4 миллиарда лет назад земля: Как выглядела Земля 4 миллиарда лет назад (metkere.com) |

Содержание

Какой была наша планета Земля 4 миллионов лет назад?

4 миллиарда лет назад Земля выглядела как Луна Юпитера, показало исследование | Наука и здоровье | Г1. Наша планета была похожа на Ио, которая имеет интенсивную вулканическую активность. Трубки циркулировали тепло и материалы между ядром и поверхностью.

Земля образовалась около 4,54 миллиарда лет назад, примерно одна треть возраста Вселенной, в результате аккреции солнечной туманности. Вулканическое выделение газа, вероятно, создало первичную атмосферу, а затем океан, но ранняя атмосфера почти не содержала кислорода.

Эволюция человеческого вида началась по крайней мере 6 миллионов лет назад. В этот период популяция приматов на северо-западе Африки разделилась на две линии, которые продолжили развиваться независимо. Первая группа осталась в среде тропического леса и дала начало шимпанзе.

Планета Земля, также известная как мир, голубая планета или водная планета, имеет около 70% своей поверхности, покрытой водой.
…
→ Общие данные планеты Земля.

Около 3,5 миллиардов лет назад появились очень примитивные одноклеточные бактерии. Благодаря фотосинтезу, производимому этими бактериями, атмосфера аккумулирует кислород. Это дало начало водорослям, а также другим многоклеточным микроорганизмам.

На возникновение жизни на Земле могли повлиять метеориты, упавшие на нашу планету миллиарды лет назад. … Первые формы жизни на планете Земля появились более 3,5 миллиардов лет назад. Это были одноклеточные существа, чрезвычайно простые, возникшие из того, что ученые называют «первичным бульоном».

Есть несколько теорий. Один из них указывает на то, что вода должна была образоваться вместе с Землей или внутри нее и выбрасываться вулканами в виде пара на протяжении миллиардов лет.

Сначала он был практически жидким и окружен корочкой. Бомбитая метеороидами, Земля была покрыта шрамами, но в течение тысяч и тысяч лет поверхность планеты формировалась так, что некоторые кратеры все еще существуют, но уже не преобладают.

земноводным 360 миллионов лет; 300 миллионов лет рептилий; 230 миллионов лет динозавров; … 65 миллионов лет с тех пор, как вымерли динозавры; а также.

Между 3 и 5 миллионами лет назад, когда температура Земли была на 2–3 °C выше, а уровень моря был на 10–20 метров выше, чем сегодня, концентрации основных парниковых газов в атмосфере Земли были аналогичны сегодняшним.

До тех пор, пока около 150 миллионов лет назад, в конце юрского периода, когда динозавры безраздельно господствовали на Земле, два массива суши треснули и начали разделяться.

Земная кора — это самый внешний слой или кора планеты Земля. Это верхняя часть литосферы мощностью от 5 до 70 км. Кора состоит в основном из базальта и гранита и физически менее жесткая и более холодная, чем мантия и ядро Земли.

Планета Венера — самая горячая в Солнечной системе и одна из самых ярких на небе, уступая только Луне. Из-за интенсивности своего сияния ее называют утренней звездой, вечерней звездой, Эштрела Д’Альва и жемчужиной неба.

Земля также известна как Голубая планета, потому что в среднем 70% ее поверхности состоит из воды. Это пространство называется гидросферой (сферой воды). И именно существование этого вещества в жидком состоянии вместе с кислородом делает возможной жизнь на этой планете.

Как в любом регионе нашей планеты?

Как и в любом регионе нашей планеты, землепользование в Азии обусловлено определенными природными факторами.

В то время как Земля находилась на ранней (протоземной) стадии, считается, что Луна образовалась в результате гигантского ударного столкновения с телом размером с планету под названием Тейя. Со временем Земля остыла, в результате чего образовалась твердая корка и появилась жидкая вода.

Земля состоит из твердых, жидких и газообразных материалов, расположенных концентрическими слоями. Изнутри наружу слоями строения Земли являются: ядро или барисфера, мантия, сима или сиал, образующие внутреннюю структуру; литосфера, гидросфера и атмосфера образуют внешнюю структуру.

В географии используются разные формы изображения земной поверхности, такие как: глобус, карты, планисферы, планетарий, воображаемые линии, знаки, символы и др.

Форма Земли определяется как геоид, который имеет неровную поверхность и поэтому не соответствует сфере.

Земля возникла около 4.5 миллиардов лет назад вместе с Солнечной системой, возникшей из первичного облака. В центре его концентрация материи породила Солнце, а вокруг облака образовались более мелкие тела, давшие начало планетам и планетоидам.

Ядро: Ядро Земли (рис. 2) состоит из горных пород и металлического сплава, состоящего в основном из железа и никеля при температуре около 3500ºC. … Железо и другие тяжелые элементы, такие как никель, проникают внутрь, образуя центральное ядро.

Предлагается сделать небольшой плакат с чистым листом бумаги, тупыми ножницами, клеем и журналами или брошюрами и сделать коллаж с картинками о том, как мы можем помочь планете Земля восстановить себя. ХОРОШАЯ РАБОТА! Характеристики Земли: Форма Земли, Представления планеты.

Название «Земля» происходит от Теллус, богини плодородной почвы в римском пантеоне, эквивалентной Гее, которая для греков представляла «Мать-Землю». Гайя также называется Гея или Ге, связанная с элементом «земля».

Необычайная газообразная атмосфера Земли ответственна за возможность жизни на этой третьей планете от Солнца. Наша атмосфера содержит водяной пар, который помогает снизить дневную температуру.

Ядро Земли — это внутренний слой Земли с самыми высокими уровнями давления и температуры. … Внешнее ядро жидкое, с гораздо большей текучестью, чем мантия, из-за температуры, приближающейся к 3000ºC. Его длина составляет от 2900 км до 5150 км.

Земля испарилась 4,5 миллиарда лет назад и (возможно) поэтому у нас есть Луна

Визуализация этого художника показывает горячую, расплавленную луну, выходящую из синестии, гигантского вращающегося пончика из испарившейся породы, который образовался при столкновении объектов размером с планету.
(Изображение предоставлено Сарой Стюарт/UC Davis на основе рендеринга НАСА)

Давным-давно, около 4,5 миллиардов лет назад, Земля представляла собой несформировавшийся пончик из расплавленной породы, называемый синестией, — и в начинке была спрятана луна.

Во всяком случае, это одно из возможных объяснений образования Луны. И, согласно новой статье, опубликованной сегодня (28 февраля) в Журнале геофизических исследований — Планеты, это может быть лучшее объяснение, которое есть у ученых до сих пор.

«Новая работа объясняет особенности Луны, которые трудно разрешить с помощью современных идей», — говорится в заявлении автора исследования Сара Стюарт, профессора наук о Земле и планетах Калифорнийского университета в Дэвисе. «Луна химически почти такая же, как Земля, но с некоторыми отличиями. Это первая модель, которая может соответствовать образцу состава Луны». [10 удивительных фактов о Луне]

Новая модель сотворения Луны вращается вокруг гипотетического планетарного объекта, называемого синестией, который Стюарт и Саймон Лок, аспирант Гарвардского университета и соавтор нового исследования, впервые описали в статье. опубликовано в прошлом году.

Названная в честь греческих слов «син», что означает «вместе», и «Гестия», богиня строений и архитектуры, синестия может образоваться при столкновении в космосе двух тел размером с планету, при этом столкновение приводит к образованию облака сверхгорячего пара. .

Если два объекта обладают достаточно большим угловым моментом (как у большинства вращающихся планет), образовавшаяся буря планетарных обломков могла бы продолжать вращаться достаточно быстро, чтобы образовать гигантский диск расплавленного пара с углублением в центре и неуклонно пыхтящим наружу гигантским форма пончика во много раз шире, чем кольца Сатурна.

По мере того, как этот гигантский вращающийся космический пончик постепенно теряет тепло, он снова конденсируется в твердое тело, объединяя кусочки материи исходной планеты и объекта, с которым он столкнулся.

Согласно предыдущей статье Стюарта и Лока, Земля, возможно, ненадолго стала синестией вскоре после своего рождения около 4,5 миллиардов лет назад, после того как на нее ударила отступническая скала размером с Марс под названием Тейя. Популярная теория происхождения Луны предполагает, что Земля получила скользящий удар от Тейи, выбросив на орбиту брызги расплавленной породы и металла, которые в конечном итоге превратились в Луну, какой мы ее знаем сегодня.

Если бы Луна образовалась внутри Земной синестии, история развернулась бы немного по-другому.

«Наша модель начинается со столкновения, которое формирует синестию», — говорится в заявлении Локка. «Луна формируется внутри испарившейся Земли при температуре от 4000 до 6000 градусов по Фаренгейту [от 2200 до 3300 градусов по Цельсию] и давлении в десятки атмосфер», что во много раз превышает атмосферное давление на современной Земле.

Когда синестия впервые начала остывать, испарившаяся порода на внешнем краю системы начала конденсироваться в капли и падать внутрь «проливным дождем». По мере того как эти капли падали дальше внутрь синестии, они накапливали все больше и больше пара из окружающего их облака, образуя серию «лунок» и, в конечном итоге, саму луну. В то время как синестия продолжала остывать и конденсироваться, Луна в конце концов полностью покинула облако, но осталась на орбите Земли.

Согласно этой модели, Луна унаследовала свой состав от Земли, но потеряла некоторые из легко испаряемых элементов из-за сильного жара синестии. Эта модель адекватно объясняет особый состав Луны, как мы его понимаем сегодня, сказал Стюарт.

Одно предостережение к новой гипотезе: синестии остаются теоретическими объектами, которые никогда не наблюдались во Вселенной. Исследователи заявили, что однажды астрономы смогут обнаружить их формирование в чужих солнечных системах, и если они это сделают, они просто могут подтвердить важную историю гораздо ближе к дому.

Первоначально опубликовано на Live Science.

Брэндон — редактор по космонавтике и физике в Live Science. Его статьи публиковались в The Washington Post, Reader’s Digest, CBS.com, на веб-сайте Фонда Ричарда Докинза и в других изданиях. Он имеет степень бакалавра творческого письма в Университете Аризоны, а также несовершеннолетние в области журналистики и медиа-искусства. Больше всего ему нравится писать о космосе, науках о Земле и тайнах Вселенной.

Когда-то давно появилась жизнь: химия в земном океане 4 миллиарда лет назад

Около 4 миллиардов лет назад Земля была в значительной степени покрыта огромным океаном. Этот океан содержал большое количество небольших органических молекул, которые называются «пребиотиками», потому что они были там до появления жизни. Кем они были? Были ли они синтезированы на месте или пришли из космоса? Как они связывались, образуя длинные полимеры, некоторые из которых несут генетическую информацию, другие работают над воспроизведением всех основных молекул, а затем объединяют их в полимеры? Ни в чем не было уверенности заранее! Полимеры не были стабильными, связи было трудно создать. И все же мы здесь. Поэтому хорошо, что чрезвычайно тонкая химия нашла энергию и время, необходимые для того, чтобы установить себя. Эта статья дает некоторые подсказки, чтобы попытаться понять, что могло произойти.

1. Давным-давно, в не очень далекой галактике

Около 4,6 миллиардов лет назад в смещенном от центра месте спиральной галактики, которую мы называем Млечный Путь, образовался обширный диск материи. Большинство газов, зерен, блоков, из которых состоял этот диск, сконцентрировались и слились, образовав звезду, Солнце. Небольшое количество остаточного вещества, которое осталось, образовало планеты и более мелкие объекты, карликовые планеты и астероиды. Наша Земля, по сути, протоземля, образовалась в то время. Пятьдесят миллионов лет спустя (немного по меркам астрономического времени) эта протоземля столкнулась с очень массивным объектом, Тейей, планетоидом. Небольшое небесное тело с некоторыми характеристиками планеты. Этот термин относится к таким разнообразным структурам, как астероиды, карликовые планеты, протопланеты и т. д. размером с Марс. Из этого гигантского толчка возникла Луна и наша нынешняя Земля [1].

До этого удара атмосфера Земли, вероятно, содержала много водорода, основного компонента протосолнечного диска. Но шок был огромным. Легкие элементы были изгнаны. Образовалась новая атмосфера, богатая углекислым газом (CO ₂ ), азотом (N ₂ ) и водяным паром (H ₂ O). Земля была еще очень горячей. Однако довольно быстро остывает. Водяной пар конденсировался и падал непрекращающимся проливным дождем, образуя первый, уникальный и огромный океан 9. 0052 .

Под этим океаном верхняя часть мантии Земли затвердела, образовав первую кору. Постепенно возникли первые тектонические плиты. Возможно, выйдя из океана, мы уже могли видеть какие-то протоконтиненты, разбросанные острова, вероятно, вулканов, гораздо более активных, чем наши нынешние вулканы . Наша планета была еще полна энергии! Это компенсировало слабость молодого Солнца, которое было меньше и менее мощно, чем сегодня. Без энергии, выделяемой планетой, без значительного парникового эффекта, возникающего из-за высокой доли CO ₂ в атмосфере, вполне возможно, что вся вода превратилась в лед. Какая жизнь могла зародиться в этом льду? Без сомнения, нет…

Когда протоземля пересекла путь Тейи, после рождения Луны на Землю обрушилось множество астероидов, которые, вероятно, принесли ей большое количество дополнительной воды, а возможно, и органических молекул. После интенсивного отскока от этих катастрофических бомбардировок они закончились 3,8 миллиарда лет назад (ну, почти закончились: мы до сих пор не застрахованы от катастрофического потрясения. Динозавры не сказали бы обратного!).

Не исключено, что жизнь появилась до окончания этого «великого позднего периода бомбардировки» в истории Солнечной системы, длившегося примерно от 4,1 до 3,9 миллиардов лет назад, во время которого произошло значительное увеличение метеорных или кометных столкновений с теллурическими планетами. .», но доказательства в этом отношении остаются скудными. И даже если бы оно началось, выдержало бы оно эти неоднократные катаклизмы? (см. Происхождение жизни глазами геолога, увлекающегося астрономией).

2. Столько воды! Столько воды!

Итак, давайте поместим себя чуть менее 4 миллиардов лет назад в конец геологической эры, называемой Гадейской. В то время на Земле был гигантский океан, гиперактивные вулканы, зародыши континентов. Луна удалялась от него, но была далека от выхода на свою нынешнюю орбиту: она была еще в три раза ближе. В результате сила приливов была гигантской, более чем в двадцать раз превышающей сегодняшнюю. Ветер был впечатляющим. Даже если он остывает, температура океана была, вероятно, выше, чем сегодня .

Трудно узнать его рН. Аббревиатура для водородного потенциала, мера активности иона водорода (или протона) в растворе. pH является индикатором кислотности (pH ниже 7) или щелочности (pH выше 7) раствора. Раствор с pH 7 называется нейтральным: в настоящее время он слегка щелочной (около 8,1), но постепенно подкисляется из-за выбросов CO ₂ человека. В воде CO ₂ образует кислоту: угольную кислоту. СО 9 гораздо меньше0045 2 в атмосфере сегодня, чем когда зародилась жизнь. Возможно, поэтому океан в то время был довольно кислым, что повлияло на химию, которая могла там происходить. Конечно, он содержал ионы. В настоящее время преобладают натрий (Na ⁺) и хлориды (Cl ^–). Океан уже был соленым! Были и кальций, и магний, и бромиды, и даже гораздо больше йодидов, чем сегодня.

Сначала считалось, что первобытная атмосфера была очень восстановительной, что в ней было много водорода, метана, аммиака. Но мы видели, что если бы был водород, удар с Тейей вызвал выброс этого легкого газа в космос. Однако атмосфера не окислялась. Он содержал очень мало или вообще не содержал молекулярного кислорода (O ₂). Датировать появление на Земле значительного количества O ₂ можно, определив возраст древнейших месторождений, содержащих трехвалентное железо. Действительно, когда железо подвергается воздействию воды, содержащей кислород, оно ржавеет. То есть он окисляется до трехвалентного железа (Fe ³⁺ ). Трехвалентное железо не растворяется в воде. Однако без кислорода железо образует ионы двухвалентного железа (Fe ²⁺ ), которые растворимы.

Таким образом, между нашим нынешним океаном и первобытный океан: последний содержал растворенное двухвалентное железо , не наше.

3. Полнота малых молекул

Рисунок 1. Примеры синтеза пребиотиков. Представленный «сахар», пентоза с 5 атомами углерода, является лишь одним из многих примеров. Аналогично можно рассматривать синтез других аминокислот, кроме глицина, серина и цистеина.

Этот океан также содержал органические молекулы. Из СО ₂ или метана (СН ₄) легко образуются молекулы с двумя атомами углерода. СО ₂ можно восстановить до формальдегида (H ₂ CO, рис. 1), который в результате реакции, называемой «формозной реакцией», образуется путем сокращения терминов формальдегид и альдоза. Эта реакция, открытая русским химиком Александром Бутлеровым в 1861 году, заключается в полимеризации формальдегида с образованием сахаров, включая пентозы (сахара с пятью атомами углерода). Эта реакция важна в абиотических процессах образования живых молекул». сначала дает гидроксиацетальдегид Молекула химической структуры C ₂ Н ₄ О ₂ . Это простейшая молекула, которая имеет как гидроксильную группу (ОН), так и альдегидную группу (СНО). (молекула с двумя атомами углерода), а затем более длинные молекулы, представляющие собой сахара. Повар сказал бы, что с этими сахарами вдобавок к хлориду натрия хадейский океан был кисло-сладким!

Помимо сахаров, для построения живой клетки необходимы как минимум два типа молекул: белки и нуклеиновые кислоты. Все эти молекулы содержат азот. Каковы могли быть источники этого азота в добиотическом океане? Вероятно, аммиак (NH ₃) и синильная кислота (HCN). Когда эти два соединения реагируют с формальдегидом, они дают простейшую аминокислоту глицин . Эта молекула синтезируется посредством существенной реакции, называемой синтезом Штрекера , названной в честь Адольфа Штрекера, германского химика, открывшего ее в середине ^-го-го века. Этот синтез из других альдегидов может давать различные аминокислоты, например серин из гидроксиацетальдегида (рис. 1).

Эти аминокислоты являются основными компонентами полимеров, которые являются белками. Как мы только что видели, их можно было довольно легко синтезировать: поэтому они, скорее всего, присутствовали в раннем океане.

Что насчет предшественников нуклеиновых кислот? Аббревиатура DNAA для дезоксирибонуклеиновой кислоты. ДНК представляет собой макромолекулу, состоящую из нуклеотидных мономеров, образованных азотистым основанием (аденин, цитозин, гуанин или тимин), связанным с дезоксирибозой, которая сама связана с фосфатной группой. Это нуклеиновая кислота, такая как рибонуклеиновая кислота (РНК). Присутствующая во всех клетках и во многих вирусах ДНК содержит генетическую информацию, называемую геномом, которая обеспечивает развитие, функционирование и размножение живых существ. Молекулы ДНК живых клеток образованы двумя антипараллельными нитями, закрученными друг вокруг друга, образуя двойную спираль. РНК представляет собой макромолекулу, состоящую из последовательности рибонуклеотидов (аденина, цитозина, гуанина, гуанина, урацила), связанных между собой нуклеотидными связями и выполняющих множество функций внутри клетки. Это нуклеиновая кислота, как и ДНК, несущая генетическую информацию? Их синтез немного сложнее. Менее очевидно, что все они присутствовали. Но для каждого из них можно написать пребиотические синтезы. Рибоза Рибоза — это оза (сахар), состоящая из цепи из пяти углеродных элементов и альдегидной функции. Это компонент РНК, используемый в генетической транскрипции. Это связано с дезоксирибозой, которая является компонентом ДНК. Он также присутствует во многих молекулах, важных для метаболических процессов (в частности, в АТФ или аденозинтрифосфате). таким образом, могут быть получены с помощью уже упомянутой реакции формозы, нуклеиновые основания из цианистого водорода, и недавно исследователями были опубликованы пути прямого доступа к комплексам рибоза-основание.

Синтез цепей ДНК и РНК тем не менее ставит вопрос об источнике фосфора . Он действительно в избытке присутствует в этих полимерах, несущих генетическую информацию. В нашем мире окислитель. В химии химический элемент окисляется, когда отдает один или несколько электронов в ходе окислительно-восстановительной реакции (см. также окислительно-восстановительный и восстановительный в глоссарии). В мире этот элемент обычно встречается в виде фосфатов, особенно фосфатов кальция, нерастворимых в воде. Были ли фосфаты (растворимые) в примитивном неокислительном океане? Если нет, то что было источником растворимого фосфора? Это открытый вопрос [2].

Другим важным элементом является сера , присутствующая сегодня в двух поддерживающих жизнь аминокислотах, метионине и цистеине. Выделяется в значительных количествах из действующих вулканов, фумарол, многих гидротермальных источников, часто в виде сероводорода (H ₂ S). Поэтому разумно предположить, что первобытный океан содержал сероводород и, следовательно, небольшие молекулы серы, такие как аминокислота цистеин.

Если мы уверены (некоторые сказали бы: почти уверены), что ни один маленький зеленый человечек из межгалактического пространства никогда не ступал на нашу планету, то не исключено, что некоторые из упомянутых здесь молекул приземлились на Земле, принесенные миллионами астероидов, поразивших его, особенно во время Великой поздней бомбардировки. Так, великолепный визит зонда «Розетта» к астероиду 67P/Чуриумов-Герасименко, известному как «Чури», показал, что он содержит воду, аммиак, формальдегид, синильную кислоту, сероводород… но также и более сложные органические молекулы, включая глицин, этот небольшая аминокислота, возможный синтез которой на Земле мы описали выше (Читайте Как изучать органические молекулы комет?).

Итак, первый глицин: «земной» или «внеземной»? А как насчет других аминокислот? А основания ДНК? Никто этого не знает. Но несомненно то, что когда массированные бомбардировки прекратились, когда этот возможный инопланетный источник иссяк, когда все эти инопланетные молекулы были использованы, земные синтезы должны были взять верх. Как мы видели, они вполне возможны. Внеземная гипотеза, если ее нельзя опровергнуть, не является существенной для описания зарождения жизни на Земле.

Рисунок 2. 4 миллиарда лет назад сформировалась первая земная кора, в основном покрытая обширным соленым океаном, содержащим растворимое двухвалентное железо. Астероиды принесли воду и небольшие органические молекулы. Другие молекулы образовались в океане. Присутствие синильной кислоты HCN позволяло, с одной стороны, синтезировать основания РНК, а с другой — аминокислоты, которые при полимеризации давали первые пептиды.

Рисунок 2 суммирует всю эту химию.

Остается проблема концентрации этих молекул. Это очень важный вопрос: чем более разбавлены исходные соединения данной реакции, тем медленнее протекает реакция. Конечно, у жизни было время впереди. Однако многие продукты, образующиеся в результате конденсации малых молекул, не очень устойчивы в воде. Мы должны быть в состоянии сделать достаточно, достаточно быстро, чтобы они продолжали расти, образовывать все более и более длинные молекулы, все более и более сложные, прежде чем снова разделиться на мелкие исходные компоненты. Это поднимает два вопроса: сколько воды было на Земле? А эта вода, какую массу органических молекул она содержала?

Сколько воды? Самая реалистичная гипотеза состоит в том, чтобы считать, что их было, грубо говоря, не больше и не меньше, чем сегодня, т. !

Знать, сколько органических молекул было на пути к жизни, гораздо сложнее. Современная наземная биосфера содержит 2000 гигатонн (2000 миллиардов тонн = 2 миллиарда миллиардов граммов) органического углерода. Очень маловероятно, что их было больше, в виде небольших молекул, в то время, когда еще не появилась именно «органическая» жизнь.

Давайте посчитаем: 2 миллиарда миллиардов миллиардов граммов разделить на 1000 миллиардов миллиардов литров, это 2 миллиграмма органического углерода на литр воды. Это низкая концентрация, но это не совсем смешно. Вероятно, это приводит к завышенным представлениям о концентрации органических молекул в хадейском океане. Фактическая концентрация, вероятно, была еще ниже. Так? Как мы можем представить достаточно быстрые реакции в этом океане, постоянно взбалтываемом гигантскими приливами и, следовательно, примерно однородном?

Сам Дарвин уже выразил эту проблему, когда писал своему другу Джозефу Хукеру в 1871 году: » «Но если бы (и о, какое большое если бы) мы могли зачать ребенка в каком-нибудь теплом маленьком пруду со всеми видами аммиака и фосфорных солей, свет, тепло, электричество и т. д., что химически образовалось белковое соединение, готовое к еще более сложным изменениям [..] » »

Это происхождение этого маленького теплого прудика , который действительно сделал так многие исследователи в поисках истоков жизни фантазируют. Дарвин предположил, что его небольшой пруд достаточно концентрирован, чтобы химия могла перейти к синтезу достаточно длинной цепочки аминокислот, «белкового соединения».

На формирующихся континентах могли быть небольшие водоемы, но были ли там более концентрированные органические молекулы, чем в глобальном океане? Может быть, молекулы сконцентрировались на первых пляжах или в нескольких трещинах? Было ли вокруг вулканов больше органических соединений? Или на дне океана, возле гидротермальных источников, из которых выходит горячий газ? Не следует ли вместо этого представить себе особенно эффективные реакции, позволяющие строить полимеры (например, белки) даже в очень разбавленных условиях?

4. Ключи к успеху: энергия и катализ

Чтобы произошла химическая реакция, необходимо:

что это возможно, это вопрос термодинамики,
что достаточно быстро, это вопрос кинетики. в химии кинетика описывает эволюцию химических систем во времени, то есть переход от начального состояния к конечному состоянию. Законы химической кинетики позволяют определить удельную скорость химической реакции.

Однако априори, 4 миллиарда лет назад, все было не так, как должно было быть!

Рис. 3. Синтез дипептида из двух аминокислот. Разница в длине стрелок означает, что баланс смещен в сторону двух аминокислот. Образование воды, в частности, ингибирует синтез дипептида.

С термодинамической точки зрения важна относительная стабильность исходных молекул и образовавшихся молекул. Создание полимера — это поэтапный процесс. Во-первых, два мономера. Основные составляющие сложных молекул (белков, сложных сахаров, нуклеиновых кислот и т. д.). Последовательная последовательность этих молекул (одинаковых или разных) приводит к полимерной структуре. Таким образом, аминокислоты образуют белки, азы — сложные сахара, нуклеотиды — нуклеиновые кислоты. дают димер, который будет удлиняться в тример и так далее, вплоть до очень длинных цепочек. Таким образом, сначала два мономера образуют димер и отщепляется молекула воды. Как в пептидах (рис. 3), так и в нуклеиновых кислотах димеры гораздо менее стабильны, чем мономеры. Другими словами, предпочтение отдается реакции отсечения димера (гидролизу). Таким образом, баланс смещается в сторону мономеров. Это тем более, что этот гидролиз потребляет молекулу воды, что в воде благоприятно, в то время как конденсация образует молекулу воды рядом с димером, что неблагоприятно. Именно эта проблема неблагоприятного образования молекулы воды заставляет некоторых авторов искать наименее водные среды, возможные для размещения их сценария зарождения жизни, в частности побережья первых континентов, где, несомненно, можно было найти относительно сухие места.

Кинетическая сторона не лучше. Чтобы две молекулы реагировали вместе, они должны быть активированы, т. е. им должно быть сообщено определенное количество энергии. Чем выше подводимая энергия, тем больше вероятность того, что два мономера встретятся (называемые «шоками») без реакции. Другими словами, тем медленнее идет реакция. Однако энергия, необходимая для образования эмбрионального димера белка или нуклеиновой кислоты, высока.

Пустая трата времени? Нет, так как, несмотря на все это, совершенно точно, что жизнь появилась. Для этого вам нужно как минимум:

богатая энергией молекула . Разрезав себя на два фрагмента, эта молекула высвободит большую часть содержащейся в ней энергии. Если это произойдет одновременно с образованием димера (например, дипептида), то две энергии будут компенсировать друг друга, и термодинамика будет способствовать общему процессу;
катализатор , т.е. химическое вещество, молекула, а иногда и поверхность твердого тела (см. Происхождение первых клеток: точка зрения инженера), способная способствовать образованию димера из двух мономеров . Тогда количество эффективных толчков (тех, которые действительно образуют димер) будет гораздо больше, и скорость реакции в добиотическом океане достигнет приемлемой.

Рис. 4. Роль АТФ (аденозинтрифосфата) в биологическом синтезе пептидов Первые две реакции катализируются белком – аминоацилРНКт-синтетазой. Третий происходит на конце двух молекул тРНК внутри рибосомы, которая сама состоит из цепочек РНК. То, что эта последняя стадия катализируется РНК, является сильным аргументом для исследователей, которые предполагают существование первобытного мира, в котором преобладали РНК (мир РНК).

Богатая энергией молекула, используемая сегодня в живых организмах, — это АТФ (рис. 4), трифосфат . Разрыв фосфатной связи высвобождает достаточно энергии, чтобы уравновесить нестабильность синтезируемых димеров. В пептидном синтезе это даже позволит достичь димера через промежуточные соединения , еще менее стабильные, чем сам димер. Сначала образуется смешанный фосфорно-карбоновый ангидрид, затем сложный эфир и, наконец, амид (пептид). Всего это включает в себя три шага, каждый из которых по своей природе медленный. Таким образом, в дело вступают катализаторы. Таким образом, вероятно, потребовалось время, чтобы самые первые пептиды сформировались в первобытном океане.

Таким образом, для объяснения возникновения жизни необходимо определить по крайней мере один молекулярный источник энергии (учитывая, что крайне маловероятно, что АТФ существовала в раннем океане, поскольку она слишком богата энергией), а с другой стороны, первоначальные катализаторы (если понимать что те, которые используются сегодня в живых клетках, аминоацил-тРНК-синтетазыСемейство ферментов, которые катализируют этерификацию аминокислот на 3′-конце транспортной РНК (тРНК). Сохранившиеся во всех живых организмах, эти ферменты помогают переводить генетическое сообщение в белки. аминокислоты, добавленные таким образом к концу тРНК, затем включаются рибосомой в синтезируемую полипептидную цепь (белок).Для каждой из 20 аминокислот, присутствующих в белках, имеется аминоацил-тРНК-синтетаза.Каждый из этих ферментов распознает аминогруппу. кислотой и одной или несколькими изоакцепторными тРНК. Их функция важна для точности трансляции генетического кода, поскольку они гарантируют, что аминокислота, таким образом, этерифицируется Т-конец тРНК соответствует правильному антикодону. и другие слишком сложны, чтобы быть пребиотиками).

Проблема поставлена, все остальное только гипотеза. Наиболее общепринятой сегодня является версия « РНК мира» [3] (см. Происхождение первых клеток: точка зрения инженера). Предполагается, что первыми значимыми полимерами были РНК, которые одновременно являлись хранилищами первой генетической информации и катализаторами. Элементами (органическими или минеральными), ускоряющими или замедляющими химическую реакцию. Используемый в очень малых количествах и специфичный для данной реакции, катализатор не фигурирует в уравнении реакции; он не влияет ни на направление эволюции преобразования, ни на состав системы в конечном состоянии. Фермент — это биологический катализатор. Фактически, некоторые РНК в современных живых клетках обладают каталитическими свойствами (хотя подавляющее большинство биологических катализаторов — это белки). Что касается источника энергии: невозможно образование РНК без использования энергии, содержащейся в трифосфатах. Однако маловероятно, что трифосфаты могли существовать в раннем океане. Это одна из трудностей гипотезы. Но у него есть то преимущество, что он согласовывает генетическую информацию и катализ.

С другой стороны, белки не несут генетической информации, но они являются намного лучшими катализаторами, чем РНК . Не исключает ли это отсутствие генетической информации идею о том, что белки могли быть первыми действительно важными полимерами в истории жизни? А может и нет… Действительно, сегодня некоторые пептиды производятся непосредственно на белках, без помощи нуклеиновых кислот. Эти пептиды называются «нерибосомными», поскольку они не вырабатываются в рибосомах, а представляют собой комплексы, состоящие из РНК и рибосомных белков, связанные с мембраной (в гранулярном эндоплазматическом ретикулуме) или свободные в цитоплазме. Функция рибосомы заключается в переводе генетического кода в белки с помощью информационных РНК (мРНК). Ферментативная активность рибосомы осуществляется рРНК, рибосома является рибозимом. Общая для всех клеток (прокариот и эукариот), структура и состав рибосомы различаются в зависимости от организма. У прокариот рибосома называется 70S (S соответствует единице седиментации Свердберга) и состоит из субъединиц 50S и 30S. Рибосома эукариот называется 80S, образована двумя субъединицами 60S и 40S., комплексами РНК. Однако они не создаются «наугад», и авторы предполагают существование кода, отличного от традиционного генетического кода (который переводит ДНК в белки 9).0029 через РНК ). Этот «нерибосомный» код переводит белки в пептиды (можно сказать, пептиды в пептиды). Это сложный код, основанный на наборах из десяти аминокислот (в кодирующем белке): он позволяет точно выбрать аминокислоту для введения в синтезируемый пептид. Таким образом, ничто не мешает нам представить себе, что «догенетическая» информация, пусть даже поверхностная, первоначально могла быть перенесена аминокислотными цепочками.

Рис. 5. Принцип действия каталитической триады, в данном случае триады цистеин-гистидин-аспарагиновая кислота. Зигзагообразные звенья представляют собой пептидные цепи. Образуется тиоэфир. Это высокоэнергетическая молекула, которая будет использоваться для последующих реакций, таких как гидролиз. Образование амида — еще одно возможное последующее действие.

Хотя каталитические белки представляют собой сложные молекулы, их активность обычно основана на довольно простых принципах. Так обстоит дело с каталитическими триадами , обнаруженными в гидролазах и трансферазах. Требуются три аминокислоты: спирт или тиол, основание и кислота. На рисунке 5 действует тиол, цистеин. Благодаря гистидину (основанию), расположенному дальше по цепи белка, этот цистеин теряет свой протон. Затем он несет отрицательный заряд, что позволяет ему реагировать с положительным углеродом двойной связи C=O. Аспарагиновая кислота активирует гистидин. Продукт реакции в этом случае тиоэфир , еще один пример после трифосфатов высокоэнергетической молекулы. Затем этот тиоэфир может подвергаться другим реакциям, например, с водой с образованием кислоты (белок, содержащий триаду, является гидролазой) или с другой органической молекулой (триада является активным центром трансферазы).

Конечно, в наших нынешних белках эти триады расположены очень точно по цепочкам аминокислот, которые их связывают. Благодаря этому каждый триадный белок специализирован и выполняет только один тип реакции на молекулах, которые также хорошо определены. Но могли ли 4 миллиарда лет назад в первобытном океане существовать триады? Они, несомненно, были бы гораздо менее конкретными, в какой-то мере «хорошими во всем». Почему бы нет? На рис. 6 показан такой пример очень упрощенной триады. Уточняется стереохимия молекулы, или «хиральность»: это очень существенный вопрос, который должна объяснять полная модель происхождения жизни [4].

Рис. 6. Слева: предельное упрощение триады. Молекула (гипотетическая) циклическая. Он содержит 3 аминокислоты (цистеин, гистидин и аспарагиновую кислоту). Нет никаких указаний на то, что он будет иметь каталитическую активность. Справа: три примера жирных кислот. Это длинные органические цепи, в которых повторяется звено Ch3, оканчивающееся кислотной функцией.

Наконец, мы не можем представить себе жизнь без существования разделенных структур, клеток или чего-то подобного им, то есть мембран или стенок. Первые мембраны могли быть образованы из перепутанных или более упорядоченных пептидов, склеенных вместе. Они также могли содержать длинные гидрофобные органические цепи, такие как жирные кислоты (рис. 6). Сегодня возможно синтезировать эти жирные кислоты благодаря белкам и химии тиоэфиров.

Мир, в котором возникла жизнь, который затем очерчен, был бы миром пептидов гораздо большим, чем мир нуклеиновых кислот. Сера через цистеин и тиоэфиры играла бы центральную роль, связывая ее с возможным миром, который является еще более примитивным, более «минеральным», миром железа-серы [5], [6]. Это заставляет нас задуматься о той особой роли, которую двухвалентное железо, которое является растворимым, а значит, доступным, могло играть в обеспечении электронов и, следовательно, энергии по отношению ко всем этим пептидам.

Ссылки и примечания

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Moon. О рождении Луны мы найдем в этой статье гипотезы, альтернативные гигантскому удару.

[2] Голдфорд Дж. Э., Хартман Х., Смит Т. Ф. & Segre D. (2017) Остатки древнего метаболизма без фосфатов . Ячейка 168, 1-9. http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2017.02.001

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/RNA_world

[4] https://en.wikipedia. org/wiki/Хиральность_(химия)

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Железо-серный белок

[6] Долина Ю., Шалаел И. и др. (2017) В самом начале жизни на Земле: мировая гипотеза тиол-богатых пептидов (TRP). Междунар. Дж. Дев. биол. 61: 471-478. http://doi.org/10.1387/ijdb.170028yv

Энциклопедия окружающей среды Ассоциации энциклопедий окружающей среды и энергетики (www.a3e.fr), связанной контрактом с Гренобльским университетом. Альпы и Гренобль INP, и спонсируется Французской академией наук.

Чтобы процитировать эту статью: ВАЛЛЕ Янник (2023), Однажды, когда появилась жизнь: химия в земном океане 4 миллиарда лет назад, Энциклопедия окружающей среды, [онлайн ISSN 2555-0950] url : https://www .