Evolución química: etapas y esencia

En el proceso de la transformación de la química en ciencia, se produjo la llamada evolución química y el punto de inflexión de este proceso revolucionario se produjo después de la creación en 1777 del científico francés Lavoisier la teoría de la combustión con una descripción del papel del oxígeno. Al mismo tiempo, comenzó la revisión de todos los conceptos básicos y principios básicos de la química, cambió la terminología y la nomenclatura de las sustancias.

Curso elemental

El año 1789 marcó la liberación del libro de texto Lavoisier, inmediatamente se convirtió en la herramienta principal para teóricos y practicantes de la ciencia nacida. En el "curso elemental de la química" ya era el primero en la lista mundial – una tabla de cuerpos simples, que enumera los elementos químicos conocidos. En el corazón de este volumen de Lavoisier estaba la teoría de la combustión de oxígeno, a través de la cual la evolución química se dirigía a lo largo de un camino completamente nuevo. Lo más importante para determinar el elemento es la experiencia, fue él quien seleccionó al científico como criterio principal, y nada que no sea confirmado por la experiencia, por ejemplo, una estructura atómica o molecular, no lo consideró Lavoisier.

La evolución química ha ido por las leyes formuladas por ella – sobre la preservación de la masa, la naturaleza de las propiedades de los compuestos, sus diferencias en la composición elemental. Fue entonces cuando la química tomó la forma de la ciencia como un ser independiente, estudiando la composición de los cuerpos por medios experimentales. La evolución química no podía prescindir de la racionalización del objeto y, por tanto, la humanidad finalmente abandonó el pasado alquímico, porque las ideas sobre la naturaleza de la materia y sus propiedades cambiaron radical y rápidamente. Y el impulso para este proceso fue la investigación de Lavoisier. Ahora incluso los escolares saben que las etapas de la evolución química (o evolución prebiótica) deben ser consideradas desde el tiempo que precedió a la aparición de la vida en la Tierra. En el siglo XVIII, nadie tenía ideas similares sobre el mundo.

Vida

La evolución química de la Tierra comenzó en un planeta absolutamente sin vida, cuando las sustancias orgánicas comenzaron gradualmente a emerger de las moléculas inorgánicas, que fueron influenciadas de una manera especial por los factores de la energía y de la selección. Los procesos de autoorganización que son característicos de sistemas incluso relativamente complejos se han desplegado. Así que, en la Tierra había un carbono. Más bien, aparecieron por primera vez moléculas que contienen carbono, que son de fundamental importancia no sólo para la aparición, sino también para el desarrollo ulterior de cualquier materia viva.

Todavía no sabemos cuál es la esencia de la evolución química en las primeras etapas del desarrollo de la vida. Conocido sobre la química de cualquier sustancia limita el proceso evolutivo a los límites del postulado agua-carbono. Tal vez en el universo hay variantes de una forma diferente de existencia de la materia viva, y nuestro origen proteico no es la única "salida". En este caso, se realizó una combinación única de cualidades de polimerización del carbono con las propiedades despolarizantes del medio acuoso en la fase líquida. Estas condiciones eran suficientes para iniciar la evolución química de la vida, y también necesaria para el desarrollo de toda la variedad de formas de vida que conocemos.

Iniciar el proceso

La humanidad no sabe ni siquiera todo acerca de su propia cuna. Especialmente sobre dónde y cuándo comenzaron las etapas de la evolución química en la Tierra. Sólo podemos asumir esto. Aquí, en primer lugar, absolutamente cualquier tiempo es posible.

Cuando terminó el segundo ciclo de formación estelar, cuando se condensaron los productos de la explosión de supernovas, lo que dio los elementos espaciales interestelares llamados pesados, en los que la masa excede de veintiséis. Cuando las estrellas ya en la segunda generación adquirieron sus propios sistemas planetarios, donde los elementos pesados necesarios ya eran suficientes. La esencia de la evolución química podría realizarse en cualquier momento después del Big Bang en el intervalo de medio billón a uno y medio billón de años.

Donde nació la vida

Donde podría originarse es también una pregunta abierta. Al crear muchas condiciones bastante probables, el lanzamiento de una ecología química podría ocurrir en virtualmente cualquier ambiente. Estas son las profundidades de los planetas, y las profundidades de los océanos, y la superficie, incluso las formaciones protoplanetarias son adecuadas.

Además, las nubes de gas interestelar pueden servir también de trampolín para atacar la materia viva sobre la falta de vida, lo que se confirma por las sustancias orgánicas allí encontradas: alcoholes y azúcares, aldehídos, aminoácidos de glicina y muchos otros que pueden servir como material de partida para la emergencia química.

Teoría

La antigua Tierra guarda sus secretos, y la humanidad aún no tiene información confiable sobre las condiciones geoquímicas de su existencia antes de la aparición de la vida. Los estudios geológicos no pueden satisfacer todas las ediciones emergentes, y por lo tanto la astronomía es ampliamente utilizada para el estudio. Así que la teoría de la evolución química se construye. Las condiciones Venusianas o Marcianas de hoy se consideran análogas a la Tierra en ciertas etapas de la evolución química.

Los experimentos se ponen en modelos, y por lo tanto se obtienen todos los datos básicos conocidos por nosotros. Por ejemplo, mediante la simulación de diversas composiciones químicas y condiciones climáticas en la atmósfera, se obtuvieron hidrosfera, litosfera, moléculas orgánicas complejas. La adquisición de nuevos datos por medios experimentales siempre enriquece la teoría en construcción. Por lo tanto, ha habido muchas hipótesis sobre los mecanismos específicos y directamente las fuerzas impulsoras de la evolución química que ha tenido lugar.

Investigación en Rusia

La vida en la Tierra se formó debido a la abiogénesis, es decir, el nacimiento de compuestos orgánicos cuya existencia es inherente a la naturaleza viva fuera de cualquier organismo y sin la menor participación de las enzimas. Esta es la primera etapa cuando el viviente aparece de los sin vida.

De acuerdo con la asunción del académico Oparin en los años veinte del siglo XX, las soluciones de compuestos de alto peso molecular son capaces de formar ciertas zonas donde su concentración se incrementa, y la separación del medio externo no les impide intercambiar con él. Estas zonas se denominan coacervados o gotas de coacervado.

En el extranjero

La primera síntesis abiogénica, llevada a cabo bajo las condiciones de la Tierra primitiva, fue llevada a cabo en 1953 por Stanley Miller, sintetizando aminoácidos con otras sustancias orgánicas. Posteriormente apareció la teoría de hiperciclos, que explica las manifestaciones de la vida en el proceso de evolución química por la presencia de complejos de reacciones catalíticas que se suceden, donde el producto del anterior se convierte en el catalizador para el siguiente.

Sólo en 2008, los biólogos estadounidenses crearon la primera "protocélula", que a través de la membrana de ácidos grasos y lípidos fue capaz de obtener nucleótidos monofosfatos del medio ambiente. Estos "ladrillos" activados con imidazol son absolutamente necesarios para la síntesis de ADN. Y en 2011 en Japón, las vesículas se crearon con elementos de ADN bajo la cáscara catiónica, que eran capaces de dividir, ya que había una reacción en cadena poli-dimensional replicar el ADN.

Principales hipótesis

La evolución química de la vida en la Tierra en hipótesis explica los siguientes puntos fundamentales.

1. La necesidad de la aparición en la Tierra o en el Cosmos de las condiciones bajo las cuales se produce la síntesis autocatalítica de moléculas que contienen oxígeno y la síntesis debe tener grandes volúmenes y una variedad considerable suficiente para el comienzo del proceso de evolución química.
2. La aparición de estructuras pro-celulares que emergen de las moléculas descritas anteriormente. Estos agregados cerrados estables son aislados del medio ambiente, el metabolismo y las energías en ellos pasan selectivamente. Así que hay estructuras pro-celulares.
3. En los agregados resultantes, existe la capacidad para el desarrollo independiente – autorreplicación y auto-cambio de todos los sistemas químicos de información. Así que hay unidades elementales del código hereditario.
4. La siguiente etapa es la aparición de la interdependencia entre las funciones enzimáticas y las propiedades de las proteínas con ARN y ADN como portadores de información. Así, surge el código de herencia, que es necesario para la evolución biológica.

Descubrimientos

Como se dijo anteriormente, Oparin abrió coacervados en los años veinte del siglo pasado. Además Stanley Miller y Harold Urey en 1953 describieron la ocurrencia en la simulación de la antigua atmósfera de las biomoléculas simples y el proceso de su aparición. A continuación, Sydney Fox dijo al mundo acerca de las microesferas de los protenoides. En 1981, T. Cecu y S. Altman lograron observar la división autocatalítica del ARN, ya que las ribozimas son capaces de combinar la información y la catálisis en una molécula, "cortándose" fuera de la cadena y conectando los "extremos" restantes.

En 1986, W. Gilbert de Cambridge desarrolló la idea del "Mundo de los ARNs", mientras que Günter von Kidrowski de Alemania presentó el primer sistema basado en ADN auto-replicante, que fue una contribución importante a la comprensión de los sistemas auto-replicantes y las funciones de su crecimiento. La ciencia avanzó rápidamente en esta dirección: Manfred Eigen descubrió el hiperciclo, la evolución de los conjuntos de moléculas de ARN, y Julius Rebecque creó la primera molécula artificial que se auto-replica en cloroformo.

Espacio y Tierra

En el Centro de Vuelo Espacial de la NASA, John Corlis estudió el proceso de suministro de energía y productos químicos de las aguas termales de los mares, lo que hace que la evolución química independiente del ambiente espacial, y hoy en día son para la archeobacteria original un hábitat permanente. En el mundo de los sulfuros de hierro, aparecieron varias hipótesis de Gunther Wachtershauser.

Describió las primeras estructuras auto-replicantes con el intercambio de sustancias que aparecieron en la superficie de la pirita (sulfuro de hierro), que dio la energía necesaria para el metabolismo. Bajo condiciones de selección, los cristales de pirita en crecimiento y en descomposición pueden crecer y multiplicarse, creando diferentes poblaciones. Los minerales de arcilla también fueron densamente estudiados para la aparición de moléculas orgánicas. Sin embargo, el modelo unificado de evolución química aún no existe, ya que los principios básicos del movimiento de este proceso aún no están abiertos.