Points de vue modernes sur l'évolution chimique et biologique
Points de vue modernes sur l'évolution chimique et biologique!
Selon cette théorie, la vie a débuté sur la Terre primitive par le biais de processus physico-chimiques d'atomes se combinant pour former des molécules, molécules qui réagissent à leur tour pour produire des composés inorganiques et organiques.
Les composés organiques interagissent pour produire tous les types de macromolécules qui s'organisent pour former le premier système ou cellules vivants.
Ainsi, selon cette théorie, la «vie» est née spontanément sur notre terre à partir de matière non vivante. Les premiers composés inorganiques, puis les composés organiques ont été formés conformément aux conditions environnementales en constante évolution. C'est ce qu'on appelle l'évolution chimique qui ne peut pas se produire dans les conditions environnementales actuelles sur la Terre. Les conditions propices à l'origine de la vie n'existaient que sur la terre primitive.
La théorie de l'parine-Haldane est aussi appelée théorie chimique ou théorie naturaliste
Les points de vue modernes concernant l’origine de la vie incluent l’évolution chimique et l’évolution biologique:
1. Evolution chimique:
(i) La phase atomique:
Les débuts de la Terre contiennent d'innombrables atomes libres de tous les éléments (hydrogène, oxygène, carbone, azote, soufre, phosphore, etc.) essentiels à la formation du protoplasme. Les atomes ont été séparés en trois masses concentriques en fonction de leur poids, a) les atomes les plus lourds de fer, de nickel, de cuivre, etc. ont été trouvés au centre de la Terre, b) d’atomes de sodium, de potassium, de silicium et de magnésium de poids moyen, l’aluminium, le phosphore, le chlore, le fluor, le soufre, etc. ont été recueillis au cœur de la Terre, c) Les atomes les plus légers d’azote, d’hydrogène, d’oxygène, de carbone, etc., ont formé l’atmosphère primitive.
ii) Origine des molécules et des composés inorganiques simples:
Les atomes libres sont combinés pour former des molécules et des composés inorganiques simples. Les atomes d'hydrogène étaient les plus nombreux et les plus réactifs dans une atmosphère primitive. Les premiers atomes d'hydrogène combinés avec tous les atomes d'oxygène forment de l'eau sans laisser d'oxygène libre. Ainsi, l'atmosphère primitive était une atmosphère réductrice (sans oxygène libre) contrairement à la présente atmosphère oxydante (avec oxygène libre). Les atomes d'hydrogène également combinés à l'azote, formant de l'ammoniac (NH 3 ). Ainsi, l'eau et l'ammoniac étaient probablement les premières molécules composées de la terre primitive.
(iii) Origine des composés organiques simples (monomères):
L'atmosphère primitive contenait des gaz comme le CO 2, le CO, le N, l'H 2, etc. L'azote et le carbone de l'atmosphère se combinaient avec des atomes métalliques pour former des nitrures et des carbures. La vapeur d'eau et les carbures métalliques ont réagi pour former le premier composé organique, le méthane (CH 4 ). Plus tard, du cyanure d'hydrogène (HCN) s'est formé.
Les pluies torrentielles doivent être tombées:
Au fur et à mesure que l'eau coulait, elle devait s'être dissoute et emporter des sels et des minéraux, et s'était finalement accumulée sous la forme d'océans. Ainsi, les eaux océaniques anciennes contenaient de grandes quantités de NH 3, CH 4, HCN, nitrures, carbures, divers gaz et éléments dissous.
Les premiers composés interagissaient et produisaient des composés organiques simples tels que des sucres simples (par exemple, ribose, désoxyribose, glucose, etc.), des bases azotées (par exemple, des purines, des pyrimidines), des acides aminés, du glycérol, des acides gras, etc. ont agi sur le mélange pour les réactions. Ces sources externes peuvent être: (i) des radiations solaires telles que la lumière ultraviolette, les rayons X, etc., (ii) l’énergie provenant de décharges électriques telles que la foudre, (iii) les radiations de haute énergie sont d’autres sources d’énergie (probablement des isotopes instables sur la terre primitive). Il n'y avait pas de couche d'ozone dans l'atmosphère.
JBS Haldane (1920) a qualifié l'eau de mer riche en mélange de composés organiques de "soupe chaude diluée de substances organiques". La «soupe chaude diluée» est également appelée soupe prébiotique ». Ainsi, le terrain était prêt pour la combinaison de divers éléments chimiques. Une fois formées, les molécules organiques se sont accumulées dans l'eau car leur dégradation était extrêmement lente en l'absence de catalyseurs enzymatiques ou de vie.
Données expérimentales sur l'évolution moléculaire abiogène de la vie:
Stanley Miller en 1953 l'a clairement démontré que le rayonnement ultraviolet, les décharges électriques, la chaleur ou une combinaison de ceux-ci peuvent produire des composés organiques complexes à partir d'un mélange de méthane, d'ammoniac, d'eau (jet d'eau) et d'hydrogène.
Miller faisait circuler quatre gaz - méthane, ammoniac, hydrogène et vapeur d'eau dans un appareil étanche à l'air et transmettait les décharges électriques des électrodes à 800 ° C. Il a fait passer le mélange dans un condenseur. Il a ainsi fait circuler les gaz de manière continue pendant une semaine, puis a analysé la composition chimique du liquide contenu dans l'appareil. Il a découvert un grand nombre de composés organiques simples, y compris certains acides aminés tels que l'alanine, la glycine et l'acide aspartique. Miller a prouvé que les composés organiques constituaient la base de la vie.
D'autres substances, telles que l'urée, le cyanure d'hydrogène, l'acide lactique et l'acide acétique étaient également présentes. Dans une autre expérience, Miller a fait circuler le mélange de gaz de la même manière mais il n'a pas passé la décharge électrique. Il ne pouvait pas obtenir le rendement significatif des composés organiques. Par la suite, de nombreux chercheurs ont synthétisé une grande variété de composés organiques, notamment des purines, des pyrimidines, des sucres simples, etc. On considère que les "éléments constitutifs" essentiels, tels que les nucléotides, les acides aminés, etc. terre primitive.
iv) Origine des composés organiques complexes (polymères):
Une variété d’acides aminés, d’acides gras, d’hydrocarbures, de bases de purines et de pyrimidine, de sucres simples et d’autres composés organiques s’est accumulée dans les mers anciennes. Dans l'atmosphère primitive, les décharges électriques, la foudre, l'énergie solaire, l'ATP et les polyphosphates auraient pu fournir la source d'énergie nécessaire aux réactions de polymérisation de synthèse organique. SW Fox a démontré que si un mélange presque sec d'acides aminés est chauffé, des molécules polypeptidiques sont synthétisées.
De même, des sucres simples pourraient former des polysaccharides et des acides gras pourraient se combiner pour produire des graisses. Les acides aminés peuvent former des protéines, lorsque d'autres facteurs sont impliqués. Ainsi, les petites molécules organiques simples se sont combinées pour former de grandes molécules organiques complexes, par exemple des unités d’acides aminés réunies pour former des polypeptides et des protéines, des unités de sucre simples combinées pour former des polysaccharides, des acides gras et du glycérol réunis pour former des graisses, des sucres, des bases azotées et des phosphates. combinés en nucléotides qui ont polymérisé en acides nucléiques dans les anciens océans.
2. Evolution biologique:
Pour l'origine de la vie, trois conditions au moins sont nécessaires:
(a) Il doit y avoir un stock de réplicateurs, c’est-à-dire de molécules autoproductrices.
(b) La copie de ces réplicateurs doit avoir été sujette à erreur par mutation.
(c) Le système de réplicateurs doit avoir nécessité une alimentation continue en énergie gratuite et une isolation partielle de l'environnement général.
La température élevée au début de la terre aurait satisfait à l'exigence de mutation.
Origine des molécules prébiotiques:
La troisième condition, l'isolement partiel, a été atteinte au sein d'agrégats de molécules prébiotiques formées artificiellement. Ces agrégats sont appelés protobiontes, lesquels peuvent séparer les combinaisons de molécules des environnements. Ils maintiennent un environnement interne mais sont incapables de se reproduire. Les coacervats et les microsphères sont deux protobiontes importants.
Coacervats:
Oparin (1924) a observé que, si un mélange d'une grosse protéine et d'un polysaccharide est secoué, des coacervats se forment. Les coacervats contiennent principalement des protéines, des polysaccharides et de l’eau. Les coacervats de l'parine présentent également une forme simple de métabolisme. Comme ces coacervats n'ont pas de membranes lipidiques externes, ils ne peuvent donc pas se reproduire. Ainsi, ils ne remplissent pas l'exigence de précurseurs probables de la vie.
Microsphères:
Lorsque des mélanges de composés organiques produits artificiellement sont mélangés avec de l'eau froide, des microsphères se forment. Si le mélange contient des lipides, la surface des microsphères consiste en une bicouche lipidique, rappelant (rappelant le passé) la bicouche lipidique des membranes cellulaires. Sydney Fox (1950) a chauffé un mélange de 18 acides aminés à des températures comprises entre 130 et 180 ° C. Il a obtenu des macromolécules stables, à base de protéines, qu’il a nommées proténoïdes.
Lorsque le matériau proténoïde a été refroidi et examiné au microscope, Fox a observé de petites unités sphériques semblables à des cellules, nées d’agrégations de proténoïdes. Ces agrégats moléculaires ont été appelés miciospheies proténoïdes. Les premières formes de vie non cellulaires pourraient être apparues il y a 3 milliards d'années. C'étaient des molécules géantes (ARN, protéines, polysaccharides, etc.).
Propriétés physiques des microsphères proténoïdes:
Ils étaient microscopiques sphériques et mesuraient environ 1 à 2 (de diamètre similaire à la taille et à la forme des bactéries coccoïdes).
Propriétés structurelles des microsphères proténoïdes:
Au microscope électronique, on a observé des limites concentriques à double couche autour desquelles se produit la diffusion du matériau. Ils ont la capacité de motilité, la croissance, la fission binaire en deux particules et une capacité de reproduction par bourgeonnement et fragmentation. Superficiellement, leur bourgeonnement ressemble à celui de bactéries et de champignons.
Activités enzymatiques des microsphères proténoïdes:
Ils se sont avérés avoir une activité catalytique, telle que la dégradation du glucose. Cette activité enzymatique des microsphères proténoïdes est partiellement perdue lors du chauffage.
Le principal inconvénient des microsphères proténoïdes est qu’elles présentent une diversité limitée. Ainsi, le mécanisme d’isolement partiel menant à l’origine des protobiontes n’a toujours pas été résolu.
Comme il faut à la fois des protéines et des acides nucléiques (ainsi que d’autres substances plus simples) pour développer et reproduire des organismes vivant aujourd’hui, la question qui se pose est de savoir laquelle de ces substances est apparue en premier? Aucune réponse claire n’est disponible.
Premier modèle d'ARN:
Ces dernières années, il est évident que l'ARN est un matériau du premier gène formé (Woese, 1967, Crick 1968, Orgel 1973, 1986 Watson et al 1986, Darnell et al 1986). Ainsi, l'ARN peut avoir été le premier polymère et une certaine forme de transcription inverse peut avoir donné naissance à l'ADN et l'ABR et l'ADN démarrant contrôlant la synthèse des protéines.
Pourquoi l'ARN et non l'ADN était la première molécule vivante?
Les activités enzymatiques des molécules d'ARN sont constamment découvertes, mais aucune activité enzymatique n'a jamais été attribuée à l'ADN. En outre, le ribose est beaucoup plus facilement synthétisé que le désoxyribose dans des conditions prébiotiques stimulées. Une molécule d'ARN avantageuse et sélective serait celle qui dirige la synthèse de la protéine qui accélère la réplication de l'ARN particulier (c'est-à-dire l'ARN polymérase).
Les ARN auraient pu catalyser la formation de molécules analogues à des lipides qui pourraient à leur tour former la membrane plasmique et les protéines. Les protéines pourraient avoir pris en charge la plupart des fonctions enzymatiques car elles sont de meilleurs catalyseurs que les ARN. Si les premières cellules utilisaient l'ARN comme molécule héréditaire, alors l'ADN évoluait à partir d'une matrice d'ARN. Une fois que les cellules ont évolué, l'ADN a probablement remplacé l'ARN dans la plupart des organismes.
Formation des premières cellules:
(i) Les premiers organismes vivants sont issus de molécules organiques et d'une atmosphère sans oxygène (atmosphère réductrice). Ils ont vraisemblablement obtenu de l'énergie par la fermentation de certaines de ces molécules organiques. Ils étaient anaérobies, capables de respirer en l'absence d'oxygène. Ils dépendaient des molécules organiques existantes pour leur nutrition et étaient donc des hétérotrophes.
(ii) Lorsque le stock de molécules organiques existantes était épuisé, certains hétérotrophes pourraient avoir évolué en autotrophes. Ces organismes étaient capables de produire leurs propres molécules organiques par chimiosynthèse ou photosynthèse.
a) chimiosynthèse:
Les organismes effectuant la chimiosynthèse sont appelés chimioautotrophes. Ils étaient anaérobies. Les chimioautotrophes ont développé la capacité de synthétiser des molécules organiques à partir de matières premières inorganiques. Un tel mode de nutrition est présent même à l'heure actuelle chez certaines bactéries, par exemple les bactéries soufrées, les bactéries ferreuses, les bactéries nitrifiantes.
b) la photosynthèse:
Les organismes photosynthétiques, les photoautotrophes, ont développé le pigment chlorophylle en combinant des produits chimiques simples. Ils ont préparé des aliments biologiques en utilisant l'énergie solaire capturée à l'aide de chlorophylle. Ils manquaient de voies biochimiques pour produire de l'oxygène. Ils étaient encore anaérobies et utilisaient de l'hydrogène provenant de sources autres que l'eau.
Plus tard, des organismes photosynthétiques libérant de l'oxygène se sont développés. Celles-ci étaient similaires aux algues bleu-vert existantes (cyanobactéries). Ils ont utilisé de l'eau pour obtenir de l'hydrogène et ont libéré de l'oxygène. L’addition de 02 à l’atmosphère a commencé à oxyder le méthane et l’ammoniac, qui ont commencé à disparaître.
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
4NH 3 + 3O 2 → 2N 2 + 6H 2 O
La vie était présente sur Terre il y a environ 3, 9 milliards d'années. Cependant, les microfossiles les plus anciens découverts à ce jour sont ceux de cyanobactéries photosynthétiques apparues il y a 3, 3 à 3, 5 milliards d'années.
Formation de la couche d'ozone:
Au fur et à mesure que l'oxygène s'accumulait dans l'atmosphère, la lumière ultraviolette transformait une partie du tifoxygène en ozone.
2O 2 + O 2 → 2O 3
L'ozone formait une couche dans l'atmosphère, bloquant la lumière ultraviolette et laissant la lumière visible comme source d'énergie principale.
Origine des cellules eucaryotes (cellules nucléaires vraies):
La respiration aérobie dégage suffisamment d'oxygène dans l'atmosphère primitive. Les procaryotes se sont progressivement modifiés pour s'adapter aux nouvelles conditions. Ils ont développé un véritable noyau et d'autres organites cellulaires spécialisés. Ainsi, des organismes ressemblant à des cellules eucaryotes libres ont pris naissance dans l’océan Ancierit probablement il ya environ 1, 5 milliard d’années. Les eucaryotes primitifs ont conduit à l'évolution des protistes, des plantes, des champignons et des animaux.
Résumé des principales étapes de l'origine de la vie selon la théorie moderne de l'origine de la vie.
