care reprezintă, de asemenea, un scenariu atractiv al unui mediu în care toate reacțiile de la sinteza monomerilor la concentrație și polimerizarea monomerilor cu un „încorporat”. „Sistemul de conservare a energiei poate expira.

Au fost luate în considerare alte abordări, dar toate au limitări severe și nu sunt bine împăcate cu condițiile de pe Pământul timpuriu. În cele mai multe cazuri, excluderea apei este necesară pentru unul sau mai mulți pași, ceea ce este ușor de realizat în laboratorul de chimie, dar mai dificil pe proto-pământ. Unul dintre aceste sisteme este polimerizarea carbodiimidelor (R - N = C = N - R) sau dician (N≡C - C≡N) într-un mediu anhidru. Aici condensarea blocurilor de construcție este cuplată cu reacția carbodiimidei, prin care se generează energia necesară:

${\ displaystyle \ mathrm {[HX-OH] + [HX-OH] + energie \ \ leftrightharpoons \ [XX] + H_ {2} O}}$

(HX-OH = monomer, de exemplu aminoacizi sau riboză)

${\ displaystyle \ mathrm {[RN = C = NR] + H_ {2} O \ \ rightarrow \ [R-NH-CO-NH-R] + energie}}$

(dacă aici se produce uree R = H )

Deși dicianul se formează din cianură de hidrogen sub acțiunea UV , molecula volatilă s-ar pierde și în bazinele de uscare.

Dacă un amestec uscat de aminoacizi este încălzit la 130 ° C timp de câteva ore, se formează macromolecule asemănătoare proteinelor. Dacă sunt prezenți polifosfați, este suficientă 60 ° C. Aceste condiții pot apărea atunci când apa care conține aminoacizi dizolvați intră în contact cu cenușa vulcanică fierbinte.

Dacă un amestec de nucleotide este încălzit la 55 ° C în prezența polifosfaților, se formează polinucleotide , dar legătura este mai probabil să aibă loc prin atomii de carbon 5 'și 2' ai ribozei , deoarece apare mai ușor decât cei 5 legătură „prezentă în toate organismele. -3”. Elice duble sunt formate din ambele tipuri de polinucleotide (comparați structura ADN-ului ). Cu toate acestea, helica dublă 5'-3 'este mai stabilă decât helica 5'-2'.

Dacă lipsește gruparea hidroxil pe atomul de 2'-carbon al ribozei , este prezentă dezoxiriboză . Acum se pot forma doar legături 5'-3 ', așa cum este tipic pentru ADN.

Formarea structurilor prebiotice (precursori celulari)

Celulele își mențin funcția prin aceea că formează mai multe spații de reacție (compartimente) în care procesele metabolice au loc separat unul de celălalt și pot fi evitate reacțiile nedorite; Gradienții de concentrație pot fi acumulați în același timp. Există mai multe ipoteze care au fost folosite pentru a deduce că astfel de structuri s-ar putea dezvolta înainte de formarea celulelor.

Coacervează

Mai presus de toate, Alexander Iwanowitsch Oparin (1894–1980) s-a ocupat de posibilitatea metabolismului în coacervate (din latină coacervatio : acumulare). El a reușit să arate că spațiile delimitate cu un metabolism simplu pot apărea în principiu prin autoorganizare, cu condiția să existe catalizatori cu proprietăți specifice. Deoarece substanțele utilizate provin din repertoriul organismelor vii de astăzi, coacervatele lui Oparin nu trebuie privite ca precursori ai celulelor, ci ca modele analogice pentru dezvoltarea celulelor precursoare.

Dacă se adaugă sare la soluțiile coloidale de biomacromolecule, se formează picături mici cu diametrul cuprins între 1 și 500 µm, care conțin polimerii în concentrații mari.

Oparina a examinat amestecuri de proteine ​​( histonă și albumină ), proteine ​​și carbohidrați (histonă și gumă arabică ) și proteine ​​și polinucleotide (histonă sau clupeină și ADN sau ARN).

Dacă picăturile de histonă și gumă arabică conțin enzima fosforilază , aceste picături pot absorbi glucoza-1-fosfatul din mediu, o pot transforma în amidon și o pot păstra. Fosfatul eliberat se difuzează spre exterior. Puterea picăturii crește până se descompune în picături mai mici care pot conține din nou fosforilază, deși mai puțin decât picătura inițială. Acest lucru încetinește și metabolismul. Aici devine clar că, pentru a menține proprietățile unei celule, regenerarea echipamentului enzimatic este necesară după divizare.

Dacă se adaugă și enzima amilază care degradează amidonul , rezultatul se coacervează cu un metabolism în două etape:

1. Absorbția glucozei-1-fosfat → acumularea de amidon.
2. Eliberarea fosfatului → descompunerea amidonului și eliberarea maltozei .

Microsfere

În 1970, Sydney Fox a reușit să demonstreze că produsele asemănătoare proteinelor ( proteinoide ) care apar atunci când amestecurile uscate de aminoacizi sunt încălzite ( vezi mai sus ) pot avea ca rezultat și picături care cresc prin autoagregare , așa-numitele microsfere . Acestea sunt separate de mediu printr-o membrană semipermeabilă și preiau material proteic suplimentar din mediu. Drept urmare, continuă să crească și să se despartă din nou în picături mai mici. Fox a mai descoperit că aceste sisteme au proprietăți enzimatice, descompun glucoza sau se comportă ca esteraze sau peroxidaze fără a fi adăugate enzime externe.

Protocelule

În 2008, Jack Szostak și colegii de la Massachusetts General Hospital, Boston, au reușit să demonstreze în testele model că așa-numitele „protocoale” (adică vezicule constând din acizi grași simpli , alcooli grași și esteri ai glicerolului acizilor grași ) prezintă următoarele proprietăți ( în combinație): Sunt stabile termic între 0 și 100 ° C; pot include polimeri ADN și ARN în interior; permit denaturarea (separarea) firelor polinucleotidice la temperatură ridicată fără pierderea firelor individuale din protocoală; pot prelua molecule nespecifice (adică fără sisteme de transport transmembranare, de exemplu proteine) și molecule încărcate foarte rapid, cum ar fi nucleotidele .

Astfel de vezicule se formează de asemenea spontan sub influența fluctuațiilor periodice de presiune în scoarța terestră. Aceste procese pot fi reproduse într-o celulă de presiune care stabilește condițiile naturale, formându-se vezicule cu membrană unilamelară și multilamelară. În prezența aminoacizilor, formarea periodică a veziculelor duce la o evoluție moleculară a peptidelor, care stabilizează veziculele și le permit astfel să supraviețuiască pentru o perioadă mai lungă de timp. Astfel de vezicule ar putea dezvolta deja funcționalități simple care duc la metabolismul primitiv. În cele din urmă, acestea pot ajunge la suprafață prin convecția fazei fluide și sunt supuse unei evoluții ulterioare în condiții limită modificate.

Lumea ARN

Ipoteza lumii ARN se bazează pe rezultatele experimentului Miller-Urey. A fost formulată pentru prima dată în 1967 de Carl Woese . Se afirmă că viața anterioară se bazează exclusiv pe acizi ribonucleici (ARN) atât pentru stocarea informațiilor, cât și pentru cataliza reacțiilor chimice. Aceste funcții sunt acum realizate de mediul de stocare a informațiilor mai stabil din punct de vedere chimic ADN sau de proteinele funcționale mai flexibile. Conform ipotezei lumii ARN, primele forme de viață celulare au fost ribocitele . Ribozomii și ARN-ul ribozomal activ catalitic , care ar putea reprezenta rămășițe evolutive ( fosile chimice sau moleculare ) din acest timp, sunt privite ca o indicație a existenței lumii ARN .

îmbogăţire

Echilibrul de reacție dintre monomeri și dimeri (de ARN sau alte molecule organice) este de partea monomerilor, chiar și la concentrațiile scăzute în oceanul liber la acel moment. Autocataliza și astfel crearea vieții este imposibilă acolo. Este necesar un mecanism de îmbogățire. A fost propusă o combinație de convecție termică și termoforeză în minerale poroase din izvoarele termale.

Opțiuni considerate alternativ

Biomolecule din spațiu

Relativ mici impactoare emit energia cinetică în principal în atmosferă și a lovit cu câțiva km / s, care pot rezista la biomolecule. Molecule organice simple, inclusiv aminoacizi și precursori ai moleculelor de zahăr, au fost detectate într-o serie de meteoriți și au fost propuse și simulate mecanisme pentru formarea lor în condiții spațiale. Astrofizicianul elvețian Kathrin Altwegg a reușit să detecteze aminoacizii de pe cometa Churyumov- Gerassimenko ca parte a subproiectului Rosetta ROSINA . Cu toate acestea, aprovizionarea din spațiu poate fi contribuit semnificativ la concentrația unor astfel de molecule numai dacă durata lor de viață în biosferă este neobișnuit de lungă. Nu este cazul. Mineralele din meteoriți în special sunt catalitice active și, prin urmare, promovează nu numai formarea, ci și descompunerea moleculelor complexe pe scara orelor.

Dacă se ia în considerare omociralitatea biomoleculelor pământești (L-aminoacizi și D-zaharuri), o posibilă explicație ar fi că aminoacizii provin din spațiu, deoarece unii dintre acești aminoacizi meteoritici au un exces de tipul L de până la mai mult de 9%. a fost dovedit. Această distribuție poate fi totuși explicată și prin catalizatori solizi anorganici pe pământ.

Biomolecule din evenimente de impact

Pentru factorii de impact mai mari, se discută că în valul de șoc s-au format biomolecule din principalele componente ale atmosferei timpurii, CO ₂ și N ₂ .

Viața se formează din spațiu

Ipoteza și mai speculativă a panspermiei afirmă că „inoculând” pământul cu forme de viață mai mici, asemănătoare bacteriilor din spațiu, primele ființe vii au venit pe pământ. Cu toate acestea, acest lucru mută doar originea vieții în alt loc și nu este o explicație pentru originea vieții în sine.

Cercetător în domeniul evoluției chimice

• Alexander Oparin : Coacervează ( vezi mai jos )
• Harold C. Urey și Stanley L. Miller 1953: Formarea biomoleculelor simple într-o atmosferă primordială simulată ( vezi mai jos )
• Sidney W. Fox : Microsfere realizate din protenoizi ( vezi mai jos )
• Thomas R. Cech (Universitatea din Colorado) și Sidney Altman (Universitatea Yale New Haven Connecticut) 1981: ARN autocatalitic - Splicing : „ Ribozimele ” combină cataliza și informațiile într-o singură moleculă. Vă puteți tăia dintr-un lanț mai lung de ARN și puteți pune capetele rămase la loc.
• Walter Gilbert (Harvard University Cambridge) a dezvoltat ideea lumii ARN în 1986 ( vezi mai jos )
• Hans Kuhn (Institutul Max Planck pentru Chimie Biofizică (Institutul Karl Friedrich Bonhoeffer) din Göttingen) a dezvoltat un model pentru crearea unui prim oligomer replicator într-un loc foarte special de pe pământul prebiotic sub condiția unei schimbări ciclice de temperatură foarte speciale. și multe alte condiții speciale, coincidente care prevalează în acest loc.
• Günter von Kiedrowski ( Universitatea Ruhr Bochum ) a publicat primul sistem de auto-replicare bazat pe un hexanucleotid (ADN) în 1986, o contribuție importantă la înțelegerea funcțiilor de creștere a sistemelor de auto-replicare.
• Manfred Eigen ( Institutul Max Planck pentru Chimie Biofizică Göttingen): Evoluția ansamblurilor de proteine ​​ARN ( hiperciclu ).
• Julius Rebek Jr. ( MIT Cambridge) produce o moleculă artificială (ester triazidic de aminoadenozină) care se replică în soluție de cloroform. Cu toate acestea, copiile sunt identice cu șablonul, astfel încât evoluția nu este posibilă pentru aceste molecule.
• John B. Corliss ( Goddard Space Flight Center din NASA): gurile de aerisire hidrotermale ale oceanelor furnizează energie și substanțe chimice care permit o evoluție chimică în mare parte neperturbată de impactul meteoritului. Astăzi ele sunt încă habitatul pentru arheobacterii ( Archaea ), care sunt foarte primitive în multe feluri .
• Günter Wächtershäuser (München): Primele structuri cu auto-replicare cu metabolism au apărut pe suprafața piritei . Sulfura de fier din pirită a furnizat energia necesară pentru aceasta. Odată cu creșterea și dezintegrarea cristalelor de pirită, aceste sisteme ar fi putut crește și se vor înmulți, iar diferitele populații au fost expuse la condiții de mediu diferite ( condiții de selecție ).
• AG Cairns-Smith (Universitatea din Glasgow) și David C. Mauerzall (Universitatea Rockefeller din New York) văd mineralele argiloase ca un sistem care este el însuși supus inițial evoluției chimice, prin care se formează multe cristale diferite, auto-replicate. Datorită încărcării lor electrice, aceste cristale atrag molecule organice și catalizează sinteza biomoleculelor complexe, prin care conținutul de informații al structurilor cristaline servește inițial ca șablon . Aceste structuri organice devin din ce în ce mai complexe până când se pot înmulți fără ajutorul mineralelor argiloase.
• Wolfgang Weigand , Mark Dörr și colab. ( Universitatea Friedrich Schiller Jena ) arată în 2003 că sulfura de fier poate cataliza sinteza amoniacului din azot molecular.
• Nick Lane (Departamentul de Genetică, Evoluție și Mediu / University College, Londra) a generat compuși organici simpli (formiat, formaldehidă, riboză, dezoxiriboză) într-un reactor de laborator în condițiile orificiilor hidrotermale alcaline de pe membranele cu sulfură de fier.

critică

Ipotezele privind evoluția chimică și, în special, interpretarea optimistă a acestora cu privire la clarificarea originii vieții sunt privite critic în unele cazuri. De exemplu, expertul în chimia polimerilor, prof. Hans R. Kricheldorf, după ce a analizat ipotezele comune privind evoluția chimică, ajunge la următoarea concluzie: „Numeroasele lacune în cunoștințe, rezultatele negative și contraargumentele [...] o fac dificilă , având în vedere starea actuală a cunoașterii, a fi mai îndepărtat A accepta, din punct de vedere științific, existența anterioară a unei evoluții chimice care duce la viață. "

Vezi si

• Originea apei terestre
• Șovinismul cu carbon
• paleontologie
• Cvasispecii
• Ipoteza Pământului Rar
• Explicații alternative sub teoria evoluției

literatură

• Iris Fry: apariția vieții pe Pământ: o prezentare istorică și științifică. Rutgers University Press, 2000, ISBN 0-8135-2740-6 .
• Leslie E. Orgel : chimia prebiotică și originea lumii ARN. În: Recenzii critice în biochimie și biologie moleculară. Volumul 39, 2004, pp. 99–123, doi: 10.1080 / 10409230490460765 (online)
• Horst Rauchfuss: Evoluția chimică și originea vieții. Springer-Verlag, 2006, ISBN 3-540-27666-1 . (pe net)
• Robert Shapiro : O origine simplă a vieții. În: Spectrul științei. Noiembrie 2007, ISSN  0170-2971 , pp. 64-72.
• Sven P. Thoms: Originea vieții. Fischer Taschenbuch Verlag, 2005, ISBN 3-596-16128-2 .
• Uwe Meierhenrich: aminoacizii și asimetria vieții. Springer, 2008, ISBN 978-3-540-76885-2 .
• Günter Wächtershäuser : Originea vieții într-o lume vulcanică de fier-sulf - de la necesitatea chimică la șansa genetică. În: Oliver Betz, Heinz-Rüdiger Köhler (ed.): Evoluția celor vii. Attempto, 2008, ISBN 978-3-89308-399-2 .
• Muriel Gargaud și colab.: Young Sun, Early Earth and the Origins of Life: Lessons for Astrobiology. Springer, 2012, ISBN 978-3-642-22551-2 , ( previzualizare limitată în căutarea de carte Google).
• William F. Martin și colab.: Energia la originea vieții. În: Știință. Volumul 344, 2014, pp. 1092-1093, doi: 10.1126 / science.1251653 .
• Jef Akst: RNA World 2.0. În: The Scientist. 1 martie 2014.
• Nick Lane: Scânteia vieții. Konrad Theiss Verlag: Darmstadt 2017. (Cuprins sub https://d-nb.info/1118389840/04 ).

Link-uri web

• Cum a venit viața pe pământ - SWR2 Radio Akademie: Evolution: Flow of Life (PDF; 67 kB)
• Cât de subțire era supa primordială? din seria de televiziune alfa-Centauri (aproximativ 15 minute). Prima difuzare pe 8 octombrie 2000.
• Evoluția chimică: a existat și dacă da, cum arăta? Articol general cu toate argumentele comune „pentru” și „împotriva”. Fișier PDF , aprox.640 kB.
• Pași către viață: perspective moderne despre originea vieții.
• Michael Marshall: Secretul modului în care a început viața pe pământ , pe: BBC - Pământ, 31 octombrie 2016

Dovezi individuale