ทฤษฎีการสังเคราะห์ทางเคมี: หลักการพื้นฐาน แบบจำลองก่อนเซลล์ และการทดลองที่สำคัญ

มนุษย์เป็นสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อน นอกเหนือจากการตอบสนองความต้องการพื้นฐานแล้ว ยังต้องการคำอธิบายเกี่ยวกับการดำรงอยู่และต้นกำเนิดของตนด้วย จากนี้จึงเกิดสมมติฐานที่หลากหลาย ตั้งแต่ด้านศาสนาและปรัชญาไปจนถึงด้านวิทยาศาสตร์ ภายในแวดวงวิทยาศาสตร์นั้น มีทฤษฎีวิวัฒนาการระดับโมเลกุลถูกเสนอขึ้นมา ทฤษฎีเคมีสังเคราะห์อ้างอิงจากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์ อเล็กซานเดอร์ โอพาริน และ จอห์น ฮัลเดน ซึ่งแม้จะไม่ได้ทำงานร่วมกัน แต่ก็มาถึงข้อสรุปเดียวกัน สมมติฐานนี้ซึ่งโอพารินและฮัลเดนได้กำหนดขึ้นในทศวรรษ 1920 (1924 ตามหลักคลาสสิก) ยังคงวางรากฐานจากทฤษฎีบิ๊กแบง คัดค้านทฤษฎีการกำเนิดสิ่งมีชีวิตโดยธรรมชาติ และเสนอทางเลือกอื่นนอกเหนือจากทฤษฎีทางศาสนาเกี่ยวกับต้นกำเนิดของชีวิต

ทฤษฎีการสังเคราะห์ทางเคมีสร้างอะไร?

La ทฤษฎีเคมีสังเคราะห์เกี่ยวกับการกำเนิดของชีวิต ระบุว่าไฮโดรเจน (H)2) ที่มีอยู่ในบรรยากาศดั้งเดิมทำปฏิกิริยากับอะตอมของคาร์บอน ไนโตรเจน หรือออกซิเจน ก่อให้เกิด น้ำซุปบำรุงสุขภาพที่อุดมไปด้วยสารประกอบอินทรีย์อย่างง่ายน้ำซุปชนิดนี้ เรียกอีกอย่างว่า ซุปดั้งเดิม o ซุปลูกหัวปีเมื่อสัมผัสกับแหล่งพลังงานดั้งเดิมต่างๆ (ฟ้าผ่า รังสีอัลตราไวโอเลต ความร้อนจากภูเขาไฟ) มันจึงก่อให้เกิดปรากฏการณ์หลายอย่าง กรดอะมิโนโมเลกุลเหล่านี้เป็นองค์ประกอบพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตอินทรีย์ ในช่วงเวลาอันยาวนาน โมเลกุลเหล่านี้ได้รวมตัว จัดระเบียบ และซับซ้อนขึ้นเรื่อย ๆ จนกระทั่งก่อตัวเป็น กลุ่มโมเลกุลที่มีกิจกรรมทางเมตาบอลิซึมกล่าวคือ ระบบที่สามารถดำเนินการกระบวนการต่างๆ ได้คล้ายคลึงกับสิ่งมีชีวิตที่ง่ายที่สุดในปัจจุบัน

กล่าวอีกนัยหนึ่ง ทฤษฎีเคมีสังเคราะห์เสนอว่า ภายใต้สภาวะบรรยากาศและพลังงานที่ครอบงำโลกในช่วงหลายพันล้านปีแรก กระบวนการกำเนิดสิ่งมีชีวิตที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบหลักได้เริ่มต้นขึ้น การสังเคราะห์โมเลกุลอินทรีย์โดยไม่ใช้สิ่งมีชีวิตเมื่อเวลาผ่านไป โมเลกุลเหล่านี้ก็ก่อตัวขึ้น โครงสร้างที่เป็นระเบียบ (โคแอเซอร์เวต โปรโตไบออนต์ ไมโครสเฟียร์โปรตีน ซัลโฟไบโอส ตามที่ผู้เขียนหลายคนเรียก) ซึ่งค่อยๆ พัฒนาคุณสมบัติต่างๆ เช่น โภชนาการ การขับถ่าย การสืบพันธุ์ และการเก็บรักษาข้อมูลทางพันธุกรรม จึงทำให้เซลล์แรกเริ่มถือกำเนิดขึ้นได้

ทฤษฎีเคมีสังเคราะห์: ชีวิตเกิดขึ้นบนโลกได้อย่างไร?

ตามทฤษฎีจักรวาลวิทยาที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางที่สุด จักรวาลกำเนิดมาจากสภาวะที่มีความหนาแน่นและอุณหภูมิสูงมาก และเมื่อเวลาผ่านไป กาแล็กซี ดาวฤกษ์ และดาวเคราะห์ก็ก่อตัวขึ้น ในบริบทนั้น แผ่นดินดึกดำบรรพ์ มันถือกำเนิดขึ้นจากกลุ่มก๊าซไฮโดรเจนและธาตุเบาอื่นๆ ขนาดใหญ่ ในเวลาเดียวกัน ดวงอาทิตย์และดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ ในระบบสุริยะก็ก่อตัวขึ้น และดาวเคราะห์อายุน้อยดวงนี้ก็ผ่านช่วงเวลาของการเกิดกิจกรรมทางธรณีวิทยาและภูเขาไฟอย่างรุนแรง

ในตอนแรก อุณหภูมิของโลก อุณหภูมิสูงมาก แต่ค่อยๆ ลดลงและ... มหาสมุทรดึกดำบรรพ์ เกิดจากการควบแน่นของไอน้ำ ในเวลานั้น บรรยากาศแตกต่างจากปัจจุบันมาก โดยส่วนใหญ่ประกอบด้วย... ไอน้ำ, มีเทน (CH4), แอมโมเนีย (NH3), คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) และ โมเลกุลไฮโดรเจน (H2ส่วนผสมของก๊าซเหล่านี้ก่อให้เกิดบรรยากาศที่มีองค์ประกอบหลักเป็นก๊าซชนิดใดชนิดหนึ่ง ตัวลดแตกต่างอย่างมากจากบรรยากาศออกซิไดซ์ในปัจจุบันที่มีออกซิเจนสูง

แตกต่างจากสิ่งที่เกิดขึ้นในปัจจุบัน ในช่วงเริ่มต้นนั้นไม่มี ชั้นโอโซน ซึ่งในปัจจุบันทำหน้าที่ปกป้องพื้นผิวโลกจากรังสีอัลตราไวโอเลตส่วนใหญ่ ดังนั้น รังสีทุกชนิดจึงมาถึงพื้นผิวโลกโดยตรง รวมถึงรังสีอัลตราไวโอเลตและรังสีอินฟราเรด นอกจากนี้ กิจกรรมภูเขาไฟที่รุนแรง การชนของอุกกาบาต และพายุฝนฟ้าคะนองที่เกิดขึ้นบ่อยครั้งก็มีส่วนทำให้เกิดปรากฏการณ์นี้ด้วย พลังงานจำนวนมหาศาลในสถานการณ์ที่มีพลวัตและพลังงานสูงเช่นนี้ สารประกอบอินทรีย์กลุ่มแรกในมหาสมุทรยุคดึกดำบรรพ์ เช่น คาร์โบไฮเดรตอย่างง่าย, ไขมัน y กรดอะมิโน– พวกมันสามารถก่อตัวและถูกทำลายได้ซ้ำแล้วซ้ำเล่า จนกระทั่งในที่สุด การรวมกันบางอย่างก็บรรลุเป้าหมายที่แน่นอน ความเสถียรทางเคมี ซึ่งเอื้อต่อการสะสมและการพัฒนาของมัน

เป็นเวลานับล้านปีที่สารเหล่านี้รวมตัวทางเคมีซึ่งกันและกัน ก่อให้เกิด... โมเลกุลที่ซับซ้อนมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งตามคำกล่าวของโอปารินนั้น ถูกจำกัดขอบเขตโดยลักษณะบางอย่าง เยื่อหุ้มเซลล์ที่เกิดขึ้นเองกลุ่มโมเลกุลเหล่านี้ที่มีการจัดระเบียบและแยกตัวออกจากตัวกลางในระดับหนึ่ง เรียกว่า โปรโตไบโอนต์ระบบดั้งเดิมเหล่านี้คงอยู่มาเป็นเวลานาน และเมื่อเวลาผ่านไปหลายชั่วอายุคน บางระบบก็ได้รับลักษณะของสิ่งมีชีวิต เช่น ความสามารถในการ หล่อเลี้ยง, ขับถ่ายของเสีย y สายพันธุ์กระบวนการหลังนี้เกี่ยวข้องกับการเกิดขึ้นของโมเลกุลที่สามารถจัดเก็บและส่งต่อข้อมูลทางพันธุกรรมได้ เช่น กรดนิวคลีอิก.

จากมุมมองด้านวิวัฒนาการ สิ่งมีชีวิตดั้งเดิมเหล่านี้มีอยู่มาก่อน เซลล์แบบง่ายแรก ซึ่งปรากฏขึ้นในภายหลัง เชื่อกันว่าสิ่งมีชีวิตกลุ่มแรกที่ถือกำเนิดขึ้นบนโลกนั้นมีลักษณะคล้ายคลึงกับสิ่งมีชีวิตบางชนิด แบคทีเรียปัจจุบัน: สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว โปรคาริโอต ที่มีโครงสร้างง่ายมาก กินสารประกอบอินทรีย์ที่มีอยู่แล้วในสิ่งแวดล้อม (เฮเทอโรโทรฟ) และเมื่อเวลาผ่านไปก็มีความหลากหลายและซับซ้อนมากขึ้น จนกลายเป็นสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์

สภาวะบรรยากาศตามหลักการสังเคราะห์ทางเคมี

ทฤษฎีเคมีสังเคราะห์ระบุว่า บรรยากาศดั้งเดิม มันต้องมีลักษณะที่ส่งเสริมให้เกิดสิ่งนั้น ปฏิกิริยารีดักชันเนื่องจากหากมีบรรยากาศที่มีแนวโน้มการเกิดออกซิเดชันคล้ายกับบรรยากาศปัจจุบัน ส่วนประกอบของ “ ซุปตาร์ลูกแรกเกิด” พวกมันคงเสื่อมสภาพไปอย่างรวดเร็ว ด้วยเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์ที่เสนอทฤษฎีวิวัฒนาการต่างๆ จึงอ้างว่า ภายใต้สภาวะเริ่มต้นของโลกนั้น ไม่น่าจะมีออกซิเจนอิสระในปริมาณมากอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากปฏิกิริยาออกซิเดชันจะไม่เอื้อต่อการพัฒนาของสิ่งมีชีวิตจากสารประกอบอินทรีย์ที่ไม่เสถียร

บรรยากาศแบบรีดิวซ์นี้ อธิบายได้บางส่วนจากการมีก๊าซต่างๆ เช่น ไฮโดรเจน มีเทน แอมโมเนีย และไอน้ำ อยู่เป็นจำนวนมาก รวมทั้งสารประกอบอื่นๆ เช่น ไฮโดรเจนไซยาไนด์ ในกรณีที่ไม่มีออกซิเจนโมเลกุล (O₂)2และชั้นโอโซนที่ทำหน้าที่กรองรังสี พลังงานแสงอาทิตย์ความถี่สูง และการปล่อยประจุไฟฟ้า สามารถส่งผลกระทบต่อก๊าซเหล่านี้โดยตรงได้ ลิงก์ที่ถูกทำลาย และเอื้อต่อการก่อตัวของโมเลกุลใหม่ สิ่งนี้ได้สร้างสภาพแวดล้อมทางเคมีที่เอื้อต่อการเกิดโมเลกุลใหม่ ปฏิกิริยาการสังเคราะห์สารอินทรีย์ สภาวะเหล่านี้เป็นไปได้ในทางเทอร์โมไดนามิกส์และสามารถคงอยู่ได้อย่างต่อเนื่อง

พื้นฐานทฤษฎีเคมีสังเคราะห์

ขั้นตอนของการตั้งสมมติฐานทฤษฎีชุดหนึ่งที่แตกต่างจากแบบแผนเดิม ทฤษฎีการเกิดเองโดยธรรมชาติ (ซึ่งเป็นที่ยอมรับกันอย่างกว้างขวางในเวลานั้น) ได้รับการรวบรวมจากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส หลุยส์ ปาสเตอร์ ผู้ซึ่งได้แสดงให้เห็นในการทดลองของเขาในปี 1864 ว่า “สิ่งมีชีวิตกำเนิดมาจากสิ่งมีชีวิต”ผลการวิจัยเหล่านี้หักล้างแนวคิดที่ว่าสิ่งมีชีวิตสามารถเกิดขึ้นได้ทันทีจากสสารที่ไม่มีชีวิตภายใต้สภาวะปัจจุบัน และปูทางไปสู่การแสวงหาคำอธิบายที่ซับซ้อนและสอดคล้องกันมากขึ้นเกี่ยวกับต้นกำเนิดของชีวิตในอดีตอันไกลโพ้น ภายใต้สภาวะที่แตกต่างกันอย่างมาก

หนึ่งในคำอธิบายใหม่เหล่านี้คือ ทฤษฎีเคมีสังเคราะห์ซึ่งระบุว่าชีวิตกำเนิดมาจากปฏิกิริยาและการรวมกันของ ธาตุเคมีพื้นฐาน มีอยู่ในชั้นบรรยากาศและอุทกภาคในยุคแรกเริ่ม องค์ประกอบหลักที่ประกอบขึ้นเป็นสมมติฐานนี้จะอธิบายโดยละเอียดด้านล่าง:

องค์ประกอบของโลกในยุคแรกเริ่ม: ทฤษฎีนี้พิจารณาว่า ในช่วงเริ่มต้น ดาวเคราะห์ดวงนี้มีชั้นบรรยากาศที่ขาดออกซิเจนอิสระ แต่มีองค์ประกอบอื่นๆ อยู่มาก โดยส่วนใหญ่เป็นไฮโดรเจน (ความเข้มข้นสูง) ดังนั้นมันจึงเป็นบรรยากาศ ลดลักษณะดังกล่าวเอื้อต่อการปลดปล่อยอะตอมไฮโดรเจนจากสารเคมีที่มีอยู่ ทำให้เกิดปฏิกิริยาการเติมและการสังเคราะห์ได้ง่ายขึ้น นอกจากนี้ บรรยากาศยังประกอบด้วยสารประกอบเคมีพื้นฐานอื่นๆ เช่น... กรดไฮโดรไซยานิก (เอชซีเอ็น) มีเทน (CH4), คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2), น้ำ (H2O) และสารอื่นๆ ส่วนผสมนี้เป็นพื้นฐานที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีก่อนกำเนิดสิ่งมีชีวิต ซึ่งก่อให้เกิดสารประกอบอินทรีย์ชนิดแรกๆ ขึ้น

• การก่อตัวของน้ำซุปที่มีคุณค่าทางโภชนาการ: หรือที่เรียกว่า ซุปลูกหัวปีประกอบด้วยการรวมตัวกันของ ของเหลวที่มีคุณค่าทางโภชนาการ อุดมไปด้วยโมเลกุลอย่างง่าย มันเกิดจากการรวมตัวของส่วนประกอบต่างๆ ในบรรยากาศยุคดึกดำบรรพ์ที่ละลายอยู่ในน้ำ ปริมาณของเหลวนี้ก่อให้เกิดทะเลแห่งแรกขึ้น มันเกิดขึ้นได้อย่างไร? ทฤษฎีเคมีสังเคราะห์กล่าวว่า ผลที่ตามมาคือ การเย็นตัวลงอย่างต่อเนื่องของชั้นบรรยากาศไอน้ำจากภูเขาไฟและพื้นผิวที่ร้อนของดาวเคราะห์ควบแน่น หยดน้ำเหล่านี้พาก๊าซและอนุภาคต่างๆ ไปด้วย ก่อตัวเป็นซุปที่อุดมไปด้วยสารอาหาร ซึ่งสะสมอยู่ในแอ่ง (มหาสมุทรและทะเลสาบในยุคดึกดำบรรพ์) และคงอยู่เป็นเวลานานโดยไม่มีความเสี่ยงต่อการเน่าเปื่อยจำนวนมากเนื่องจากไม่มีออกซิเจนและสิ่งมีชีวิตที่ย่อยสลาย
• ลักษณะของโครงสร้างที่ซับซ้อนมากขึ้น: ในกระบวนการนี้ การกระทำของสิ่งต่างๆ ต่างๆ แหล่งพลังงานเช่น พายุฝนฟ้าคะนอง รังสีพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์ และการระเบิดของภูเขาไฟ ผลจากปฏิกิริยาเหล่านี้คือการก่อตัวของส่วนประกอบที่ซับซ้อน เช่น Azúcares Simples, กรดไขมัน, กลีเซอรีน y กรดอะมิโนเมื่อเวลาผ่านไป วิวัฒนาการทางเคมีได้ก่อให้เกิดโครงสร้างที่โอพารินเรียกว่า coacervatesนั่นคือ กลุ่มคอลลอยด์ของโมเลกุลอินทรีย์ มีความทนทานและก้าวหน้ากว่าสารตั้งต้นของกรดนิวคลีอิกในปัจจุบัน และโดยทั่วไปแล้ว เหนือกว่าระบบสิ่งมีชีวิตต่างๆ ด้วย

การก่อตัวของ coacervates

โอพารินได้พิสูจน์แล้วว่า ในกระบวนการวิวัฒนาการของชนิดทางเคมีที่บรรจุอยู่ในนั้น น้ำซุปลูกหัวปี, coacervatesซึ่งเป็นสายพันธุ์ที่ซับซ้อน เกิดขึ้นจาก การรวมตัวของโมเลกุลอินทรีย์ เช่น โปรตีน ไขมัน และพอลิแซ็กคาไรด์อย่างง่าย ในกระบวนการแบ่งเฟสและการแยกตัวบางอย่าง กลุ่มเหล่านี้จะรวมตัวกันเป็นโครงสร้างที่ใหญ่ขึ้นและเสถียรมากขึ้น จึงได้รับเยื่อหุ้มชนิดหนึ่งที่ทำให้พวกมันค่อนข้างเป็นอิสระจากสภาพแวดล้อมโดยรอบ ด้วยวิธีนี้ ระบบต่างๆ จึงสามารถ การสังเคราะห์สารด้วยตนเอง (ความสามารถในการผลิตอาหารเองได้บางส่วน) และมีการจัดระเบียบภายใน ซึ่งจะพัฒนาไปสู่รูปแบบที่มีเสถียรภาพและซับซ้อนมากขึ้นเรื่อยๆ จนกลายเป็นโครงสร้างที่มีชีวิตอย่างแท้จริง ตามทฤษฎีเคมีสังเคราะห์ สิ่งมีชีวิตดั้งเดิมเหล่านี้เป็นต้นกำเนิดของโลกพืชและสัตว์บนโลกของเรา

ในยุคแรกเริ่มนั้น ยังไม่มีชั้นโอโซนที่จะปกป้องเซลล์จากแสงแดดโดยตรง ดังนั้นจึงเชื่อกันว่าโครงสร้างแรกเริ่มอาจก่อตัวและพัฒนาขึ้นในลักษณะนี้ ถูกทำลายซ้ำแล้วซ้ำเล่า เนื่องจากการตกกระทบโดยตรงของพลังงานแสงอาทิตย์ หลังจากผ่านไปหลายล้านปี เซลล์ดั้งเดิมบางส่วนจึงสามารถวิวัฒนาการไปเป็นสิ่งมีชีวิตได้ ระบบอินทรีย์ที่ซับซ้อนมากขึ้นสิ่งนี้จะช่วยให้พวกมันขยายพันธุ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ต่อมา สิ่งมีชีวิตบางชนิดเหล่านี้ก็เริ่ม... พวกมันสังเคราะห์อาหารจากพลังงานแสงอาทิตย์โดยการดำเนินกระบวนการสังเคราะห์แสงและปล่อยออกซิเจนโมเลกุลสู่ชั้นบรรยากาศ เมื่อเวลาผ่านไป ออกซิเจนในชั้นบรรยากาศนี้ทำให้เกิดการก่อตัวของ ชั้นโอโซนซึ่งเปลี่ยนแปลงสภาพพื้นผิวอย่างสิ้นเชิงและเอื้อต่อการขยายตัวของสิ่งมีชีวิตที่มีโครงสร้างซับซ้อนมากขึ้น

กระบวนการก่อตัวของโคแอเซอร์เวตสามารถอธิบายได้อย่างง่าย ๆ ดังต่อไปนี้:

• ทุกอย่างเริ่มต้นด้วยการก่อตัวของ โมเลกุลอินทรีย์ที่มีการจัดระเบียบและค่อนข้างเสถียร ในตัวกลางที่เป็นน้ำ
• เมื่อเวลาผ่านไป โมเลกุลเสริมตัวที่สองจะถูกสร้างขึ้น (a) โมเลกุลขนาดใหญ่เช่น เปปไทด์หรือพอลิเมอร์อย่างง่าย) และมันจะกลายเป็นส่วนหนึ่งของโคแอเซอร์เวต ซึ่งช่วยทำให้กลุ่มโมเลกุลมีความเสถียร
• โมเลกุลขนาดใหญ่เหล่านี้ หรือกลุ่มของโมเลกุลเหล่านี้ สามารถเข้าถึงได้ แยกออกจากโคแอเซอร์เวตดั้งเดิมโดยคงไว้ซึ่งโครงสร้างทางเคมีบางส่วน
• โมเลกุลขนาดใหญ่ที่แยกตัวออกมาเริ่มที่จะ ดึงดูดสารประกอบที่เข้ากันได้อื่นๆ และเชื่อมโยงเข้ากับโครงสร้างของมัน จึงเป็นการสร้างโคแอเซอร์เวตใหม่ที่มีคุณสมบัติคล้ายคลึงกับของเดิม ด้วยวิธีนี้ กระบวนการต่างๆ การจำลองแบบขั้นพื้นฐาน และการคัดเลือกทางเคมี

สมมติฐานเกี่ยวกับโคแอเซอร์เวตนี้ถือเป็นพื้นฐานสำคัญของทฤษฎีเคมีสังเคราะห์เกี่ยวกับการกำเนิดชีวิตในระยะเริ่มต้น ก่อนที่จะมีโปรโตไบออนต์ที่มี RNA หรือ DNA ที่สามารถจำลองตัวเองได้ด้วยกลไกที่คล้ายคลึงกับแบคทีเรียโปรคาริโอตในปัจจุบัน

ก่อนที่จะดำเนินการพิจารณาความหมายของคำว่า โคแอเซอร์เวต อย่างละเอียดมากขึ้น จำเป็นต้องทบทวนความหมายของคำนี้เสียก่อน ต้นกำเนิดนิรุกติศาสตร์เป็นคำที่มาจากภาษาละติน โดยเฉพาะจากคำกริยา "coacervare" ซึ่งสามารถแปลได้ว่า “สะสม” หรือ “กองรวมกัน”คำนี้หมายถึงการสะสมหรือการรวมกลุ่มของโมเลกุลในหยดคอลลอยด์ภายในตัวกลางที่เป็นน้ำอย่างแม่นยำ

ลอส coacervates ดังนั้น ระบบเหล่านี้จึงเป็นระบบที่ถูกสร้างขึ้นโดย การรวมตัวของโมเลกุลที่ซับซ้อน เช่น โปรตีนและกรดอะมิโนพื้นฐาน รวมถึงสารประกอบอินทรีย์อื่นๆ ระบบเหล่านี้ถือเป็นแบบจำลองของ สิ่งมีชีวิตดั้งเดิมอย่างยิ่งเนื่องจากนักชีววิทยาและนักชีวเคมีหลายคนเชื่อว่าพวกมันเป็นกุญแจสำคัญในการพัฒนาสิ่งมีชีวิตบนโลก แม้ว่าพวกมันจะไม่ได้พัฒนาไปเป็นเซลล์ที่สมบูรณ์อย่างที่เราเข้าใจกันในปัจจุบันก็ตาม

แบบจำลองก่อนเซลล์อื่นๆ: ซัลโฟไบโอสและไมโครสเฟียรูลโปรตีน

เมื่อเวลาผ่านไป นักวิจัยหลายคนได้เสนอแบบจำลองทางเลือกหรือแบบจำลองเสริมเพื่ออธิบายขั้นตอนแรกของการกำเนิดชีวิต แม้ว่าแบบจำลองเหล่านี้อาจไม่ได้แสดงถึงโครงสร้างที่แท้จริงที่มีอยู่บนโลกในยุคแรกเริ่ม แต่ก็แสดงให้เห็นว่าชีวิตวิวัฒนาการมาจาก... สารประกอบอย่างง่าย เป็นไปได้ที่จะสร้างระบบที่มีคุณสมบัติบางอย่าง ระดับขององค์กร.

อัลฟอนโซ่ เอร์เรร่านักวิทยาศาสตร์ชาวเม็กซิกันผู้สนใจปัญหาต้นกำเนิดของชีวิตเป็นอย่างมาก ได้อธิบายแบบจำลองก่อนกำเนิดเซลล์บางแบบที่เขาเรียกว่า... “ซัลโฟไบออนต์”สารเหล่านี้ได้มาจากสารประกอบอนินทรีย์ เช่น แอมโมเนียมไทโอไซยาเนต และ ฟอร์มาลินโดยไม่ต้องพึ่งพาสารชีวภาพที่มีอยู่ก่อนแล้ว แม้ว่าซัลโฟไบโอสอาจไม่สามารถแสดงถึงโครงสร้างที่เกิดขึ้นก่อนเซลล์จริงเซลล์แรกได้อย่างแม่นยำ แต่ก็เป็นตัวอย่างที่แสดงให้เห็นว่าสสารสามารถบรรลุเป้าหมายได้อย่างไร ระดับองค์กรที่สูงขึ้น เริ่มต้นจากระดับที่ง่ายกว่า เฮอร์เรราเป็นนักวิจัยคนแรกที่ใช้แต่เพียงอย่างเดียว สารที่ไม่ใช่ชีวภาพ เพื่อออกแบบแบบจำลองเชิงทดลองที่เกี่ยวข้องกับต้นกำเนิดของชีวิต

ซิดนีย์ ฟ็อกซ์ เขาเสนอแบบจำลองอีกแบบหนึ่งของระบบก่อนเซลล์ที่รู้จักกันในชื่อ “ไมโครสเฟียร์โปรตีน”ไมโครสเฟียร์เหล่านี้ถูกสร้างขึ้นผ่านชุดปฏิกิริยาเคมี ซึ่งประกอบด้วย กรดอะมิโนจะเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันภายใต้ความร้อนก่อตัวเป็นสายโซ่เปปไทด์อย่างง่าย ต่อมา เมื่อละลายในน้ำภายใต้สภาวะ pH และความเข้มข้นของเกลือที่เหมาะสม โพลิเมอร์เหล่านี้มีแนวโน้มที่จะ เพื่อรวมตัวกันเป็นโครงสร้างทรงกลม ถูกห่อหุ้มด้วยเยื่อหรือเปลือกชนิดหนึ่ง แม้ว่าไมโครสเฟียรูลจะมีลักษณะทางสัณฐานวิทยาคล้ายคลึงกับเซลล์ (มีรูปร่างทรงกลม มีขอบเขตภายในและภายนอก และแม้กระทั่งมีระดับความเข้มข้นของสารเคมี) แต่ก็ไม่ถือว่าเป็นระบบสิ่งมีชีวิตที่สมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม การก่อตัวของพวกมันให้ข้อมูลเชิงลึกที่มีค่าเกี่ยวกับต้นกำเนิดของสิ่งมีชีวิตกลุ่มแรกๆ ระบบที่มีการจัดระเบียบ ก่อนเซลล์

ผลงานวิจัยเชิงทดลองเกี่ยวกับ “ซุปดั้งเดิม”

นอกเหนือจากโคแอเซอร์เวต ซัลโฟไบโอส และไมโครสเฟียรูลแล้ว ยังมีการพัฒนาการทดลองมากมายเพื่อทดสอบความเป็นไปได้ของทฤษฎีเคมีสังเคราะห์ การวิจัยเหล่านี้มุ่งที่จะจำลองกระบวนการโดยประมาณ สภาวะบรรยากาศและอุทกภาคดั้งเดิม และสังเกตดูว่าโมเลกุลอินทรีย์ประเภทใดบ้างที่สามารถเกิดขึ้นเองได้

ซีริล ปอนนัมเปรูมา เขาทำการทดลองที่จำลองสถานการณ์ อุทกภาคและบรรยากาศดั้งเดิมโดยอิงตามหลักการทั่วไปของการทดลองคลาสสิกของมิลเลอร์-ยูเรย์ นักวิทยาศาสตร์ท่านนี้วางขวดแก้วที่มีไอน้ำระเหยและสะสมผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาทั้งหมดในบรรยากาศรีดิวซ์ ซึ่งเมื่อสัมผัสโดยตรงจะก่อให้เกิดสิ่งที่เขาเรียกว่า "บรรยากาศรีดิวซ์" “ซุปดั้งเดิม”ในการทดลองครั้งหนึ่ง เขาได้นำเสนอวิธีแก้ปัญหา ไฮโดรเจนไซยาไนด์ (HCN) ต่อการกระทำของรังสีอัลตราไวโอเลตเป็นเวลาหลายวันและพบว่า เบสไนโตรเจน ได้แก่ อะดีนีนและกัวนีนองค์ประกอบสำคัญของกรดนิวคลีอิกที่มีอยู่ในสิ่งมีชีวิต ผลลัพธ์นี้ตอกย้ำแนวคิดที่ว่า ภายใต้สภาวะที่เป็นไปได้บนโลกยุคแรกเริ่มนั้น สามารถสังเคราะห์กรดนิวคลีอิกได้ องค์ประกอบสำคัญของสารพันธุกรรม โดยไม่จำเป็นต้องมีการแทรกแซงทางชีวภาพล่วงหน้า

การทดลองของสแตนลีย์ มิลเลอร์และแฮโรลด์ ยูเรย์

แม้ว่าหลักการพื้นฐานของทฤษฎีเคมีสังเคราะห์จะถูกวางรากฐานครั้งแรกโดยโอพารินและฮัลเดน แต่ต่อมานักวิทยาศาสตร์สองคน –สแตนลีย์ มิลเลอร์ y ฮาโรลด์ ยูเรย์– พวกเขาจำลองสภาวะบรรยากาศดั้งเดิมในห้องปฏิบัติการขนาดเล็ก โดยอิงจากแบบจำลองในยุคนั้น เพื่อทำเช่นนั้น พวกเขาได้นำส่วนผสมของ... ไฮโดรเจน, มีเทน y แอมโมเนีย เป็นทวีคูณ ไฟฟ้าช็อตโดยมีเป้าหมายเพื่อจำลองพายุไฟฟ้าที่เชื่อกันว่าเกิดขึ้นบ่อยครั้งบนโลกยุคแรก ผลลัพธ์ที่ได้คือการสังเคราะห์แนวคิดหลายประการเข้าด้วยกัน กรดอินทรีย์รวมถึงกรดอะมิโนด้วย

จุดประสงค์พื้นฐานของการทดสอบนี้คือเพื่อแสดงให้เห็นว่า การสังเคราะห์สารประกอบอินทรีย์ มันอาจเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติจากโมเลกุลอย่างง่ายที่มีอยู่ในชั้นบรรยากาศแรก หากมีแหล่งพลังงานที่เพียงพอ การทดลองนี้ถือเป็นหนึ่งในหลักฐานเชิงประจักษ์ที่มีอิทธิพลมากที่สุดที่สนับสนุนทฤษฎีเคมีสังเคราะห์

ในการออกแบบการทดลอง มิลเลอร์และยูเรย์ใช้ ภาชนะแก้วในวงจรปิดในการทดลองนี้ นำน้ำปริมาณหนึ่งใส่ลงในขวดแก้วให้เต็มเพียงบางส่วน แล้วต่อเข้ากับห้องอีกห้องหนึ่งที่บรรจุส่วนผสมของก๊าซดังกล่าว จากนั้นให้ความร้อนแก่น้ำจนเดือด เกิดเป็นไอน้ำไหลเวียนเข้าไปในห้องก๊าซ ขณะเดียวกัน ระบบอิเล็กโทรดก็สร้างกระแสไฟฟ้าแรงสูงไหลผ่านส่วนผสมนั้น จำลองสถานการณ์พายุในยุคก่อนประวัติศาสตร์ หลังจากนั้น ไอน้ำและก๊าซจะควบแน่นและไหลกลับไปยังขวดแก้วที่มีน้ำอยู่ ทำให้วงจรครบวงจร การทดลองใช้เวลาประมาณ... หนึ่งสัปดาห์ซึ่งเป็นกระบวนการที่นำผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นมาวิเคราะห์

สัญญาณแรกที่บ่งชี้ว่าเกิดปฏิกิริยาเคมีขึ้นคือ การเปลี่ยนแปลงของน้ำซึ่งในตอนแรกมีลักษณะโปร่งใส และเมื่อเวลาผ่านไปก็เริ่มมีสีชมพูระเรื่อ ก่อนที่จะเปลี่ยนเป็นสีน้ำตาลในที่สุด การเปลี่ยนแปลงนี้ถูกตีความว่าเป็นผลมาจากการเจริญเติบโต ความเข้มข้นของกรดอะมิโนและโมเลกุลอินทรีย์อื่นๆ สังเคราะห์ขึ้นในระบบ มีการระบุกรดอะมิโนหลายชนิดโดยใช้เทคนิคการวิเคราะห์ทางเคมี ซึ่งรวมถึง glycine y อะลานีนนอกจากสารประกอบอินทรีย์ที่จำเป็นอื่นๆ แล้ว

การทดลองนี้เป็นหลักฐานสำคัญที่สนับสนุนทฤษฎีที่ว่าสิ่งมีชีวิตรูปแบบแรกอาจเกิดขึ้นจาก... ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ในชั้นบรรยากาศและมหาสมุทรดั้งเดิม โดยไม่จำเป็นต้องมีการแทรกแซงจากสิ่งเหนือธรรมชาติโดยตรง แต่เป็นผลมาจากกฎของเคมีและฟิสิกส์ในสภาพแวดล้อมที่เหมาะสม

ข้อจำกัดในการตรวจสอบ

การทดลองที่ดำเนินการเพื่อทดสอบทฤษฎีเคมีสังเคราะห์ได้แสดงให้เห็นอย่างประสบความสำเร็จว่าทฤษฎีนี้เป็นจริง น่าเชื่อถือ ทฤษฎีที่ว่ากำเนิดของชีวิตเป็นไปตามที่โอพารินและฮัลเดนได้อธิบายไว้ ได้รับการสนับสนุนจากงานวิจัยของนักวิจัยเช่น มิลเลอร์ ยูเรย์ พอนนัมเปรูมา ฟ็อกซ์ และคนอื่นๆ อย่างไรก็ตาม ข้อเท็จจริงที่ว่ากระบวนการทั้งหมดนี้เกิดขึ้นในช่วงเวลาหนึ่งนั้นไม่อาจมองข้ามได้ ช่วงเวลาอันยาวนานซึ่งครอบคลุมถึงการเปลี่ยนแปลงทางเคมีของดาวเคราะห์อย่างค่อยเป็นค่อยไป

เนื่องจากช่วงเวลาอันยาวนานนี้ ซึ่งครอบคลุมกระบวนการทั้งหมดของการกำเนิดสิ่งมีชีวิตบนโลก จึงปรากฏว่า เป็นไปไม่ได้ที่จะจำลองมันขึ้นมาใหม่ทั้งหมดและอย่างถูกต้องแม่นยำ ภายในห้องปฏิบัติการ นักวิทยาศาสตร์สามารถจำลองสถานการณ์ดั้งเดิมได้เพียงบางส่วนภายใต้สมมติฐานบางประการ และศึกษาปฏิกิริยาเฉพาะที่ให้เบาะแสเกี่ยวกับสิ่งที่อาจเกิดขึ้น แต่พวกเขาไม่สามารถสร้างเรื่องราวทั้งหมดขึ้นมาใหม่ได้อย่างแม่นยำ

อุปสรรคของเวลา บวกกับ หลักฐานโดยตรงสูญหายไปเกือบทั้งหมด การขาดแคลนหินและฟอสซิลที่ได้รับการอนุรักษ์ไว้อย่างดีจากช่วงแรกเริ่มของสิ่งมีชีวิต ทำให้เหล่านักวิจัยต้องเผชิญกับสถานการณ์ที่ซับซ้อน และอาจไม่มีทางที่จะรู้ได้อย่างแน่ชัดเลยก็ได้ ด้วยความแม่นยำอย่างแท้จริง ไม่มีใครรู้ว่าสิ่งมีชีวิตกลุ่มแรกที่อาศัยอยู่บนโลกเกิดขึ้นได้อย่างไร หรือลำดับเหตุการณ์ทางเคมีและชีวภาพที่แน่นอนเป็นอย่างไร

ถึงแม้จะมีข้อเสียอยู่บ้าง แต่ทฤษฎีเคมีสังเคราะห์ก็ทำให้เราสามารถสรุปได้ว่า ภาพที่สอดคล้องและถูกต้องตามหลักวิทยาศาสตร์ เกี่ยวกับสิ่งที่อาจเป็นจุดกำเนิดของสิ่งมีชีวิตบนโลก การบูรณาการข้อมูลจากธรณีวิทยา เคมี ชีววิทยาระดับโมเลกุล และดาราชีววิทยา ได้ก่อให้เกิดกรอบการอธิบายที่โมเลกุลอย่างง่ายค่อยๆ เปลี่ยนไปเป็นระบบที่ซับซ้อนขึ้น โดยได้รับอิทธิพลจากสภาพแวดล้อม ซึ่งสามารถจำลองตัวเอง เผาผลาญพลังงาน และวิวัฒนาการได้ มุมมองนี้ได้รับการปรับปรุงและเสริมเพิ่มเติมอย่างต่อเนื่อง และยังคงเป็นหนึ่งในข้อเสนอที่แข็งแกร่งที่สุดสำหรับการทำความเข้าใจว่าสสารเฉื่อยสามารถเปลี่ยนไปเป็นสิ่งมีชีวิตบนโลกของเราได้อย่างไร

บรรณานุกรม:

• เว็ตโต, มิเลนา (ไม่มีวันที่). ทฤษฎีเคมีสังเคราะห์: การกำเนิดของสิ่งมีชีวิตบนโลก:

https://www.lifeder.com/teoria-quimiosintetica/

• ลิขสิทธิ์ (2008-2019) นิยามของโคแอเซอร์เวต:

https://definicion.de/coacervados/

• มานูเอล (Nd) ทฤษฎีเคมีสังเคราะห์คืออะไร? หลักการพื้นฐานและการทดลอง

https://www.recursosdeautoayuda.com/teoria-quimiosintetica/

• ฮาลเดน-โอปาริน (n.d.) ทฤษฎีเคมีสังเคราะห์

https://portalacademico.cch.unam.mx/alumno/biologia2/unidad1/teoriaQuimiosintetica

ด้วยผลงานทางทฤษฎีและการทดลองทั้งหมดนี้ ทฤษฎีเคมีสังเคราะห์จึงได้รับการยอมรับว่าเป็นหนึ่งในคำอธิบายทางวิทยาศาสตร์ที่สมบูรณ์และละเอียดที่สุดเกี่ยวกับต้นกำเนิดของชีวิต โดยบูรณาการเคมีของโลกยุคดึกดำบรรพ์ พลังงานที่มีอยู่ในสภาพแวดล้อมนั้น และความสามารถโดยธรรมชาติของสสารในการจัดระเบียบตัวเองและวิวัฒนาการไปสู่รูปแบบที่ซับซ้อนมากขึ้นเรื่อยๆ