生命的生物化學起源


地球上生命的起源與宇宙的起源息息相關。您知道宇宙是有結構的。在宏觀尺度上,它包含超星系團,這些是巨大的星系團的集合。星系團可以包含從幾個星系到數千個星系。而星系又由恆星、氣體和塵埃雲組成。

我們的恆星,太陽,只是銀河系中 1000 億顆恆星中的一顆。它周圍有九顆行星,包括地球,地球繞著它執行。在閱讀本文時,您是否曾經想過,我們是如何瞭解到這麼多關於宇宙結構的資訊的?因為我們用肉眼所能看到的,只不過是散佈在天空中的幾千顆恆星而已。

生命的生物化學起源

生命最初是如何起源的問題仍然沒有得到解決。要找到這個問題的答案,我們必須回溯數十億年,並嘗試想象生命最初出現時世界會是什麼樣子。某些因素使得地球上生命的起源成為可能 -

  • 太陽系,包括太陽的起源。

  • 化學多樣性(氫、氮、硫、磷和含碳化合物)。

  • 水的存在。

  • 地球從最初的 5000-6000°C 的溫度冷卻下來。

  • 早期地球上太陽輻射、宇宙射線、火山爆發、層狀粘土和其他來源提供的能量。

  • 存在稀薄的大氣層。

奧巴林-霍爾丹生命起源理論

1920 年,俄羅斯生物化學家亞歷山大·伊萬諾維奇·奧巴林和英國生物學家 J.B.S.霍爾丹提出,早期地球上的生命是透過原子結合形成分子這一物理化學過程產生的。進而,分子相互作用形成無機和有機物質。有機物質發生反應,產生各種型別的生物大分子,這些生物大分子最終組織起來形成了第一個生命系統或細胞。

根據這種觀點,地球上的生命是從非生命物質自發產生的。為了應對不斷變化的環境條件,無機分子首先發展起來,然後是有機化合物。這被稱為化學進化,它在目前地球的環境條件下無法發生。只有在原始地球上,才存在有利於生命起源的條件。生命化學進化可以分為四個階段 -

原子階段

早期地球上富含氫、氧、碳、氮、硫和磷等原子,這些原子是原生質形成所必需的。根據原子重量,原子被分為三個同心區域。最重的鐵、鎳和銅原子集中在地球的核心。中等重量的鈉、硫、磷、鉀、矽、鎂、鋁、氯、氟和其他元素的原子集中在地球的核心。最輕的氮、氫、氧、碳和其他元素的原子在早期大氣中占主導地位。

無機分子的形成

氫 (H2)、氮 (N2)、水蒸氣 (H2O)、甲烷 (CH2)、二氧化碳 (CO2) 和氨是透過自由原子形成的基本無機化合物。(NH2)。在早期大氣中,氫原子是最豐富的和最活躍的。它們與所有氧原子反應形成水,沒有留下游離氧。因此,原始大氣是還原性的(缺乏遊離氧),而不是現在的氧化性環境(存在遊離氧)。氫原子與氮混合形成氨。(NH3)。因此,水和氨很可能是原始地球上最早的分子。

簡單有機分子(單體)的形成

由於早期無機分子相互作用,形成了簡單的有機分子,如簡單的糖(葡萄糖、核糖、脫氧核糖等)、含氮鹼基(嘌呤和嘧啶)、氨基酸、甘油和脂肪酸。下雨時,水分解並攜帶鹽和礦物質,最終以海洋的形式積累。因此,古代海洋包含大量溶解的 NH3、CH4 氮化物、碳化物和其他氣體和元素。早期地球上的太陽輻射(如紫外線和 X 射線)、放電(如閃電)產生的能量、高能輻射或不穩定同位素產生的能量,都為這種化學反應提供了必要的能量。

大氣中沒有臭氧層。原始湯或熱稀湯是一種在早期地球水域中形成的類似湯的化學物質混合物,被認為是活細胞的起源。現在,舞臺上準備好了各種化學成分的混合物。由於在沒有生命或酶催化劑的情況下,有機分子的分解是緩慢的,因此它們被收集在水中。在此期間氧氣的缺乏也阻止了合成的有機分子被氧化並降解成更小的化合物。

複雜有機分子(大分子)的形成

在古代海洋中,收集了各種氨基酸、簡單的糖、嘌呤和嘧啶鹼基、脂肪酸、烴類和其他有機分子。太陽能、放電、光照、ATP 和多磷酸鹽可能為有機合成聚合過程提供了能量。S.W.福克斯證明,加熱乾燥的氨基酸混合物會產生多肽分子。多肽可以結合形成各種蛋白質。類似地,簡單的糖可以轉化為多糖,脂肪酸可以轉化為脂類。最後,糖、含氮鹼基和磷酸鹽在古代海洋中結合形成核苷酸,這些核苷酸聚合成核酸。

有機分子或前生物分子

光合細菌的化石證據表明,從大分子形成原始細胞花費了 5 億年。據認為,形成了含有碳水化合物、蛋白質、脂類和核酸的前生物體(非生物聚集體)(被一層水包圍的凝聚層小滴)。凝聚層可以選擇性地吸收水分子。它們可以分裂和繁殖。凝聚層可以執行基本的代謝功能,如澱粉合成和水解。

凝聚層代表了非生物和生物之間的分界線。奧巴林認為,早期的前生物細胞形式是蛋白質微球。它們有兩層。有機大分子被困在外膜中。微球的功能類似於原始細胞。一些蛋白質樣分子(由支鏈氨基酸組成的類似蛋白質的實體)發揮著酶的作用。通過出芽,它們能夠產生微型微球。

另一種理論是,原生物,即具有基本脂質雙層膜的非生物形成的實體,開始形成。原生物也被稱為脂質體。當存在脂類和有機大分子時,脂質體可以在水中形成。脂質體的外膜可以產生微型脂質體,並且根據存在的化合物,可以發生代謝事件。上述理論是假設性的。它們可能是重要的結構,因為形成原細胞需要將複雜的有機成分從沸騰的稀薄湯中分離出來。這些模擬可能是通往生命起源的重要一步。

結論

地球上生命的起源與宇宙的起源以及奧巴林-霍爾丹生命起源理論息息相關,該理論認為地球上的生命是自發地從非生命物質中產生的,以應對不斷變化的環境條件。早期地球上富含氫、氧、碳、氮、硫和磷等原子,這些原子形成了無機分子和簡單的有機分子。

原始湯是一種在早期地球水域中形成的類似湯的化學物質混合物,是活細胞的起源。複雜有機分子(大分子)的形成在古代海洋中花費了 5 億年,太陽能、放電、光照、ATP 和多磷酸鹽提供了能量。據認為,形成了含有碳水化合物、蛋白質、脂類和核酸的前生物體(非生物聚集體)。

更新於: 2023 年 4 月 20 日

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