Perspectivas modernas sobre la evolución química y biológica
Vistas modernas sobre la evolución química y biológica
Según esta teoría, la vida se originó en la Tierra primitiva a través de procesos físico-químicos de átomos que se combinan para formar moléculas, que a su vez reaccionan para producir compuestos orgánicos e inorgánicos.
Compuestos orgánicos que interactúan para producir todos los tipos de macromoléculas que se organizan para formar el primer sistema o célula viviente.
Por lo tanto, de acuerdo con esta teoría, la "vida" se originó en nuestra tierra espontáneamente a partir de materia no viva. Los primeros compuestos inorgánicos y luego los compuestos orgánicos se formaron de acuerdo con las condiciones ambientales en constante cambio. Esto se llama evolución química que no puede ocurrir bajo las condiciones ambientales actuales en la tierra. Las condiciones adecuadas para el origen de la vida existían solo en la tierra primitiva.
La teoría de Oparin-Haldane también se llama teoría química o teoría naturalista.
Las visiones modernas sobre el origen de la vida incluyen la evolución química y la evolución biológica:
1. Evolución química:
(i) La fase atómica:
Los primeros átomos de la Tierra son innumerables y libres de aquellos elementos (por ejemplo, hidrógeno, oxígeno, carbono, nitrógeno, azufre, fósforo, etc.) que son esenciales para la formación de protoplasma. Los átomos se segregaron en tres masas concéntricas de acuerdo con su peso, (a) Los átomos más pesados de hierro, níquel, cobre, etc., se encontraron en el centro de la tierra, (b) Los átomos de peso medio de sodio, potasio, silicio, magnesio El aluminio, el fósforo, el cloro, el flúor, el azufre, etc. se recolectaron en el núcleo de la tierra. (c) Los átomos más ligeros de nitrógeno, hidrógeno, oxígeno, carbono, etc., formaron la atmósfera primitiva.
(ii) Origen de Moléculas y Compuestos Inorgánicos Simples:
Los átomos libres se combinan para formar moléculas y compuestos inorgánicos simples. Los átomos de hidrógeno fueron los más numerosos y más reactivos en la atmósfera primitiva. Los primeros átomos de hidrógeno se combinan con todos los átomos de oxígeno para formar agua y no dejan oxígeno libre. Así, la atmósfera primitiva estaba reduciendo la atmósfera (sin oxígeno libre) a diferencia de la atmósfera oxidante actual (con oxígeno libre). Los átomos de hidrógeno también se combinan con nitrógeno, formando amoníaco (NH 3 ). Así que el agua y el amoniaco fueron probablemente las primeras moléculas compuestas de la tierra primitiva.
(iii) Origen de los compuestos orgánicos simples (monómeros):
La atmósfera primitiva contenía gases como CO 2, CO, N, H 2, etc. El nitrógeno y el carbono de la atmósfera se combinaron con átomos metálicos, formando nitruros y carburos. El vapor de agua y los carburos metálicos reaccionaron para formar el primer compuesto orgánico, el metano (CH 4 ). Posteriormente se formó cianuro de hidrógeno (HCN).
Las lluvias torrenciales deben haber caído:
A medida que el agua se precipitaba hacia abajo, debía haberse disuelto y transportado con sales y minerales, y finalmente se había acumulado en forma de océanos. Así, el agua oceánica antigua contenía grandes cantidades de NH 3 disuelto, CH 4, HCN, nitruros, carburos, diversos gases y elementos.
Los primeros compuestos interactuaron y produjeron compuestos orgánicos simples tales como azúcares simples (por ejemplo, ribosa, desoxirribosa, glucosa, etc.), bases nitrogenadas (por ejemplo, purinas, pirimidinas), aminoácidos, glicerol, ácidos grasos, etc. Algunas fuentes externas deben Han estado actuando sobre la mezcla para las reacciones. Estas fuentes externas pueden ser (i) radiaciones solares como luz ultravioleta, rayos X, etc., (ii) energía de descargas eléctricas como rayos, (iii) radiaciones de alta energía son otras fuentes de energía (probablemente isótopos inestables en la tierra primitiva). No había capa de ozono en la atmósfera.
El agua oceánica rica en mezcla de compuestos orgánicos fue denominada por JBS Haldane (1920) como "sopa caliente diluida de sustancias orgánicas". La 'sopa diluida caliente' también se llama sopa prebiótica '. Así se preparó el escenario para la combinación de varios elementos químicos. Una vez formadas, las moléculas orgánicas se acumularon en el agua porque su degradación fue extremadamente lenta en ausencia de catalizadores de enzimas o de vida.
Evidencia experimental de la evolución molecular abiogénica de la vida:
Stanley Miller en 1953, demostró claramente que la radiación ultravioleta o las descargas eléctricas o el calor o una combinación de estos pueden producir compuestos orgánicos complejos a partir de una mezcla de metano, amoniaco, agua (corriente de agua) e hidrógeno.
Miller hizo circular cuatro gases: metano, amoníaco, hidrógeno y vapor de agua en un aparato hermético y pasó las descargas eléctricas de los electrodos a 800 ° C. Pasó la mezcla por un condensador. Circuló los gases continuamente de esta manera durante una semana y luego analizó la composición química del líquido dentro del aparato. Encontró una gran cantidad de compuestos orgánicos simples, incluidos algunos aminoácidos como la alanina, la glicina y el ácido aspártico. Miller demostró que los compuestos orgánicos eran la base de la vida.
También estaban presentes otras sustancias, como la urea, el cianuro de hidrógeno, el ácido láctico y el ácido acético. En otro experimento, Miller hizo circular la mezcla de gases de la misma manera, pero no pasó la descarga eléctrica. No pudo obtener el significativo rendimiento de los compuestos orgánicos. Más tarde, muchos investigadores han sintetizado una gran variedad de compuestos orgánicos, incluyendo purinas, pirimidinas y azúcares simples, etc. Se considera que los "bloques de construcción" esenciales tales como nucleótidos, aminoácidos, etc. de organismos vivos podrían haberse formado en el tierra primitiva
(iv) Origen de los compuestos orgánicos complejos (polímeros):
Una variedad de aminoácidos, ácidos grasos, hidrocarburos, purinas y bases de pirimidina, azúcares simples y otros compuestos orgánicos acumulados en los antiguos mares. En la atmósfera primigenia, la descarga eléctrica, los rayos, la energía solar, el ATP y los polifosfatos podrían haber proporcionado la fuente de energía para las reacciones de polimerización de la síntesis orgánica. SW Fox demostró que si se calienta una mezcla casi seca de aminoácidos, se sintetizan las moléculas polipeptídicas.
De manera similar, los azúcares simples podrían formar polisacáridos y los ácidos grasos podrían combinarse para producir grasas. Los aminoácidos podrían formar proteínas, cuando otros factores estaban involucrados. Así, las moléculas orgánicas simples pequeñas se combinaron para formar moléculas orgánicas complejas grandes, por ejemplo, unidades de aminoácidos unidas para formar polipéptidos y proteínas, unidades de azúcar simple combinadas para formar polisacáridos, ácidos grasos y glicerol unidos para formar grasas, azúcares, bases nitrogenadas y fosfatos. combinados en nucleótidos que se polimerizan en ácidos nucleicos en los océanos antiguos.
2. Evolución biológica:
Para el origen de la vida, se necesitan al menos tres condiciones:
(a) Debe haber un suministro de replicadores, es decir, moléculas autoproductoras.
(b) La copia de estos replicadores debe haber estado sujeta a error por mutación.
(c) El sistema de replicadores debe haber requerido un suministro continuo de energía libre y un aislamiento parcial del entorno general.
La alta temperatura en la Tierra primitiva habría cumplido con el requisito de mutación.
Origen de las Moléculas Prebióticas:
La tercera condición, el aislamiento parcial, se ha logrado dentro de los agregados de moléculas prebióticas formadas artificialmente. Estos agregados se llaman protobiontes que pueden separar combinaciones de moléculas del entorno. Mantienen un ambiente interno pero no pueden reproducirse. Dos protobiontes importantes son coacervados y microesferas.
Coacervados:
Oparin (1924) observó que si se agita una mezcla de una proteína grande y un polisacárido, se forman coacervados. Los coacervados contienen principalmente proteínas, polisacáridos y algo de agua. Los coacervados de Oparin también muestran una forma simple de metabolismo. Como estos coacervados no tienen membranas externas de lípidos, por lo tanto no pueden reproducirse. Por lo tanto, no cumplen con el requisito de probables precursores de la vida.
Microesferas:
Cuando se mezclan mezclas de compuestos orgánicos producidos artificialmente con agua fría, se forman microesferas. Si la mezcla contiene lípidos, la superficie de las microesferas consiste en una bicapa lipídica, que recuerda (recuerda cosas del pasado) a la bicapa lipídica de las membranas celulares. Sydney Fox (1950) calentó una mezcla de 18 ammoácidos a temperaturas de 130 a 180 ° C. Obtuvo proteínas similares a macromoléculas estables, a las que llamó protenoides.
Cuando el material protenoide se enfrió y se examinó bajo el microscopio, Fox observó pequeñas unidades esféricas similares a células que habían surgido de agregaciones de protenoides. Estos agregados moleculares fueron llamados mitosfeos protenoides. Las primeras formas de vida no celulares podrían haberse originado hace 3 mil millones de años. Habrían sido moléculas gigantes (ARN, proteínas y polisacáridos, etc.).
Propiedades físicas de las microesferas protenoides:
Eran microscópicos esféricos con alrededor de 1 a 2 (de diámetro similar al tamaño y forma de las bacterias coccoides).
Propiedades estructurales de las microesferas protenoides:
Bajo el microscopio electrónico, se han observado límites concéntricos de doble capa alrededor de ellos a través de los cuales se produce la difusión del material. Tienen la capacidad de motilidad, crecimiento, fisión binaria en dos partículas y una capacidad de reproducción por brotes y fragmentación. Superficialmente, su brote se parece a los de las bacterias y los hongos.
Actividades similares a las enzimas de las microesferas de protenoides:
Se ha encontrado que tienen actividad catalítica, como la degradación de la glucosa. Esta actividad enzimática de las microesferas de protenoides se pierde parcialmente durante el calentamiento.
El principal inconveniente de las microesferas de protenoides es que tienen una diversidad limitada. Por lo tanto, el mecanismo de aislamiento parcial que conduce al origen de los protobiontes sigue sin resolverse.
Dado que tanto las proteínas como los ácidos nucleicos (junto con otras sustancias más simples) deben desarrollar y reproducir los organismos que viven hoy en día, ¿cuál de estas sustancias surgió primero? No hay una respuesta clara disponible para ello.
Primer modelo de ARN:
En los últimos años, las evidencias están a favor de que el ARN sea material del primer gen formado (Woese, 1967, Crick 1968, Orgel 1973, 1986 Watson y otros 1986, Darnell y otros 1986). Así, el ARN puede haber sido el primer polímero y alguna forma de transcripción inversa puede haber dado lugar a ADN y RBA y el ADN comenzó a controlar la síntesis de proteínas.
¿Por qué el ARN y no el ADN fue la primera molécula viva?
Las actividades enzimáticas de las moléculas de ARN se descubren constantemente, pero ninguna actividad enzimática se ha atribuido al ADN. Además, la ribosa se sintetiza mucho más fácilmente que la desoxirribosa en condiciones prebióticas estimuladas. Una molécula de ARN ventajosa selectiva sería una que dirija la síntesis de proteínas que acelere la replicación de ARN particular (es decir, ARN polimerasa).
Los ARN podrían haber catalizado la formación de moléculas similares a los lípidos que podrían, a su vez, formar membrana plasmática y proteínas. Las proteínas podrían haber tomado la mayoría de las funciones enzimáticas porque son mejores catalizadores que los ARN. Si las primeras células utilizaron ARN como su molécula hereditaria, entonces el ADN evolucionó a partir de una plantilla de ARN. Una vez que las células evolucionaron, el ADN probablemente reemplazó al ARN en la mayoría de los organismos.
Formación de las células más tempranas:
(i) Los primeros organismos vivos se originaron entre las moléculas orgánicas y en la atmósfera libre de oxígeno (atmósfera reductora). Presumiblemente obtuvieron energía mediante la fermentación de algunas de estas moléculas orgánicas. Eran anaerobios, capaces de respirar en ausencia de oxígeno. Dependían de las moléculas orgánicas existentes para su nutrición y por lo tanto eran heterótrofos.
(ii) Cuando se agotó el suministro de moléculas orgánicas existentes, algunos de los heterótrofos podrían haber evolucionado hasta convertirse en autótrofos. Estos organismos eran capaces de producir sus propias moléculas orgánicas mediante quimiosíntesis o fotosíntesis.
(a) Quiosíntesis:
Los organismos que realizan la quimiosíntesis se llaman quimioutótrofos. Eran anaerobios. Chemoautotrophs desarrolló la capacidad de sintetizar moléculas orgánicas a partir de materias primas inorgánicas. Tal modo de nutrición está presente incluso ahora en algunas bacterias, por ejemplo, bacterias de azufre, bacterias de hierro, bacterias nitrificantes.
(b) Fotosíntesis:
Los organismos fotosintéticos, los fotoautótrofos, desarrollaron el pigmento clorofila por combinación de sustancias químicas simples. Prepararon alimentos orgánicos utilizando energía solar captada con la ayuda de clorofila. Carecían de las vías bioquímicas para producir oxígeno. Todavía eran anaeróbicos y utilizaban hidrógeno de fuentes distintas al agua.
En una etapa posterior, se liberaron organismos fotosintéticos liberadores de oxígeno. Estas fueron similares a las algas verdes azules (cianobacterias) existentes. Usaron agua para obtener hidrógeno y liberaron oxígeno. La adición de O 2 a la atmósfera comenzó a oxidar el metano y el amoníaco, que comenzó a desaparecer.
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
4NH 3 + 3O 2 → 2N 2 + 6H 2 O
La vida estuvo presente en la Tierra hace unos 3.900 millones de años. Sin embargo, los microfósiles más antiguos descubiertos hasta ahora son los de las cianobacterias fotosintéticas que aparecieron hace 3.3 a 3.5 mil millones de años.
Formación de la capa de ozono:
A medida que el oxígeno se acumulaba en la atmósfera, la luz ultravioleta cambió algo de tifoxygen en ozono.
2O 2 + O 2 → 2O 3
El ozono formó una capa en la atmósfera, bloqueando la luz ultravioleta y dejando la luz visible como la principal fuente de energía.
Origen de las células eucariotas (células nucleares verdaderas):
La respiración aeróbica produjo suficiente oxígeno en la atmósfera primitiva. Los procariotas se modifican gradualmente para adaptarse a las nuevas condiciones. Desarrollaron un verdadero núcleo y otros orgánulos celulares especializados. Así, los organismos similares a células eucariotas de vida libre se originaron en el Océano Ancierit, presumiblemente hace unos 1.500 millones de años. Los eucariotas primitivos llevaron a la evolución de protistas, plantas, hongos y animales.
Resumen de los pasos principales en el origen de la vida según la teoría moderna del origen de la vida.
