معلومة

5.5: الجزيئات العضوية الأولى - علم الأحياء

5.5: الجزيئات العضوية الأولى - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

كيف تصنع جزيئات كبيرة؟

من الأصغر. ربما كانت الجزيئات العضوية الأولى عبارة عن جزيئات كربون بسيطة جدًا مصنوعة من ذرات قليلة. ثم يتم دمج هذه الجزيئات مع جزيئات بسيطة أخرى لتشكيل جزيئات أكثر تعقيدًا. على مدى سنوات عديدة وربما تريليونات وتريليونات من التفاعلات الكيميائية ، تشكلت جزيئات أكثر تعقيدًا وجزيئات أكثر استقرارًا.

الجزيئات العضوية الأولى

كل الكائنات الحية تتكون من جزيئات عضوية، تتمحور حول عنصر الكربون. لذلك ، من المحتمل أن تكون الجزيئات العضوية قد تطورت قبل الخلايا ، ربما منذ 4 مليارات سنة. كيف تشكلت هذه اللبنات الأساسية للحياة؟

يعتقد العلماء أن البرق أثار تفاعلات كيميائية في الغلاف الجوي المبكر للأرض. احتوى الغلاف الجوي المبكر على غازات مثل الأمونيا والميثان وبخار الماء وثاني أكسيد الكربون. يفترض العلماء أن هذا خلق "حساء" من الجزيئات العضوية من المواد الكيميائية غير العضوية.

في عام 1953 ، استخدم العلماء ستانلي ميلر وهارولد أوري خيالهم لاختبار هذه الفرضية. قاموا بإنشاء تجربة محاكاة لمعرفة ما إذا كانت الجزيئات العضوية يمكن أن تنشأ بهذه الطريقة (انظر شكل أدناه). استخدموا مزيجًا من الغازات لتمثيل الغلاف الجوي المبكر للأرض. ثم قاموا بتمرير شرارات عبر الغازات لتمثيل البرق. في غضون أسبوع ، تكونت عدة جزيئات عضوية بسيطة.

يمكنك مشاهدة التمثيل الدرامي لتجربة ميلر وأوري على هذا الرابط: https: //www.youtube.com/watch؟ v = NNijmxsKGbc.

أي جزيء عضوي جاء أولاً؟

تحتاج الكائنات الحية إلى جزيئات عضوية لتخزين المعلومات الجينية ولتنفيذ العمل الكيميائي للخلايا. تستخدم الكائنات الحية الحديثة الحمض النووي لتخزين المعلومات الجينية والبروتينات لتحفيز التفاعلات الكيميائية. إذن ، هل تطور الحمض النووي أو البروتينات أولاً؟ هذا مثل السؤال عما إذا كانت الدجاجة أو البيضة تأتي أولاً. يشفر الحمض النووي البروتينات والبروتينات اللازمة لصنع الحمض النووي ، لذلك يحتاج كل نوع من الجزيئات العضوية الأخرى لوجودها. كيف يمكن لأي من هذين الجزيئين أن يتطور قبل الآخر؟ هل تطور جزيء عضوي آخر أولاً ، بدلاً من الحمض النووي أو البروتينات؟

فرضية RNA World

يعتقد بعض العلماء أن الحمض النووي الريبي ربما كان أول جزيء عضوي يتطور. في الواقع ، يعتقدون أن الحياة المبكرة كانت تعتمد فقط على الحمض النووي الريبي وأن الحمض النووي والبروتينات تطورت لاحقًا. هذا يسمى فرضية عالم الحمض النووي الريبي. لماذا RNA؟ يمكنه ترميز التعليمات الجينية (مثل الحمض النووي) ، ويمكن لبعض RNAs إجراء تفاعلات كيميائية (مثل البروتينات). لذلك ، فإنه يحل مشكلة الدجاجة والبيضة التي تأتي أولاً من هذين الجزيئين. تشير أدلة أخرى أيضًا إلى أن الحمض النووي الريبي قد يكون أقدم الجزيئات العضوية. يمكنك معرفة المزيد عن فرضية العالم RNA والأدلة على هذا الرابط: http: //www.youtube.com/watch؟ v = sAkgb3yNgqg.

ملخص

  • تشكلت الجزيئات العضوية الأولى منذ حوالي 4 مليارات سنة.
  • ربما حدث هذا عندما أثار البرق تفاعلات كيميائية في الغلاف الجوي المبكر للأرض.
  • قد يكون الحمض النووي الريبي هو أول جزيء عضوي يتشكل وكذلك أساس الحياة المبكرة.

استكشاف المزيد

استخدم شريط تمرير الوقت في هذا المورد للإجابة على الأسئلة التالية.

  • تطور على http://johnkyrk.com/evolution.swf.
  1. متى تشكل عنصر الكربون لأول مرة؟
  2. متى ظهرت العناصر الأولى في الغلاف الجوي للأرض وعلى سطحه؟
  3. قائمة 5 من هذه المواد الكيميائية في وقت مبكر.
  4. متى ظهرت الجزيئات العضوية الأولى؟
  5. ماذا كانت هذه الجزيئات العضوية الأولى؟ كيف تراكمت هذه الجزيئات العضوية؟

إعادة النظر

  1. وصف تجربة ميلر وأوري. ماذا أظهر؟
  2. اذكر فرضية عالم الحمض النووي الريبي.

الفرق بين الجزيئات العضوية وغير العضوية

يمكن تقسيم جميع الجزيئات إلى مجموعتين كعضوية وغير عضوية. هناك مجالات دراسة مختلفة تم تطويرها حول هذين النوعين من الجزيئات. تختلف هياكلها وسلوكها وخصائصها عن بعضها البعض.

جزيئات عضوية

الجزيئات العضوية هي جزيئات تتكون من الكربون. الجزيئات العضوية هي الجزيئات الأكثر وفرة في الكائنات الحية على هذا الكوكب. تشمل الجزيئات العضوية الرئيسية في الكائنات الحية الكربوهيدرات والبروتينات والدهون والأحماض النووية. تحتوي الأحماض النووية مثل الحمض النووي على معلومات وراثية عن الكائنات الحية. تصنع مركبات الكربون مثل البروتينات مكونات هيكلية لأجسامنا ، وتشكل الإنزيمات ، التي تحفز جميع وظائف التمثيل الغذائي. تزودنا الجزيئات العضوية بالطاقة للقيام بالوظائف اليومية. هناك أدلة تثبت أن جزيئات الكربون مثل الميثان كانت موجودة في الغلاف الجوي حتى قبل عدة مليارات من السنين. كانت هذه المركبات مع التفاعل مع المركبات غير العضوية الأخرى مسؤولة عن توليد الحياة على الأرض. ليس فقط ، نحن مكونون من جزيئات عضوية ، ولكن هناك أيضًا أنواع عديدة من الجزيئات العضوية من حولنا ، والتي نستخدمها كل يوم لأغراض مختلفة. الملابس التي نرتديها تتكون من جزيئات عضوية طبيعية أو اصطناعية. العديد من المواد في منازلنا عضوية أيضًا. يعتبر البنزين ، الذي يعطي الطاقة للسيارات والآلات الأخرى ، عضويًا. تتكون معظم الأدوية التي نتناولها ، والمبيدات الحشرية ، والمبيدات الحشرية من جزيئات عضوية. وبالتالي ، ترتبط الجزيئات العضوية بكل جانب من جوانب حياتنا تقريبًا. لذلك ، تطور موضوع منفصل مثل الكيمياء العضوية للتعرف على هذه المركبات. في القرنين الثامن عشر والتاسع عشر ، تم إحراز تقدم هام في تطوير الأساليب النوعية والكمية لتحليل المركبات العضوية. في هذه الفترة ، تم تطوير الصيغة التجريبية والصيغ الجزيئية لتحديد الجزيئات بشكل منفصل. ذرة الكربون هي رباعي التكافؤ ، بحيث يمكن أن تشكل فقط أربع روابط حولها. ويمكن لذرة الكربون أيضًا استخدام واحد أو أكثر من تكافؤاتها لتكوين روابط مع ذرات كربون أخرى. يمكن أن تشكل ذرة الكربون إما روابط مفردة أو مزدوجة أو ثلاثية مع ذرة كربون أخرى أو أي ذرة أخرى. تمتلك جزيئات الكربون أيضًا القدرة على الوجود كأيزومرات. تسمح هذه القدرات لذرة الكربون بتكوين ملايين الجزيئات بتركيبات مختلفة. يتم تصنيف جزيئات الكربون على نطاق واسع على أنها مركبات أليفاتية وعطرية. يمكن أيضًا تصنيفها على أنها فروع أو غير ممنوحة. يعتمد تصنيف آخر على نوع المجموعات الوظيفية التي لديهم. في هذا التصنيف ، تنقسم الجزيئات العضوية إلى ألكانات ، ألكينات ، ألكين ، كحول ، إثير ، أمين ، ألدهيد ، كيتون ، حمض كربوكسيلي ، إستر ، أميد وهالو ألكانات.

جزيئات غير عضوية

تُعرف تلك ، التي لا تنتمي إلى الجزيئات العضوية ، بالجزيئات غير العضوية. هناك تنوع كبير ، من حيث العناصر المرتبطة ، في الجزيئات غير العضوية. المعادن والماء ومعظم الغازات الوفيرة في الغلاف الجوي هي جزيئات غير عضوية. توجد مركبات غير عضوية تحتوي على الكربون أيضًا. ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون والكربونات والسيانيد والكربيدات هي بعض الأمثلة لتلك الأنواع من الجزيئات.

ما هو الفرق بين الجزيئات العضوية والجزيئات غير العضوية؟

• تعتمد الجزيئات العضوية على الكربون ، بينما تعتمد الجزيئات غير العضوية على عناصر أخرى.

• توجد بعض الجزيئات التي تعتبر جزيئات غير عضوية بالرغم من احتوائها على ذرات كربون. (مثل ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون والكربونات والسيانيد والكربيدات). لذلك ، يمكن تعريف الجزيئات العضوية على وجه التحديد على أنها جزيئات تحتوي على روابط C-H.

• توجد الجزيئات العضوية في الغالب في الكائنات الحية حيث تكون الجزيئات غير العضوية وفيرة في الغالب في الأنظمة غير الحية.

• للجزيئات العضوية بشكل أساسي روابط تساهمية بينما في الجزيئات غير العضوية ، توجد روابط تساهمية وأيونية.

• الجزيئات غير العضوية لا يمكن أن تشكل بوليمرات طويلة السلسلة كما تفعل الجزيئات العضوية.


دورة النيتروجين (مع رسم بياني) | فيزياء النبات

النيتروجين هو رابع أكثر العناصر انتشارًا في الأنظمة الحية. وهو مكون من عدد من المركبات العضوية مثل الأحماض الأمينية والبروتينات والنيوكليوتيدات والحمض النووي والهرمونات والكلوروفيل والعديد من الفيتامينات ، إلخ.

ومع ذلك ، فإن توافرها وخجلها من التربة محدود ، وحتى بالنسبة لتلك النباتات يجب أن تتنافس مع الميكروبات في كل من النظم البيئية الطبيعية والزراعية. يتوفر النيتروجين في الغلاف الجوي بكثرة (78٪ من الغلاف الجوي على شكل ثنائي النيتروجين أو N2) لكن النباتات لا تستطيع امتصاصها مباشرة.

لذلك ، فإن النيتروجين هو العنصر الأكثر أهمية. يتم الحفاظ على الإمداد المنتظم من النيتروجين للنباتات من خلال دورة النيتروجين. دورة النيتروجين هي الدورة المنتظمة للنيتروجين بين الكائنات الحية ، وبركة الخزان في الغلاف الجوي ، وبركة ركوب الدراجات في الغلاف الصخري. يتم الحصول على مركبات النيتروجين من خزان الخزان من خلال تثبيت النيتروجين.

يتم تجديد حوض الخزان من خلال إزالة النترات من النترات وإطلاق النيتروجين من المواد العضوية المتحللة. يتم زيادة تجمع ركوب الدراجات عن طريق ammonification والنترة. تحصل النباتات على النيتروجين من التربة باعتباره NO3 & # 8211 (نترات) ، NH4 + (أمونيوم) ولا2& # 8211 (نتريت) أيونات. يتم تقليل النترات والنتريت إلى حالة الأمونيوم والتي يتم دمجها بعد ذلك في الأحماض الأمينية والبروتينات والمواد العضوية الأخرى.

هو تحويل النيتروجين الجوي الخامل أو ثنائي النيتروجين (N2) في مركبات النيتروجين القابلة للاستخدام مثل النترات والأمونيا والأحماض الأمينية وما إلى ذلك. هناك طريقتان لتثبيت النيتروجين - اللابيولوجية والبيولوجية. تثبيت النيتروجين اللابيولوجي هو نوعان آخران ، طبيعي وصناعي.

تثبيت النيتروجين اللابيولوجي الطبيعي:

يتحد النيتروجين في الغلاف الجوي مع الأكسجين في وجود التفريغ الكهربائي والأوزون والاحتراق. يتم إنتاج أنواع مختلفة من أكاسيد النيتروجين. تذوب أكاسيد النيتروجين في الماء وتنتج أحماض ناقصة النيتروز والنيتروز والنتريك. يدخلون التربة مع مياه الأمطار ويشكلون هيبونتريت ونتريت ونترات.

تثبيت النيتروجين اللابيولوجي الصناعي:

يتم إنتاج الأمونيا صناعيًا عن طريق الجمع المباشر بين النيتروجين والهيدروجين (المأخوذ من الماء) عند درجة حرارة وضغط مرتفعين. يتم تغييره إلى أنواع مختلفة من الأسمدة بما في ذلك اليوريا.

تثبيت النيتروجين البيولوجي:

إنها ثاني أهم عملية طبيعية والمصدر الرئيسي لتثبيت النيتروجين الذي يتم إجراؤه بواسطة نوعين من بدائيات النوى ، البكتيريا والبكتيريا الزرقاء (= الطحالب الخضراء المزرقة).

وهي تشمل كلاً من أشكال العيش الحر والتكافل:

(أ) البكتيريا الحية المثبتة للنيتروجين:

Azotobacter و Beijerinckia (كلاهما هوائي) و Bacillus و Klebsiella و Clostridium (كلها لاهوائية) هي بكتيريا رمية تقوم بتثبيت النيتروجين. Desulphovibrio هي بكتيريا تثبيت النيتروجين كيميائيا. Rhodopseudomonas و Rhodospirillum و Chromatium عبارة عن بكتيريا لاهوائية ذاتية التغذية تعمل على تثبيت النيتروجين. تضيف بكتيريا تثبيت النيتروجين الحية الحرة 10-25 كجم من النيتروجين / هكتار / سنة.

(ب) البكتيريا الزرقاء التي تعمل على تثبيت النيتروجين:

تقوم العديد من الطحالب الزرقاء والخضراء الحية (BGA) أو البكتيريا الزرقاء بإجراء تثبيت النيتروجين ، على سبيل المثال ، Anabaena و Nostoc و Calothrix و Lyngbia و Aulosira و Cylindrospermum و Trichodesmium. يضيفون 20-30 كجم من النيتروجين لكل هكتار من التربة والمسطحات المائية.

تعد البكتيريا الزرقاء مهمة أيضًا من الناحية البيئية لأنها تحدث في المياه والتربة المتساقطة حيث يمكن أن تنشط البكتيريا المزيلة للنيتروجين. Aulosira فيرتالسيما هو أكثر مثبتات النيتروجين نشاطًا في حقول الأرز بينما Cylindrospermum نشط في حقول قصب السكر والذرة.

(ج) البكتيريا الزرقاء التي تثبت النيتروجين التكافلي:

تعد أنواع Anabaena و Nostoc من الأنواع المتكافلة الشائعة في جذور الأشنات والأنثوسيروس والأزولا والسيكاد. أزولا بيناتا (سرخس مائي) بها أنابينا أزولاي في سعفها. غالبًا ما يتم تلقيحها في حقول الأرز لتثبيت النيتروجين.

(د) بكتيريا تثبيت النيتروجين التكافلية:

الريزوبيوم هو النيتروجين الذي يعمل على تثبيت النيتروجين في الجذور الحليمية. يحتوي Sesbania rostrata على Rhizobium في العقيدات الجذرية و Aerorhizobium في العقيدات الجذعية.

تتعايش الفرانكيا في العقيدات الجذرية للعديد من النباتات غير البقعية مثل Casuarina (الصنوبر الأسترالي) و Myrica و Alnus (Alder). تشكل Xanthomonas و Mycobacterium ارتباطًا تكافليًا مع أوراق العديد من أعضاء rubiaceae و myrsinaceae (على سبيل المثال ، Ardisia).

يعيش كل من Rhizobium و Frankia مجانًا كأيروبيوم في التربة ولكنهما غير قادرين على إصلاح النيتروجين. يطورون القدرة على إصلاح النيتروجين فقط كمتعايش عندما يصبحون لاهوائيين. Rhizobium عبارة عن بكتيريا على شكل قضيب بينما فرانكيا عبارة عن فطريات شعاعية.

يعد Rhizo & shybium الأكثر أهمية لأراضي المحاصيل لأنه مرتبط بالبقول والبقوليات الأخرى للعائلة ، مثل الحمص أو الجرام (Cicer arietinum) أو البازلاء أو الجرام الأحمر (Cajanus cajan) أو الحديقة أو البازلاء الصالحة للأكل ( Pisum sativum) ، فول الصويا (Glycine max) ، العدس (Lens culinaris) ، Green Gram (Vigna radiata = Phaseolus aureus) ، Black Gram (Vigna أو Phaseolus mungo) ، البرسيم الحلو ، البازلاء الحلوة ، البرسيم ، الفاصوليا العريضة ، البرسيم. تعيش عدة أنواع من البكتيريا (على سبيل المثال ، Rhizobium leguminosarum ، R. meliloti) في التربة.

إنهم غير قادرين على إصلاح النيتروجين بأنفسهم. تفرز جذور البقوليات جاذبات كيميائية (مركبات الفلافونويد والبيتاين). تتجمع البكتيريا فوق شعيرات الجذور ، وتطلق عوامل الإيماء التي تسبب تجعد شعر الجذور حول البكتيريا ، وتدهور جدار الخلية وتشكيل خيط عدوى يحيط البكتيريا (الشكل 12.11).

خيط العدوى ينمو مع تكاثر البكتيريا. تتفرع ونهاياتها لتقع في نقاط بروتوكسيلم متقابلة في حبلا الأوعية الدموية. تتمايز الخلايا القشرية المصابة وتبدأ في الانقسام. ينتج عنه تورمات أو عقيدات.

يتم تحفيز تكوين العقيدات بواسطة الأوكسين الذي تنتجه الخلايا القشرية والسيتوكينين الذي تحرره البكتيريا الغازية. تتضخم الخلايا المصابة. تتوقف البكتيريا عن الانقسام وتشكل هياكل غير منتظمة متعددة السطوح تسمى البكتريا (الشكل 12.12). ومع ذلك ، فإن بعض البكتيريا تحتفظ ببنيتها الطبيعية وتقسم وتغزو مناطق جديدة. تحدث البكتيريا في الخلية المصابة في مجموعات محاطة بغشاء مضيف.

تطور الخلية المضيفة صبغة وردية تسمى هيموجلوبين الساق (Lb). وهو كاسح للأكسجين ويرتبط بصبغة الدم بالهيموجلوبين. إنه يحمي إنزيم النيتروجين الذي يثبت النيتروجين من الأكسجين. يتطلب تثبيت النيتروجين التكافلي التعاون بين جينات Nod للبقوليات ، والإيماءة ، و nif ، وتثبيت مجموعات الجينات من البكتيريا.

آلية تثبيت النيتروجين:

يتطلب تثبيت النيتروجين (1) طاقة مختزلة مثل NADPH و FMNH2 (2) مصدر طاقة مثل ATP (iii) إنزيم ثنائي النيتروجين و (4) مركبات لاحتجاز الأمونيا المتكونة من تقليل ثنائي النيتروجين. يحتوي إنزيم النيتروجيناز على الحديد والموليبدينوم. كلاهما يشارك في ربط جزيء النيتروجين (N2).

تضعف الروابط بين ذرتي النيتروجين بسبب ارتباطها بالمكونات المعدنية. جزيء النيتروجين الضعيف يعمل به الهيدروجين (الشكل 12.13) من أنزيم مختزل. ينتج ديميد (N.2ح2) ، هيدرازين (ن2ح4) ثم الذخيرة والشينيا (2NH3).

لا يتم تحرير الأمونيا. إنها سامة بكميات صغيرة. يحمي مثبتات النيتروجين أنفسهم منه عن طريق توفير الأحماض العضوية. يؤدي التفاعل بين الأمونيا والأحماض العضوية إلى تكوين أحماض أمينية.

ن5 + 8e & # 8211 8H + + 16ATP- ثنائي نيتروجيناز → 2NH3 + 2 H + + 16ADP + l6Pi

الأمونيا + α-ketoglutarate + NAD (P) H- نازعة الهيدروجين → الجلوتامات + NAD (P) + + H2ا

تقوم الكائنات الحية المثبتة للنيتروجين التكافلي بتسليم جزء من نيتروجينها الثابت إلى المضيف مقابل المأوى والطعام. لا تثري مثبتات النيتروجين الحية التربة على الفور. فقط بعد وفاتهم يدخل النيتروجين الثابت إلى حوض ركوب الدراجات. يحدث في خطوتين ، النترجة و ammonification.

يتم تنفيذه عن طريق الكائنات الحية المسببة للتسوس. تعمل على إفرازات النيتروجين والخجل وبروتينات الأجسام الميتة للكائنات الحية ، على سبيل المثال ، Bacillus ramosus و B. vulgaris و B. mesentericus و Actinomyces. يتم تقسيم البروتينات أولاً إلى أحماض أمينية. هذا الأخير هو فاقد للأمين. يتم استخدام الأحماض العضوية التي يتم إطلاقها في هذه العملية بواسطة الكائنات الحية الدقيقة في عملية التمثيل الغذائي الخاصة بها.

لا تبقى الأمونيا في الحالة الغازية في التربة ولكنها تتحول إلى الشكل الأيوني (NH +). يمكن استخدامه من قبل النباتات بشرط أن يكون الرقم الهيدروجيني للتربة أكثر من 6 ويحتوي النبات على أحماض عضوية وفيرة. على عكس النترات ، يمكن لعدد قليل جدًا من النباتات تخزين أيونات الأمونيوم (على سبيل المثال ، بيجونيا ، أوكساليس).

إنها ظاهرة تحويل نيتروجين الأمونيوم إلى نترات نيتروجين. يتم إجراؤه على خطوتين - تشكيل النتريت وتكوين النترات. يمكن تنفيذ كلا الخطوتين بواسطة Aspergillus flavus. في الخطوة الأولى ، تتأكسد أيونات الأمونيوم إلى nitrites Nitrosococcus ، Nitrosomonas. يتم تغيير النتريت إلى نترات في الخطوة الثانية ، على سبيل المثال ، Nitrocystis ، Nitrobacter.

معظم البكتيريا التي تقوم بعملية النترجة (على سبيل المثال ، Nitrosococcus ، Nitrosomonas ، Nitrobacter) هي كيميائية تغذوية. يستخدمون الطاقة المحررة أثناء النترتة في تخليق المواد العضوية من ثاني أكسيد الكربون2 ومانح الهيدروجين. وبالتالي فهي ذاتية التغذية لا تستخدم الطاقة الشمسية لتخليق الطعام.

في ظل الظروف اللاهوائية (مثل تسجيل المياه ونضوب الأكسجين) ، تستخدم بعض الكائنات الحية الدقيقة النترات والأيونات المؤكسدة الأخرى كمصدر للأكسجين. في هذه العملية ، يتم تقليل النترات إلى مركبات غازية من النيتروجين. هذا الأخير يهرب من التربة. البكتيريا الشائعة التي تسبب إزالة النتروجين من التربة هي Pseudomonas denitrificans و Thiobacillus denitrificans و Micrococcus denitrificans.

يمكن أيضًا تكسير أكاسيد النيتروجين التي تتسرب إلى الغلاف الجوي أو تتشكل أثناء التثبيت البيولوجي عن طريق الغارات لتشكيل النيتروجين الجزيئي. إن إزالة النتروجين من التربة لا يؤدي فقط إلى استنزاف التربة لمغذيات مهمة ، ولكنه يتسبب أيضًا في تحمض التربة وهو ضار بنفس القدر في إذابة المعادن الضارة.

استيعاب النترات:

النترات هي أهم مصدر للنيتروجين للنباتات. يمكن أن تتراكم في النسغ الخلوي للعديد من النباتات وتشارك في إنتاج الإمكانات التناضحية. ومع ذلك لا يمكن أن تستخدم على هذا النحو من قبل النباتات. يتم تقليله أولاً إلى مستوى الأمونيا قبل دمجه في المركبات العضوية. الحد من النترات يحدث في خطوتين.

(ط) تقليل النترات إلى نتريت:

يتم تنفيذه بواسطة وكالة إنزيم محفز يسمى اختزال النترات. الإنزيم هو بروتين موليبدوفلافوبروتين. يتطلب أنزيمًا مُعادًا ومُحددًا (NADH أو NADPH) لنشاطه. يتم إحضار الإنزيم المختزل في اتصال مع النترات بواسطة FAD أو FMN.

(2) الحد من النتريت:

يتم إجراؤه بواسطة إنزيم اختزال النتريت. الإنزيم عبارة عن بروتين معدني يحتوي على النحاس والحديد. يحدث داخل البلاستيدات الخضراء في خلايا الأوراق والبلاستيدات البيضاء للخلايا الأخرى. على النقيض من ذلك ، تم العثور على اختزال النترات مرتبطًا بشكل فضفاض بغشاء الخلية. يتطلب اختزال النتريت تقليل الطاقة.

إنه NADPH في الخلايا المضيئة و NADH في الخلايا الأخرى. تتطلب عملية الاختزال أيضًا الفيروكسين الذي يحدث في النباتات العليا غالبًا في الأنسجة الخضراء. لذلك ، يُفترض أنه في النباتات العليا ، يتم نقل النتريت إلى خلايا الأوراق أو أن بعض المانحين الإلكترونيين الآخرين (مثل FAD) يعمل في خلايا غير مضاءة. ناتج اختزال النتريت هو الأمونيا.

لا يتم تحرير الأمونيا. يتحد مع بعض الأحماض العضوية لإنتاج الأحماض الأمينية. ثم تشكل الأحماض الأمينية أنواعًا مختلفة من المركبات النيتروجينية.

توليف أمينو:

أول المركبات العضوية لامتصاص النيتروجين هي أحماض الذخيرة.

يتم تصنيعها باتباع ثلاث طرق:

1. التحسين الاختزالي:

في وجود ديهيدروجينيز (على سبيل المثال ، نازعة هيدروجين الجلوتامات ، نازعة هيدروجين الأسبارتات) ، أنزيم مخفض (NADH أو NADPH) ، يمكن للأمونيا أن تتحد مباشرة مع حمض عضوي كيتو مثل حمض أ-كيتوجلوتاريك وحمض أوكسالو أسيتيك لتكوين حمض أميني.

2. الوسيط التحفيزي:

تتحد الأمونيا مع الكميات التحفيزية من حمض الجلوتاميك في وجود ATP وإنزيم الجلوتامين المركب. ينتج أميد يسمى الجلوتامين. يتفاعل الجلوتامين مع حمض الكيتوجلوتاريك في وجود إنزيم الجلوتامات المركب لتكوين جزيئين من الجلوتامات. مطلوب إنزيم مساعد مخفض (NADH أو NADPH).

إنه نقل المجموعة الأمينية (& gt CH NH2) من حمض أميني واحد مع مجموعة كيتو (& gt С = О) من حمض الكيتو. الإنزيم المطلوب هو ترانساميناز أو أمينوترانس وشيفراز. حمض الجلوتاميك هو الحمض الأميني الأساسي الذي يشارك في نقل المجموعة الأمينية (إلى ما يصل إلى سبعة عشر حمضًا أمينيًا).

وهي من مشتقات الأحماض الأمينية التي يتم فيها استبدال مكون & # 8211 OH من المجموعة الكربوكسيلية (- COOH) بمجموعة أمينية أخرى (- NH2). الأميدات هي ، بالتالي ، أحماض كيتو مزدوجة أمين. الأميدان الأكثر شيوعًا هما الجلوتامين والأسباراجين.

تتشكل من وسط حامض الجلوتاميك وحمض الأسبارتيك على التوالي. أميد شائع آخر هو فيتامين النياسين أميد (النياسين أ). الجلوتامين والأسباراجين مكونان من البروتينات إلى جانب الأحماض الأمينية.

يتطلب تكوينها ATP والأمونيا وإنزيم synthetase (الجلوتامين synthetase ، مركب الأسباراجين). تؤدي الأميدات وظيفتين أخريين - تخزين النيتروجين الزائد والنقل.


سيناريو تجمع المد والجزر لأصل البوليمرات وتكرار الكيمياء

في هذا السيناريو ، ستتركز المونومرات العضوية البريبايوتيكية في برك المد والجزر في حرارة يوم بدائي ، تليها البلمرة عن طريق تخليق الجفاف. إن تكوين روابط البوليمر هو تفاعل "شاق" يتطلب طاقة حرة. درجات حرارة عالية جدًا ( حرارة الخبز) يمكن ربط المونومرات عن طريق تخليق الجفاف في المختبر ، وربما فعلت ذلك في رواسب أحواض المد والجزر لتكوين بوليمرات عشوائية. يفترض هذا السيناريو كذلك أن تشتت هذه البوليمرات من برك المد والجزر مع مد وجزر المد والجزر المرتفع. يتم توضيح سيناريو تجمع المد والجزر أدناه (الشكل 2).

الشكل 2: سيناريو تجمع المد والجزر

قد يكون تركيز المونومرات العضوية المفترضة في قاع برك المد والجزر قد أتاح فرصًا لتحفيز البلمرة ، حتى في حالة عدم وجود حرارة عالية جدًا. العديد من المعادن (النيكل والبلاتين والفضة وحتى الهيدروجين) عبارة عن محفزات غير عضوية قادرة على تسريع العديد من التفاعلات الكيميائية. كان من المحتمل أن توجد المعادن الأثقل في قشرة الأرض وكذلك في رواسب المحيطات البدائية ، كما هو الحال اليوم. وقد ثبت أن هذه المجاميع المعدنية في التربة والطين تمتلك خصائص تحفيزية. علاوة على ذلك ، أصبحت المعادن (على سبيل المثال ، المغنيسيوم والمنغنيز ...) جزءًا لا يتجزأ من العديد من الإنزيمات ، بما يتوافق مع أصل المحفزات البيولوجية في محفزات معدنية مجمعة أبسط في رواسب المحيطات.

قبل الحياة ، كان يمكن للأسطح الدقيقة للرواسب الغنية بالمعادن ، إذا لم يتم إزعاجها ، أن تحفز نفس التفاعلات أو التفاعلات المماثلة على الأقل بشكل متكرر ، مما يؤدي إلى مجموعات ذات صلة من البوليمرات. ضع في اعتبارك إمكانيات مونومرات وبوليمرات الرنا ، بناءً على افتراض أن الحياة بدأت في عالم الرنا. الاحتمالات موضحة أدناه في الشكل 3.

الشكل 3: تكرار البوليمرات في بركة المد والجزر

النتيجة المتوقعة هنا هي تكوين ليس فقط بوليمرات RNA (ربما تكون قصيرة فقط في البداية) ، ولكن جزيئات RNA مزدوجة الشريطة H مرتبطة بشكل فعال في كل دورة من التركيز والبلمرة والتشتت. كان من الممكن أن تدعم الحرارة والطاقة الحرة المنبعثة من نفس التفاعلات البلمرة ، في حين أن الحفز كان سيعزز دقة تكرار الحمض النووي الريبي.

بالطبع ، في سيناريو تجمع المد والجزر ، قد تؤدي الحرارة المرتفعة المتكررة أو أي هجوم فيزيائي أو كيميائي آخر إلى تحلل البوليمرات المشكلة حديثًا. ولكن ماذا لو كانت بعض خيوط الرنا المزدوجة أكثر مقاومة للتدمير. سوف تتراكم مثل هذه النسخ المبكرة من الرنا المزدوج على حساب الأضعف والأكثر حساسية. فقط الأصلح سيتم اختيار الجزيئات المكررة وتستمر في البيئة! يعكس التراكم البيئي للبوليمرات الهيكلية والقابلة للتكرار والمستقرة مادة كيميائية بريبايوتك التوازن (إحدى خصائص الحياة هذه!)

بشكل عام ، هذا السيناريو معلق بشكل جيد ، وقد فعل ذلك لعدة عقود. ومع ذلك ، هناك الآن أسئلة صعبة حول فرضية بيئة الحد من البريبايوتك. تشير الأدلة الحديثة إلى أن الغلاف الجوي للأرض لم يكن يتقلص على الإطلاق ، مما يلقي بظلال من الشك على فكرة أن الخلايا الأولى على الكوكب كانت كائنات غيرية التغذية. تطرح المقترحات الحديثة مصادر بديلة للطاقة الحرة التي تحتوي على البريبايوتك والجزيئات العضوية التي تبدو مختلفة تمامًا عن تلك التي يفترضها أوبارين وهالدين وأوري وميلر.


أصل الحياة: النظرية الحديثة لأصل الحياة

وفقًا لهذه النظرية ، نشأت الحياة على الأرض المبكرة من خلال العمليات الفيزيائية والكيميائية للذرات التي تتحد لتشكل جزيئات ، وتتفاعل الجزيئات بدورها لإنتاج مركبات عضوية وغير عضوية. تفاعلت المركبات العضوية لإنتاج جميع أنواع الجزيئات الكبيرة التي تم تنظيمها لتشكيل أول نظام أو خلايا حية.

الصورة مجاملة: upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6f/Blacksmoker_in_Atlantic_Ocean.jpg

وهكذا ، وفقًا لهذه النظرية ، نشأت "الحياة" على أرضنا تلقائيًا من مادة غير حية. تم تكوين المركبات غير العضوية أولاً ثم المركبات العضوية وفقًا للظروف البيئية المتغيرة باستمرار. هذا يسمى التطور الكيميائي الذي لا يمكن أن يحدث في ظل الظروف البيئية الحالية على الأرض. كانت الظروف المناسبة لأصل الحياة موجودة فقط على الأرض البدائية.

تسمى نظرية أوبارين هالدين أيضًا بالنظرية الكيميائية أو النظرية الطبيعية. كان A. I. Oparin (1894-1980) عالمًا روسيًا. أصدر كتابه "أصل الحياة" عام 1936 ونسخة باللغة الإنجليزية عام 1938. ج. ولد هالدين (1892-1964) في إنجلترا لكنه هاجر إلى الهند في يوليو 1957 واستقر في بوبانسوار ، أوريسا. كان عالم أحياء وكيمياء حيوية وعالم وراثة. أعطى كل من Oparin (1938) و Haldane (1929) وجهات نظر مماثلة فيما يتعلق بأصل الحياة.

تشمل آراء المودم المتعلقة بأصل الحياة التطور الكيميائي والتطور البيولوجي:

أ. التطور الكيميائي (Chemogeny):

1. المرحلة الذرية:

كانت الأرض المبكرة تحتوي على عدد لا يحصى من الذرات من كل هذه العناصر (على سبيل المثال ، الهيدروجين والأكسجين والكربون والنيتروجين والكبريت والفوسفور وما إلى ذلك) والتي تعتبر ضرورية لتكوين البروتوبلازم. تم فصل الذرات في ثلاث كتل متحدة المركز وفقًا لأوزانها ، (أ) تم العثور على أثقل ذرات من الحديد والنيكل والنحاس وما إلى ذلك في مركز الأرض ، (ب) ذرات متوسطة الوزن من الصوديوم والبوتاسيوم والسيليكون والمغنيسيوم تم جمع الألمنيوم والفوسفور والكلور والفلور والكبريت وما إلى ذلك في قلب الأرض ، (ج) شكلت أخف ذرات النيتروجين والهيدروجين والأكسجين والكربون وما إلى ذلك الغلاف الجوي البدائي.

2. تكوين الجزيئات غير العضوية:

تتحد الذرات الحرة لتكوين جزيئات غير عضوية مثل H2 (هيدروجين) ، ن2 (نيتروجين) ، H20 (بخار الماء) ، CH4 (الميثان) ، نيو هامبشاير3 (الأمونيا) ، C02 (نشبع). كانت ذرات الهيدروجين أكثر عددًا وأكثرها تفاعلًا في الغلاف الجوي البدائي.

تم دمج ذرات الهيدروجين الأولى مع جميع ذرات الأكسجين لتكوين الماء وعدم ترك الأكسجين الحر. وهكذا كان الغلاف الجوي البدائي يقلل من الغلاف الجوي (بدون أكسجين حر) على عكس الغلاف الجوي المؤكسد الحالي (مع الأكسجين الحر).

تتحد ذرات الهيدروجين أيضًا مع النيتروجين ، مكونة الأمونيا (NH3). لذلك ربما كان الماء والأمونيا هما أول جزيئات الأرض البدائية.

3. تكوين جزيئات عضوية بسيطة (مونومرات):

تفاعلت الجزيئات غير العضوية المبكرة وأنتجت جزيئات عضوية بسيطة مثل السكريات البسيطة (على سبيل المثال ، الريبوز ، الديوكسيريبوز ، الجلوكوز ، إلخ) ، القواعد النيتروجينية (مثل البيورينات ، البيريميدين) ، الأحماض الأمينية ، الجلسرين ، الأحماض الدهنية ، إلخ.

يجب أن تكون الأمطار الغزيرة قد سقطت. مع اندفاع المياه للأسفل ، لا بد أنها ذابت بعيدًا وحملت معها الأملاح والمعادن ، وتراكمت في النهاية على شكل محيطات. وهكذا احتوت مياه المحيط القديمة على كميات كبيرة من NH الذائب3، CH4، HCN ، النتريدات ، الكربيدات ، الغازات والعناصر المختلفة.

CH4 + C02 + ح20 - & gt السكريات + الجلسرين + الأحماض الدهنية

CH4 + HCN + NH3 + ح20 - & GT البيورينات + بيريميدين

يجب أن تعمل بعض المصادر الخارجية على الخليط من أجل ردود الفعل. قد تكون هذه المصادر الخارجية (1) الإشعاعات الشمسية مثل الضوء فوق البنفسجي والأشعة السينية وما إلى ذلك ، (2) الطاقة من التفريغ الكهربائي مثل البرق ، (3) الإشعاعات عالية الطاقة هي مصادر أخرى للطاقة (ربما تكون النظائر غير المستقرة على الأرض البدائية). لم تكن هناك طبقة أوزون في الغلاف الجوي.

مرق يشبه الحساء من المواد الكيميائية التي تشكلت في محيطات الأرض المبكرة والتي يُعتقد أن الخلايا الحية ظهرت منها ، أطلق عليه JB Haldane (1920) "حساء البريبيوتيك" (يُطلق عليه أيضًا "حساء مخفف ساخن"). وهكذا تم إعداد المرحلة للجمع بين العناصر الكيميائية المختلفة. بمجرد تكوينها ، تتراكم الجزيئات العضوية في الماء لأن تحللها كان بطيئًا للغاية في غياب أي محفزات حياة أو إنزيم.

الدليل التجريبي للتطور الجزيئي أبوجينيك للحياة:

أظهر ستانلي ميلر في عام 1953 ، الذي كان حينها طالب دراسات عليا في Harold Urey (1893-1981) في جامعة شيكاغو ، بوضوح أن الأشعة فوق البنفسجية أو التصريفات الكهربائية أو الحرارة أو مزيج منها يمكن أن ينتج مركبات عضوية معقدة من خليط من الميثان والأمونيا والماء (تيار الماء) والهيدروجين. كانت نسبة الميثان والأمونيا والهيدروجين في تجربة ميلر 2: 1: 2.

قام ميلر بتعميم أربعة غازات - الميثان والأمونيا والهيدروجين وبخار الماء في جهاز محكم الهواء ومرر التفريغ الكهربائي من الأقطاب الكهربائية عند 800 درجة مئوية. مرر الخليط من خلال مكثف.

قام بتدوير الغازات بشكل مستمر بهذه الطريقة لمدة أسبوع ثم قام بتحليل التركيب الكيميائي للسائل داخل الجهاز. وجد عددًا كبيرًا من المركبات العضوية البسيطة بما في ذلك بعض الأحماض الأمينية مثل الألانين والجليسين وحمض الأسبارتيك. أجرى ميلر التجربة لاختبار فكرة أن الجزيئات العضوية يمكن تصنيعها في بيئة مختزلة.

كما توجد مواد أخرى ، مثل اليوريا وسيانيد الهيدروجين وحمض اللبنيك وحمض الخليك. في تجربة أخرى قام ميلر بتعميم خليط الغازات بنفس الطريقة لكنه لم يمرر التفريغ الكهربائي. لم يستطع الحصول على عائد كبير من المركبات العضوية.

في وقت لاحق ، قام العديد من الباحثين بتجميع مجموعة كبيرة ومتنوعة من المركبات العضوية بما في ذلك البيورينات والبيريميدين والسكريات البسيطة وما إلى ذلك. على الأرض البدائية.

4. تكوين الجزيئات العضوية المعقدة (الجزيئات الكبيرة):

مجموعة متنوعة من الأحماض الأمينية والأحماض الدهنية والهيدروكربونات وقواعد البيورين والبيريميدين والسكريات البسيطة والمركبات العضوية الأخرى المتراكمة في البحار القديمة. في الغلاف الجوي البدائي ، ربما يكون التفريغ الكهربائي والبرق والطاقة الشمسية و ATP والبولي فوسفات مصدر الطاقة لتفاعلات البلمرة للتوليف العضوي.

S.W. أوضح فوكس من جامعة ميامي أنه إذا تم تسخين خليط شبه جاف من الأحماض الأمينية ، يتم تصنيع جزيئات البولي ببتيد. وبالمثل ، يمكن أن تشكل السكريات البسيطة عديد السكاريد ويمكن أن تتحد الأحماض الدهنية لإنتاج الدهون. يمكن أن تشكل الأحماض الأمينية بروتينات ، عندما تشارك عوامل أخرى.

وبالتالي فإن الجزيئات العضوية البسيطة الصغيرة مجتمعة لتكوين جزيئات عضوية كبيرة ومعقدة ، على سبيل المثال ، وحدات الأحماض الأمينية التي انضمت لتكوين عديد ببتيدات وبروتينات ، ووحدات سكر بسيطة مجتمعة لتكوين السكريات والأحماض الدهنية والجلسرين متحدة لتشكيل الدهون والسكريات والقواعد النيتروجينية والفوسفات مجتمعة في النيوكليوتيدات التي بلمرة في الأحماض النووية في المحيطات القديمة.

القواعد النيتروجينية + السكريات الخماسية + الفوسفات - & # 8212 & # 8212 & gt نيوكليوتيدات

نيوكليوتيدات + نيوكليوتيدات & # 8212 & # 8212 & # 8212 & # 8211 & GT أحماض نووية

الذي جاء أول RNA أم بروتين؟

الفرضية الأولى لـ RNA:

In the early 1980s three scientists (Leslia orgel, Francis Crick and Carl Woese) independently proposed the RNA World as the first stage in the evolution of life in which RNA catalysed all molecules necessary for survival and replication. Thomas Ceck and Sidney Altman shared Nobel Prize in chemistry in 1989 because they discovered that RNA can be both a substrate and an enzyme.

If the first cells used RNA as their hereditary molecule, DNA evolved from an RNA template. DNA probably did not evolve as a hereditary molecule un tills RNA based life became enclosed in membrane. Once cells evolved DNA probably replaced RNA as the genetic code for most organisms.

The Protein First Hypothesis:

A number of authors (for example Sidney Fox, 1978) claimed that a protein catalytic system must have developed before a nucleic acid replicative system. Sidney Fox had shown that amino acids polymerized abiotically when exposed to dry heat to form proteinoids.

Cairns-Smith’s Hypothesis:

It was proposed by Graham Caims-Smith, according to which both proteins and RNA originated at the same time.

Formation of Nucleoproteins:

The giant nucleoprotein molecules were formed by the union of nucleic acid and protein molecules. These nucleoprotein particles were described as free living genes. Nucleoproteins gave most probably the first sign of life.

ب. Biological Evolution (Biogeny):

Conditions for the Origin of Life:

For origin of life, at least three conditions are needed.

(a) There must have been a supply of replicators, i.e., self-producing molecules.

(b) Copying of these replicators must have been subject to error through mutation.

(c) The system of replicators must have required a continuous supply of free energy and partial isolation from the general environment.

The high temperature in early earth would have fulfilled the requirement of mutation.

1. Protobionts or Protocells:

These are at least two types of fairly simple laboratory produced structures— Oparin’s coacervates and Fox’s microspheres which possess some of the basic prerequisites of proto cells.

Although these structures were created artificially, they point to the likelihood that non-biological membrane enclosures (proto cells) could have sustained reactive systems for at least short periods of time and led to research on the experimental production of membrane bound vesicles containing molecules, i.e., proto cells.

The first hypothesis was proposed by Oparin (1920). According to this hypothesis early proto cell could have been a coacervate. Oparin gave the term coacer­vates. These were non-living structures that led to the formation of the first living cells from which the more complex cells have today evolved.

Oparin speculated that a proto cell consisted a carbohydrates, proteins, lipids and nucleic acids that accumulated to form a coacervate. Such a structure could have consisted of a collection of organic macromolecules surrounded by a film of water molecules.

This arrangement of water molecules, although not a membrane, could have functioned as a physical barrier between the organic molecules and their surroundings. They could selectively take in materials from their sur­roundings and incorporate them into their structure.

Coacervates have been synthesized in the laboratory. They can selectively absorb chemicals from the surrounding water and incorpo­rate them into their structure. Some coacervates contain enzymes that direct a specific type of chemical reaction.

Because they lack a definite membrane, no one claims coacervates are alive, but they do exhibit some life like characters. They have a simple but persistent orga­nization. They can remain in solution for extended periods. They have the ability to increase in size.

An another hypothesis is that early proto cell could have been a microsphere. A microsphere is a non-living collection of organic macromolecules with double layered outer boundary. The term microsphere was given by Sydney Fox (1958-1964).

Sidney Fox demonstrated the ability to build microspheres from proteinoids. Proteinoids are protein like structures consisting of branched chains of amino acids. Proteinoids are formed by the dehydration synthesis of amino acids at a temperature of 180°C. Fox, from the University of Miami, showed that it is feasible to combine single amino acids into polymers of proteinoids. He also demonstrated the ability to build microspheres from these proteinoids.

Fox observed small spherical cell-like units that had arisen from aggregations of proteinoids. These molecular aggregates were called proteinoid microspheres. The first non-cellular forms of life could have originated 3 billion years back. They would have been giant molecules (RNA, Proteins, Polysaccharides etc.).

Microspheres can be formed when proteinoids are placed in boiling water and slowly allowed to cool. Some of the proteinoid material produces a double-boundary structure that encloses the microsphere. Although these walls do not contain lipids, they do exhibit some membrane like characteristics and suggest the structure of a cellular membrane.

Microspheres swell or shrink depending on the osmotic potential in the surrounding solution. They also display a type of internal movement (streaming) similar to that exhibited by cells and contain some proteinoids that function as enzymes. Using ATP as a source of energy, microspheres can direct the formation of polypeptides and nucleic acids. They can absorb material from the surrounding medium.

They have the ability of motility, growth, binary fission into two particles and a capacity of reproduction by budding and fragmentation. Superficially, their budding resembles with those of bacteria and fungi.

According to some investigators, microspheres can be considered first living cells.

2. Origin of Prokaryotes:

Prokaryotes were originated from proto cells about 3.5 billion years ago in the sea. The atmosphere was anaerobic because free oxygen was absent in the atmosphere. Prokaryotes do not have nuclear membrane, cytoskeleton or complex organelles. They divide by binary fission. Some of the oldest known fossil cells appear as parts of stromatolites. Stromatolites are formed today from sediments and photosynthetic prokaryotes (mainly filamentous cynobacteria— blue green algae).

3. Evolution of Modes of Nutrition:

The earliest prokaryotes presumably obtained energy by the fermen­tation of organic molecules from the sea broth in oxygen free atmosphere (reducing atmosphere). They required readymade organic material as food and thus they were heterotrophs.

Due to rapid increase in the number of heterotrophs the nutrient from sea water began to disappear and gradually exhausted. That led to the evolution of autotrophs. These organisms were capable of producing their own organic molecules by chemosynthesis or photosynthesis.

Drop in temperature stopped synthesis of organic molecules in the sea water. Some of the early prokaryotes got converted into chemoautotrophs which prepared organic food by using energy released during certain inorganic chemical reactions. These anaerobic chemoautotrophs were like present anaerobic bacteria. They released CO2 في الغلاف الجوي.

Evolution of chlorophyll molecule enabled certain protocells to utilize light energy and synthesize carbohydrates. These were anaerobic photoautotrophs. They did not use water as a hydrogen source. They were similar to present day sulphur bacteria in which hydrogen sulphide split into hydrogen and sulphur. Hydrogen was used in food manufacture and sulphur was released as a waste product.

Aerobic photoautotrophs used water as a source of hydrogen and carbon dioxide as source of carbon to synthesize carbohydrate in the presence of solar energy. The first aerobic photoautotrophs were cyanobacteria (blue green algae) like forms which had chlo­rophyll. They released oxygen in the atmosphere as the by product of photosynthesis. The main source of genetic variation was mutation.

As the number of photoautotrophs increased, oxygen was released in the sea and atmosphere. Free oxygen than reacted with methane and ammonia present in the primitive atmosphere and transformed methane and ammonia into carbon dioxide and free nitrogen.

The oldest fossil belonging to blue green algae, named Archaeospheroides barbertonensis which is 3.2 billion years old. Oxygen releasing prokaryotes first appeared at least 2.5 billion years ago.

4. Formation of Ozone Layer:

As oxygen accumulated in the atmosphere, the ultra­violet light changed some of oxygen into ozone.

The ozone formed a layer in the atmosphere, blocking the ultraviolet light and leaving the visible light as the main source of energy.

5. Origin of Eukaryotes:

The eukaryotes developed from primitive prokaryotic cells about 1.5 billion years ago. There are two views regarding the origin of eukaryotes.

According to Margulis (1970-1981) of Boston Uni­versity, some anaerobic predator host cells engulfed primitive aerobic bacte­ria but did not digest them. These aerobic bacteria established themselves inside the host cells as symbionts. Such preda­tor host cells became the first eukaryotic cells.

The predator host cells that engulfed aerobic bacteria evolved into animal cells while those that captured both aerobic bacteria and blue-green algae became eukaryotic plant cells. The aerobic bacteria established them­selves as mitochondria and blue green algae as chloroplasts.

(ii) Origin by Invagination:

Ac­cording to this view cell organelles of eukaryotic cells might have originated by invagination of surface membrane of primitive prokaryotic cells.


Although there is still no definitive answer, there is evidence that points to a likely scenario. Here are some of the most popular hypotheses for the origin of life on Earth.

Chemical evolution, or abiogenesis

In evolutionary biology, the term “chemical evolution” is used to refer to the hypothesis that says the building blocks of life, that is, أحماض أمينية, were formed through the combination of inorganic molecules.

وتسمى أيضا abiogenesis, this is a well-known hypothesis for the origin of life on Earth.

Earth’s primitive atmosphere was quite hostile compared to today’s atmosphere. It was mostly composed of methane, hydrogen, water vapor, and ammonia.

In addition to containing almost no oxygen, the ozone layer that today protects us from deadly radiation from the Sun also did not exist. Consequently, ultraviolet rays were constantly hitting the Earth.

Taking into account that new atoms are only created in the core of stars or during supernovae explosions, all the atoms that exist on Earth today have been recycled for billions of years.

This leads us to two conclusions: either the elements that later gave rise to life were already on Earth when it was formed, or they came from outside, through meteors.

Within the hypothesis that inorganic elements were already on Earth, there are several other hypotheses about where on the planet the chemical evolution could have started.

The primordial soup

The idea that the mixture of gases present in the primitive atmosphere could create amino acids was proposed by scientists Oparin and Haldane in 1924.

They hypothesized that organic molecules could be created from inorganic molecules found on the ocean floor. However, they were unable to prove it.

In 1953, scientists Miller and Urey carried out an experiment that became known as “primordial soup”.

The experiment showed how amino acids could be created using only a few inorganic ingredients, in a controlled environment that mimicked conditions found on the primitive Earth.

Initially, the experiment was a success, yielding several other hypotheses about the composition of life. However, years later it was discovered that some of the elements of the primordial soup were not present in the primitive atmosphere.

Still, the theory was important in showing that organic molecules could be formed from inorganic elements with relative ease.

Related posts:

الفتحات الحرارية المائية

Considering that the necessary inorganic elements were already on Earth, most theories agree that the transformation of inorganic molecules into organic ones started in the oceans.

The surface of the primitive Earth was also mostly covered by oceans, and the bottom of these oceans was protected from ultraviolet radiation. In addition, on the ocean floor, there are structures known as hydrothermal vents.

According to this hypothesis, these vents could have expelled hydrogen-rich molecules, which ended up accumulating in rocky corners, providing mineral catalysts for the reactions.

Even today, these extremely hot underwater areas are full of primitive life forms.

Life may have started because of lightning

In the Miller-Urey experiment, electrical sparks were used to generate amino acids from inorganic molecules, suggesting that lightning might have helped start life on Earth.

Volcanic clouds in the primitive atmosphere could contain methane, hydrogen, and ammonia. And being stimulated by lightning, these elements could have given rise to the first organic molecules.

A beginning under the ice

Another hypothesis suggests that life may have started under the ice. 3 billion years ago, the Sun was a third less bright than today, so the oceans were covered by ice.

This thick layer of ice could have protected the first organic compounds from ultraviolet radiation and meteor impacts.

The low temperature could also have helped the molecules to survive longer, giving enough time for important reactions to take place.

Related posts:

Panspermia: life from space

The panspermia hypothesis holds that primitive cells and amino acids arrived on Earth through meteors.

Unlike other hypotheses that try to explain how the building blocks of life originated from inorganic molecules, proponents of the panspermia hypothesis argue that life may have formed in space, and only then reached Earth.

This hypothesis would explain not only how life came about, but also how it spread across the globe.

One of the great advocates of this hypothesis was Stephen Hawking, one of the reasons behind his interest in space exploration.

Meteors that fall to Earth are always analyzed. و amino acids are commonly found in them, which reinforces this hypothesis, since these same compounds could have fallen into the primitive oceans, producing simple proteins and essential enzymes for the first prokaryotic cells on Earth.

Which of these hypotheses do you think is correct? Leave your thoughts in the comments below.


Process that might have led to first organic molecules

New research led by the American Museum of Natural History and funded by NASA identifies a process that might have been key in producing the first organic molecules on Earth about 4 billion years ago, before the origin of life. The process, which is similar to what might have occurred in some ancient underwater hydrothermal vents, may also have relevance to the search for life elsewhere in the universe. Details of the study are published this week in the journal وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.

All life on Earth is built of organic molecules -- compounds made of carbon atoms bound to atoms of other elements such as hydrogen, nitrogen and oxygen. In modern life, most of these organic molecules originate from the reduction of carbon dioxide (CO2) through several "carbon-fixation" pathways (such as photosynthesis in plants). But most of these pathways either require energy from the cell in order to work, or were thought to have evolved relatively late. So how did the first organic molecules arise, before the origin of life?

To tackle this question, Museum Gerstner Scholar Victor Sojo and Reuben Hudson from the College of the Atlantic in Maine devised a novel setup based on microfluidic reactors, tiny self-contained laboratories that allow scientists to study the behavior of fluids -- and in this case, gases as well -- on the microscale. Previous versions of the reactor attempted to mix bubbles of hydrogen gas and CO2 in liquid but no reduction occurred, possibly because the highly volatile hydrogen gas escaped before it had a chance to react. The solution came in discussions between Sojo and Hudson, who shared a lab bench at the RIKEN Center for Sustainable Resource Science in Saitama, Japan. The final reactor was built in Hudson's laboratory in Maine.

"Instead of bubbling the gases within the fluids before the reaction, the main innovation of the new reactor is that the fluids are driven by the gases themselves, so there is very little chance for them to escape," Hudson said.

The researchers used their design to combine hydrogen with CO2 to produce an organic molecule called formic acid (HCOOH). This synthetic process resembles the only known CO2-fixation pathway that does not require a supply of energy overall, called the Wood-Ljungdahl acetyl-CoA pathway. In turn, this process resembles reactions that might have taken place in ancient oceanic hydrothermal vents.

"The consequences extend far beyond our own biosphere," Sojo said. "Similar hydrothermal systems might exist today elsewhere in the solar system, most noticeably in Enceladus and Europa -- moons of Saturn and Jupiter, respectively -- and so predictably in other water-rocky worlds throughout the universe."

"Understanding how carbon dioxide can be reduced under mild geological conditions is important for evaluating the possibility of an origin of life on other worlds, which feeds into understanding how common or rare life may be in the universe," added Laurie Barge from NASA's Jet Propulsion Laboratory, an author on the study.

The researchers turned CO2 into organic molecules using relatively mild conditions, which means the findings may also have relevance for environmental chemistry. In the face of the ongoing climate crisis, there is an ongoing search for new methods of CO2 تخفيض.

"The results of this paper touch on multiple themes: from understanding the origins of metabolism, to the geochemistry that underpins the hydrogen and carbon cycles on Earth, and also to green chemistry applications, where the bio-geo-inspired work can help promote chemical reactions under mild conditions," added Shawn E. McGlynn, also an author of the study, based at the Tokyo Institute of Technology.


Fuel for earliest life forms: Organic molecules found in 3.5 billion-year-old rocks

3.5 billion-year-old barite (bottom) with fossilized microbial mat (top). This barite is part of the Dresser Formation in NW Australia. Credit: Helge Missbach

A research team including the geobiologist Dr. Helge Missbach from the University of Cologne has detected organic molecules and gases trapped in 3.5-billion-year-old rocks. A widely accepted hypothesis says that the earliest life forms used small organic molecules as building materials and energy sources. However, the existence of such components in early habitats on Earth was as yet unproven. The current study, published in the journal اتصالات الطبيعة, shows that solutions from archaic hydrothermal vents contained essential components that formed a basis for the earliest life on our planet.

Specifically, the scientists examined about 3.5-billion-year-old barites from the Dresser Formation in Western Australia. The barite thus dates from a time when early life developed on Earth. "In the field, the barites are directly associated with fossilized microbial mats, and they smell like rotten eggs when freshly scratched. Thus, we suspected that they contained organic material that might have served as nutrients for early microbial life," said Dr. Helge Missbach of the Institute of Geology and Mineralogy and lead author of the study.

In the fluid inclusions, the team identified organic compounds such as acetic acid and methanethiol, in addition to gases such as carbon dioxide and hydrogen sulfide. These compounds may have been important substrates for metabolic processes of early microbial life. Furthermore, they are discussed as putative key agents in the origin of life on Earth. "The immediate connection between primordial molecules emerging from the subsurface and the microbial organisms—3.5 billion years ago—somehow surprised us. This finding contributes decisively to our understanding of the still unclear earliest evolutionary history of life on Earth," Missbach concluded.


STEPS INVOLVED IN WRITING IUPAC NAME

1) The first step in giving IUPAC name to an organic compound is to select the parent chain and assign a word root.

2) Next, the appropriate primary suffix(es) must be added to the root word to indicate the saturation or unsaturation.

3) If the molecule contains functional group or groups, a secondary suffix must be added to indicate the main functional group. This is optional and not necessary if the molecule contains لا functional group.

4) Prefix the root word with the infix "cyclo" if the parent chain is cyclic or with the infix "spiro" if it is a spiro compound or with the infix "bicyclo" if the compound is bicyclic.

5) Finally add prefix(es) to the IUPAC name, if there are side chains or substituents on the parent chain.

على سبيل المثال The IUPAC name of the following compound (3-methylbutan-2-ol) is arrived in steps mentioned below.

Step-1 How many carbons are there in the parent chain? 4 Root word = "but"
Step-2 Saturated or Unsaturated? Saturated 1 o suffix = "ane"
Step-3 Is there any functional group? نعم فعلا. There is an alcohol group on 2nd carbon. 2 o suffix = "2-ol"
Step-4 Are there any side chains or substituents? نعم فعلا. There is a methyl group on 3rd carbon. 2 o prefix = "3-methyl"

Now add them to makeup the IUPAC name of the compound.

You will learn how to select a parent chain? how to number the carbon atoms and give the locants to the functional groups, side chains ? etc., in the following section.

RULES OF IUPAC NOMENCLATURE

The following IUPAC nomenclature rules are helpful in assigning the systematic IUPAC name of an organic compound.

1) The selection of parent chain:

The first step in naming an organic compound is to select the parent chain and give the root word based on the number of carbon atoms in it.

The parent chain in an organic molecule is the longest continuous carbon chain containing as many functional groups, double bonds, triple bonds, side chains and substituents as possible.

i) In the following molecule, the longest chain has 6 carbons. Hence the word root is "hex-". Note that the parent chain may not be straight.

ii) The root word for the following molecule is "hept-" since the longest chain contains 7 carbons.

لاتفعل come under the impression that the ethyl groups (-C2ح5) are side chains and the longest chain contains 5 carbons.

The shaded part shows the longest chain that contains 7 carbons. Also look at the alternate way of writing this molecule in which the ethyl groups are expanded to -CH2CH3.

iii) In the following molecule, there are three chains of equal length (7 carbons).

However, the chain with more number of substituents (that with 3 substituents as shown in the following diagram) is to be taken as the parent chain. Thus "hept" appears as word root in the IUPAC name of this compound.

رابعا) The double bonds and triple bonds have more priority than the alkyl side chains and some other substituents like halo, nitro, alkoxy etc. Hence, whenever there are two or more chains with equal number of carbons, the chain that contains double or triple bond is to be selected as the parent chain irrespective of other chain containing more number of substituents.

There are two chains with 6 carbons. But the chain with the a double bond as shown in the diagram (II) is to be selected as the parent chain.

Note: The double bond has more priority than the triple bond.

v) However, the longest chain must be selected as parent chain irrespective of whether it contains multiple bonds or not.

على سبيل المثال In the following molecule, the longest chain (shaded) contains no double bond. It is to be selected as parent chain since it contains more carbons (7) than that containing double bond (only 6 carbons).

السادس) The chain with main functional group must be selected as parent chain even though it contains less number of carbons than any other chain without the main functional group.

The functional group overrides all of above rules since it has more priority than the double bonds, triple bonds, side chains and other substituents.

Remember that the functional group is king.

على سبيل المثال The chain (shaded) with 6 carbons that includes the -OH functional group is to be selected as parent chain irrespective of presence of another chain with 7 carbons that contains no functional group.

There are other situations which will decide the parent chain. These will be dealt at appropriate sections.

2) Numbering the parent chain:

i) The positions of double bonds or triple bonds or substituents or side chains or functional groups on the parent chain are to be indicated by appropriate numbers (or locants). The locants are assigned to them by numbering carbon atoms in the parent chain.

Even though two different series of locants are possible by numbering the carbon chain from either sides, the correct series is chosen by following the rule of first point of difference as stated below.

Note: In iupac nomenclature, the number which indicates the position of the substituent is called 'locant'.

The rule of first point of difference:

When series of locants containing the same number of terms are compared term by term, that series which contains the lowest number on the occasion of the first difference is preferred.

For example, in the following molecule, the numbering can be done from either side of the chain to get two sets of locants. However the 2,7,8 is chosen since it has lowest number i.e., 2 on the first occasion of difference when compared with the other set: 3,4,9.

Actually the so called “Least Sum Rule” is the special case of above “Rule of First point of Difference”. Though looking simple, the least sum rule is valid only to chains with two substituents, a special case. However use of Least sum rule is not advisable when there are more than two substituents since it may violate the actual rule of first point of difference.

Therefore, while deciding the positions, we should always use "the rule of first point of difference" only.

ii) If two or more side chains are at equivalent positions, the one to be assigned the lower number is that cited first in the name.

In case of simple radicals, the group to be cited first in the name is decided by the alphabetical order of the first letter in case of simple radicals. While choosing the alphabetical order, the prefixes like di, tri, tetra must not be taken into account.

In the following molecule, 4-ethyl-5-methyloctane, both methyl and ethyl groups are at equivalent positions. However the ethyl group comes first in the alphabetical order. Therefore it is to be written first in the name and to be given the lowest number.

Note: The groups: sec-butyl and tert-butyl are alphabetized under "b". However the Isobutyl and Isopropyl groups are alphabetized under "i" and not under "b" or "p".

ثالثا) However, if two or more groups are ليس at equivalent positions, the group that comes first alphabetically may not get the least number.

على سبيل المثال In the following molecule, 5-ethyl-2-methylheptane, the methyl and ethyl groups are not at equivalent positions. The methyl group is given the least number according to the rule of first point of difference.

But note that the ethyl group is written first in the name.

رابعا) The multiple bonds (double or triple bonds) have higher priority over alkyl or halo or nitro or alkoxy groups, and hence should be given lower numbers.

على سبيل المثال In the following hydrocarbon, 6-methylhept-3-ene, the double bond is given the lower number and is indicated by the primary suffix 3-ene. The position of methyl group is indicated by locant, 6.

v) The double bond is preferred over the triple bond since it is to be cited first in the name.

Therefore the double bond is to be given the lower number whenever both double bond and triple bond are at equivalent positions on the parent chain.

على سبيل المثال In the following hydrocarbon, hept-2-en-5-yne, both the double and triple bonds are at equivalent positions. But the position of double bond is shown by 2-ene. The counting of carbons is done from the left hand side of the molecule.

السادس) However, if the double and triple bonds are not at equivalent positions, then the positions are decided by the rule of first point of difference.

على سبيل المثال In the following hydrocarbon, hept-4-en-2-yne, the double and triple bonds are not at equivalent positions. The triple bond gets the lower number.

Again note that the 4-ene is written first.

vii) Nevertheless, the main functional group must be given the least number even though it violates the rule of first point of difference. It has more priority over multiple bonds also.

For example, in the following organic molecule, 6-methyloct-7-en-4-ol, the -OH group gets lower number (i.e., 4) by numbering the carbons from right to left.

3) Grammar to be followed in writing the IUPAC name:

أنا) The IUPAC name must be written as one word. ومع ذلك ، هناك استثناءات.

ii) The numbers are separated by commas.

ثالثا) The numbers and letters are separated by hyphens.

رابعا) If there are two or more same type of simple substituents they should be prefixed by di, tri, tetra, penta etc.

على سبيل المثال The number of methyl groups are indicated by di and tri in the following cases.

الخامس) If the side chains themselves contain terms like di, tri, tetra etc., the multiplying prefixes like bis, tris, tetrakis etc., should be used.

على سبيل المثال The two 1,2-dimethylpropyl groups are indicated by the prefix "bis" as shown below.

السادس) If two or more side chains of different nature are present, they are cited in alphabetical order.

* In case of simple radicals, they are alphabetized based on the first letter in the name of simple radical without multiplying prefixes.

على سبيل المثال In the following molecule, the ethyl group is written first since the letter 'e' precedes the letter 'm' of methyl in the alphabetical order. We should not compare 'e' in the word 'ethyl' and 'd' in the word 'dimethyl'

* However the name of a complex radical is considered to begin with the first letter of its complete name.

على سبيل المثال In the following case, “dimethylbutyl” is considered as a complete single substituent and is alphabetized under "d".


The First Organic Molecules

All living things consist of جزيئات عضوية, centered around the element carbon. Therefore, it is likely that organic molecules evolved before cells, perhaps as long as 4 billion years ago. How did these building blocks of life first form?

Scientists think that lightning sparked chemical reactions in Earth’s early atmosphere. The early atmosphere contained gases such as ammonia, methane, water vapor, and carbon dioxide. Scientists hypothesize that this created a “soup” of organic molecules from inorganic chemicals. In 1953, scientists Stanley Miller and Harold Urey used their imaginations to test this hypothesis. They created a simulation experiment to see if organic molecules could arise in this way (see the figure below). They used a mixture of gases to represent Earth’s early atmosphere. Then, they passed sparks through the gases to represent lightning. Within a week, several simple organic molecules had formed.

Miller and Urey’s Experiment. Miller and Urey demonstrated that organic molecules could form under simulated conditions of early Earth. What assumptions were their simulation based upon?

Which Organic Molecule Came First?

Living things need organic molecules to store genetic information and to carry out the chemical work of cells. Modern organisms use DNA to store genetic information and proteins to catalyze chemical reactions. So, did DNA or proteins evolve first? This is like asking whether the chicken or the egg came first. DNA encodes proteins and proteins are needed to make DNA, so each type of organic molecule needs the other for its own existence. How could either of these two molecules have evolved before the other? Did some other organic molecule evolve first, instead of DNA or proteins?

RNA World Hypothesis

Some scientists speculate that RNA may have been the first organic molecule to evolve. In fact, they think that early life was based solely on RNA and that DNA and proteins evolved later. هذا يسمى RNA world hypothesis. Why RNA? It can encode genetic instructions (like DNA), and some RNAs can carry out chemical reactions (like proteins). Therefore, it solves the chicken-and-egg problem of which of these two molecules came first. Other evidence also suggests that RNA may be the most ancient of the organic molecules.


شاهد الفيديو: الجزيئات الحيوية - Biological Molecules (شهر نوفمبر 2022).