生命的生物化学起源
地球上生命的起源与宇宙的起源息息相关。您知道宇宙是有结构的。在宏观尺度上,它包含超星系团,这些是巨大的星系团的集合。星系团可以包含从几个星系到数千个星系。而星系又由恒星、气体和尘埃云组成。
我们的恒星,太阳,只是银河系中 1000 亿颗恒星中的一颗。它周围有九颗行星,包括地球,地球绕着它运行。在阅读本文时,您是否曾经想过,我们是如何了解到这么多关于宇宙结构的信息的?因为我们用肉眼所能看到的,只不过是散布在天空中的几千颗恒星而已。
生命的生物化学起源
生命最初是如何起源的问题仍然没有得到解决。要找到这个问题的答案,我们必须回溯数十亿年,并尝试想象生命最初出现时世界会是什么样子。某些因素使得地球上生命的起源成为可能 -
太阳系,包括太阳的起源。
化学多样性(氢、氮、硫、磷和含碳化合物)。
水的存在。
地球从最初的 5000-6000°C 的温度冷却下来。
早期地球上太阳辐射、宇宙射线、火山爆发、层状粘土和其他来源提供的能量。
存在稀薄的大气层。
奥巴林-霍尔丹生命起源理论
1920 年,俄罗斯生物化学家亚历山大·伊万诺维奇·奥巴林和英国生物学家 J.B.S.霍尔丹提出,早期地球上的生命是通过原子结合形成分子这一物理化学过程产生的。进而,分子相互作用形成无机和有机物质。有机物质发生反应,产生各种类型的生物大分子,这些生物大分子最终组织起来形成了第一个生命系统或细胞。
根据这种观点,地球上的生命是从非生命物质自发产生的。为了应对不断变化的环境条件,无机分子首先发展起来,然后是有机化合物。这被称为化学进化,它在目前地球的环境条件下无法发生。只有在原始地球上,才存在有利于生命起源的条件。生命化学进化可以分为四个阶段 -
原子阶段
早期地球上富含氢、氧、碳、氮、硫和磷等原子,这些原子是原生质形成所必需的。根据原子重量,原子被分为三个同心区域。最重的铁、镍和铜原子集中在地球的核心。中等重量的钠、硫、磷、钾、硅、镁、铝、氯、氟和其他元素的原子集中在地球的核心。最轻的氮、氢、氧、碳和其他元素的原子在早期大气中占主导地位。
无机分子的形成
氢 (H2)、氮 (N2)、水蒸气 (H2O)、甲烷 (CH2)、二氧化碳 (CO2) 和氨是通过自由原子形成的基本无机化合物。(NH2)。在早期大气中,氢原子是最丰富的和最活跃的。它们与所有氧原子反应形成水,没有留下游离氧。因此,原始大气是还原性的(缺乏游离氧),而不是现在的氧化性环境(存在游离氧)。氢原子与氮混合形成氨。(NH3)。因此,水和氨很可能是原始地球上最早的分子。
简单有机分子(单体)的形成
由于早期无机分子相互作用,形成了简单的有机分子,如简单的糖(葡萄糖、核糖、脱氧核糖等)、含氮碱基(嘌呤和嘧啶)、氨基酸、甘油和脂肪酸。下雨时,水分解并携带盐和矿物质,最终以海洋的形式积累。因此,古代海洋包含大量溶解的 NH3、CH4 氮化物、碳化物和其他气体和元素。早期地球上的太阳辐射(如紫外线和 X 射线)、放电(如闪电)产生的能量、高能辐射或不稳定同位素产生的能量,都为这种化学反应提供了必要的能量。
大气中没有臭氧层。原始汤或热稀汤是一种在早期地球水域中形成的类似汤的化学物质混合物,被认为是活细胞的起源。现在,舞台上准备好了各种化学成分的混合物。由于在没有生命或酶催化剂的情况下,有机分子的分解是缓慢的,因此它们被收集在水中。在此期间氧气的缺乏也阻止了合成的有机分子被氧化并降解成更小的化合物。
复杂有机分子(大分子)的形成
在古代海洋中,收集了各种氨基酸、简单的糖、嘌呤和嘧啶碱基、脂肪酸、烃类和其他有机分子。太阳能、放电、光照、ATP 和多磷酸盐可能为有机合成聚合过程提供了能量。S.W.福克斯证明,加热干燥的氨基酸混合物会产生多肽分子。多肽可以结合形成各种蛋白质。类似地,简单的糖可以转化为多糖,脂肪酸可以转化为脂类。最后,糖、含氮碱基和磷酸盐在古代海洋中结合形成核苷酸,这些核苷酸聚合成核酸。
有机分子或前生物分子
光合细菌的化石证据表明,从大分子形成原始细胞花费了 5 亿年。据认为,形成了含有碳水化合物、蛋白质、脂类和核酸的前生物体(非生物聚集体)(被一层水包围的凝聚层小滴)。凝聚层可以选择性地吸收水分子。它们可以分裂和繁殖。凝聚层可以执行基本的代谢功能,如淀粉合成和水解。
凝聚层代表了非生物和生物之间的分界线。奥巴林认为,早期的前生物细胞形式是蛋白质微球。它们有两层。有机大分子被困在外膜中。微球的功能类似于原始细胞。一些蛋白质样分子(由支链氨基酸组成的类似蛋白质的实体)发挥着酶的作用。通过出芽,它们能够产生微型微球。
另一种理论是,原生物,即具有基本脂质双层膜的非生物形成的实体,开始形成。原生物也被称为脂质体。当存在脂类和有机大分子时,脂质体可以在水中形成。脂质体的外膜可以产生微型脂质体,并且根据存在的化合物,可以发生代谢事件。上述理论是假设性的。它们可能是重要的结构,因为形成原细胞需要将复杂的有机成分从沸腾的稀薄汤中分离出来。这些模拟可能是通往生命起源的重要一步。
结论
地球上生命的起源与宇宙的起源以及奥巴林-霍尔丹生命起源理论息息相关,该理论认为地球上的生命是自发地从非生命物质中产生的,以应对不断变化的环境条件。早期地球上富含氢、氧、碳、氮、硫和磷等原子,这些原子形成了无机分子和简单的有机分子。
原始汤是一种在早期地球水域中形成的类似汤的化学物质混合物,是活细胞的起源。复杂有机分子(大分子)的形成在古代海洋中花费了 5 亿年,太阳能、放电、光照、ATP 和多磷酸盐提供了能量。据认为,形成了含有碳水化合物、蛋白质、脂类和核酸的前生物体(非生物聚集体)。