En 1828, el destacado químico alemán F. Wöhler sintetizó una sustancia orgánica, la urea, a partir de una sustancia inorgánica, el cianato de amonio.

En 1953 Un joven investigador estadounidense, estudiante de posgrado de la Universidad de Chicago, Stanley Miller, reprodujo en un matraz de vidrio con electrodos sellados la atmósfera primaria de la Tierra, que, según los científicos de la época, estaba formada por hidrógeno metano CH 4, amoníaco NH 3 y vapor de agua H 2 0. S. Miller pasó descargas eléctricas a través de esta mezcla de gases durante una semana, simulando tormentas eléctricas. Al final del experimento, se encontraron en el matraz α-aminoácidos (glicina, alanina, asparagina, glutamina), ácidos orgánicos (succínico, láctico, acético, glicólico), ácido y-hidroxibutírico y urea. Al repetir el experimento, S. Miller pudo obtener nucleótidos individuales y cadenas cortas de polinucleótidos de cinco a seis unidades.

J. Oro, calentando moderadamente una mezcla de hidrógeno, carbono, nitrógeno, NH 3, H 2 O, obtuvo adenina, y haciendo reaccionar una solución de urea amoniacal con compuestos que surgen de gases bajo la influencia de descargas eléctricas, obtuvo uracilo.

L. Orgel (década de 1980) sintetizó cadenas de nucleótidos de seis unidades monoméricas de longitud en experimentos similares.

S. Akabyuri obtuvo polímeros de las proteínas más simples.

La síntesis abiogénica de moléculas orgánicas puede tener lugar en la Tierra en la actualidad (por ejemplo, durante la actividad volcánica). Al mismo tiempo, en las emisiones volcánicas se pueden encontrar no sólo ácido cianhídrico HCN, que es un precursor de aminoácidos y nucleótidos, sino también aminoácidos individuales, nucleótidos e incluso sustancias orgánicas complejas como las porfirinas. La síntesis abiogénica de sustancias orgánicas es posible no sólo en la Tierra, sino también en el espacio exterior. Los aminoácidos más simples se encuentran en meteoritos y cometas.

Teoría evolución molecular abiogénica de la vida a partir de sustancias inorgánicas fue creado por el científico ruso A.I. Oparin (1924) y el científico inglés J. Haldane (1929). Según los científicos naturales, la Tierra apareció hace aproximadamente entre 4.500 y 7.000 millones de años. Al principio, la Tierra era una nube de polvo cuya temperatura oscilaba entre 4.000 y 8.000°C. Poco a poco, durante el proceso de enfriamiento, los elementos pesados ​​comenzaron a ubicarse en el centro de nuestro planeta y los más livianos en la periferia.

Se supone que los organismos vivos más simples de la Tierra aparecieron hace 3.500 millones de años. La vida es el resultado primero. químico y luego evolución biológica.

Los protobiontes tampoco son todavía una forma de vida completa. Se supone que gradualmente adquirieron compuestos similares a las enzimas (coenzimas, las propias enzimas) y ATP, por medios abiogénicos.

Aparición de la célula (síntesis de matriz)

El surgimiento de la síntesis de matrices como resultado de la adaptación mutua y la fusión de las funciones de las proteínas y los ácidos nucleicos jugó un papel importante en la transformación de los protobiontes en células reales.

Síntesis de matrices Es la síntesis biológica de moléculas de proteínas basada en la información contenida en los ácidos nucleicos.

Con el surgimiento del proceso de síntesis de matrices, la evolución química dio paso a la evolución biológica. El desarrollo de la vida continuó ahora a través de la evolución biológica.

A.I. Oparin fue el primero en proponer la idea de estudiar experimentalmente el origen de la vida. De hecho, S. Miller (1953) creó un modelo experimental de las condiciones primarias de la Tierra. Al influir en el metano, el amoníaco, el hidrógeno y el vapor de agua calentados con una descarga eléctrica, sintetizó aminoácidos como la asparagina, la glicina y la glutamina (en tal sistema, los gases imitaban la atmósfera y una descarga eléctrica imitaba los rayos; Fig. 57).

D. Oro, calentando cianuro de hidrógeno, amoniaco y agua, llevó a cabo la síntesis de adenina. La ribosa y la desoxirribosa se sintetizaron exponiendo metano, amoníaco y agua a radiaciones ionizantes. Los resultados de tales experimentos han sido confirmados por numerosos estudios. En el proceso de evolución, los monómeros se convirtieron gradualmente en polímeros biológicos (polipéptidos, polinucleótidos), lo que también se confirmó experimentalmente. Así, en los experimentos de S. Fox, se sintetizaron proteinoides (sustancias similares a proteínas) calentando una mezcla de aminoácidos. Posteriormente, en experimentos se sintetizaron polímeros de nucleótidos.

Los compuestos similares a los coacervados fueron sintetizados experimentalmente y estudiados a fondo por A.I. Material del sitio

Sin embargo, se desconocía qué apareció primero en la evolución bioquímica de la vida: las proteínas o los ácidos nucleicos. Según la teoría de A.I. Oparin, las moléculas de proteínas aparecieron primero. Los defensores de la hipótesis genética, por el contrario, creían que los ácidos nucleicos surgieron primero. Esta suposición fue propuesta en 1929 por G. Miller. Los estudios de laboratorio han demostrado la posibilidad de replicación de ácidos nucleicos sin la influencia de enzimas. Según los científicos, los ribosomas primarios estaban formados únicamente por ARN y la capacidad de sintetizar proteínas podría haber aparecido más tarde. Posteriormente se obtuvieron nuevos datos que confirmaban esta suposición. Replicación del ácido ribonucleico sin la participación de enzimas, transcripción inversa, es decir, la posibilidad de síntesis de ADN basada en ARN: todo esto es evidencia de la hipótesis genética.

Evolución de la vida en la Tierra

El problema del origen de la vida en la Tierra es uno de los mayores problemas de las ciencias naturales. Este problema ha atraído la atención humana desde tiempos inmemoriales. Sin embargo, en diferentes épocas y en diferentes etapas del desarrollo de la cultura humana, este problema se resolvió de diferentes maneras. Las teorías sobre el origen de la Tierra, y de hecho del universo entero, son variadas y están lejos de ser confiables. Aquí están los principales:

1. Creacionismo. Según esta idea, la vida fue creada por un creador (de la palabra latina crear - crear).

2. Hipótesis del estado estacionario. La vida, como el Universo mismo, no siempre ha existido y existirá para siempre, ya que no tiene principio ni fin.

3. La hipótesis de la generación espontánea, según la cual la vida surge espontáneamente de la materia inanimada.

4. La teoría de la panspermia es la idea de que la vida llegó a la Tierra desde el exterior, desde el espacio exterior. Hay que decir que esta teoría sigue siendo popular entre los científicos.

Todas estas teorías son en su mayoría especulativas y no tienen evidencia directa. Actualmente, no existe consenso entre los científicos sobre el origen de la vida. La hipótesis más reconocida en la ciencia moderna es la formulada por el científico soviético Acad. A.I. Oparin y el científico inglés J. Haldane.

Teoría de la evolución bioquímica.

(teoría bioquímica del origen de la vida)

En 1923, el científico soviético Oparin expresó la opinión de que la atmósfera de la Tierra no era la misma que es ahora. Basándose en consideraciones teóricas, sugirió que la vida surgió gradualmente a partir de sustancias inorgánicas a través de una larga evolución molecular.

1. Se cree que la Tierra y otros planetas del sistema solar se formaron a partir de una nube de gas y polvo hace unos 4.500 millones de años. En las primeras etapas de su existencia, la Tierra tenía una temperatura muy elevada. A medida que el planeta se enfrió, los elementos pesados ​​se movieron hacia el centro, mientras que los elementos más ligeros permanecieron en la superficie. Por ejemplo, en el centro se concentraban átomos de hierro (según los científicos, actualmente el núcleo de la Tierra está compuesto de hierro fundido, calentado a varios miles de grados C y es 2 veces más pequeño que la Luna). Los átomos menos pesados ​​de silicio y aluminio forman la corteza terrestre. Las más ligeras permanecieron en las capas exteriores de la nube y formaron la atmósfera primaria de la Tierra. Consistía en H2 libre y sus compuestos: agua, metano, amoníaco y HCN y, por tanto, era de naturaleza reductora (los compuestos de hidrógeno entran fácilmente en reacciones químicas, liberando hidrógeno y al mismo tiempo oxidándose).

Los componentes atmosféricos estuvieron expuestos a diversas fuentes de energía:

· Dura, cercana a la radiación de onda corta de rayos X del Sol.

· Descargas de rayos

Alta temperatura en áreas de relámpagos y actividad volcánica (es decir, lava caliente, aguas termales, géiseres)

· Ondas de choque de meteoritos que ingresan a la atmósfera terrestre.

Como resultado de estos impactos, los componentes químicamente simples de la atmósfera interactuaron, cambiaron y se volvieron más complejos. Aparecieron moléculas de azúcares, aminoácidos, bases nitrogenadas, ácidos orgánicos (acético, fórmico, láctico) y otros compuestos orgánicos simples.

La ausencia de oxígeno en la atmósfera y un ambiente reductor eran una condición necesaria para la aparición de moléculas orgánicas por medios no biológicos. El oxígeno interactúa con las sustancias orgánicas y las destruye o las priva de aquellas propiedades que serían útiles para los sistemas prebiológicos. Por lo tanto, si las moléculas orgánicas de la Tierra primitiva entraran en contacto con el oxígeno, no existirían por mucho tiempo y no tendrían tiempo de formar estructuras más complejas.

En 1953, Stanley Miller, en una serie de experimentos, simuló las condiciones que supuestamente existían en la Tierra primitiva. En un matraz sellado se crearon condiciones atmosféricas (vapor de agua, amoníaco, metano, ácido cianhídrico, dióxido de carbono). El contenido incoloro del matraz estuvo expuesto a altas temperaturas y descargas eléctricas y como resultado adquirió un tinte rojo debido a la formación de ácidos grasos, urea, azúcares y aminoácidos.

Otros científicos han realizado experimentos similares utilizando diferentes fuentes de energía. En todos los experimentos, en ausencia de oxígeno, fue posible obtener una amplia gama de productos orgánicos diferentes. Los investigadores estaban especialmente interesados ​​en la posibilidad de formación de aminoácidos; después de todo, son los componentes básicos de las moléculas de proteínas. Más tarde resultó que muchos compuestos simples que forman parte de polímeros biológicos (proteínas, ácidos nucleicos y polisacáridos) pueden sintetizarse de forma abiogénica.

La posibilidad de una síntesis abiogénica de compuestos orgánicos está demostrada por el hecho de que también se encuentran en el espacio exterior. En el espacio se han encontrado cianuro de hidrógeno, formaldehído, ácido fórmico, alcoholes metílicos y etílicos y otros compuestos orgánicos simples. Algunos meteoritos contienen ácidos grasos, azúcares y aminoácidos. Estos compuestos se forman hoy cuando los productos gaseosos de las erupciones volcánicas y la lava reaccionan con el agua.

Todo esto indica que los compuestos orgánicos podrían haber surgido de forma puramente química en las condiciones que existían en la Tierra hace unos 4 mil millones de años. Las condiciones necesarias para ello son:

· Carácter reductor de la atmósfera (falta de O 2)

· Alta temperatura

Fuentes de energía (radiación ultravioleta del sol, rayos, etc.)

2. El siguiente paso fue la formación de polímeros a partir de monómeros.

A medida que la Tierra se enfrió, el vapor de agua contenido en la atmósfera se condensó y la lluvia cayó sobre la superficie terrestre, formando grandes extensiones de agua. La reacción de polimerización de las unidades primarias no ocurre en una solución acuosa, ya que cuando se combinan dos aminoácidos o dos nucleótidos entre sí, se escinde una molécula de agua. La reacción en el agua irá en dirección opuesta. La tasa de degradación (hidrólisis) de los biopolímeros será mayor que la tasa de síntesis. Está claro que los biopolímeros no podrían haber surgido por sí solos en el océano primordial.

Quizás la síntesis primaria de biopolímeros ocurrió cuando el océano primario se congeló o cuando se calentó su residuo seco.

El investigador estadounidense Sydney Fox, al calentar una mezcla seca de aminoácidos a 130 ° C, demostró que en este caso se produce una reacción de polimerización (el agua liberada se evapora) y se obtienen proteinoides artificiales, similares a las proteínas con hasta 200 o más aminoácidos en la cadena. . Disueltos en agua, tenían las propiedades de las proteínas, proporcionaban un medio nutritivo para las bacterias e incluso catalizaban (aceleraban) algunas reacciones químicas, como enzimas reales.

Quizás surgieron en la era prebiológica en las laderas calientes de los volcanes, y luego las lluvias los arrastraron al océano primordial. También existe la opinión de que la síntesis de biopolímeros tuvo lugar directamente en la atmósfera primaria y los compuestos resultantes cayeron al océano primario en forma de partículas de polvo.

Así surgieron los prototipos de proteínas y ácidos nucleicos modernos. Entre los polipéptidos formados aleatoriamente podrían encontrarse aquellos que tuvieran actividad catalítica y pudieran acelerar los procesos de síntesis de polinucleótidos.

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Presentación - Evolución bioquímica

Texto de esta presentación

Teoría de la abiogénesis (evolución bioquímica). Modelo A. Oparin -J. Haldane. Experimentos de S. Miller. Problemas y contradicciones de la teoría.

En 1923, el bioquímico soviético Alexei Oparin desarrolló la teoría de la evolución bioquímica.

A. I. Oparin, bioquímico y académico ruso, publicó su primer libro sobre este problema del origen de la vida a través de la evolución bioquímica en 1924.
2 de marzo de 1894-21 de abril de 1980

Hace miles de millones de años, durante la formación del planeta, las primeras sustancias orgánicas fueron los hidrocarburos, que se formaban en el océano a partir de compuestos más simples.
La base de esta teoría fue la idea:

A. Oparin consideró el surgimiento de la vida como un proceso natural único, que consistió en la evolución química inicial que tuvo lugar en las condiciones de la Tierra primitiva, que gradualmente pasó a un nivel cualitativamente nuevo: la evolución bioquímica.

La esencia de la hipótesis:
El origen de la vida en la Tierra es un largo proceso evolutivo de formación de materia viva en las profundidades de la materia no viva.
Esto sucedió a través de la evolución química, como resultado de lo cual las sustancias orgánicas más simples se formaron a partir de inorgánicas bajo la influencia de fuertes factores fisicoquímicos.

Oparin identifica tres etapas de transición de materia inanimada a viva:
1) la etapa de síntesis de compuestos orgánicos iniciales a partir de sustancias inorgánicas en las condiciones de la atmósfera primaria de la Tierra primitiva; 2) la etapa de formación de biopolímeros, lípidos, hidrocarburos a partir de compuestos orgánicos acumulados en los reservorios primarios de la Tierra; 3) la etapa de autoorganización de compuestos orgánicos complejos, el surgimiento a partir de ellos y la mejora evolutiva de los procesos de metabolismo y reproducción de estructuras orgánicas, que culminan en la formación de la célula más simple.

Primera etapa (hace unos 4 mil millones de años)
A medida que el planeta se enfriaba, el vapor de agua de la atmósfera se condensó y llovió sobre la Tierra, formando enormes extensiones de agua.
Como la superficie de la Tierra permaneció caliente, el agua se evaporó y luego, al enfriarse en la atmósfera superior, volvió a caer sobre la superficie del planeta.
Así, en las aguas del océano primario se disolvieron diversas sales y compuestos orgánicos.
Estos procesos continuaron durante muchos millones de años.

Segunda etapa
Las condiciones en la Tierra se están suavizando; bajo la influencia de las descargas eléctricas, la energía térmica y los rayos ultravioleta sobre las mezclas químicas del océano primario, se ha hecho posible formar compuestos orgánicos complejos: biopolímeros y nucleótidos, que gradualmente se combinan y se vuelven más complejos.
El resultado de la evolución de sustancias orgánicas complejas fue la aparición de coacervados o gotas de coacervados.

Los coacervados son complejos de partículas coloidales, cuya solución se divide en dos capas:
capa rica en partículas coloidales
líquido casi libre de ellos
Resultó que los coacervados podían absorber diversas sustancias orgánicas del ambiente externo, lo que brindaba la posibilidad de un metabolismo primario con el medio ambiente.

Las gotas de coacervado conservadas tenían la capacidad de sufrir un metabolismo primario.
Tercera etapa
La selección natural comenzó a actuar.
como resultado, solo se conservó una pequeña parte de los coacervados.
Al alcanzar un cierto tamaño, la gota madre podía dividirse en gotas hijas, que conservaban las características de la estructura original.

Posteriormente, la teoría de la evolución bioquímica se desarrolló en los trabajos del científico inglés John Haldane.

J. Haldane, genetista y bioquímico inglés, desde 1929 desarrolló ideas en consonancia con las ideas de A.I.

La vida fue el resultado de compuestos de carbono de larga evolución. A base de hidrocarburos surgieron sustancias similares en su composición química a las proteínas y otros compuestos orgánicos que forman la base de los organismos vivos.
John Haldane formuló una hipótesis

Posteriormente, al absorber sustancias proteicas del medio ambiente, la estructura de los coacervados se volvió más compleja y se volvieron similares a células primitivas, pero ya vivas, y los compuestos químicos de su composición interna les permitieron crecer, mutar, metabolizar y multiplicarse.
El coacervado (del latín coacervatus - "reunido en un montón") o "caldo primario" es un complejo multimolecular, gotas o capas con una mayor concentración de sustancia diluida que en el resto de una solución de la misma composición química.

La teoría de la evolución bioquímica y el origen de la vida en la Tierra, expresada por Alexei Oparin, es reconocida por muchos científicos, sin embargo, debido a la gran cantidad de suposiciones y suposiciones, genera algunas dudas.

Postula que la vida surgió en la Tierra precisamente a partir de materia inanimada, en condiciones que existían en el planeta hace miles de millones de años. Estas condiciones incluían la presencia de fuentes de energía, un determinado régimen de temperatura, agua y otras sustancias inorgánicas, precursoras de compuestos orgánicos. La atmósfera entonces estaba libre de oxígeno (la fuente de oxígeno actualmente son las plantas, pero entonces no las había).
"Hipótesis de Oparin-Haldane"

Etapas del desarrollo de la vida en la Tierra según la hipótesis de Oparin-Haldane
Período de tiempo Etapas del origen de la vida Acontecimientos que ocurren en la Tierra
Hace entre 6.500 y 3.500 millones de años 1 Formación de la atmósfera primaria que contiene metano, amoníaco, dióxido de carbono, hidrógeno, monóxido de carbono y vapor de agua.
2 Enfriamiento del planeta (por debajo de la temperatura de +100 °C en su superficie); condensación de vapor de agua; formación del océano primario; disolución de gases y minerales en su agua; poderosas tormentas Síntesis de compuestos orgánicos simples (aminoácidos, azúcares, bases nitrogenadas) como resultado de la acción de potentes descargas eléctricas (rayos) y radiación ultravioleta.
3 Formación de las proteínas más simples, ácidos nucleicos, polisacáridos, grasas; coacervados
De hace 3,5 a 3 mil millones de años 4 Formación de protobiontes capaces de autorreproducirse y regular el metabolismo como resultado de la aparición de membranas con permeabilidad selectiva e interacciones de ácidos nucleicos y proteínas.
Hace 3 mil millones de años 5 La aparición de organismos con estructura celular (procariotas-bacterias primarias)

Se obtuvieron pruebas muy convincentes de la posibilidad de implementar la segunda y tercera etapa del desarrollo de la vida como resultado de numerosos experimentos sobre la síntesis artificial de monómeros biológicos.

Por primera vez en 1953, S. Miller (EE. UU.) creó una instalación bastante simple en la que logró sintetizar varios aminoácidos y otros compuestos orgánicos a partir de una mezcla de gases y vapor de agua bajo la influencia de irradiación ultravioleta y descargas eléctricas.

Una publicación de la revista Science describe datos que eludieron a los científicos hace más de 50 años.
Un joven empleado de la Universidad de Chicago, Stanley Miller, lleva a cabo sus famosos experimentos sobre la síntesis de moléculas biológicas. 1953 //Archivo del Departamento de Química de la Universidad de California en San Diego

Luego, el premio Nobel Harold Urey, que recibió un prestigioso premio por el descubrimiento del agua pesada y posteriormente se interesó por los problemas de la cosmoquímica,
inspiró a uno de sus alumnos, Stanley Miller, con la teoría de una sopa abiótica prehistórica, de la que, bajo la influencia de factores externos, surgieron las primeras moléculas orgánicas.
29 de abril de 189 - 5 de enero de 1981 (87 años)

Para recrear reacciones en el laboratorio en condiciones similares a las que prevalecían en la Tierra hace miles de millones de años, Miller desarrolló un dispositivo químico original.

El dispositivo consta de un gran matraz de reacción que contiene vapores de metano, amoníaco e hidrógeno, al que se bombea vapor de agua caliente desde abajo. En la parte superior hay electrodos de tungsteno que generan una descarga de chispa. Al simular de esta manera las condiciones de una tormenta en las proximidades de un volcán costero activo, Miller esperaba obtener moléculas biológicas mediante síntesis.
El agua hirviendo (1) crea una corriente de vapor, que es amplificada por la boquilla aspiradora (recuadro), una chispa que salta entre dos electrodos (2) inicia una serie de transformaciones químicas, el refrigerador (3) enfría la corriente de vapor de agua que contiene productos de reacción que se depositan en una trampa (4).// ​​Ned Shaw, Universidad de Indiana.

En su experimento, Miller utilizó una mezcla de gases que constaba de:
amoníaco
metano
hidrógeno
vapor de agua
Según la suposición de Miller, era esta mezcla la que predominaba en la atmósfera primaria de la Tierra.

Dado que estos gases no podían reaccionar en condiciones naturales, Miller los expuso a energía eléctrica, simulando descargas de rayos de las que se suponía que se obtenía energía en la atmósfera primitiva.
A una temperatura de 100 ° C, la mezcla se hirvió durante una semana, expuesta sistemáticamente a descargas eléctricas.
Un análisis de quimiosíntesis realizado al final de la semana mostró que de los veinte aminoácidos que forman la base de cualquier proteína, solo se formaron tres.

Tras la muerte de Stephen Miller, mientras revisaban sus diarios y archivos, familiares y compañeros descubrieron notas relacionadas con las obras de los años 50, así como varias botellas con firmas.
Las firmas indicaban que el contenido de los matraces no era más que productos de síntesis en el aparato de Miller, conservados por el autor en forma inviolable.

Los experimentos de Stanley Miller, que intentó replicar el origen de la vida en la Tierra en un tubo de ensayo, tuvieron mucho más éxito de lo que el propio Miller creía. Los métodos modernos han hecho posible encontrar no cinco, sino los 22 aminoácidos en recipientes químicos sellados por los científicos hace muchas décadas.

Durante los siguientes 20 años se estableció:
La atmósfera en la experiencia de Miller era ficticia.
La atmósfera primitiva de la Tierra no estaba hecha de metano y amoníaco, sino de nitrógeno, dióxido de carbono y vapor de agua, y el experimento de Miller no era más que una mentira descarada.
En los experimentos, para obtener aminoácidos, se tomó amoníaco ya preparado, que por sí solo, de forma abiogénica, se forma solo a alta presión y temperatura a partir de una mezcla equimal de hidrógeno y nitrógeno, en presencia de un catalizador.

Miller utilizó el mecanismo de "trampa fría" en el experimento, es decir, los aminoácidos resultantes se aislaron inmediatamente del entorno externo.
Sin este mecanismo, las condiciones atmosféricas destruirían inmediatamente estas moléculas.

El propio Miller, utilizando el método de la “trampa fría”, aplastó su propia afirmación sobre la posibilidad de la libre formación de aminoácidos en la atmósfera.
Como resultado, todos los esfuerzos demostraron que incluso en condiciones ideales de laboratorio es imposible sintetizar aminoácidos sin un mecanismo de "trampa fría" para evitar la degradación de aminoácidos que ya están bajo la influencia de su propio entorno, por lo que no puede haber dudas sobre su aparición accidental en la naturaleza.

Problemas científicos de los experimentos de Miller.
Los aminoácidos resultantes resultaron ser "no vivos": estaban en la dirección de rotación incorrecta: el efecto "quiral". Como resultado del experimento, se obtuvieron muchos D-aminoácidos. Los D-aminoácidos están ausentes en la estructura de un organismo vivo.

“Problemas de quiralidad” Como resultado del experimento, se obtuvieron aminoácidos con diferentes rotaciones (orientaciones) del eje imaginario, lo que hace casi imposible combinarlos en una proteína (b-ok)

quiralidad
El término "quiralidad" proviene de la palabra griega "chiros" - mano.