Podle této teorie lze proces, který vedl ke vzniku života na Zemi, rozdělit do tří fází:
1. Vznik organických látek. 2. Vznik proteinů. 3. Vzhled proteinových tělísek
Podle teorie panspermie, kterou v roce 1865 navrhl německý vědec G. Richter a nakonec v roce 1895 zformuloval švédský vědec Arrhenius, mohl být život na Zemi přivezen z vesmíru. Živé organismy mimozemského původu se s největší pravděpodobností dostanou s meteority a kosmickým prachem.
Teorie života v ustáleném stavu
Podle této teorie Země nikdy nevznikla, ale existovala navždy; vždy byla schopná podporovat život, a pokud se změnila, bylo to velmi málo. Podle této verze druhy také nikdy nevznikly, vždy existovaly a každý druh má pouze dvě možnosti – buď změnu počtu, nebo vyhynutí.
Podle této hypotézy určité „částice“ látky obsahují určitou „účinnou látku“, která za vhodných podmínek dokáže vytvořit živý organismus.
Kreacionismus (z anglického creation – creation) je náboženský a filozofický koncept, ve kterém je celá rozmanitost organického světa, lidstva, planety Země i světa jako celku považována za záměrně vytvořená nějakou superbytostí nebo božstvem.
Na Obr. Obrázek 31 ukazuje fázi koacervace – spontánní separaci vodného roztoku monomerů na fáze s různými koncentracemi. Proteinové struktury se oddělily od masy vody a vzájemně se spojily a vytvořily koacervátové kapičky. V nich látky vstoupily do dalších chemických reakcí, které vedly k jejich komplikaci – chemické evoluci.
Na Obr. Obrázek 32 ukazuje tvorbu membrán a vzhled prvních buněk. Na rozhraní tří prostředí (vzduch, voda a země) se vytvořil film skládající se z proteinových a lipidových molekul. Mohlo by se ohnout a vytvořit jednomembránové bubliny.
Otázka 1. Uveďte hlavní teorie vzniku života na Zemi. Které z nich lze klasifikovat jako biogenezi a které – jako abiogenezi?
Odpovědět. Biogeneze a teorie panspermie. Koncept biogeneze je založen na myšlence věčnosti života. Protože pokud živé organismy pocházejí pouze z jiných živých organismů, pak by se jejich řetěz měl nekonečně táhnout do minulosti. . Selhání představ o věčnosti života znamená selhání teorie biogeneze.
Abiogeneze (z řeckého a – negativní částice, bíos – život a génesis – vznik). Teorie vzniku živých bytostí z anorganických látek. Do poloviny 19. stol. Abiogeneze byla chápána jako spontánní generování, tedy náhlý vznik složitých živých bytostí z neživých materiálů. Tedy zpět v 17. století. Věřili ve spontánní generování červů, ryb, žab a dokonce myší z rosy, bahna a špíny. Italský vědec F. Redi však v roce 1668 ukázal, že larvy much v hnijícím mase se objevují pouze z vajec nakladených mouchami. V 18. stol Italský vědec L. Spallanzani zjistil, že ve vařených bujónech se mikroorganismy nevyvíjejí. To nakonec dokázal v roce 1861 francouzský vědec L. Pasteur, jehož experimenty však nepopírají možnost abiogeneze.
Biopoiesis (z řeckého bios – život a poiesis – vznik) uvažuje o procesu vzniku živých tvorů z neživých v důsledku chemického vývoje sloučenin uhlíku. Biopoézu lze považovat za abiogenezi, která na Zemi probíhala v minulosti a v současnosti je nemožná. Na základě řady hypotéz a objevů formuloval hlavní ustanovení této teorie v roce 1947 anglický vědec John Bernal. Podle biopoiesis je vznik života na jakékoli planetě nevyhnutelný, pokud jsou vytvořeny dvě podmínky a existují po dlouhou dobu – určité anorganické sloučeniny a zdroje energie. Při vzniku života rozlišuje biopoéza tři stadia: 1) abiogenní (mimo živé systémy) syntéza organických sloučenin od anorganických; 2) tvorba biologických polymerů z organických monomerů; 3) tvorba membránových struktur a prvních buněk z biologických polymerů. První dvě fáze jsou spojeny s anorganickou (planetární a chemickou) evolucí, třetí – s organickou (biologickou) evolucí. v předchozích geologických epochách.
Otázka 2. Kdo a jak se prokázala nemožnost samovolného vzniku života na Zemi?
Odpovědět. Na prvním místě by mělo být jméno italského lékaře Francesca Rediho. V roce 1668 zveřejnil výsledky následujících jednoduchých pokusů. Kus čerstvého masa byl umístěn do 8 skleněných nádob. Čtyři nádoby byly ponechány otevřené, zatímco další čtyři byly pokryty gázou. O několik dní později se ve shnilém mase objevili „červi“ (larvy much). Objevily se však pouze na mase ležícím v otevřených nádobách. V nádobách pokrytých gázou nebyli na mase žádní červi. To naznačuje, že červi nepocházejí z masa samotného (jak se běžně věřilo), ale z vajec nakladených do masa mouchami. To byla neodolatelná rána pro myšlenku spontánní generace. Pohled na spontánní generování přetrvává zvláště dlouho v oblasti mikrobiologie. Pokud masový vývar nebo cukerný roztok nebo jiný podobný odvar nebo roztok umístíte na teplé místo – ať už v otevřených nebo uzavřených nádobách – po několika dnech se rojí mikroby. Mikrobi se nacházejí všude: ve vodě, vzduchu, půdě, prachu, mezi jinými organismy; objevují se vždy při hnilobě a kvašení. Zdálo se nesporné, že celá příroda je prodchnuta životem a život se vždy projevuje za vhodných podmínek tepla a vlhkosti.
Problém byl konečně vyřešen po dalších 80 letech. Mimořádný zájem o otázku původu života a možnost spontánního generování mikrobů přiměly pařížskou akademii věd v roce 1860 udělit cenu za práci obsahující řešení této otázky. Cenu získal chemik a bakteriolog, pozoruhodný experimentátor, Louis Pasteur. Pasteur umístil vývar do láhve s dlouhým úzkým hrdlem ve tvaru S. Nyní vzduch volně procházel do nádoby, ale mikroby ze vzduchu do ní nemohly proniknout, protože se musely usadit v lokti ve tvaru S na krku. Pasteur pak vývar uvařil, aby zabil všechny mikroby v něm. Poté byla plavidla ponechána na klidném místě. Nyní v nich mikrobi nerostli. Uplynuly měsíce a obsah nádob zůstal sterilní. Jakmile se však jedna z těchto nádob otočila tak, aby se vývar v ní obsažený vyplavil přes esovitý loket hrdla a aby tekutina natekla zpět do baňky, začalo v ní brzy hnít. Stalo se tak proto, že se do vývaru dostaly spory a živé mikroby umístěné v části krku ve tvaru písmene S. Tím byla přesvědčivě a definitivně prokázána nemožnost samovolné tvorby mikroorganismů.
Otázka 3. Jaké jsou hlavní fáze anorganické evoluce?
Odpovědět. Existují pouze tři fáze.
Fáze 1 – planetární evoluce. Podle moderních vědeckých názorů byly Země a další planety sluneční soustavy vytvořeny jako výsledek planetární evoluce asi před 5 miliardami let z oblaku plynu a prachu primární kosmické hmoty. Při rotaci se mrak zplošťoval a zahříval, což vedlo ke vzniku Slunce a planet. Následné ochlazení Slunce a planet vedlo k vytvoření jejich struktur. Země tak vytvořila kůru, plášť, jádro a primární atmosféru, skládající se z metanu (CH4), amoniaku (NH3), oxidu uhličitého (CO02), oxidu uhelnatého (CO), vodíku (H2) a vodní páry (H20). Kyslík (02), přítomný v moderní atmosféře, tehdy neexistoval, tzn. Primární atmosféra Země nebyla oxidační, jako je tomu nyní, ale redukční. Později díky kondenzaci vodní páry vznikla hydrosféra – primární oceán.
Druhou fází je chemická evoluce. Pak začala chemická evoluce. V podmínkách redukující primární atmosféry Země by za pomoci elektrické a světelné energie mohlo docházet k abiogenní syntéze organických sloučenin z anorganických. Tento předpoklad je založen na řadě hypotéz a má experimentální potvrzení. V roce 1924 tedy domácí vědec Alexander Ivanovič Oparin ve své práci „Původ života“ vyjádřil hypotézu koacervátů, podle níž byly počáteční fáze chemické evoluce spojeny s tvorbou proteinových struktur. První proteiny mohly být vytvořeny z anorganických sloučenin v redukční atmosféře starověké Země díky energii silných elektrických výbojů. V roce 1929 anglický vědec John Haldane formuloval hypotézu primordiální polévky. Podle této hypotézy byly primární organické látky na Zemi syntetizovány z anorganických látek pomocí energie slunečního záření (hlavně ultrafialového záření). V roce 1953 obdrželi američtí vědci Stanley Miller a Harold Urey ve speciálně navržené instalaci první experimentální potvrzení hypotéz Oparina a Haldana. Organické sloučeniny, které objevili jako výsledek chemických reakcí: kyselina mléčná, kyanovodík, močovina a aminokyseliny (glycin, alanin, kyselina asparagová atd.) vznikly ze směsi plynů (CH4, NH3, H2) a vodní páry. pod vlivem elektrických výbojů.
Třetím a posledním krokem chemické evoluce bylo vytvoření membrán a vznik prvních buněk. Na rozhraní tří prostředí (vzduch, voda a země) se vytvořil film skládající se z proteinových a lipidových molekul. Mohlo by se ohnout a vytvořit jednomembránové bubliny. Bubliny byly zvednuty větrem a padající na povrch filmu byly pokryty druhou membránou v důsledku hydrofobního odpuzování mezi nepolárními ocasy lipidových molekul. Během milionů let se membrány vyvíjely, aby se staly selektivně propustnými, což vedlo k tvorbě probiontů.
Otázka 4. Jaké podmínky a chemické sloučeniny jsou nezbytné pro abiogenní syntézu organických sloučenin od anorganických? Proč je nemožné, aby se na Zemi znovu objevil život?
Odpovědět. Chemické experimenty (poprvé v roce 1953 S. Millera a G. Uryho), simulující podmínky starověké Země, prokázaly možnost abiogenní syntézy organických látek z anorganických. Průchodem elektrických výbojů směsí plynů (CH4, NH3, H2), která napodobovala primitivní atmosféru, byly v přítomnosti vodní páry získávány aminokyseliny, organické kyseliny, dusíkaté zásady, ATP atd.
V současné době je to nemožné, protože nově vzniklé látky jsou okamžitě absorbovány ve formě potravy mikroorganismy nebo jsou okamžitě oxidovány vzdušným kyslíkem
Otázka 5. Jaké požadavky musely splňovat molekuly organických sloučenin, aby se chemická evoluce mohla změnit v organickou (biologickou)?
Odpovědět. Probionty lze považovat za předchůdce prvních buněk, jelikož v nich ještě neprobíhal metabolismus a přeměna energie a nedocházelo k přesnému kopírování genetické informace. Přechod od probiontů k prvním buňkám, které měly tyto nejdůležitější známky života, znamenal vznik života a začátek organické (biologické) evoluce.
Odpovědět. Složení nukleových kyselin a proteinů zahrnuje takové chemické prvky, jako jsou:
Uhlík – je součástí všech organických látek; jejich základ tvoří kostra uhlíkových atomů.
Kyslík je součástí téměř všech organických látek.
Vodík je součástí všech organických látek v buňce.
Dusík je součástí bílkovin, nukleových kyselin a jejich monomerů – aminokyselin a nukleotidů. Vylučuje se z těla zvířat jako čpavek, močovina, guanin
Síra je součástí aminokyselin obsahujících síru, a proto se nachází ve většině bílkovin.
Fosfor je součástí nukleotidů a nukleových kyselin, fosfoproteinů.
1. Tekutost. Během životního procesu procházejí buněčné membrány významnými změnami. Tento proces je možný díky pohyblivosti a dynamice molekul, které tvoří membránu.
2. Asymetrie. Všechny buněčné membrány mají asymetrickou organizaci, pro jejíž udržení existují speciální mechanismy.
3. Polarita. Vnitřní povrch membrány (přivrácený k cytoplazmě) je za normálních životních podmínek vždy nabitý negativně vzhledem k vnějšímu prostředí.
4. Selektivní propustnost. Tato vlastnost zajišťuje výměnu látek mezi buňkou a vnějším prostředím. Proces průchodu látek buněčnou membránou se nazývá transmembránový transport.
Otázka 1. Uveďte hlavní fáze chemické evoluce na naší planetě. Jaké chemické sloučeniny se na něm podílely?
Odpovědět. Chemická evoluce je proces nevratných změn vedoucí ke vzniku nových chemických sloučenin – produktů, které jsou složitější a vysoce organizované ve srovnání s původními látkami. Evoluci, kterou prošly chemické sloučeniny na naší planetě, lze rozdělit do tří fází: 1) Abiogenní syntéza organických látek; 2) Tvorba polymerů z monomerů; 3) Vznik membrán a vznik probiontů.
Abiogenní syntéza organických látek. spojená s chemickými přeměnami bez vzniku řetězců atomů uhlíku, která, jak známo, má největší evoluční potenciál. V této fázi vznikaly nejjednodušší látky a probíhaly relativně jednoduché procesy.
Druhý stupeň – tvorba polymerů z monomerů – je v podstatě chemie uhlíkatých sloučenin. Zde nastává prudká komplikace chemie a vytvářejí se všechny nezbytné předpoklady pro vznik života.
Další fází je tvorba membrán a vznik probiontů. Se vznikem života se nejvyšší a nejsložitější forma hmoty stává biologickou.
Na rozhraní tří prostředí (vzduch, voda a země) se mohl film tvořený proteinovými a lipidovými molekulami vlivem větru ohýbat, což vedlo k jeho rozhýbání a vzniku jednomembránových bublin vlivem elektrostatické přitažlivosti.
Bubliny stoupaly větrem a dopadaly na povrch filmu a byly pokryty druhou membránou v důsledku hydrofobní interakce mezi nepolárními ocasy lipidových molekul. Takto vzniklé membrány se během milionů let zdokonalovaly, získaly selektivní propustnost a stabilitu, což vedlo ke vzniku prvních organismů – probiontů. Zjevně to byly molekuly RNA obklopené protein-lipidovými membránami. Probionty lze považovat za předchůdce prvních skutečných buněk, ale složité metabolické procesy a přesné genetické kopírování v nich neprobíhalo. Přechod od probiontů k prvním buňkám majícím tyto nejdůležitější známky života znamenal vznik skutečného života a znamenal začátek organické (biologické) evoluce.
Otázka 2. Jaké podmínky a chemické sloučeniny byly podle vědců nezbytné pro abiogenní syntézu organických sloučenin od anorganických? Proč je nemožné, aby se na Zemi znovu objevil život?
Odpovědět. První vědeckou teorii o původu živých organismů na Zemi vytvořil sovětský biochemik A. I. Oparin (1894–1980). V roce 1924 publikoval díla, ve kterých nastínil představy o tom, jak mohl vzniknout život na Zemi. Podle této teorie život vznikl ve specifických podmínkách starověké Země a Oparin jej považuje za přirozený výsledek chemického vývoje uhlíkatých sloučenin ve Vesmíru.
Atmosféru, původně složenou z lehkých plynů (vodík, helium), nedokázala nedostatečně hustá Země účinně pojmout a tyto plyny nahradily těžší: vodní pára, oxid uhličitý, čpavek a metan. Když teplota Země klesla pod 100ºC, vodní pára začala kondenzovat a vytvářet světové oceány. V této době, v souladu s myšlenkami A.I.Oparina, probíhala abiogenní syntéza, tedy v primárních zemských oceánech, nasycených různými jednoduchými chemickými sloučeninami, „v primárním bujónu“ pod vlivem sopečného tepla, výbojů blesků, intenzivní ultrafialové záření a další faktory prostředí začala syntéza složitějších organických sloučenin, a pak biopolymery. Vznik organických látek usnadňovala absence živých organismů – konzumentů organické hmoty – a hlavního oxidačního činidla – kyslíku. Komplexní molekuly aminokyselin náhodně spojené do peptidů, které zase vytvořily původní proteiny. Z těchto proteinů byly syntetizovány primární živé bytosti mikroskopické velikosti
Podle Oparina lze proces, který vedl ke vzniku života na Zemi, rozdělit do tří fází:
• vznik organických látek;
• tvorba biopolymerů (proteiny, nukleové kyseliny, polysacharidy, lipidy atd.) z jednodušších organických látek;
• vznik primitivních samoreprodukujících se organismů.
Pokud dnes na Zemi, někde v oblastech intenzivní vulkanické činnosti, mohou vzniknout docela složité organické sloučeniny, pak je pravděpodobnost, že tyto sloučeniny budou existovat jakkoli dlouho, zanedbatelná. Okamžitě budou oxidovány nebo použity heterotrofními organismy.
Otázka 3. Jaké požadavky musely splňovat molekuly organických látek, aby se chemická evoluce mohla změnit v organickou (biologickou)?
Odpovědět. Probionty lze považovat za předchůdce prvních buněk, jelikož v nich ještě neprobíhal metabolismus a přeměna energie a nedocházelo k přesnému kopírování genetické informace. Přechod od probiontů k prvním buňkám, které měly tyto nejdůležitější známky života, znamenal vznik života a začátek organické (biologické) evoluce.
Otázka 4. Na základě jakých molekul a jak vznikl mechanismus genetického kopírování a fermentace? Svou odpověď ilustrujte příklady.
Odpovědět. V živých organismech probíhají téměř všechny procesy hlavně díky proteinovým enzymům. Proteiny se však nemohou samy replikovat a jsou syntetizovány de novo v buňce na základě informací obsažených v DNA. Ke zdvojení DNA však dochází pouze díky účasti proteinů a RNA. Vzniká začarovaný kruh, díky kterému bylo v rámci teorie spontánní generace života nutné uznat potřebu nejen abiogenní syntézy obou tříd molekul, ale také samovolného vzniku komplexu systém jejich vzájemného vztahu.
Počátkem 1980. let byla v laboratoři T. Checka a S. Altmana v USA objevena katalytická schopnost RNA. Analogicky s enzymy se katalyzátory RNA nazývaly ribozymy a Thomas Check byl za jejich objev v roce 1989 oceněn Nobelovou cenou za chemii. Navíc se ukázalo, že aktivní centrum ribozomů obsahuje velké množství rRNA. RNA je také schopna vytvořit dvojvlákno a sama se replikovat.
RNA by tedy mohla existovat zcela autonomně, katalyzovat „metabolické“ reakce, například syntézu nových ribonukleotidů a samoreprodukovat se, udržovat katalytické vlastnosti od „generace“ do „generace“. Hromadění náhodných mutací vedlo k objevení se RNA, které katalyzují syntézu určitých proteinů, které jsou účinnějšími katalyzátory, a proto byly tyto mutace fixovány během přirozeného výběru. Na druhé straně vznikla specializovaná úložiště genetické informace – DNA. RNA mezi nimi zůstala jako prostředník.
Podle známé teorie „světa RNA“ původně molekuly RNA v prvních živých organismech hrály roli proteinů a DNA. Následně proteiny postupně začaly řídit buněčné procesy.
Genetická informace se začala ukládat do DNA. V současné době se vědci pokoušejí zopakovat proces vzniku života v laboratorních podmínkách.
Vědci se snaží zjistit, jak přesně vznikaly první molekuly RNA, jaký byl mechanismus jejich prvního kopírování a také jak byly nahrazeny DNA a proteiny.
První experimenty byly provedeny již v 50. letech minulého století. Poté se ukázalo, že jednotlivé jednotky jsou spojeny ve dvoušroubovici genetického kódu pouze jedním způsobem.
