PREBIOTISCHE EVOLUTIE: WAAR HET GEBEURDE EN WAT NODIG IS - BIOLOGIE - 2026

De term prebiotische evolutie verwijst naar de reeks hypothetische scenario's die de oorsprong van leven proberen te verklaren vanuit niet-levende materie in een omgeving onder primitieve omstandigheden.

Er is gesuggereerd dat de condities van de primitieve atmosfeer sterk verminderden, wat de vorming van organische moleculen bevorderde, zoals aminozuren en peptiden, die de bouwstenen zijn van eiwitten; en purines en pyrimidines, die nucleïnezuren vormen - DNA en RNA.

Bron: pixabay.com

Primitieve omstandigheden

Stel je voor hoe de eerste levensvormen op aarde zijn ontstaan, kan een uitdagende - en zelfs bijna onmogelijke - vraag zijn als we onszelf niet in de juiste primitieve omgeving plaatsen.

De sleutel tot het begrijpen van het leven van abiotische moleculen die in de beroemde "primitieve soep" zijn gesuspendeerd, is dus de atmosfeer in die afgelegen omgeving.

Hoewel er geen volledige overeenstemming bestaat over de chemische samenstelling van de atmosfeer, aangezien er geen manier is om deze volledig te bevestigen, variëren de hypothesen van reducerende samenstellingen (CH ₄ + N ₂ , NH ₃ + H ₂ O of CO ₂ + H ₂ + N ₂ ) naar meer neutrale omgevingen (met alleen CO ₂ + N ₂ + H ₂ O).

Het is algemeen aanvaard dat de atmosfeer zuurstof ontbrak (dit element verhoogde zijn concentratie aanzienlijk met de komst van leven). Voor een efficiënte synthese van aminozuren, purines, pyrimidines en suikers is de aanwezigheid van een reducerende omgeving noodzakelijk.

In het geval dat de werkelijke atmosfeer op dat moment niet deze prebiotische chemische condities had, moesten de organische verbindingen afkomstig zijn van stofdeeltjes of andere ruimtelichamen zoals meteorieten.

Waar vond prebiotische evolutie plaats?

Er zijn verschillende hypothesen met betrekking tot de fysieke ruimte op aarde die de ontwikkeling van de eerste biomoleculen en replicatoren mogelijk maakten.

Een theorie die veel aanhang heeft gekregen bij de initiële vorming van biomoleculen in hydrothermale openingen in de oceaan. Andere auteurs vinden het echter onwaarschijnlijk en brengen deze regio's in diskrediet als belangrijke agenten bij prebiotische synthese.

De theorie stelt voor dat chemische synthese plaatsvond door de passage van water binnen een termgradiënt van 350 ° C tot 2 ° C.

Het probleem met deze hypothese ontstaat doordat organische verbindingen ontleden bij hoge temperaturen (350 ° C) in plaats van te worden gesynthetiseerd, wat duidt op minder extreme omgevingen. Dus de hypothese heeft zijn steun verloren.

Wat is er nodig voor prebiotische evolutie?

Om een ​​studie uit te voeren met betrekking tot prebiotische evolutie, is het noodzakelijk om een ​​reeks vragen te beantwoorden die ons in staat stellen het ontstaan ​​van leven te begrijpen.

We moeten ons afvragen welk type katalytisch proces de oorsprong van het leven bevorderde en waar de energie vandaan kwam die de eerste reacties bevorderde. Bij het beantwoorden van deze vragen kunnen we verder gaan en ons afvragen of de eerste moleculen die verschenen membranen, replicatoren of metabolieten waren.

We zullen nu elk van deze vragen beantwoorden om inzicht te krijgen in een mogelijke oorsprong van leven in een prebiotische omgeving.

Katalysatoren

Het leven, zoals we het vandaag kennen, vereist een reeks "gematigde omstandigheden" om zich te ontwikkelen. We weten dat de meeste organische wezens bestaan ​​waar temperatuur, vochtigheid en pH fysiologisch aanvaardbaar zijn - met uitzondering van Extremofiele organismen, die, zoals hun naam al aangeeft, in extreme omgevingen leven.

Een van de meest relevante kenmerken van levende systemen is de alomtegenwoordigheid van katalysatoren. De chemische reacties van levende wezens worden gekatalyseerd door enzymen: complexe moleculen van eiwitachtige aard die de reactiesnelheid met verschillende ordes van grootte verhogen.

De eerste levende wezens moeten een soortgelijk systeem hebben gehad, waarschijnlijk ribozymen. In de literatuur is er een open vraag of prebiotische evolutie had kunnen plaatsvinden zonder katalyse.

Volgens het bewijs zou biologische evolutie bij afwezigheid van een katalysator hoogst onwaarschijnlijk zijn geweest - aangezien de reacties enorme tijdsintervallen zouden hebben gekost. Daarom wordt hun bestaan ​​verondersteld tijdens de vroege levensfasen.

Energie

De energie voor de prebiotische synthese moest ergens vandaan komen. Er wordt verondersteld dat bepaalde anorganische moleculen, zoals polyfosfaten en thioesters, een belangrijke rol zouden hebben gespeeld bij de productie van energie voor reacties - in tijden vóór het bestaan ​​van de beroemde energie "valuta" van cellen: ATP.

Energetisch gezien is de replicatie van de moleculen die de genetische informatie dragen een zeer kostbare gebeurtenis. Voor een gemiddelde bacterie, zoals E. coli, vereist een enkele replicatiegebeurtenis 1,7 * ¹⁰¹⁰ ATP-moleculen.

Dankzij het bestaan ​​van dit buitengewoon hoge cijfer is de aanwezigheid van een energiebron een onbetwistbare voorwaarde om een ​​waarschijnlijk scenario te creëren waarin leven is ontstaan.

Evenzo zou het bestaan ​​van "redox" -type reacties kunnen hebben bijgedragen tot abiotische synthese. Dit systeem zou na verloop van tijd belangrijke elementen kunnen worden van het transport van elektronen in de cel, gekoppeld aan de productie van energie.

Welke van de cellulaire componenten zijn als eerste ontstaan?

Er zijn drie basiscomponenten in een cel: een membraan, dat de celruimte begrenst en er een discrete eenheid van maakt; replicators, die informatie opslaan; en metabole reacties die binnen dit systeem optreden. Door de functionele integratie van deze drie componenten ontstaat een cel.

Daarom is het in het licht van de evolutie interessant om de vraag te stellen welke van de drie het eerst opkwam.

De synthese van membranen lijkt eenvoudig te zijn, aangezien lipiden spontaan vesiculaire structuren vormen met het vermogen om te groeien en te delen. Het blaasje maakt de opslag van replicatoren mogelijk en houdt de metabolieten geconcentreerd.

Nu concentreert het debat zich op het leiderschap van replicatie versus metabolisme. Degenen die meer gewicht toekennen aan replicatie, beweren dat ribozymen (RNA met katalytische kracht) zichzelf konden repliceren, en dankzij het verschijnen van mutaties zou een nieuw metabolisch systeem kunnen ontstaan.

De tegenovergestelde visie benadrukt het belang van het genereren van eenvoudige moleculen - zoals de organische zuren die aanwezig zijn in de tricarbonzuurcyclus - voor verbranding onder matige warmtebronnen. Vanuit dit perspectief waren de eerste stappen van prebiotische evolutie betrokken bij deze metabolieten.

Referenties

1. Anderson, PW (1983). Een voorgesteld model voor prebiotische evolutie: het gebruik van chaos. Proceedings of the National Academy of Sciences, 80 (11), 3386-3390.
2. Hogeweg, P., & Takeuchi, N. (2003). Multilevel selectie in modellen van prebiotische evolutie: compartimenten en ruimtelijke zelforganisatie. Origins of Life and Evolution of the Biosphere, 33 (4-5), 375-403.
3. Lazcano, A., & Miller, SL (1996). De oorsprong en vroege evolutie van het leven: prebiotische chemie, de pre-RNA-wereld en tijd. Cell, 85 (6), 793-798.
4. McKenney, K., en Alfonzo, J. (2016). Van prebiotica tot probiotica: de evolutie en functies van tRNA-modificaties. Leven, 6 (1), 13.
5. Silvestre, DA en Fontanari, JF (2008). Pakketmodellen en de informatiecrisis van prebiotische evolutie. Journal of theoretische biologie, 252 (2), 326-337.
6. Wong, JTF (2009). Prebiotische evolutie en astrobiologie. CRC Press.