Główna zawartość
Kurs: Biologia - program rozszerzony > Rozdział 7
Lekcja 11: Pochodzenie życia na ZiemiHipotezy o pochodzeniu życia
Hipoteza Oparina-Haldane'a, eksperyment Millera-Urey'a i świat RNA. Tłumaczenie na język polski: Fundacja Edukacja Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji HASCO-LEK.
Kluczowe punkty:
- Ziemia powstała około
- Hipoteza Oparina-Haldane'a sugeruje, że życie powstało stopniowo z cząsteczek nieorganicznych, z tworzących się najpierw „cegiełek”, takich jak aminokwasy, a następnie łączących się ze sobą, tworząc złożone polimery.
- Eksperyment Millera-Urey'a dostarczył pierwszych dowodów na to, że cząsteczki organiczne potrzebne do życia mogą powstawać ze składników nieorganicznych.
- Niektórzy naukowcy popierają hipotezę świata RNA, która sugeruje, że pierwsze życie było samoreplikującym się RNA. Inni opowiadają się za hipotezą metabolizmu, stawiając sieci metaboliczne przed DNA czy RNA.
- Proste związki organiczne mogły przybyć na Ziemię na meteorytach.
Wprowadzenie
Gdyby istniało inne życie we wszechświecie , jak myślisz, jak podobne byłoby do życia na Ziemi? Czy wykorzystywałoby DNA jako materiału genetycznego, tak jak ty i ja? Czy w ogóle składałby się z komórek?
Możemy tylko spekulować na temat tych pytań, ponieważ nie znaleźliśmy jeszcze żadnych form życia, które pochodziłyby spoza Ziemi. Ale możemy przemyśleć to, czy życie może istnieć na innych planetach (i w jakich warunkach), rozważając, w jaki sposób życie mogło powstać właśnie tutaj, na naszej własnej planecie.
W tym artykule przeanalizujemy naukowe koncepcje dotyczące pochodzenia życia na Ziemi. To kiedy powstało życie (
Kiedy życie pojawiło się na Ziemi?
Geolodzy szacują, że Ziemia powstała około
Przez wiele milionów lat Ziemia była bombardowana przez asteroidy i inne ciała niebieskie. Temperatury również byłyby bardzo wysokie (woda miałaby postać gazu, a nie cieczy). Pierwsze życie mogło powstać podczas przerwy w bombardowaniu przez asteroidy, między
Najwcześniejsze skamieniałe dowody życia
Najwcześniejsze dowody istnienia życia na Ziemi pochodzą ze skamieniałości odkrytych w Australii Zachodniej sprzed około
Najwcześniejsze skamieniałości samych drobnoustrojów, a nie tylko ich produkty uboczne, przechowują pozostałości tego, co naukowcy uważają za bakterie metabolizujące siarkę. Skamieniałości pochodzą również z Australii i pochodzą sprzed około
Bakterie są stosunkowo złożone, co sugeruje, że życie zaczęło się prawdopodobnie dużo wcześniej niż
W jaki sposób mogło powstać życie?
W latach dwudziestych rosyjski naukowiec Aleksandr Oparin i angielski naukowiec J. B. S. Haldane, obaj osobno, zaproponowali to, co obecnie nazywa się hipotezą Oparina-Haldane'a: życie na Ziemi mogło powstać krok po kroku z materii nieożywionej w procesie „stopniowej ewolucji chemicznej”.
Oparin i Haldane uważali, że Ziemia miała atmosferę o charakterze redukującym, co oznacza atmosferę ubogą w tlen, w której cząsteczki mają tendencję do oddawania elektronów. W tych warunkach zasugerowali, że:
- Proste cząsteczki nieorganiczne mogły reagować (wykorzystując energię piorunów lub słońca), tworząc bloki budulcowe, takie jak aminokwasy i nukleotydy, które mogły gromadzić się w oceanach, tworząc „pierwotną zupę”.
- Bloki budulcowe mogły łączyć się w dalszych reakcjach, tworząc większe, bardziej złożone cząsteczki (polimery), takie jak białka i kwasy nukleinowe, być może w basenach na ich brzegach.
- Polimery mogły łączyć się w jednostki lub struktury, które byłyby zdolne do utrzymywania się "przy życiu" i replikacji. Oparin uważał, że mogły to być „kolonie” białek skupionych razem w celu przeprowadzenia reakcji metabolicznych, podczas gdy Haldane zasugerował, że makrocząsteczki zostały zamknięte w błonach, tworząc struktury podobne do komórek
Szczegóły tego modelu prawdopodobnie nie są do końca poprawne. Na przykład geolodzy uważają teraz, że wczesna atmosfera nie miała charakteru redukującego i nie jest jasne, czy baseny na skraju oceanu są prawdopodobnym miejscem pierwszego pojawienia się życia.
Ale podstawowa idea - stopniowe, spontaniczne formowanie się prostej, a potem bardziej złożonej, a następnie samopodtrzymującej się "przy życiu" cząsteczki lub zespołu biologicznego - nadal stanowią podstawę większości hipotez dotyczących początków życia.
Od związków nieorganicznych do bloków budulcowych
W 1953 roku Stanley Miller i Harold Urey przeprowadzili eksperyment, aby przetestować założenia Oparina i Haldane'a. Odkryli, że cząsteczki organiczne mogą być spontanicznie produkowane w warunkach redukujących, które są uważane za podobne do tych z wczesnej Ziemi.
Miller i Urey zbudowali zamknięty system zawierający podgrzewany basen z wodą i mieszaniną gazów, które, jak sądzono, występowały w atmosferze wczesnej Ziemi (
Po prowadzeniu eksperymentu przez tydzień Miller i Urey odkryli, że powstały różne typy aminokwasów, cukrów, lipidów i innych cząsteczek organicznych. Nie było dużych, złożonych cząsteczek, takich jak DNA i białko, ale eksperyment Millera-Urey'a wykazał, że przynajmniej część bloków budulcowych tych cząsteczek może tworzyć się spontanicznie z prostych związków.
Czy wyniki Millera i Ure'a były istotne?
Obecnie naukowcy uważają, że atmosfera Ziemi była inna niż w układzie Millera i Ureya (to znaczy nie miała charakteru redukującego i nie była bogata w amoniak i metan)
Jednak wiele eksperymentów przeprowadzonych w ostatnich latach wykazało, że organiczne bloki budulcowe (zwłaszcza aminokwasy) mogą tworzyć się z nieorganicznych prekursorów w dość szerokim zakresie warunków
Na podstawie tych eksperymentów można wyobrazić sobie, że przynajmniej niektóre bloki budulcowe organizmów żywych mogły powstać abiotycznie na wczesnej Ziemi. Jednak dokładnie jak (i w jakich warunkach) pozostaje kwestią otwartą.
Od bloków budulcowych do polimerów
W jaki sposób monomery (bloki budulcowe), takie jak aminokwasy lub nukleotydy, mogły połączyć się w polimery - rzeczywiste makrocząsteczki biologiczne na wczesnej Ziemi? Obecnie w komórkach polimery są produkowane przy udziale enzymów. Ale ponieważ same enzymy też są polimerami, jest to ten sam rodzaj problemu, co z jajem i kurą!
Monomery mogły być zdolne do spontanicznego tworzenia polimerów w warunkach występujących na wczesnej Ziemi. Na przykład w latach pięćdziesiątych biochemik Sidney Fox i jego koledzy odkryli, że gdyby aminokwasy były podgrzewane bez obecności wody, mogłyby łączyć się ze sobą, tworząc białka
Dodatkowe eksperymenty przeprowadzone w latach dziewięćdziesiątych wykazały, że nukleotydy RNA mogą się ze sobą połączyć, gdy zostaną umieszczone na powierzchni gliny
Powyższy obrazek przedstawia próbkę pewnego rodzaju gliny znanej jako montmorylonit. Montmorylonit ma zwłaszcza właściwości katalityczne, które mogły być ważne w początkach życia. Należy do nich zdolność do katalizowania tworzenia się polimerów RNA (a także tworzenia komórkowych pęcherzyków lipidowych)
Jaki charakter miało najwcześniejsze życie?
Jeśli wyobrazimy sobie, że polimery były w stanie tworzyć się na wczesnej Ziemi, nadal pozostaje nam pytanie, w jaki sposób polimery miałyby się powielać lub samonapędzać, spełniając najbardziej podstawowe kryteria życia. Jest to obszar nauki, w którym istnieje wiele pomysłów, ale niewiele jest pewności co do poprawnej odpowiedzi.
Hipoteza "pierwszeństwa genów"
Jedną z możliwości jest to, że pierwsze formy życia były samoreplikującymi się kwasami nukleinowymi, takimi jak RNA lub DNA, a inne elementy (takie jak szlaki metaboliczne) były później dodatkiem do tego podstawowego systemu. Nazywa się to hipotezą pierwszeństwa genów
Wielu naukowców, którzy zgadzają się z tą hipotezą, uważa, że to RNA, a nie DNA, było prawdopodobnie pierwszym materiałem genetycznym. Jest to znane jako hipoteza świata RNA. Naukowcy preferują RNA nad DNA jako pierwszą cząsteczkę genetyczną z kilku powodów. Być może najważniejsze jest to, że RNA może, oprócz przenoszenia informacji, działać jako katalizator. Natomiast nie znamy żadnych naturalnie występujących katalitycznych cząsteczek DNA
Katalizatory RNA nazywane są rybozymami i mogły odgrywać kluczową rolę w świecie RNA. Katalityczny RNA mógłby potencjalnie katalizować reakcję chemiczną w celu skopiowania się. Taki samoreplikujący się RNA mógłby przekazywać materiał genetyczny z pokolenia na pokolenie, spełniając najbardziej podstawowe kryteria życia i potencjalnie podlegając ewolucji. W rzeczywistości naukowcom udało się syntetycznie stworzyć małe rybozymy zdolne do samoreplikacji.
Możliwe też, że RNA nie był pierwszą cząsteczką przenoszącą informacje, która służyła jako materiał genetyczny. Niektórzy naukowcy uważają, że jeszcze prostsza cząsteczka „podobna do RNA” o zdolności katalitycznej i niosąca informacje mogła być pierwsza i mogła katalizować lub działać jako szablon do syntezy RNA. Nazywa się to czasami hipotezą „świata przed RNA”
Hipoteza "pierwszeństwa metabolizmu"
Alternatywą dla hipotezy pierwszeństwa genów jest hipoteza pierwszeństwa metabolizmu, która sugeruje, że samowystarczalne się szlaki reakcji metabolicznych mogły być pierwszym prostym życiem (poprzedzającym kwasy nukleinowe)
Szlaki te mogły powstać, na przykład, w pobliżu podmorskich kominów hydrotermalnych, które zapewniały stały dopływ prekursorów chemicznych i mogły być samowystarczalne i trwałe (spełniając podstawowe kryteria życia). W tym scenariuszu początkowo proste ścieżki mogły wytworzyć cząsteczki, które działały jako katalizatory tworzenia bardziej złożonych cząsteczek
Jak mogły wyglądać pierwsze komórki?
Podstawową właściwością komórki jest zdolność do utrzymania środowiska wewnętrznego odmiennego od otaczającego. Dzisiejsze komórki są oddzielone od środowiska dwuwarstwą fosfolipidową. Jest mało prawdopodobne, aby fosfolipidy były obecne w warunkach, w których powstały pierwsze komórki, ale wykazano również, że inne typy lipidów (te, które byłyby bardziej dostępne) spontanicznie tworzą dwuwarstwowe przedziały
W zasadzie ten typ przedziału może otaczać samoreplikujący się rybozym lub składniki szlaku metabolicznego, tworząc bardzo podstawową komórkę. Choć intrygujący, ten pomysł nie jest jeszcze poparty dowodami eksperymentalnymi - tj. żaden eksperyment nie był jeszcze w stanie spontanicznie wygenerować samoreplikującej się komórki z abiotycznych (nieożywionych) składników.
Inna możliwość: cząsteczki organiczne z przestrzeni kosmicznej
Cząsteczki organiczne mogły powstać spontanicznie z cząstek nieorganicznych na wczesnej Ziemi, zgodnie z pomysłem a la Miller-Urey. Ale czy zamiast tego mogły przybyć z kosmosu?
Pomysł, że cząsteczki organiczne mogły przybyć na Ziemię na meteorytach, może brzmieć jak science fiction, ale jest poparty rozsądnymi dowodami. Na przykład naukowcy odkryli, że cząsteczki organiczne można wytwarzać z prostych prekursorów chemicznych obecnych w kosmosie, w warunkach, które panują w kosmosie (wysokie promieniowanie UV i niska temperatura)
Co najważniejsze, okazało się, że różne meteoryty zawierają związki organiczne (pochodzące z kosmosu, a nie z Ziemi). Jeden meteoryt, ALH84001, przybył z Marsa i zawierał cząsteczki organiczne o wielu strukturach pierścieniowych.
Inny meteoryt, meteoryt Murchison, zawierał zasady azotowe (takie jak te znalezione w DNA i RNA), a także szeroką gamę aminokwasów.
Jeden meteoryt, który spadł w 2000 roku w Kanadzie, zawierał maleńkie struktury organiczne zwane „kulkami organicznymi”. Naukowcy z NASA uważają, że ten typ meteorytu mógł często spadać na Ziemię we wczesnej historii planety, rozsiewając na niej związki organiczne
Podsumowanie
To, jak powstało życie na naszej planecie, jest zarówno fascynującym, jak i niezwykle złożonym pytaniem. Z grubsza wiemy, kiedy życie się zaczęło, ale to jak pozostaje tajemnicą.
- Miller, Urey i inni wykazali, że proste cząsteczki nieorganiczne mogą łączyć się, tworząc organiczne bloki budulcowe potrzebne do życia, jakie znamy.
- Po utworzeniu, wspomniane bloki budulcowe mogły połączyć się, tworząc polimery, takie jak białka lub RNA.
- Wielu naukowców popiera hipotezę dotyczącą świata RNA, w której to RNA, a nie DNA, było pierwszą genetyczną cząsteczką życia na Ziemi. Inne pomysły obejmują hipotezę świata pre-RNA i hipotezę pierwszeństwa metabolizmu.
- Związki organiczne mogły zostać dostarczone na Ziemię przez meteoryty i inne obiekty niebieskie.
Nie są to jedyne naukowe koncepcje dotyczące tego, jak mogło powstać życie, żadna z nich nie jest też rozstrzygająca. Miejcie uszy (i umysł) otwarte, gdy pojawiają się nowe informacje i pojawiają się nowe naukowe pomysły dotyczące początków życia.
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji