АБИОГЕНЕЗА: ОСНОВНИ ТЕОРИИ - БИОЛОГИЯ - 2025

В абиогенеза се отнася до броя на процеси и стъпки, които са възникнали първите форми на живот на Земята, инертен мономерни стартовите блокчета, с течение на времето са били в състояние да се увеличи тяхната сложност. В светлината на тази теория животът възниква от неживи молекули, при подходящи условия.

Вероятно е, че след като абиогенезата е произвела прости житейски системи, биологичната еволюция е действала така, че да породи всички сложни форми на живот, които съществуват днес.

Източник: pixabay.com

Някои изследователи смятат, че процесите на абиогенеза трябва да са се случвали поне веднъж в историята на земята, за да се създаде хипотетичен организъм LUCA или последен универсален общ прародител (от съкращението на английски, последен универсален общ прародител), преди около 4 милиарда на години.

Предполага се, че LUCA трябва да е имал генетичен код, базиран на молекулата на ДНК, която с четирите си основи, групирани в триплети, кодира 20-те вида аминокиселини, съставляващи протеини. Изследователи, които се опитват да разберат произхода на живота, изучават процесите на абиогенеза, които са породили LUCA.

Отговорът на този въпрос е широко поставен под въпрос и често е обвит в мъгла от мистерия и несигурност. Поради тази причина стотици биолози предложиха серия от теории, които варират от появата на изначална супа до обяснения, свързани с ксенобиологията и астробиологията.

От какво се състои тя?

Теорията за абиогенезата се основава на химичен процес, чрез който най-простите форми на живот са възникнали от безжизнените предшественици.

Предполага се, че процесът на абиогенезата протича непрекъснато, за разлика от възгледа за появата рязко при късмет събитие. По този начин тази теория предполага съществуването на континуум между неживата материя и първите живи системи.

По същия начин се предлага серия от разнообразни сценарии, където началото на живота може да настъпи от неорганични молекули. Тези среди обикновено са екстремни и се различават от настоящите условия на земята.

Тези предполагаеми пребиотични състояния често се възпроизвеждат в лабораторията, за да се опита да генерира органични молекули, като известния експеримент Милър и Урей.

Произходът на живота: теории

Произходът на живота е била една от най-противоречивите теми за учените и философите още от времето на Аристотел. Според този важен мислител разлагащата се материя би могла да се трансформира в живи животни благодарение на спонтанното действие на природата.

Абиогенезата в светлината на аристотелевската мисъл може да бъде обобщена в известната му фраза omne vivum ex vivo, което означава „целият живот изхожда от живота“.

Впоследствие доста голям брой модели, теории и спекулации са се опитали да изяснят условията и процесите, довели до произхода на живота.

По-долу ще бъдат описани най-забележителните теории, както от историческа, така и от научна гледна точка, които се стремят да обяснят произхода на първите живи системи:

Теория на спонтанното поколение

В началото на 17 век беше поставено предположението, че жизнените форми могат да възникнат от безжизнени стихии. Теорията за спонтанното поколение беше широко приета от мислителите на времето, тъй като тя имаше подкрепата на Католическата църква. Така живите същества биха могли да покълнат както от родителите си, така и от неживата материя.

Сред най-известните примери, използвани в подкрепа на тази теория, са появата на червеи и други насекоми в разложено месо, жаби, които се появяват от кал, и мишки, които се появяват от мръсни дрехи и пот.

Всъщност имаше рецепти, които обещаваха създаването на живи животни. Например, за да се създадат мишки от нежива материя, пшеничните зърна трябваше да се комбинират с мръсни дрехи в тъмна среда и през дните се появяват живи гризачи.

Привържениците на тази смес твърдят, че човешката пот върху дрехите и ферментацията на пшеницата са направляващи агенти за формиране на живота.

Опровержение на спонтанното поколение

През XVII век недостатъците и пропуските започват да се забелязват в твърденията на теорията за спонтанното генериране. Едва през 1668 г. италианският физик Франческо Реди е създал подходящ експериментален дизайн, за да го отхвърли.

В своите контролирани експерименти Реди поставя фино нарязани парчета месо, увити в муслин, в стерилни контейнери. Тези буркани бяха правилно покрити с марля, така че нищо не можеше да влезе в контакт с месото. Освен това експериментът включваше още един набор от буркани, които не бяха затворени.

През дните червеи са били наблюдавани само в неоткритите буркани, тъй като мухите могат да влизат свободно и да снасят яйцата. В случая с покритите буркани яйцата се поставят директно върху марлята.

По подобен начин изследователят Лацаро Спаланзани разработва серия от експерименти, за да отхвърли помещенията на спонтанното генериране. За да направи това, той направи серия бульони, които подлага на продължително кипене, за да унищожи всички микроорганизми, които ще живеят там.

Привържениците на спонтанното генериране обаче твърдяха, че количеството топлина, на което са изложени бульоните, е прекомерно и унищожава "жизнената сила".

Приноси на пастьора

По-късно, през 1864 г., френският биолог и химик Луи Пастьор се зае да сложи край на постулатите на спонтанното поколение.

За да постигне тази цел, Пастьор произвежда стъклени контейнери, известни като "колби от гъши гънки", тъй като те са дълги и извити в върховете, като по този начин предотвратяват навлизането на всякакви микроорганизми.

В тези контейнери Пастьор свари серия бульони, които останаха стерилни. Когато шията на един от тях е счупена, тя се замърсява и микроорганизмите се размножават за кратко време.

Доказателствата, предоставени от Пастьор, бяха неопровержими, като успяха да преобърнат теорията, продължила повече от 2500 години.

панспермията

В началото на 1900 г. шведският химик Сванте Арений написа книга, озаглавена „Създаването на светове“, в която предположи, че животът идва от космоса чрез спори, устойчиви на екстремни условия.

Логично теорията за панспермията беше заобиколена от много противоречия, освен това всъщност не даваше обяснение за произхода на живота.

Хемосинтетична теория

При разглеждане на експериментите на Пастьор, едно от косвените заключения на неговите доказателства е, че микроорганизмите се развиват само от други, тоест животът може да дойде само от живота. Това явление беше наречено "биогенеза".

Следвайки тази перспектива, ще се появят теориите за химическа еволюция, ръководени от руснака Александър Опарин и англичанина Джон ДС Халдан.

Тази гледна точка, наричана още химиосинтетична теория на Опарин - Халдан, предлага в пребиотична среда земята да има атмосфера, лишена от кислород и високо съдържание на водни пари, метан, амоняк, въглероден диоксид и водород, което я прави силно редуцираща.

В тази среда имаше различни сили като електрически разряди, слънчева радиация и радиоактивност. Тези сили действат върху неорганичните съединения, като създават по-големи молекули, създавайки органични молекули, известни като пребиотични съединения.

Милър и Урей експериментират

В средата на 50-те години изследователите Стенли Л. Милър и Харолд К. Урей успяват да създадат гениална система, симулираща предполагаемите древни условия на атмосферата на земята, следвайки теорията на Опарин - Халдан.

Стенли и Урей открили, че при тези "примитивни" условия прости неорганични съединения могат да създадат сложни органични молекули, необходими за живота, като аминокиселини, мастни киселини, карбамид, между другото.

Образуване на полимери

Въпреки че гореспоменатите експерименти предполагат правдоподобен начин, по който са възникнали биомолекулите, които са част от живите системи, те не предлагат никакво обяснение за процеса на полимеризация и повишена сложност.

Има няколко модела, които се опитват да изяснят този въпрос. Първият включва твърди минерални повърхности, където високата повърхност и силикатите могат да действат като катализатори за въглеродните молекули.

Дълбоко в океана, хидротермалните отвори са подходящ източник на катализатори, като желязо и никел. Според лабораторни експерименти тези метали участват в реакции на полимеризация.

И накрая, в океанските окопи има горещи басейни, които поради процеса на изпаряване биха могли да благоприятстват концентрацията на мономери, благоприятствайки образуването на по-сложни молекули. Хипотезата за „изначална супа“ се основава на това предположение.

Примиряване на резултатите на Милър и Пастьор

Следвайки реда на идеята, обсъден в предишните раздели, имаме, че експериментите на Пастьор установяват, че животът не произтича от инертни материали, докато доказателствата на Милър и Урей показват, че това е така, но на молекулярно ниво.

За да се съгласуват и двата резултата, трябва да се има предвид, че съставът на земната атмосфера днес е напълно различен от пребиотичната атмосфера.

Присъстващият в настоящата атмосфера кислород би действал като "разрушител" на молекулите в образуване. Трябва също така да се има предвид, че енергийните източници, които уж предизвикват образуването на органични молекули, вече не присъстват с честотата и интензитета на пребиотичната среда.

Всички форми на живот, присъстващи на земята, са съставени от набор от структурни блокове и големи биомолекули, наречени протеини, нуклеинови киселини и липиди. С тях можете да "въоръжите" основата на текущия живот: клетки.

В клетката животът се поддържа и на този принцип Пастьор се основава да потвърди, че всяко живо същество трябва да произхожда от друго, съществуващо преди това.

РНК свят

Ролята на автокатализата по време на абиогенезата е от решаващо значение, поради което една от най-известните хипотези за произхода на живота е тази на света на РНК, която постулира от едноверижни молекули с способност за самовъзпроизвеждане.

Тази представа за РНК предполага, че първите биокатализатори не са били молекули с протеинов характер, а по-скоро молекули на РНК - или полимер, подобен на него - със способността да се катализират.

Това предположение се основава на свойството на РНК да синтезира къси фрагменти, използвайки отгряване, което насочва процеса, в допълнение към насърчаването на образуването на пептиди, естери и гликозидни връзки.

Според тази теория прародината РНК се свързва с някои кофактори като метали, пиримидини и аминокиселини. С напредването и увеличаването на сложността на метаболизма възниква способността за синтез на полипептиди.

В хода на еволюцията РНК е заменена от по-стабилно химически молекула: ДНК.

Актуални представи за произхода на живота

Понастоящем се подозира, че животът е възникнал по екстремен сценарий: океански райони в близост до вулканични отвори, където температурите могат да достигнат 250 ° C и атмосферното налягане надвишава 300 атмосфери.

Това подозрение се поражда от многообразието от форми на живот, открити в тези враждебни региони и този принцип е известен като „теорията за горещия свят“.

Тези среди са били колонизирани от архебактерии, организми, способни да растат, да се развиват и да се размножават в екстремни среди, вероятно много подобни на пребиотичните условия (включително ниски концентрации на кислород и високи нива на CO ₂).

Топлинната стабилност на тези среди, защитата, която те осигуряват срещу внезапни промени и постоянният поток от газове, са някои от положителните качества, които правят морското дъно и вулканичните отдушници подходящи среди за произхода на живота.

Термини за биогенеза и абиогенеза

През 1974 г. известният изследовател Карл Сейгън публикува статия, в която пояснява употребата на термините биогенеза и абиогенеза. Според Саган и двата термина са били използвани погрешно в статии, свързани с обяснения за произхода на първите живи форми.

Сред тези грешки е използването на термина биогенеза като собствен антоним. Тоест, биогенезата се използва за описване на произхода на живота, като се започне от други живи форми, докато абиогенезата се отнася до произхода на живота от неживата материя.

В този смисъл съвременният биохимичен път се счита за биогенен, а пребиологичният метаболитен път е абиогенен. Ето защо е необходимо да се обърне специално внимание на използването на двата термина.

Препратки

1. Bergman, J. (2000). Защо абиогенезата е невъзможна. Креативно изследователско общество Квартално, 36 (4).
2. Pross, A., & Pascal, R. (2013). Произходът на живота: какво знаем, какво можем да знаем и какво никога няма да узнаем. Отворена биология, 3 (3), 120190.
3. Садава, D., & Purves, WH (2009). Животът: науката за биологията. Panamerican Medical Ed.
4. Sagan, C. (1974). За термините „биогенеза“ и „абиогенеза“. Произход на живота и еволюцията на биосферите, 5 (3), 529–529.
5. Schmidt, M. (2010). Ксенобиология: нова форма на живот като върховен инструмент за биологична безопасност. Bioessays, 32 (4), 322–331.
6. Серафино, Л. (2016). Абиогенезата като теоретично предизвикателство: Някои размисли. Курс по теоретична биология, 402, 18–20.