Az élet keletkezése és fejlődéseAz élet keletkezése és fejlődése

A prebiotikus körülmények

Föld kora – 4,5 milliárd év- a meteoritbecsapódások gyakoriságának alábbhagyása: 4,2 milliárd éve

Őslégkör:(a) erősen redukáló: főleg metán, ammónia és hidrogén – külső bolygókra jellemző(b) oxidatív légkör? - nagyobb mennyiségű O2 megjelenésére vonatkozóan csak 2,2 milliárd évvel ezelőttről van tudomásunk(c) enyhén redukáló: főleg CO2, N2 és H2O némi CO és H2 eleggyel.

Eredete: belső és külső (pl. meteoritok, jeges üstökösök)

Prebiotikus anyagok eredete: (a) ősi, (b) földönkívüli (meteoritok), (c) később kialakult vegyületek. Leggyakoribb szerves molekula a Világegyetemben a formaldehid és a hidrogéncianid, de a glicin (a legegyszerűbb aminosav) is megtalálható.

Élő anyag – 3,8 milliárd év – bizonyítékok: 12C szénizotóp felhalmozódás. Az autotróf CO2-fixáció (megkötés) előnyben részesíti a könnyű (12C) szénizotópot a nehézzel (13C) szemben.

Hogyan keletkezett az élet a Földön?Teremtés-elmélet (kreacionizmus): teremtéselmélet – egy vagy több isten teremtette a Földet, az életet – több változata van, egyesek elfogadják a tudomány bizonyos eredményeit, mások teljes mértékben elutasítják – modern kreacionista áramlatok, főleg az Amerikai Egyesült Államokban

Pánspermia – a földi élet földön kívülről származik, számos tudós a híve ennek az elméletnek (pl. Fred Hoyle), de egyes modern egyházak is támogatják (pl. szcientológia)

Agyagkristály-hipotézis (Graham Cairns-Smith) – az élet eredetének alapjánál a szervetlen (pl. kristályok, agyagkristályok) vs. szerves replikátor hatalomátvétel áll – tulajdonképpen az abiogenézis-hipotézisrendszer része

Abiogenézis – az élet a Földön alakult ki egyszerű szerves vegyületekből

Occam (ferences szerzetes, XIV. sz.) borotvája: “entia non sunt multiplicanda praeter necessitatem” - „Ne szaporítsd jobban a dolgokat, mint az szükséges” - ha egy jelenségre két magyarázat lehetséges, akkor az egyszerűbb magyarázatot fogadjuk el, vagyis azt, amely kevesebb feltevést tartalmaz.

Cairns-Smith

Hoyle

egyszerű szerves vegyületek

aminosavak

makromolekulákfehérjék, nukleinsavak

mikrostruktúrák: az élő szervezetek térbeli organizációját teszik lehetővé

A KÉMIAI EVOLÚCIÓ

A BIOLÓGIAI EVOLÚCIÓ

I. Az ősleves hipotézis

I. Oparin és J.B.S. Halden (1920-as évek): az élőlények testét felépítő minden vegyület abiogén úton is létrejöhet olyan feltételek mellett, hogy a légkörben és a vízben egyaránt jelen volt az ammónia, metán, víz és hidrogén. – ősleves

Oparin (1924) – koacervátumok (különböző proteinek összekeverése, a különböző anyagokat szelektíve abszorbeálnak és ilyen módon belsejükbe katalizátorok juthatnak, az anyagcsere bizonyos folyamatait is mutatják és korlátlanul szaporodhatnak).Haldane (1929)

Haldane Oparin

Szerves vegyületek evolúciója

CH4, NH3, H20 és H2 – a főszereplők?

Régebbi feltételezések szerint őslégkör legfontosabb összetevői: metán, ammónia, vízgőz és hidrogén. Ma már metán helyett inkább CO2, ammónia helyett N2 a feltételezett főszereplő. A fenti gázelegy hidrogénfelesleg esetében termodinamikailag stabil.

Ha egy égitest a világűrben a napjától túl távol van, és ilyen légkörrel rendelkezik, akkor a légköre többé-kevésbé egyensúlyban maradhat, és nem változik összetétele.

Ha azonban ultraibolya sugárzás éri intenzíven, akkor a metánból a fotonok elektront szakítanak ki és egy reakcióképes gyök képződik egyszerű szerves vegyületek: cián, formaldehid, hangyasav, ecetsav, metanol, etanol, cianoacetilén.

További lépésekhez már vizes fázisra van szükség. E vegyületek vizes fázisban vízzel tovább reagálva, cián és aldehidek jelenlétében biológiai fontosságú vegyületek sokaságának spontán keletkezéséhez vezetnek.

A biológiai jellegű vegyületek kialakulása nem geológiai lassúságú folyamat: elektromos kisülések hatására a kísérleti rendszerbe bevitt metán 15%-a szerves vegyületté alakul két hét alatt

Kb. 3 millió különféle szerves vegyület ismert, az élő szervezetekben azonban alig néhány tízezer található – a kémiai evolúcióval kapcsolatos kísérletek során döntő többségben éppen a biológiai jellegű vegyületek keletkeztek.

Stanley Lloyd Miller (1930-2007) 1953-ban Harold Urey vezetésével: metán, ammónia, hidrogéngáz elegyén vízgőz átáramoltatása + elektromos szikra (villámlások): egy hét múlva biológiai fontosságú vegyületek keveréke (14 ill. 22 aminosav, pl. aszparaginsav, glicin, alanin, alfa-amino-vajsav) – kritika: redukáló őslégkör modell, kevés bizonyíték, DE a kísérletsorozat rámutat a lehetséges utakra

Leslie E. Orgel (1961): ciánszármazékok jelenlétében purin-nukleotidok számottevő hozammal jönnek létre. Peptidnukleinsavak lehettek az első replikátorok.

Miller

Orgel

A klasszikus Miller-féle berendezés az "őslevesben" folyó kémiai evolúció vizsgálatához. A lombik a tetején redukáló gázokat, alul vizet tartalmaz. Elektromos kisülést a Tungsten elektródákkal állítanak elő.

Sindey W. Fox (1912-1998):

az első, aki makromolekulákat hoz létre abiogén úton. Aminosavakat kevert össze szárazon meghatározott összetételben, ezeket szárazon melegített, miközben az anyag karamellizálódott, megbarnult. Ezt vízben feloldva fehérjék jelenlétét mutatta ki: ún. proteinoidok

II. A prebiotikus pizza

Günter Wächtershäuser (1988, 1992) az ásványi felszínek fontossága, a vas-kén világ elmélet. Pirit vagy agyagásvány felszíneken is végbemehetnek képződési folyamatok, itt a reakciók felszínhez kötött molekulák között zajlanak le. Reakcióhálózat alakulhat ki, amely egy kezdetleges, autokatalitikus anyagcsere magját alkothatja. Peptidek is létrejöhetnek így.

Konklúzió: leves és/vagy pizza?

Gánti Tibor (1978): kemoton elmélet – mikrogömbök létrejötte - a legegyszerűbb kémiai alrendszerek kölcsönhatása: ez az anyagcsere-ciklusok rendszerét, a replikálódó templátot, a határfelületet alkotó molekulák forgalma közötti sztöchiometriai kölcsönhatásokat tartalmazza.

élő szervezetek: lágy rendszerek, lágy automaták

Gánti Tibor

A chemoton modell absztrakt kémiai hálózata (Gánti után, 2003). Az Ai molekulák az autokatalitikus anyagcsereciklus köztitermékei (intermedierjei), mely előanyagokat (V') termel a templátreplikációhoz és a membrá növekedéshez (T'). A templát molekula pVn, n darab V molekulából áll. A membrán Tm, m darab T membránalkotó molekulából áll. Jól meghatározott feltételek mellet ez a rendszer képes növekedni és szaporodni a nyersanyag (táplálék, X) és hulladék (végtermék, Y) közötti energia- és anyagmennyiség-különbség terhére

Az élet alapja: nukleinsavak – A négybetűs ABC

DNS: adenin (A), guanin (G), citozin (C), timin (T)RNS: adenin (A), guanin (G), citozin (C), uracil (U)

James D. Watson és Frederick Crick (1953): a DNS duplaspirál szerkezete – 1962 Nobel-díj

Ezek kiegészítő párképzéssel kapcsolódnak egymáshoz: A – T/U (2 hidrogénhíddal), G – C (3 hidrogénhíddal)- pirimidin: T, C, U- purin: A, G

Elvileg lehetséges lenne más bázisok beépítése is. De úgy tűnik, ezek nem mindig lennének stabilak, illetve 4 betű éppen elég. A fehérjék 20-féle aminosavból épülnek fel, amit ezek a betűk kódolnak.

Kezdetben lehetett egy RNS-világ, amikor a genetikai kód és az enzim is RNS volt, később jöttek a fehérjék

Richard Dawkins: replikátorok világa – mi csak a túlélőgép vagyunk.

Richard Dawkins