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Presentazione - Evoluzione biochimica

Testo di questa presentazione

Teoria dell'abiogenesi (evoluzione biochimica). Modello A. Oparin -J. Haldane. Esperimenti di S. Miller. Problemi e contraddizioni della teoria

Nel 1923, il biochimico sovietico Alexei Oparin sviluppò la teoria dell'evoluzione biochimica.

A. I. Oparin, biochimico e accademico russo, pubblicò il suo primo libro su questo problema dell'origine della vita attraverso l'evoluzione biochimica nel 1924
2 marzo 1894-21 aprile 1980

miliardi di anni fa, durante la formazione del pianeta, le prime sostanze organiche furono gli idrocarburi, che si formarono nell'oceano da composti più semplici.
Alla base di questa teoria c’era l’idea:

A. Oparin considerava l'emergere della vita come un unico processo naturale, che consisteva nell'evoluzione chimica iniziale avvenuta nelle condizioni della Terra primordiale, che si spostò gradualmente a un livello qualitativamente nuovo: l'evoluzione biochimica.

L'essenza dell'ipotesi:
L'origine della vita sulla Terra è un lungo processo evolutivo di formazione della materia vivente nelle profondità della materia non vivente.
Ciò è avvenuto attraverso l'evoluzione chimica, a seguito della quale le sostanze organiche più semplici si sono formate da quelle inorganiche sotto l'influenza di forti fattori fisico-chimici.

Oparin individua tre fasi di transizione dalla materia inanimata a quella vivente:
1) fase di sintesi dei materiali di partenza composti organici da no materia organica nelle condizioni dell'atmosfera primaria della Terra primordiale; 2) lo stadio di formazione di biopolimeri, lipidi, idrocarburi da composti organici accumulati nei serbatoi primari della Terra; 3) lo stadio di auto-organizzazione dei composti organici complessi, l'emergere sulla loro base e il miglioramento evolutivo dei processi di metabolismo e riproduzione delle strutture organiche, culminando nella formazione della cellula più semplice.

Prima fase (circa 4 miliardi di anni fa)
Mentre il pianeta si raffreddava, il vapore acqueo nell’atmosfera si condensava e pioveva sulla Terra, formando enormi distese d’acqua.
Poiché la superficie terrestre rimaneva calda, l'acqua evaporava e poi si raffreddava strati superiori atmosfera, cadde nuovamente sulla superficie del pianeta.
Pertanto, vari sali e composti organici furono disciolti nelle acque dell'oceano primario
Questi processi continuarono per molti milioni di anni

Seconda fase
Le condizioni sulla Terra si stanno ammorbidendo; sotto l'influenza di scariche elettriche, energia termica e raggi ultravioletti sulle miscele chimiche dell'oceano primario, è diventato possibile formare composti organici complessi: biopolimeri e nucleotidi, che gradualmente si combinano e diventano più complessi.
Il risultato dell'evoluzione di sostanze organiche complesse è stata la comparsa di coacervati, o gocce di coacervato.

I coacervati sono complessi di particelle colloidali, la cui soluzione è divisa in due strati:
strato ricco di particelle colloidali
liquido quasi privo di essi
I coacervati si sono rivelati in grado di assorbire varie sostanze organiche dall'ambiente esterno, che ha fornito la possibilità del metabolismo primario con l'ambiente.

le gocce di coacervato conservate avevano la capacità di subire il metabolismo primario
Terza fase
La selezione naturale cominciò ad agire
di conseguenza, solo una piccola parte dei coacervati si è conservata
Raggiunta una certa dimensione, la goccia madre poteva frantumarsi in gocce figlie, che conservavano le caratteristiche della struttura madre

Successivamente, la teoria dell'evoluzione biochimica fu sviluppata nelle opere dello scienziato inglese John Haldane

J. Haldane, genetista e biochimico inglese, dal 1929 sviluppò idee in sintonia con le idee di A.I.

La vita è stata il risultato di una lunga evoluzione dei composti del carbonio. Sostanze simili nella loro composizione chimica le proteine ​​e altri composti organici che costituiscono la base degli organismi viventi sono nati sulla base di idrocarburi.
John Haldane ha formulato un'ipotesi

Successivamente, assorbendo sostanze proteiche dall'ambiente, la struttura dei coacervati divenne più complessa, diventando simili a cellule primitive, ma già viventi, e composti chimici la composizione interna ha permesso loro di crescere, mutare, metabolizzare e riprodursi.
Il coacervato (dal latino coacervātus - “raccolto in un mucchio”) o “brodo primario” è un complesso multimolecolare, gocce o strati con una concentrazione di sostanza diluita maggiore rispetto al resto della soluzione della stessa composizione chimica.

La teoria dell'evoluzione biochimica e dell'origine della vita sulla Terra, espressa da Alexei Oparin, è tuttavia riconosciuta da molti scienziati, a causa di grande quantità ipotesi e supposizioni, solleva qualche dubbio.

Postula che la vita sia nata sulla Terra proprio dalla materia inanimata, nelle condizioni che esistevano sul pianeta miliardi di anni fa. Queste condizioni includevano la disponibilità di fonti energetiche, un certo regime di temperatura, acqua e altro sostanze inorganiche- precursori di composti organici. L'atmosfera allora era priva di ossigeno (la fonte di ossigeno oggi sono le piante, ma allora non ce n'erano).
"Ipotesi Oparin-Haldane"

Fasi dello sviluppo della vita sulla Terra secondo l'ipotesi di Oparin-Haldane
Periodo di tempo Fasi dell'origine della vita Eventi che accadono sulla Terra
Da 6,5 ​​a 3,5 miliardi di anni fa 1 Formazione dell'atmosfera primaria contenente metano, ammoniaca, anidride carbonica, idrogeno, monossido di carbonio e vapore acqueo
2 Raffreddamento del pianeta (sotto la temperatura di +100 °C sulla sua superficie); condensazione del vapore acqueo; formazione dell'oceano primario; dissoluzione di gas e minerali nella sua acqua; potenti temporali Sintesi di composti organici semplici - aminoacidi, zuccheri, basi azotate - come risultato dell'azione di potenti scariche elettriche (fulmini) e radiazioni ultraviolette
3 Formazione delle proteine ​​più semplici, acidi nucleici, polisaccaridi, grassi; coacervati
Da 3,5 a 3 miliardi di anni fa 4 Formazione di protobionti capaci di autoriprodursi e metabolismo regolato a seguito della comparsa di membrane con permeabilità selettiva e interazioni di acidi nucleici e proteine
3 miliardi di anni fa 5 L'emergere di organismi con una struttura cellulare (procarioti-batteri primari)

Prove molto convincenti della possibilità di implementare il 2o e il 3o stadio dello sviluppo della vita sono state ottenute a seguito di numerosi esperimenti sulla sintesi artificiale di monomeri biologici.

Per la prima volta nel 1953 S. Miller (USA) ne creò abbastanza facile installazione, in cui è riuscito a sintetizzare una serie di amminoacidi e altri composti organici da una miscela di gas e vapore acqueo sotto l'influenza dell'irradiazione ultravioletta e delle scariche elettriche

Una pubblicazione sulla rivista Science descrive dati che sfuggivano agli scienziati più di 50 anni fa.
Un giovane impiegato dell'Università di Chicago, Stanley Miller, conduce i suoi famosi esperimenti sulla sintesi di molecole biologiche. 1953 //Archivio del Dipartimento di Chimica dell'Università della California a San Diego

Quindi il premio Nobel Harold Urey, che ricevette un prestigioso premio per la scoperta dell'acqua pesante e successivamente si interessò ai problemi della cosmochimica,
ispirò uno dei suoi studenti, Stanley Miller, con la teoria di un brodo abiotico preistorico, dal quale, sotto l'influenza di fattori esterni, emersero le prime molecole organiche.
29 aprile 189-5 gennaio 1981 (87 anni)

Per ricreare reazioni in laboratorio in condizioni simili a quelle prevalenti sulla Terra miliardi di anni fa, Miller ha sviluppato un dispositivo chimico originale.

Il dispositivo è costituito da un grande pallone di reazione contenente vapori di metano, ammoniaca e idrogeno, nel quale viene pompato dal basso il vapore acqueo caldo. Sulla parte superiore sono presenti elettrodi di tungsteno che generano una scarica a scintilla. Simulando in questo modo le condizioni di un temporale nelle vicinanze di un vulcano costiero attivo, Miller sperava di ottenere molecole biologiche attraverso la sintesi.
L'acqua bollente (1) crea un flusso di vapore, che viene amplificato dalla bocchetta aspirante (inserto), una scintilla che salta tra due elettrodi (2) avvia una serie di trasformazioni chimiche, il frigorifero (3) raffredda il flusso di vapore acqueo contenente prodotti di reazione che si depositano in una trappola ( 4).// ​​Ned Shaw, Indiana University.

Nel suo esperimento, Miller ha utilizzato una miscela di gas composta da:
ammoniaca
metano
idrogeno
vapore acqueo
Secondo l'ipotesi di Miller, era questa miscela a prevalere nell'atmosfera primaria della Terra.

Poiché questi gas non potevano reagire in condizioni naturali, Miller li espose all'energia elettrica, simulando le scariche dei fulmini da cui si supponeva si ottenesse energia nella prima atmosfera.
Ad una temperatura di 100°C, la miscela veniva fatta bollire per una settimana, esposta sistematicamente a scariche elettriche.
Un'analisi della chemiosintesi effettuata alla fine della settimana ha mostrato che dei venti aminoacidi che costituiscono la base di qualsiasi proteina, se ne sono formati solo tre

Dopo la morte di Stephen Miller, mentre frugavano i suoi diari e i suoi archivi, parenti e colleghi scoprirono appunti relativi alle opere degli anni '50, oltre a diverse bottiglie con firme.
Le firme indicavano che il contenuto dei flaconi non era altro che prodotti di sintesi nell'apparato di Miller, conservati dall'autore in forma inviolabile.

Gli esperimenti di Stanley Miller, che cercò di replicare l'origine della vita sulla Terra in una provetta, ebbero molto più successo di quanto credesse lo stesso Miller. Metodi moderni ha permesso di trovare non cinque, ma tutti i 22 amminoacidi in un recipiente chimico sigillato da uno scienziato molti decenni fa

Nel corso dei successivi 20 anni venne istituito:
L'atmosfera nell'esperienza di Miller era fittizia
L'atmosfera primordiale della Terra non era composta da metano e ammoniaca, ma da azoto, anidride carbonica e vapore acqueo, e l'esperimento di Miller non era altro che una totale menzogna.
Negli esperimenti, per ottenere amminoacidi, hanno preso l'ammoniaca già pronta e, di per sé, in modo abiogenico, si forma solo ad alta pressione e temperatura da una miscela equilibrata di idrogeno e azoto, in presenza di un catalizzatore

Miller ha utilizzato nell'esperimento il meccanismo della "trappola fredda", ovvero gli amminoacidi risultanti sono stati immediatamente isolati dall'ambiente esterno.
Senza questo meccanismo, le condizioni atmosferiche distruggerebbero immediatamente queste molecole.

Miller, utilizzando il metodo della “trappola fredda”, ha distrutto la propria affermazione riguardo a questa possibilità istruzione gratuita aminoacidi nell'atmosfera.
Di conseguenza, tutti gli sforzi hanno dimostrato che anche in condizioni di laboratorio ideali è impossibile sintetizzare gli amminoacidi senza un meccanismo di "trappola fredda" per prevenire la degradazione degli amminoacidi già sotto l'influenza del proprio ambiente, quindi non si può parlare di la loro presenza accidentale in natura.

Problemi scientifici degli esperimenti di Miller
Gli amminoacidi risultanti si sono rivelati “non viventi”: erano nella direzione di rotazione sbagliata – l’effetto “chiralità”. Come risultato dell'esperimento, sono stati ottenuti molti D-amminoacidi. Gli amminoacidi D sono assenti nella struttura di un organismo vivente.

“problemi di chiralità” Come risultato dell’esperimento, sono stati ottenuti amminoacidi con rotazioni (orientazioni) diverse dall’asse immaginario, il che rende quasi impossibile combinarli in una proteina (b-ok)

chiralità
Il termine "chiralità" deriva dalla parola greca "chiros" - mano.

Evoluzione della vita sulla Terra

Il problema dell'origine della vita sulla Terra è uno dei maggiori problemi delle scienze naturali. Questo problema ha attirato l'attenzione umana da tempo immemorabile. Tuttavia, dentro epoche diverse e nelle diverse fasi di sviluppo della cultura umana questo problema è stato risolto in modi diversi. Le teorie sull'origine della Terra, e in effetti dell'intero universo, sono varie e tutt'altro che affidabili. Ecco i principali:

1. Creazionismo. Secondo questa idea, la vita è stata creata da un creatore (dalla parola latina creare - creare).

2. Ipotesi stato stazionario. La vita, come l'Universo stesso, non è sempre esistita ed esisterà per sempre, poiché non ha inizio né fine.

3. L'ipotesi della generazione spontanea, secondo la quale la vita nasce spontaneamente dalla materia inanimata.

4. La teoria della panspermia è l'idea che la vita sia stata portata sulla Terra dall'esterno, dallo spazio. Va detto che questa teoria è ancora popolare tra gli scienziati.

Tutte queste teorie sono per lo più speculative e non hanno prove dirette. Attualmente non c’è consenso tra gli scienziati sull’origine della vita. Più ampiamente riconosciuto in scienza moderna ha ricevuto un'ipotesi formulata dall'accademico scienziato sovietico. A.I. Oparin e lo scienziato inglese J. Haldane.

Teoria dell'evoluzione biochimica

(teoria biochimica dell'origine della vita)

Nel 1923, lo scienziato sovietico Oparin espresse l'opinione che l'atmosfera terrestre non fosse la stessa di adesso. Basandosi su considerazioni teoriche, suggerì che la vita fosse nata gradualmente da sostanze inorganiche attraverso l'evoluzione molecolare a lungo termine.

1. Si ritiene che la Terra e altri pianeti sistema solare formato da una nube di gas e polvere circa 4,5 miliardi di anni fa. Nelle prime fasi della sua esistenza, la Terra aveva una temperatura molto elevata. Quando il pianeta si raffreddò, gli elementi pesanti si spostarono verso il centro, mentre gli elementi più leggeri rimasero in superficie. Ad esempio, gli atomi di ferro erano concentrati al centro (secondo gli scienziati, attualmente il nucleo della terra è costituito da ferro fuso, riscaldato a diverse migliaia di gradi C ed è 2 volte più piccolo della Luna). Si formano atomi di silicio e alluminio meno pesanti crosta terrestre. I più leggeri rimasero negli strati esterni della nube e formarono l'atmosfera primaria della Terra. Era costituito da H2 libero e dai suoi composti: acqua, metano, ammoniaca e HCN e quindi era di natura riducente (i composti dell'idrogeno entrano facilmente in reazioni chimiche, cedendo idrogeno e allo stesso tempo ossidandosi).

I componenti atmosferici sono stati esposti a varie fonti di energia:

· Dura, vicina alla radiazione a onde corte dei raggi X proveniente dal Sole

· Scariche di fulmini

Temperatura elevata in aree soggette a fulmini e attività vulcanica (ad esempio lava calda, sorgenti termali, geyser)

· Onde d'urto provocate dai meteoriti che entrano nell'atmosfera terrestre.

Come risultato di questi impatti, i componenti chimicamente semplici dell’atmosfera hanno interagito, cambiando e diventando più complessi. Apparvero molecole di zuccheri, amminoacidi, basi azotate, acidi organici (acetico, formico, lattico) e altri composti organici semplici.

L'assenza di ossigeno nell'atmosfera e un ambiente riducente erano una condizione necessaria per l'emergere di molecole organiche con mezzi non biologici. L'ossigeno interagisce con le sostanze organiche e le distrugge o le priva di quelle proprietà che sarebbero utili ai sistemi prebiologici. Pertanto, se le molecole organiche sulla Terra primitiva entrassero in contatto con l'ossigeno, non esisterebbero a lungo e non avrebbero il tempo di formare strutture più complesse.

Nel 1953, Stanley Miller, in una serie di esperimenti, simulò le condizioni che presumibilmente esistevano sulla Terra primitiva. Le condizioni atmosferiche sono state create in un pallone sigillato (vapore acqueo, ammoniaca, metano, acido cianidrico, anidride carbonica). Il contenuto incolore del pallone è stato esposto ad alte temperature e scariche elettriche e di conseguenza ha acquisito una tinta rossa dovuta alla formazione di acidi grassi, urea, zuccheri e amminoacidi.

Altri scienziati hanno condotto esperimenti simili utilizzando diverse fonti di energia. In tutti gli esperimenti, in assenza di ossigeno, è stato possibile ottenere un'ampia gamma di prodotti organici diversi. I ricercatori erano particolarmente interessati alla possibilità della formazione di aminoacidi: dopo tutto, sono gli elementi costitutivi delle molecole proteiche. Successivamente si è scoperto che molti composti semplici che fanno parte dei polimeri biologici - proteine, acidi nucleici e polisaccaridi - possono essere sintetizzati abiogenicamente.

La possibilità di sintesi abiogenica di composti organici è dimostrata dal fatto che si trovano anche nello spazio. Acido cianidrico, formaldeide, acido formico, alcoli metilici ed etilici e altri composti organici semplici. Alcuni meteoriti contengono acidi grassi, zuccheri, aminoacidi. Questi composti si formano oggi quando i prodotti gassosi delle eruzioni vulcaniche e della lava reagiscono con l'acqua.

Tutto ciò indica che i composti organici potrebbero essersi formati puramente chimicamente nelle condizioni esistenti sulla Terra circa 4 miliardi di anni fa. Condizioni necessarie questi sono:

· Natura riduttiva dell'atmosfera (mancanza di O 2)

· Alta temperatura

Fonti energetiche (radiazioni UV del sole, fulmini, ecc.)

2. Il passo successivo è stata la formazione di polimeri da monomeri.

Man mano che la Terra si raffreddava, il vapore acqueo contenuto nell'atmosfera si condensava e la pioggia cadeva sulla superficie terrestre, formando grandi distese d'acqua. La reazione di polimerizzazione delle unità primarie non avviene in soluzione acquosa, poiché combinando tra loro due amminoacidi o due nucleotidi si separa una molecola d'acqua. La reazione in acqua andrà nella direzione opposta. La velocità di degradazione (idrolisi) dei biopolimeri sarà maggiore della velocità della loro sintesi. È chiaro che i biopolimeri non potrebbero essersi formati da soli nell’oceano primordiale.

Forse la sintesi primaria dei biopolimeri è avvenuta quando l’oceano primario era ghiacciato o quando i suoi residui secchi venivano riscaldati.

Il ricercatore americano Sydney Fox, riscaldando una miscela secca di aminoacidi a 130°C, ha dimostrato che in questo caso avviene la reazione di polimerizzazione (l'acqua rilasciata evapora) e si ottengono proteinoidi artificiali, simili a proteine ​​con fino a 200 o più aminoacidi nella catena . Sciolti in acqua, avevano le proprietà delle proteine, fornivano un mezzo nutritivo per i batteri e addirittura catalizzavano (acceleravano) alcune reazioni chimiche, come dei veri enzimi.

Forse sono sorti nell'era prebiologica sui pendii caldi dei vulcani, e poi le piogge li hanno trascinati nell'oceano primordiale. C'è anche un punto di vista secondo cui la sintesi dei biopolimeri è avvenuta direttamente nell'atmosfera primaria e i composti risultanti sono caduti nell'oceano primario sotto forma di particelle di polvere.

È così che sono nati i prototipi delle moderne proteine ​​e degli acidi nucleici. Tra i polipeptidi formati in modo casuale potrebbero esserci quelli che avevano attività catalitica e potevano accelerare i processi di sintesi dei polinucleotidi.

Il fondatore della teoria dell'evoluzione biochimica è l'accademico russo A.I. Oparin (1894-1980). Questa teoria si basa su una differenza significativa tra il moderno condizioni naturali La Terra e le condizioni del nostro pianeta nei tempi antichi.

Secondo la teoria dell'evoluzione biochimica, nel lontano passato del nostro pianeta, ebbe luogo la sintesi abiogenica dei composti organici e la loro ulteriore evoluzione.

I metodi moderni per stimare l'età della Terra ci permettono di credere che sia nata circa 4,5 - 5 miliardi di anni fa. Nel 1923 A.I. Oparin ha avanzato l'ipotesi che l'atmosfera primaria della Terra non contenesse ossigeno libero (per confronto: l'atmosfera moderna ne contiene il 21%). Tale atmosfera potrebbe contenere ammoniaca, anidride carbonica, metano e vapore acqueo. La natura priva di ossigeno dell'atmosfera primaria porta a due importanti conseguenze.

Innanzitutto, in assenza di ossigeno, non si forma lo strato di ozono, che nell'atmosfera moderna si trova ad un'altitudine di 10-50 km e assorbe il 99% della radiazione ultravioletta del sole. Ha un effetto dannoso sui tessuti viventi, quindi i primi organismi hanno dovuto "nascondersi" sotto uno strato d'acqua o rocce.

In secondo luogo, le molecole organiche risultanti non erano soggette ad ossidazione e potevano partecipare a ulteriori reazioni (in condizioni di atmosfera ossidante, oggetti origine organica, non protetto membrane cellulari, si decompongono sotto l'influenza dell'ossigeno, che si verifica, ad esempio, dopo la morte di un organismo vivente e la distruzione della parete cellulare).

I primi esperimenti di simulazione dell'atmosfera primaria della Terra furono condotti nel 1953 dallo scienziato americano Stanley Miller (nato nel 1930). La sua installazione era una beuta, all'interno della quale si creavano scariche elettriche. Il pallone conteneva acqua e vari gas presumibilmente presenti nell'atmosfera primaria (idrogeno, metano, ammoniaca, ecc.). Non c'era ossigeno libero nel sistema. Quando riscaldato, nell'installazione si verificava una circolazione costante di vapore acqueo e gas. Dopo diversi giorni di esperimento, nel pallone si sono formati i composti organici più semplici: amminoacidi (materiale da costruzione per proteine), basi azotate (componenti degli acidi nucleici) e alcune altre sostanze. La loro concentrazione aumentava al diminuire dei componenti iniziali. Gli esperimenti di Miller furono seguiti da esperimenti simili.

Numerosi esperimenti suggeriscono che la sintesi inorganica di composti organici potrebbe essere stata un fenomeno abbastanza comune nel passato del nostro pianeta. L'accademico A.I. Oparin riteneva che tali reazioni avvenissero nei mari e negli oceani e fossero accompagnate da un aumento della concentrazione delle sostanze organiche risultanti, mentre l'ambiente acquatico diventava un “brodo primario” capace di ulteriore evoluzione.

Tuttavia, la formazione di molecole organiche e la loro polimerizzazione sono solo l'inizio di una lunga catena di evoluzione che ha portato alla comparsa delle prime cellule viventi, poiché una singola proteina non possiede ancora le proprietà specifiche inerenti all'organismo nel suo complesso. Pertanto, l’evoluzione biologica ha dovuto sostituire l’evoluzione chimica.

Il processo di emergenza ed evoluzione dei sistemi viventi è chiamato biogenesi.

Secondo l'ipotesi di A.I. Oparina, gli antenati delle cellule vere e proprie, erano strutture protocellulari capaci di semplici scambi con l'ambiente.

Si chiamano coacervati (dal latino coacervus - coagulo). L'interazione di più molecole organiche porta alla convergenza delle loro estremità polari e alla formazione di una “goccia coacervata”.

I coacervati emergenti avevano capacità significativamente maggiori rispetto alle singole molecole, poiché potevano assorbire ambiente altre sostanze. Apparvero membrane primitive, che non solo svolgevano funzioni protettive, ma contribuivano anche all'ulteriore isolamento dei coacervati dall'ambiente.

All'interno dei coacervati si differenziarono le proprietà delle molecole: le proteine ​​risultarono in grado di regolare il decorso reazioni chimiche, portando all'emergere di nuove sostanze organiche, e le catene nucleotidiche hanno gradualmente acquisito la capacità di raddoppiarsi secondo il principio di addizione. L'ulteriore evoluzione di queste proprietà più importanti ha portato all'emergere dell'ereditarietà codice genetico, portando informazioni sulla struttura delle molecole proteiche. Pertanto, lo sviluppo dei coacervati portò alla comparsa delle prime cellule primitive prive di nucleo. Ciò è accaduto più di 4 miliardi di anni fa.

A poco a poco, le riserve di sostanze organiche necessarie per la nutrizione si esaurirono e alcune cellule svilupparono la capacità di utilizzare l'energia solare per sintetizzare sostanze organiche da composti di carbonio inorganici. È così che sono comparsi gli organismi capaci di fotosintesi.

Fotosintesi -il processo di conversione dell'energia solare nell'energia dei legami chimici delle sostanze organiche.

Inizialmente la fotosintesi avveniva senza la formazione di ossigeno molecolare. Nel corso dell'ulteriore evoluzione, gli organismi iniziarono a rilasciare ossigeno. Ciò accadde circa 4 miliardi di anni fa.

L'arricchimento dell'atmosfera con ossigeno libero ha portato nel tempo alla formazione di ozono, che assorbe la radiazione ultravioletta a onde corte, pericolosa per gli organismi viventi. Inoltre, è nata la respirazione, un metodo di metabolismo in cui la decomposizione delle sostanze organiche avviene con la partecipazione dell'ossigeno.

Successivamente la struttura cellulare divenne più complessa e circa 2 miliardi di anni fa apparvero le prime cellule dotate di nucleo e strutture intracellulari.

Il successivo passo evolutivo nello sviluppo degli organismi fu l'emergere di forme di vita multicellulari circa 1,3 miliardi di anni fa.

Conferma di alcune disposizioni teoria biochimica L'origine e lo sviluppo della vita possono essere fatti risalire ai resti fossili di organismi rinvenuti nelle rocce antiche.

Le tracce di vita più antiche sono considerate calcari scoperti nell'Australia occidentale. Si sono formati da alghe e batteri azzurri-verdi 3,5 miliardi di anni fa e indicano la presenza di forme di vita capaci di fotosintesi. IN America del Nord Sono state scoperte alghe che hanno 1,1 miliardi di anni.

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Il problema dell'emergere della vita sulla Terra e della possibilità dell'esistenza delle sue forme extraterrestri è fondamentale non solo per la biologia, ma anche per le scienze naturali in generale. Tra le principali ipotesi che tentano di spiegare l'origine della vita, le più famose sono le seguenti:

creazionismo- la vita è stata creata da un essere soprannaturale in un determinato momento;

origine della vita da natura inanimata - la vita è nata spontaneamente dalla materia non vivente;

panspermia- la vita è stata portata sul nostro pianeta dall'esterno;

evoluzione biochimica- la vita è nata nel corso dello sviluppo naturale e auto-complicato della natura come risultato di processi che obbediscono alle leggi chimiche e fisiche.

Creazionismo. Secondo il creazionismo la vita è nata a seguito di un evento soprannaturale avvenuto nel passato. Questo concetto riconosce l'immutabilità delle specie degli esseri viventi, e Ad esso non aderiscono i seguaci di quasi tutti gli insegnamenti religiosi più diffusi.

L'origine della vita dalla natura inanimata. Questa ipotesi era comune nell'antica Cina, Babilonia ed Egitto come alternativa al creazionismo. Secondo l’ipotesi, la vita sarebbe nata spontaneamente dalla materia non vivente sotto l’influenza di qualche “principio attivo”. I sostenitori dell'ipotesi della generazione spontanea di organismi viventi dalla natura inanimata furono Aristotele, Galileo, Cartesio, Hegel e Lamarck.

Panspermia(dal greco padella- tutto e sperma- seme) . Nel 19° secolo fu avanzata l'ipotesi dell'esistenza eterna e onnipresente della vita nello Spazio sotto forma di “embrioni di vita” e della sua origine cosmica sulla Terra. Questa ipotesi, come quella della generazione spontanea della vita, non offre alcun meccanismo per spiegare l'origine primaria della vita, quindi non può essere considerata una teoria dell'origine della vita in quanto tale. L'ipotesi della panspermia afferma che la vita potrebbe essere sorta una o più volte, in tempi diversi e in parti diverse dell'universo. Per suffragare questa ipotesi vengono utilizzate informazioni su ripetuti avvistamenti di UFO, pitture rupestri di oggetti simili a razzi e “astronauti”, nonché segnalazioni di incontri con alieni. All'inizio del XX secolo, l'idea della panspermia fu sviluppata dallo scienziato russo V.I.

Evoluzione biochimica. La scienza moderna ha accettato l'ipotesi dell'origine abiogenica (non biologica) della vita come risultato dei processi di abiogenesi. Abiogenesi- un lungo processo di evoluzione cosmica, geologica e chimica. I fondatori di questa ipotesi sono lo scienziato russo A.I. Oparin e il naturalista inglese J. Haldane.

Secondo l’abiogenesi sono necessarie quattro condizioni fondamentali affinché gli esseri viventi emergano da esseri non viventi:

La presenza di alcune sostanze chimiche

Disponibilità di una fonte di energia,

Mancanza di ossigeno,

Per molto tempo.

Esistono tre fasi principali dell'abiogenesi.

Il primo stadio è associato all'evoluzione chimica . Dopo la sua origine (5 miliardi di anni fa), la Terra era una palla rovente. La temperatura superficiale nel periodo iniziale era di 4000-8000 ° C e, raffreddandosi, gli elementi chimici pesanti si spostarono verso il centro della Terra e gli elementi leggeri si accumularono sulla superficie. Il carbonio e altri metalli refrattari si condensarono e successivamente divennero la base della crosta terrestre. Elementi chimici interagivano tra loro e formavano molecole di sostanze inorganiche (acqua, azoto, anidride carbonica, ammoniaca, metano, idrogeno solforato). Mentre si raffreddava, si verificava la condensazione del vapore acqueo, che portava alla formazione di serbatoi in cui si dissolvevano vari composti inorganici.

La seconda fase dell'emergere della vita è associata alla comparsa di sostanze proteiche (biopolimeri) . La vita terrestre è basata sul carbonio (vedi chimica). A.I. Oparin, nella sua opera "L'origine della vita" (1924), espresse l'opinione che le sostanze organiche - la base della vita - potrebbero derivare da composti di carbonio più semplici quando erano concentrati nell'oceano primario. Un'idea simile fu proposta nel 1927 dal naturalista inglese J. Haldane. La fonte di energia per la reazione di sintesi delle sostanze organiche era la radiazione solare e il calore della Terra. La radiazione è penetrata senza ostacoli nella Terra, poiché nell'atmosfera primaria non c'era ancora lo strato di ozono. Non c'era ossigeno nell'atmosfera primaria. L'ossigeno, essendo un forte agente ossidante, distruggerebbe istantaneamente i composti organici, quindi la sua assenza facilita la sintesi dei biopolimeri.

Nel 1953, Stanley Miller (USA) tentò di testare sperimentalmente l'ipotesi Oparin-Haldane. Nell'installazione, ha simulato le condizioni che si credeva esistessero sulla Terra primordiale. Una miscela di gas (vapore acqueo, metano, ammoniaca e idrogeno) è stata esposta a scariche elettriche ad alta tensione per una settimana, dopodiché nella “trappola” sono stati scoperti 15 amminoacidi. Successivamente, in esperimenti simili furono sintetizzati acidi nucleici semplici.

Le sostanze organiche, accumulandosi nell'oceano, formavano un “brodo primario”, poi cominciavano ad unirsi in grumi gelatinosi - coacervati(dal lat. coacervus- coagulo). A causa dei processi fisico-chimici che hanno avuto luogo nel “brodo primario”, le goccioline di coacervato sono aumentate di dimensioni, hanno acquisito la capacità di dividersi in parti, assorbire sostanze dall'ambiente, ad es. segni acquisiti di crescita, riproduzione e metabolismo. Tuttavia, i coacervati non erano in grado di autoriprodursi e autoregolarsi.

La terza fase dell'emergere della vita è associata alla formazione della capacità di autoriproduzione nei composti organici. L'inizio della vita dovrebbe essere considerato l'emergere di un sistema organico stabile autoriproduttivo con una sequenza costante di nucleotidi. L'assorbimento dei metalli da parte dei coacervati ha portato alla formazione di enzimi che accelerano i processi biochimici e la comparsa di confini tra i coacervati e l'ambiente (membrane semipermeabili) ha assicurato la stabilità dei coacervati.

L'emergere della vita è spiegata dall'interazione degli acidi nucleici (DNA) e delle proteine. Come risultato della loro inclusione nel coacervato, potrebbe formarsi una cellula primitiva capace di crescita e riproduzione. Gli acidi nucleici sono portatori di informazioni genetiche e le proteine ​​fungono da catalizzatori per le reazioni chimiche che si verificano all'interno del coacervato. Pertanto, un complesso sistema organico aperto ha acquisito le caratteristiche principali degli esseri viventi: la capacità di farlo auto-organizzazione, auto-regolamentazione e auto-riproduzione, e divenne il prototipo di un'unità vivente: una cellula.

Evoluzione biologica. L'evoluzione biologica inizia con l'emergere dell'organizzazione cellulare e segue il percorso del miglioramento della struttura e delle funzioni della cellula, della formazione di organismi multicellulari, della divisione degli esseri viventi nei regni delle piante, degli animali e dei funghi, con la loro successiva differenziazione in specie.

La vita sulla Terra è nata 3,5 miliardi di anni fa. In questo momento apparvero le prime cellule viventi, i procarioti. Procarioti - Queste sono cellule prive di nucleo. Sono rappresentati da batteri e alghe blu-verdi. I procarioti potevano vivere senza ossigeno e utilizzavano come nutrienti le sostanze del “brodo primordiale”. Il “brodo primordiale” era esaurito e, nel processo di evoluzione, quelle cellule che potevano essere utilizzate luce solare per la sintesi indipendente delle sostanze necessarie (fotosintesi). È così che sono comparsi gli autotrofi e l'ossigeno ha iniziato a fluire nell'atmosfera primaria.

Appaiono 1,5 - 2 miliardi di anni fa eucarioti – organismi le cui cellule contengono un nucleo. Circa 1 miliardo di anni fa, gli eucarioti si divisero in cellule vegetali e animali.

Il successivo passo significativo nell'evoluzione biologica fu la comparsa 900 milioni di anni fa riproduzione sessuale . La riproduzione sessuale aumenta significativamente la diversità delle specie, l’adattabilità e accelera l’evoluzione.

L'aspetto del primo multicellulare gli organismi si sono verificati circa 800 milioni di anni fa. Sviluppano organi e tessuti, avviene la differenziazione delle loro funzioni.

Tra 500 e 440 milioni di anni fa apparvero i primi carnivori e vertebrati e circa 410 milioni di anni fa arrivarono sulla terra gli organismi viventi.

Un punto importante evoluzione biologicaè l'emergere e lo sviluppo del sistema nervoso e del cervello, che ha permesso agli organismi di aumentare la diversità delle risposte alle influenze ambientali.

Durante le condizioni di raffreddamento all'inizio del Cenozoico, gli animali a sangue caldo ottennero un significativo vantaggio evolutivo.

Circa 8 milioni di anni fa iniziarono a formarsi le moderne famiglie di mammiferi. Durante questo periodo apparvero varie specie di primati e così si formarono i prerequisiti per l'inizio dell'antropogenesi. Antropogenesi - parte dell'evoluzione biologica che ha portato alla comparsa specie Homo sapiens.

2 - 3 milioni di anni fa iniziò un'altra estinzione delle foreste. Uno dei gruppi di scimmie antropoidi iniziò gradualmente a sviluppare spazi aperti. Presumibilmente gli esseri umani discendono da queste scimmie.

Ora la vita sulla terra è rappresentata da forme cellulari e precellulari. Gli organismi precellulari sono virus e fagi; gli organismi cellulari sono divisi in quattro regni: microrganismi, funghi, piante e animali.