化学进化

鲍勃·威廉姆斯和Ros雷克比检查共赢化学环境和生活

如果你认为查尔斯·达尔文使用遗传学和分子生物学家有进化了,再想想。在我们看来,他们已经错过了非常重要的作用的化学环境的变化。

人类需要一组矿物通过植物和动物的饮食来保持健康。事实上,所有元素在生物体最终来自环境。我们的研究的目的是要表明它是早期的化学演化环境,推动生物的进化-基于地球化学和生化证据,反过来,生物进化环境驱动释放的化学物质。在本文中,我们揭示了生命的化学的相互依存的进化和环境。

早期的地球

最初的地球是由化学组成内容的浓缩形成行星在太阳星云。研究这个的最好办法是看球粒陨石的构成,石质陨石撞击地球而不修改父的身体融化或分化。地球上生命出现的关键是后来引入水,富含水分波动可能来自彗星。水后的到来,地球存在于三个不同的阶段:大气、海洋和矿物质。

之间的一段4.5 - 35亿年前,大约地球化学进化成为一个稳定的状态,还容易风化表面和火山喷发从内部到外部。年底这段时间,大海变成了浓溶液的钠,钾和氯。也是稀溶液的镁、钙、重碳酸盐和磷酸盐。又一个更稀溶液的铁(Fe^{2 +})和锰。微量元素如镍、锌、钼仍然存在于更大的稀释,水也含有轻微的铜和镉。¹

海水蒸发,雨水不断溶解二氧化硅,硅酸盐和一些硫化物。这导致水土流失和沉积物的形成,对海岸和海洋床。陆地上的水流的钙,造成大量的碳酸盐矿物的形成和积累与大气CO的反应₂。这反过来又减少了气体在大气中。

厌氧气氛可能最初富含氮和氨的大量甲烷,有限公司₂和氢。²光气体H₂和CH₄很快就失去了从大气平流层。我们认为这个早期进化大气中的无机化学和海洋是一个进化的所有命运的控制因素。¹

有机化学和生命的开始

阳光在地球表面的作用产生的有机化学物质的减少有限公司₂与氢在脂质膜在水中。的供应氢先从环境H₂,然后通过energisation H₂最后从水中。C / H / O化合物结合大气中氨给更复杂的化学物质。我们不知道如何的复杂化学第一厌氧(没有氧气)细胞出现但有限的有机和无机化学的环境。在某个阶段蛋白质合成DNA和RNA的控制下。所需的内部细胞化学催化剂的细节和更多的能量进一步合成蛋白质、糖类、脂类和核苷酸。

两个最现成的无机离子对早期细胞催化铁和镁、锰和镍,所有可用的。铁和镍被用于还原反应^1、3而镁在精力充沛的缩合反应是一个伙伴——水的去除,通过焦磷酸核苷三磷酸腺苷,然后,ATP,受毫克^{2 +}。这些焦磷酸合成的能量来自太阳。两个最可用离子,铁^{2 +}和毫克^{2 +}在快速交流途径,作为他们的协调控制。

能量捕获和合成有机分子在细胞内的细胞内部渗透压比大海。保持渗透稳定Na⁺和Cl^{- - - - - -}被拒绝但为了控制内部电解中立,K⁺和磷酸。另一个阳离子不得不拒绝,Ca^{2 +},因为它会在细胞聚集的有机化合物。这些梯度,像所有的元素可用性有限,演化的控制因素的不可避免的命运。

显然细胞需要能量的形式,可以用来合成分子和创建渐变。所有为催化细胞内的机械,光传导,泵和合成是基于选择性的蛋白质。这是一个完整的神秘如何化学进化和后来成为编码的合作。有一个代码betway必威游戏下载大全之前很多特性是必要的(DNA)。明确的具体使用某些无机化学是不可避免的由于其特定的可用性和性能,而特定的有机分子的合成可能是相当大的动力学稳定性控制。

进化的氧气

一旦厌氧细胞把氢从水,利用光的能量,避免生产的氧气。²不可避免地拒绝了氧气迅速氧化H₂年代和所有脆弱的元素和化合物在环境的氧化还原电位,铁^{2 +}对菲^{3 +}H₂年代,所以₄^{2 -}例如,随后由硫化锌锌^{2 +}所以₄^{2 -}。

我们相信这不可避免的环境序列氧化反应导致细胞的成熟的阶段发展,这些化学物质back-reacted第一厌氧细胞给部分氧化有机化合物。细胞复杂性和上必须遵循任何新的氧化与还原合成有机化学细胞内不可能发生。的细胞,称为微氧,现在可以通过减少因此获得能源和元素₄^{2 -}也没有₃^{- - - - - -}铁的^{3 +}与代理内部减少离子。这些和其他许多细胞化学变化推导出平行的生物化学的今天还活着。

进化的真核细胞

化石证据⁴表明,大约25亿年前一个新类型的细胞,单细胞真核生物,出现了。其中一些细胞光和最终成为植物细胞使用,而其他动物细胞。这些细胞被完全依赖氧气使膜胆固醇使细胞更大的规模和灵活的状态。他们也可以利用基于信号环境的帮助下打开的梯度膜的钙不可避免地形成最早的细胞。钙离子结合蛋白,一些细胞与沉积物颗粒等固体表面。

这部小说细胞有许多内部囊泡,包括细胞器线粒体和叶绿体源于细菌细胞捕获。真核细胞有一些新的外部氧化铜和钼酶⁵和一个新的核结构。与此相关的核有几个锌蛋白质称为锌指转录因子。真核生物没有基因减少氨氮、蛋白质和核苷酸合成所需,因此成为完全依赖于原核生物。我们认为这与原核生物共生一起合并细菌细胞器的破坏的想法进化树沿着独立的分支。

大约20亿年前,随之而来的是间歇在自由氧增加后,已升至约1%的现值。氧气已经氧化的铁在海里从3.0到20亿年前形成的沉积岩被称为带状铁形成。在这一点上,不断产生的氧气已经参与不可避免的缓冲反应而氧化大量的硫化物和剩下的还原铁。海今天是因此富含硫酸。在同一时期生物发展略。与早些时候在我们看来这些数据一起使用不断变化的环境和共生说明密切协调环境和生物的进化。^1、3有一个单一的生态系统。

进一步氧上升和氧化

现在限制缓冲条件后从2.0到10亿年前已经被移除之后第二个氧自必然崛起的生物数量增加迅速,发展更多的氧气。²这给了氧化环境增加到大约今天的价值观,由沉积物的研究。

现在海洋中金属离子的含量高,特别是铜、锌、钼硫化物释放。小说细胞有机化学变化用这些金属离子在氧化的酶分子在细胞表面,然后在交联结缔组织细胞。这些反应导致了大型多细胞结构中看到化石。⁴许多这样的交联细胞,多细胞真核生物,都包含在一个外膜相当于一个皮肤。细胞分化和后来的特化细胞聚集在一起形成的器官,特别是在05.4亿年前寒武纪的大爆炸。锌酶被用来水解交联结缔组织允许增长。协调增长,细胞合成新型小分子激素。生物的协调——但缓慢——活动被绑定的激素控制转录因子,其中许多是可交换的数量大大增加锌的手指。

这些真核生物的细胞还需要使者快速行动——发射机如肾上腺素。这些发射设备和存储在囊泡释放的钙触发,由环境变化刺激。激素和发射器被铜和铁氧化酶类合成。推导了所有这些新化学化学的今天的生物。¹再次清楚的是我们,进化之间的合作是不可避免的环境和生物的变化。整体的进化是由增加氧气,铜和锌。

最后小说非常快的使者出现的神经细胞,动物需要协调他们的非常快的活动。沿着神经的消息是由于带电的梯度Na的两极化⁺/ K⁺在神经细胞膜的扩展。这种两极化的由外部细胞引起钙入侵事件。梯度进化创造不可避免的在第一个细胞。这个,像其他重大变化发生在生物化学,同时密切相关的一系列生物氧化的化学环境的变化。⁵协调的大脑神经系统带来了大约05亿年前。

环境与基因变化

这个描述的一个关键问题有关的进化是如何通过DNA复制。不太可能,这些庞大的变化,要求小说蛋白质,可能是由于随机突变在我们看来,尤其是在同样的变化几乎同时发生在各种各样的生物。因此,我们有寻找其他可能的DNA改变的原因。当地的基因的一种可能性,乘法,是刺激行动迅速的分子药物之前本地快速复制DNA的突变部分。⁶小说的环境化学物质,特别是金属离子,实际上是有毒的。他们很可能造成重复随后迅速变异可以解释基因的进化耦合的环境变化。

在所有这些进化的复杂性增加减少小说的应变环境更高级的生物。他们变得依赖于低等生物,大大增加共生。我们认为达尔文的进化树应该被有机体发展结合共生和环境的变化。⁶

主要的化学变化

环境的演变和生物化学停止大约4亿年前当自由氧环境中几乎不再增加。²我们接受的随机选择大大增加物种的变化沿着进化分支是真的。在这段时期大脑的力量的增加最终导致了男人。用他的大脑,人是能够理解所有材料的化学和物理。通过他的行动基于这些知识他发现了如何创建新的元素的化合物从任何改变环境中的化学物质。这是一个非常新颖的设计——但现在理性改变环境的化学方法,这将影响所有生物。人性问题是是否可以控制这些变化。

我们认为观察到的生物无机化学环境变化的依赖关系,由于生物体通过氧释放,需要非常小心的重新评估合作进化的驱动力。

鲍勃·威廉姆斯和Ros雷克比都是牛津大学的学者,英国,合作者的RSC的书进化的命运

引用

1。J J Frausto达席尔瓦和R P·威廉姆斯,生物化学的元素,牛津大学出版社,2001年

2。加菲尔德D E S W Poulton和G M主人科学,2007,315年,92 (DOI:10.1126 / science.1135013)

3所示。维安巴尔省和H丘,科学,2002,297年,1137 (DOI:10.1126 / science.1069651)

4所示。米一个Fedonkin等,动物的崛起约翰·霍普金斯大学出版社,2008年

5。J P·威廉姆斯和R E米雷克比,进化的命运,RSC出版,2012年

6。M F Arlt等,Proc。国家的。学会科学。美国,2011,108年,17360 (DOI:10.1073 / pnas.1109272108)