Elu füüsikaline olemus Elu tekke probleemid

Transcript

1 Elu füüsikaline olemus Elu tekke probleemid

2 Elu füüsikaline keemia Kuidas on elusolenditel võimalik statsionaarses seisundis viibida? Miks ei toimu iseeneslik lagunemine soojuse eraldumisega? Elu on väga keeruline ja elusolendi iseenesliku tekkimise tõenäosus on ääretult väike. Kuidas sai elu üldse tekkida?

3 Füüsikalis-keemilised seaduspärasused Termodünaamika I seadus: energia ei teki ega kao, vaid muutub ühest vormist teise Näiteks bensiini keemiline energia muundub auto mootoris mehhaaniliseks energiaks Termodünaamika II seadus: protsessid kulgevad isevooluliselt korratuse suurenemise (entroopia kasvu) suunas Näiteks tuba läheb segamini Entroopia S on korratuse mõõt

4 Füüsikalis-keemilised seaduspärasused Reaktsiooni soojusefekti väljendab entalpia muut ΔH Negatiivse entalpia muudu korral (eksotermiline protsess) eraldub soojust, positiivse korral kulub soojust (endotermiline) Keemilist energiat väljendatakse tavaliselt Gibbsi vabaenergia G abil, mis võtab arvesse nii entalpia kui ka entroopia ΔG = ΔH TΔS, ΔG abil on lihtne ennustada reaktsiooni toimumist: ΔG < 0 reaktsioon toimub ΔG = 0 reaktsioon on tasakaalus ΔG > 0 reaktsioon ei toimu Gibbsi energia abil saab arvutada reaktsiooni tasakaalukonstanti ΔG = -RTlnK

5 Füüsikalis-keemilised seaduspärasused Negatiivne ΔG ei tähenda alati, et reaktsioon ka reaalselt kulgeb; sõltub ka reaktsiooni kiirusest Katalüsaatorid suurendavad reaktsiooni kiirust Bioloogilistes süsteemides on katalüsaatoriteks ensüümid (E), kusjuures saaduste (A ja B) ja produktide (C) osakaalu reguleerivad inhibiitorid (I): A+E AE AE +B C + E E + I EI AE + I AEI

6 Elu füüsikaline olemus Elu töötab vastu termodünaamika II seadusele ehk vähendab entroopiat, kasutades selleks toitainetest saadavat energiat Toiduainetest saadava energia abil sünteesitakse keerulise ehitusega biomolekulid Reaktsioone katalüüsivad ensüümid ja reaktsioonide kiirust reguleerivad inhibiitorid, mis kinnituvad ensüümile Elusorganismidel on stabiilne sisekeskond (ph, temperatuur, keemiline koostis), mis on eelduseks ensüümide toimimisele

7 Füüsikaline evolutsioon Viis keemiliste elementide mitmekesisuse tekkeni, galaktikate, tähtede ja planeedisüsteemide arenguni Maa tekkis 4,55 miljardit aastat tagasi Esialgsel kuumal vedelal Maal tekkis rauast tuum ja pind jahtus maha Tekkisid ookeanid Atmosfääris olid süsinikdioksiid, metaan, vesinik ning ammoniaak

8 Keemiline evolutsioon Toimus Maal 4,5-3,5 miljardit aastat tagasi Tekkima hakkasid esimesed orgaanilised ühendid nagu aminohapped, nukleotiidid ja lipiidid Nende polümeriseerimisel tekkisid vastavalt valgud ja RNA/DNA Lipiididest tekkisid rakumembraanid 4-3,5 miljonit aastat tagasi tekkis esimene elusolend, millel oli rakumebraan, DNA, RNA,valgud ja ensüümid

9 vetikad kalad kahepaiksed sõnajalad dinosaurused linnud ussid ja lülijalgsed 40 1 imetajad eukarüoodid % CO Bioloogiline evolutsioon on teada tänu geoloogilistele leidudele Tänapäeva atmosfäär on tekkinud tänu fotosünteesivatele organismidele, kes on tootnud hapnikku ja tarbinud CO Aeg / miljonit aastat tagasi % % O 2 0,04 % 0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 inimene

10 Radioaktiivsete isotoopide meetodid Leidude vanuse määramiseks Pb 204 ja Pb 206 isotoobi suhet kivimiproovis Pb 204 kogus on kivimis konstantne, kuid Pb 206 tekib pidevalt juurde U 238 lagunemisel (poolestusaeg on miljardit aastat) Täpsemalt saab määrata kuni aasta vanuseid leide, kasutades C 14 süsiniku isotoopi poolestusajaga 5730 aastat C 14 tekib atmosfääris kosmilise kiirguse toimel, kuid kui elusolend sureb, siis hakkab tema koostises oleva C 14 hulk vähenema tänu radioaktiivsele lagunemisele

11 Keemilise evolutsiooni teooriad Orgaanilise supi teooria Veelombis, kus on metaan, ammoniaak ja vesinik, võivad äikeselöögi tagajärjel tekkida nukleotiidid ja aminohapped, mis on olemuselt küllaltki madala energiaga ja stabiilsed Sellel ajal koosnes Maa atmosfäär veest, süsinikdioksiidist, süsinikoksiidist, metaanist, divesiniksulfiidist ja ammoniaagist ning osoonikihi puudumise tõttu oli ultraviolettkiirgus 31 korda intensiivsem kui tänapäeval

12 Miller-Urey katse (1953) Elektri (välk) toimel tekkisid metanaal ja vesiniktsüaniidhape, mis omavahel reageerides moodustasid lihtsamaid aminohappeid CO 2 CO + [O] (atomaarne hapnik) CH 4 + 2[O] CH 2 O + H 2 O CO + NH 3 HCN + H 2 O CH 4 + NH 3 HCN + 3H 2 CH 2 O + HCN + NH 3 NH 2 -CH 2 -CN + H 2 O NH 2 -CH 2 -CN + 2H 2 O NH 3 + NH 2 -CH 2 -COOH (glütsiin)

13 RNA monomeeri tekkimine orgaanilises lombis 2009 õnnestus eraldada terve RNA monomeer, kus on RNA alus, riboos ja fosfaatrühm Sünteesi lähteained on orgaanilisest supis tekkivad ühendid (1,2,3) ning fosfaat

14 Probleemid Mis oli kõigepealt? Pärilikkusaine RNA, valgud või rakumembraan? Energeetilised küsimused Polümeeride teke vesikeskkonnas raskendatud ja eelistatud on hoopis DNA, RNA ja valkude hüdrolüüs nukleotiidideks Miks on valkudes esindatud just need 20 aminohapet? Levinud teooria on, et 20 aminohapet on optimaalne arv, seal on polaarseid ja hüdrofoobseid ahelaid ning nende abil on võimalik valmistada väga erinevate omadustega valkusid Miks on bioorgaanilised ained ühekäelised? Eeldusel, et aminohapped tekkisid orgaanilise supis, peaks olema vasakukäelisi ja paremakäelisi (ehk D ja L) isomeere võrdselt

15 Probleemid Informatsiooni tekkimise probleem Katsete käigus pole suudetud selgitada geneetilise koodi teket, mille vahendusel kandub info nukleiinhappelt valgule. Kõige lühem bakteri genoom on Carsonella ruddii nimelisel bakteril ja omab tähte (DNA aluspaari), mis kodeerib 182 valgu valmistamist Sellise informatsiooni iseeneslik tekkimine on äärmiselt ebatõenäoline, olgugi et see genoom on väga kompaktne Inimese genoom sisaldab 3 triljonit tähte ja kodeerib ligikaudu valku.

16 Teisi hüpoteese orgaanilise aine tekkimisest Veealuste vulkaaniliste allikate juures väävlirikaste mineraalide juuresolekul (väävlibakterid) Raua-väävli maailma teooria pakub, et elu võis tekkida FeS ja NiS mineraalide pinnal, mis katalüüsivad CO ja H 2 S reaktsiooni, andes reaktsioonisaadusena CH 3 -CO-SH, mis on atsetüül-coa analoog Nikliühendid võivad katalüüsida lihtsamate aminohapete teket CO ja HCN ühinemisel Savi pinnal või poorsete kivimite struktuurides Radioaktiivsete ainete juuresolekul Kokkuvõttes ootavad keemilise evolutsiooni teooriad uusi eksperimente, mis annaksid kinnitust elu informatsiooni tekkimise kohta