אביוגנזה: תיאוריות עיקריות - ביולוגיה - 2025

Abiogenesis מתייחס למספר תהליכים וצעדים שמקורם הצורות הראשונות של חיים על פני כדור הארץ, אינרטי זינוק monomeric, עם חלוף הזמן היה מסוגל כדי להגדיל את המורכבות שלהם. לאור תיאוריה זו, החיים נבעו ממולקולות שאינן חיות, בתנאים המתאימים.

סביר להניח שאחרי שאביוגנזה ייצרה מערכות חיים פשוטות, האבולוציה הביולוגית פעלה כדי להצמיח את כל צורות החיים המורכבות שקיימות כיום.

מקור: pixabay.com

יש חוקרים הרואים שתהליכי אביוגנזה בוודאי התרחשו לפחות פעם אחת בתולדות כדור הארץ כדי להוליד את האורגניזם ההיפותטי LUCA או אב קדמון משותף אחרון אוניברסלי (מה ראשי תיבות באנגלית, אב קדמון אחרון אוניברסלי), לפני כארבעה מיליארד דולר של שנים.

מוצע כי ל- LUCA כנראה היה קוד גנטי המבוסס על מולקולת ה- DNA, אשר על ארבעת הבסיסים שלה המקובצים בשלשות, קידדה את 20 סוגי חומצות האמינו המרכיבות חלבונים. חוקרים המנסים להבין את מקור החיים בוחנים את תהליכי האביוגנזה שהולידו LUCA.

התשובה לשאלה זו הוטלה בספק רב ולעיתים קרובות היא אפופה באובך של מסתורין וחוסר וודאות. מסיבה זו, מאות ביולוגים הציעו סדרה של תיאוריות הנעות בין הופעתו של מרק קדמוני להסברים הקשורים לזנו-ביולוגיה ואסטרוביולוגיה.

ממה זה מורכב?

תורת האביוגנזה מבוססת על תהליך כימי שבאמצעותו צורות החיים הפשוטות ביותר יצאו מקודמים חסרי חיים.

ההנחה היא כי תהליך האביוגנזה התרחש ברציפות, בניגוד לתפיסת הופעתה בפתאומיות באירוע מזל. לפיכך, תיאוריה זו מניחה קיומה של רצף בין חומר שאינו חי למערכות החיים הראשונות.

כמו כן, מוצעים סדרה של תרחישים מגוונים שבהם תחילת החיים עלולה להתרחש ממולקולות אורגניות. סביבות אלה בדרך כלל קיצוניות ושונות מהתנאים הנוכחיים על פני כדור הארץ.

תנאים פרביוטיים כביכול משוכפלים לרוב במעבדה על מנת לנסות לייצר מולקולות אורגניות, כמו הניסוי המפורסם של מילר ואורי.

מקור החיים: תיאוריות

מקור החיים היה אחד הנושאים השנויים במחלוקת ביותר עבור מדענים ופילוסופים מאז ימי אריסטו. על פי ההוגה החשוב הזה, ניתן להפוך חומר פירוק לבעלי חיים חיים בזכות הפעולה הספונטנית של הטבע.

אפשר לסכם את האביוגנזה לאור המחשבה האריסטוטלית בביטויו המפורסם omne vivum ex vivo, שפירושו "כל החיים רווחים מהחיים".

בהמשך, מספר גדול למדי של דגמים, תיאוריות וספקולציות ניסו להבהיר את התנאים והתהליכים שהובילו למקור החיים.

להלן התיאוריות הבולטות ביותר, הן מבחינה היסטורית והן מדעית, שביקשו להסביר את מקורן של מערכות החיים הראשונות.

תיאוריה של דור ספונטני

בראשית המאה ה -17 נכתב כי צורות חיים יכולות לצוץ מגורמים חסרי חיים. התיאוריה של דור ספונטני הייתה מקובלת על ידי הוגי הדעות באותה תקופה מאז זכתה לתמיכה של הכנסייה הקתולית. לפיכך, יצורים חיים יכולים לנבוט הן מהוריהם והן מחומר שאינו חי.

בין הדוגמאות המפורסמות ביותר ששימשו לתמיכה בתיאוריה זו הם הופעתם של תולעים וחרקים אחרים בבשר מתפורר, צפרדעים שהופיעו מבוץ ועכברים שהגיחו מבגדים מזוהמים וזיעה.

למעשה, היו מתכונים שהבטיחו יצירת בעלי חיים. לדוגמא, בכדי להיות מסוגלים ליצור עכברים מחומר שאינו חי, היה צורך לשלב גרגרי חיטה עם בגדים מלוכלכים בסביבה חשוכה ומכרסמים חיים מופיעים במהלך הימים.

תומכיהם של תערובת זו טענו כי זיעה אנושית על לבוש ותסיסה של חיטה הם אמצעי הבימוי להיווצרות החיים.

הפרכה של דור ספונטני

במאה השבע-עשרה החלו לשים לב לפגמים ופערים בהצהרות של תורת הדור הספונטנית. רק בשנת 1668 המציא הפיזיקאי האיטלקי פרנצ'סקו רדי תכנון ניסיוני מתאים לדחייתו.

בניסויים המבוקרים שלה, הניחה רדי חתיכות בשר חתוכות דק ועטופות במוסלין במכלים סטריליים. הצנצנות הללו היו מכוסות כראוי בגזה, כך ששום דבר לא יכול היה לבוא במגע עם הבשר. כמו כן, הניסוי כלל קבוצה נוספת של צנצנות שלא היו מכוסות.

במהלך הימים נצפו תולעים רק בצנצנות שנחשפו, מכיוון שהזבובים יכלו להיכנס בחופשיות ולהטיל את הביצים. במקרה של הצנצנות המכוסות, הביצים הונחו ישירות על הגזה.

באופן דומה, החוקרת לאזארו ספאלנזאני פיתחה סדרת ניסויים כדי לדחות את הנחות היסוד של הדור הספונטני. לשם כך הוא הכין סדרת מרקחים שהגיש לרתיחה ממושכת כדי להרוס את כל המיקרואורגניזמים שיחיו שם.

עם זאת, תומכי הדור הספונטני טענו שכמות החום אליהם נחשפו המרקחים הייתה מוגזמת והרס את "כוח החיים".

תרומותיו של פסטר

מאוחר יותר, בשנת 1864, הביולוג והכימאי הצרפתי לואי פסטר יצאו לשים קץ לתנוחות הדור הספונטני.

כדי לעמוד ביעד זה ייצר פסטר מיכלי זכוכית המכונים "צלוחיות אווז", מכיוון שהם היו ארוכים ומעוגלים בקצותיהם, ובכך מנע כניסה של מיקרו-אורגניזמים כלשהם.

במכולות אלה פסטר פותח סדרת מרקבים שנשארו סטריליים. כאשר נשבר צווארו של אחד מהם, הוא הזדהם והמיקרואורגניזמים התפשטו תוך זמן קצר.

העדויות שהגיש פסטר היו בלתי ניתנות להפכה, והצליחו להפוך את התיאוריה שנמשכה יותר מ -2,500 שנה.

פנספרמיה

בתחילת המאה העשרים כתב הכימאי השוודי סוונטה ארהניוס ספר שכותרתו "בריאת עולמות" ובו הציע שהחיים באים מהחלל דרך נבגים עמידים לתנאים קיצוניים.

מבחינה הגיונית, תורת הפנספרמיה הייתה מוקפת במחלוקות רבות, מלבד העובדה שהיא לא ממש סיפקה הסבר למקור החיים.

תיאוריה כימוסינתטית

כשבוחנים את הניסויים של פסטר, אחת המסקנות העקיפות של עדויותיו היא שמיקרואורגניזמים מתפתחים רק מאחרים, כלומר החיים יכולים לבוא רק מהחיים. תופעה זו כונתה "ביוגנזה".

בעקבות נקודת מבט זו, יעלו תיאוריות של אבולוציה כימית, בהובלתם של אלכסנדר אופרין הרוסי והאנגלי ג'ון ד 'הלדאן.

השקפה זו, המכונה גם התיאוריה הכימוסינתטית Oparin - Haldane, מציעה כי בסביבה פרהביוטית הייתה כדור הארץ אטמוספרה נטולת חמצן ובעלת אדי מים, מתאן, אמוניה, פחמן דו חמצני ומימן, מה שהופך אותה לרדוקטיבית ביותר.

בסביבה זו היו כוחות שונים כמו פריקות חשמליות, קרינת שמש ורדיואקטיביות. כוחות אלה פעלו על תרכובות אורגניות, והולידו מולקולות גדולות יותר ויצרו מולקולות אורגניות המכונות תרכובות פרביוטיות.

מילר ואורי מתנסים

באמצע שנות החמישים הצליחו החוקרים סטנלי ל. מילר והרולד סי. אורי ליצור מערכת גאונית המדמה את התנאים הקדומים האמורים של האטמוספרה על פני האדמה על ידי ביצוע תיאוריית אופרין - האלדאן.

סטנלי ואורי מצאו כי בתנאים "פרימיטיביים" אלה, תרכובות אורגניות פשוטות יכולות להוליד מולקולות אורגניות מורכבות, חיוניות לחיים, כמו חומצות אמינו, חומצות שומן, אוריאה, בין היתר.

היווצרות פולימרים

למרות שהניסויים הנ"ל מציעים דרך מתקבלת על הדעת שבאמצעותה נוצרו ביו-מולקולות המהוות חלק ממערכות חיות, אך הן אינן מציעות שום הסבר לתהליך הפילמור ולמורכבות מוגברת.

ישנם כמה דגמים שמנסים להבהיר שאלה זו. הראשון כולל משטחים מינרליים מוצקים, שבהם שטח הפנים הגבוה והסיליקאטים יכולים לשמש כזרזים למולקולות פחמן.

בעומק האוקיינוס, פתחי אוורור הידרותרמיים הם מקור מתאים לזרזים, כמו ברזל וניקל. על פי ניסויי מעבדה, מתכות אלה משתתפות בתגובות פילמור.

לבסוף, בשוחות האוקיאנוס יש בריכות חמות אשר עקב תהליכי אידוי יכולות להעדיף את ריכוז המונומרים, ולהעדיף היווצרות מולקולות מורכבות יותר. השערת "מרק קדמוני" מבוססת על הנחה זו.

פיוס בין תוצאות מילר ופסטר

בעקבות סדר הרעיון שנדון בסעיפים הקודמים, יש לנו כי הניסויים של פסטר אימתו שהחיים אינם נובעים מחומרים אינרטיים, בעוד שהראיות של מילר ואורי מצביעות על כך שכן, אלא ברמה המולקולרית.

על מנת ליישב בין שתי התוצאות, יש לזכור כי הרכב האווירה של כדור הארץ כיום שונה לחלוטין מהאווירה הפרה-ביוטית.

החמצן הקיים באטמוספרה הנוכחית יפעל כ"משמיד "של המולקולות היווצרות. יש לקחת בחשבון שמקורות האנרגיה שכנראה הניעו את היווצרותן של מולקולות אורגניות כבר לא קיימים עם התדירות והעוצמה של הסביבה הפרביוטית.

כל צורות החיים הקיימות על פני האדמה מורכבות מקבוצה של בלוקים מבניים וביו-מולקולות גדולות, הנקראות חלבונים, חומצות גרעין וליפידים. איתם אתה יכול "להתחמש" בבסיס החיים הנוכחי: תאים.

בתא החיים מונצחים ועל פי עיקרון זה פסטר מבוסס על אישור שכל יצור חי חייב להגיע ממצב אחר שקיים.

עולם RNA

התפקיד של autocatalysis במהלך abiogenesis הוא קריטי, וזו הסיבה שאחת ההשערות המפורסמות ביותר לגבי מקור החיים היא זו של עולם ה- RNA, המפרסם התחלה ממולקולות בעלות שרשרת יחידה עם יכולת שכפול עצמי.

תפיסה זו של RNA מציעה כי הבי-קטליטיקאים הראשונים לא היו מולקולות בעלות אופי חלבון אלא מולקולות RNA - או פולימר הדומה לה - עם יכולת לזרז.

הנחה זו מבוססת על תכונה של RNA לסנתז שברים קצרים באמצעות חישול שמכוון את התהליך, בנוסף לקידום היווצרותם של פפטידים, אסטרים וקשרים גליקוזידיים.

על פי תיאוריה זו, RNA של אבות היה קשור לכמה קופקטורים כמו מתכות, פירימידינים וחומצות אמינו. עם ההתקדמות והגדלת המורכבות של חילוף החומרים, מתעוררת היכולת לסנתז פוליפפטידים.

במהלך האבולוציה, RNA הוחלף על ידי מולקולה יציבה יותר כימית: DNA.

תפיסות עכשוויות לגבי מקור החיים

נכון לעכשיו, על פי החשד, החיים מקורם בתרחיש קיצוני: אזורים אוקיאניים בסמוך לפתחי וולקני בהם הטמפרטורות יכולות להגיע ל -250 מעלות צלזיוס ולחץ אטמוספרי עולה על 300 אטמוספרות.

חשד זה נובע ממגוון צורות החיים הנמצאות באזורים עוינים אלה ועיקרון זה ידוע בשם "תורת העולם החם".

סביבות אלה הושבו על ידי ארכיבקטריה, אורגניזמים המסוגלים לצמוח, להתפתח ולהתרבות בסביבות קיצוניות, ככל הנראה דומות מאוד לתנאים פרהביוטיים (כולל ריכוזי חמצן נמוכים ורמות CO ₂ גבוהות ).

היציבות התרמית של סביבות אלה, ההגנה שהם מספקים מפני שינויים פתאומיים וזרימת הגזים הבלתי פוסקים הם חלק מהתכונות החיוביות שהופכות את קרקעית הים ואת פתחי הוולקן לסביבות מתאימות למקור החיים.

מונחי ביוגנזה ואביוגנזה

בשנת 1974 פרסם החוקר הנודע קרל סגן מאמר המבהיר את השימוש במונחים ביוגנזה ואביוגנזה. לדברי סגן, שני המונחים השתמשו בטעות במאמרים הקשורים להסברים על מקורן של צורות החיים הראשונות.

בין השגיאות הללו הוא השימוש במונח ביוגנזה כאנטונים משל עצמו. כלומר, ביוגנזה משמשת לתיאור מקור החיים החל מצורות חיים אחרות ואילו אביוגנזה מתייחסת למקור החיים מחומר שאינו חי.

במובן זה מסלול ביוכימי עכשווי נחשב לביוגני ומסלול מטבולי פרביולוגי הוא אביוגני. לכן, יש לשים לב במיוחד לשימוש בשני המונחים.

הפניות

1. ברגמן, ג '(2000). מדוע אביוגנזה היא בלתי אפשרית. רבעון החברה לחקר היצירה, 36 (4).
2. Pross, A., & Pascal, R. (2013). מקור החיים: מה שאנחנו יודעים, מה שאנחנו יכולים לדעת ומה שלעולם לא נדע. ביולוגיה פתוחה, 3 (3), 120190.
3. Sadava, D., & Purves, WH (2009). החיים: מדע הביולוגיה. פנמריקנית רפואית אד.
4. Sagan, C. (1974). במונחים 'ביוגנזה' ו- 'אביוגנזה'. מקורות החיים והתפתחות הביוספרות, 5 (3), 529–529.
5. שמידט, מ '(2010). קסנו-ביולוגיה: צורת חיים חדשה ככלי הבי-בטיחות האולטימטיבי. Bioessays, 32 (4), 322–331.
6. Serafino, L. (2016). אביוגנזה כאתגר תיאורטי: כמה הרהורים. כתב העת לביולוגיה תיאורטית, 402, 18-20.