ПРЕБИОТИЧНА ЕВОЛЮЦИЯ: КЪДЕ СЕ Е СЛУЧИЛО И КАКВО Е НЕОБХОДИМО - БИОЛОГИЯ - 2025

Терминът пребиотична еволюция се отнася до поредицата от хипотетични сценарии, които се стремят да обяснят произхода на живота, като се започне от неживата материя в среда при примитивни условия.

Предполага се, че условията на примитивната атмосфера силно намаляват, което благоприятства образуването на органични молекули, като аминокиселини и пептиди, които са градивните елементи на протеините; и пурини и пиримидини, които съставят нуклеинови киселини - ДНК и РНК.

Източник: pixabay.com

Примитивни условия

Да си представим как първите форми на живот са се появили на Земята може да бъде предизвикателен - и дори почти невъзможен - въпрос, ако не се поставим в правилната примитивна среда.

По този начин ключът към разбирането на живота от абиотичните молекули, суспендирани в известната "примитивна супа", е атмосферата в тази отдалечена среда.

Въпреки че няма пълно съгласие по отношение на химичния състав на атмосферата, тъй като няма начин да се потвърди напълно, хипотезите варират от редуциращи състави (CH ₄ + N ₂, NH ₃ + H ₂ O или CO ₂ + H ₂ + N ₂) към по-неутрални среди (само с CO ₂ + N ₂ + H ₂ O).

Общоприето е, че в атмосферата липсва кислород (този елемент увеличава значително концентрацията си с пристигането на живота). За ефективния синтез на аминокиселини, пурини, пиримидини и захари е необходимо наличието на редуцираща среда.

В случай, че действителната атмосфера по това време не е имала тези пребиотични химични условия, органичните съединения трябваше да произхождат от прахови частици или други космически тела като метеорити.

Къде е възникнала пребиотичната еволюция?

Има няколко хипотези във връзка с физическото пространство на Земята, които позволиха развитието на първите биомолекули и репликатори.

Теория, придобила значително след първоначалното образуване на биомолекули в хидротермални отвори в океана. Други автори обаче намират за малко вероятно и дискредитират тези региони като важни агенти в пребиотичния синтез.

Теорията предлага химическият синтез да се извърши при преминаване на водата в градиент от 350 ° C до 2 ° C.

Проблемът с тази хипотеза възниква, тъй като органичните съединения се разлагат при високи температури (350 ° С), вместо да бъдат синтезирани, което предполага по-малко екстремни среди. Така хипотезата е загубила подкрепа.

Какво е необходимо за пребиотична еволюция?

За да се извърши изследване, свързано с пребиотичната еволюция, е необходимо да се отговори на серия от въпроси, които ни позволяват да разберем възникването на живота.

Трябва да се запитаме какъв тип каталитичен процес благоприятства произхода на живота и откъде е взета енергията, която благоприятства първите реакции. В отговорите на тези въпроси можем да продължим и да попитаме дали първите молекули, които се появяват, са били мембрани, репликатори или метаболити.

Сега ще отговорим на всеки от тези въпроси, за да добием разбиране за възможен произход на живот в пребиотична среда.

Катализатори

Животът, както го познаваме днес, изисква серия от „умерени условия“, за да се развие. Знаем, че повечето органични същества съществуват там, където температурата, влажността и pH са физиологично приемливи - с изключение на Екстремофилните организми, които, както подсказва името им, живеят в екстремни среди.

Една от най-важните характеристики на живите системи е повсеместността на катализаторите. Химичните реакции на живите същества се катализират от ензими: сложни молекули с протеинов характер, които увеличават скоростта на реакциите с няколко порядъка.

Първите живи същества трябва да са имали подобна система, вероятно рибозими. В литературата има открит въпрос дали пребиотичната еволюция би могла да настъпи без катализа.

Според доказателствата, при липса на катализатор биологичната еволюция би била много малко вероятна - тъй като реакциите биха взели монументални времеви интервали, за да настъпят. Следователно тяхното съществуване се постулира през ранните етапи от живота.

Енергия

Енергията за пребиотичния синтез трябваше да се появи отнякъде. Предлага се някои неорганични молекули, като полифосфати и тиоестери, може да са играли важна роля в производството на енергия за реакции - във времена преди съществуването на известната енергийна „валута“ на клетките: АТФ.

В енергийно отношение репликацията на молекулите, които носят генетичната информация, е много скъпо събитие. За средна бактерия, като Е. coli, за едно репликационно събитие са необходими 1,7 * 10 ¹⁰ ATP молекули.

Благодарение на съществуването на тази изключително висока цифра, наличието на енергиен източник е безспорно условие за създаване на вероятен сценарий, в който е възникнал животът.

По същия начин, съществуването на реакции от типа „редокс“ би могло да допринесе за абиотичния синтез. С течение на времето тази система може да се превърне в важни елементи от транспорта на електрони в клетката, свързани с производството на енергия.

Кой от клетъчните компоненти произхожда първо?

В клетката има три основни компонента: мембрана, която ограничава клетъчното пространство и го превръща в дискретна единица; репликатори, които съхраняват информация; и метаболитни реакции, които протичат в тази система. Функционалната интеграция на тези три компонента поражда клетка.

Затова в светлината на еволюцията е интересно да се зададе въпросът кое от трите е възникнало първо.

Синтезът на мембраните изглежда прост, тъй като липидите спонтанно образуват везикуларни структури със способността да растат и да се делят. Везикулата позволява съхраняването на репликатори и поддържа концентрираните метаболити.

Сега дебатът се фокусира върху лидерството на репликацията спрямо метаболизма. Тези, които придават повече тежест на репликацията, твърдят, че рибозимите (РНК с каталитична сила) са били в състояние да се репликират и благодарение на появата на мутации може да възникне нова метаболитна система.

Обратният възглед подчертава значението на генерирането на прости молекули - като органичните киселини, присъстващи в цикъла на трикарбоксилната киселина - за горенето при умерени източници на топлина. От тази гледна точка, първите стъпки на пребиотичната еволюция включват тези метаболити.

Препратки

1. Anderson, PW (1983). Предложен модел за пребиотична еволюция: Използването на хаос. Трудове на Националната академия на науките, 80 (11), 3386-3390.
2. Hogeweg, P., & Takeuchi, N. (2003). Многостепенна селекция в модели на пребиотична еволюция: отделения и пространствена самоорганизация. Произход на живота и еволюцията на биосферата, 33 (4-5), 375-403.
3. Lazcano, A., & Miller, SL (1996). Произходът и ранната еволюция на живота: пребиотична химия, пред-РНК свят и време. Клетка, 85 (6), 793-798.
4. McKenney, K., & Alfonzo, J. (2016). От пребиотици до пробиотици: Еволюцията и функциите на тРНК модификациите. Живот, 6 (1), 13.
5. Silvestre, DA, & Ftanatanari, JF (2008). Пакетни модели и информационната криза на пребиотичната еволюция. Списание за теоретична биология, 252 (2), 326-337.
6. Wong, JTF (2009). Пребиотична еволюция и астробиология. CRC Press.