Anna Pudłowska
II rok
Ochrona Środowiska
Studia zaoczne
Rola tlenu. Początki ewolucji.
Tlen pierwiastek chemiczny, niemetal z grupy tlenowców w układzie okresowym. Tak w skrócie możemy określić niezbędny nam do życia i codziennego funkcjonowania pierwiastek.
Prawdopodobnie pierwszym odkrywca tego pierwiastka był Michał Sędziwój nadworny alchemik Zygmunta III Wazy. Dzięki swoim badaniom podczas prażenia saletry potasowej otrzymał pierwiastek nazywany później tlenem. Dawniej tlen z gr. oksy - kwaśny, gennao - rodzę, (nazywano „kwasoród”) do Polski nazwa „tlen” zawitała dzięki Jana Oczapowskiego.
Każdego dnia przeciętny dorosły człowiek zużywa na minutę około 0,4 litra tlenu, a każdy narząd bez jego użycia nie zdołał by istnieć. Nawet nie zdajemy sobie sprawy jak ten niewidzialny gołym okiem pierwiastek jest niezbędny dla nas i jaką spełnił on ważna rolę w pradziejach.
Około 10-20 mld lat temu wskutek Wielkiego Wybuchu powstał Wszechświat. Z wielkiej mieszaniny gazów zaczęły wyłaniać się galaktyki. Ziemia powstała ok. 4,7mld lat temu i początkowo przechodziła przez stan silnego rozszerzania. Planeta stopniowo stygła przy czym powstawały m.in. pralitosfera (skorupa skalna na powierzchni planety), prahydrosfera (kiedy zaczęła się skraplać para wodna), praatmosfera która zawierała w sobie pierwiastki (H2O, CH4, N2, NO, CO, CO2, NH3, H2S...) Substancje chemiczne znajdujące się na tworzącej planecie ulegały wielu wpływom takich form energii jak: promieniowanie kosmiczne, radioaktywne źródła w litosferze, energia cieplna wybuchów wulkanicznych, wyładowania atmosferyczne.
Pochodzenie życia na Ziemi, jedno z najtrudniejszych i do dzisiaj nie w pełni rozwikłanych zagadnień na świecie. Zapis kopalny nie dostarcza bezpośrednich świadectw tego procesu, pokazuje jednak, że najdawniejsze żywe organizmy pojawiły się przed co najmniej 3,5 mld lat (pierwsze stromatolity i kopalne struktury bakteryjne), a być może nawet przed 3,8 mld lat temu. Współczesny stan wiedzy pozwala na podejmowanie różnych prób wyjaśnienia procesu powstania życia na Ziemi w sposób naturalny, drogą łączenia się prostych substancji chemicznych w coraz bardziej złożone i powstawania z nich tworów zdolnych do metabolizmu, mnożenia się i przeobrażania w organizmy żywe.
Na podstawie współczesnej wiedzy opartej na kosmologii, geochemii, paleontologii i biologii molekularnej zakłada się, że powstanie życia na Ziemi następowało stopniowo i obejmowało kilka hipotetycznych etapów. Wszystkie procesy w wyniku których powstało życie na ziemi nazywamy biogenezą. Istniało wiele hipotez na temat powstania życia na Ziemi.
Najbardziej popularna z nich jest teoria radzieckiego biochemika A. Oparina, według której narodziny życia można podzielić na trzy etapy:
Ewolucja chemiczna-powstanie związków organicznych z substancji nieorganicznych. Na ty etapie powstały pierwsze związki w odpowiednich warunkach. Pod wpływem energii pochodzącej z wybuchów wulkanów, wyładowań elektrycznych i przy braku tlenu powstały pierwsze związki organiczne. Uważa się, ze te skomplikowane związki organiczne mogły powstać samoistnie, czego dowodzi potwierdzenie tej hipotezy przez doświadczenie
S. Millera (1953). Miller poddał mieszaninę gazów (imitacja praatmosfery) działaniu wyładowań elektrycznych w wyniku czego m.in. otrzymał aminokwasy. Miller nie znał wprawdzie składu praatmosfery, ale aminokwasy powstały przy różnych wariantach doświadczenia. Udało mu się (w specjalnej aparaturze) zsyntetyzować szereg związków organicznych (m. in. glicerynę, alaninę, prolinę, kwas asparaginowy i glutaminowy, a nawet elementy składowe kwasów nukleinowych i ATP) w szklanej kuli wypełnionej wodorem, metanem, amoniakiem i parą wodną (imitacja ówczesnej atmosfery), w której następowały wyładowania elektryczne. Związki te wytworzone w sposób samoistny, mogły być gromadzone w pierwotnym praoceanie. Aby było to jednak możliwe, ówczesna atmosfera musiała być beztlenowa (redukująca), gdyż tlen mógłby rozkładać wyprodukowane związki. Energia potrzebna do wytworzenia materii organicznej mogła być czerpana z wyładowań atmosferycznych oraz promieniowania ultrafioletowego.
Drugim z kolei etapem jest Ewolucja molekularna-łączenie się związków organicznych w bardziej złożone układy, polimery (polisacharydy, białka, kwasy nukleinowe). Uważa się, że już w tedy występowało zjawisko doboru naturalnego. Wśród tych związków kształtowały się koloidalne kompleksy lipidowo- białkowe tzw. "koacerwaty". W prahydrosferze ze związków organicznych powstawałe koacerwaty pochłaniały związki chemiczne z najbliższego otoczenia i w ten sposób rosły, mogły dzielić się, wykazywały też aktywność katalityczną w stosunku do reakcji polimeryzacji. To koacerwaty Oparin upatrywał jako prekursorów dzisiejszych komórek. W późniejszych latach powstały jeszcze dwie kolejne teorie na temat ewolucji molekularnej jedną z nich wygłosił S. Fox. Twierdził, że prymitywne prabiałka, węglowodany i inne związki chemiczne tworzyły struktury przypominające pęcherzykowate komórki wykazujące aktywność biologiczną, struktury te nazwał minisferami. Następna z teorii tym razem M. Eigena głosiła, iż na ziemi powstały krótkie łańcuchy nukleotydowe, które miały zdolność do replikacji. Jednocześnie powstały łańcuchy aminokwasowe, które katalizowały kopiowanie łańcuchów nukleotydowych. Teoria ta została określona mianem „hipercykli”.
Ostatnim etapem w biogenezie jest ewolucja biologiczna-tworzenie pierwszych komórek. Ten etap dzieli się na mniejsze pod etapy:
-pierwsze cudzożywne komórki (powstały ok. 3-3,5 mld lat temu). Dowodem na istnienie w tym okresie org. cudzożywnych jest stromatolity - odciski znajdowane w skałach. Na podstawie pozostałych skamielin po szczątkach wiem że żyły wtedy sinice heterotroficzne organizmy. Dzięki bogatemu zapleczu związków organicznych w morskim „bulionie” sinice mogły bez problemu przetrwać. Jednak wraz z kończeniem się zapasów „żywności” niektóre z organizmów by przeżyć musiały przekształcić się z heterotroficznych w autotroficzne. Późniejsze organizmy nauczyły się wykorzystywać fotosyntezę lub chemosyntezę do przeżycia. Według teorii którą wysnuł N.H. Horowitz heterotrofy zmieniły się w autotrofy dzięki mutacji która zaszła w ich organizmach.
-pierwsze organizmy wielokomórkowe (około 1 mld lat temu)- powstanie pierwszych eukariontów tłumaczy teoria endosymbiotyczna. Według jej założenia komórki pierwotne ulęgają przekształceniu tracą ścianę komórkowa, która późniejszym etapie ulega pofałdowaniu, powiększają swoje rozmiary, wyodrębniają jądro komórkowe i oddzielają błony komórkowe od reszty cytoplazmy. Do wnętrza tworzącej się komórki wnika chloroplast (dawniej bakterie fotosyntezujące), między chloroplastem a mitochondrium(dawniej bakterie tlenowe) powstaje ścisła zależność mutualizm dzięki czemu oba organizmy nie potrafią bez siebie funkcjonować. To połączenie dało początek rozwojowi roślin, zwierząt i grzybów.
Po wielu zachodzących procesach na Ziemi, dzięki powstającym organizmom wykorzystującym do przeżycia fotosyntezę Ziemi zaczęła magazynować tlen. Stopniowo wzrastała ilość tlenu, który dawał początek życia kolejnym bardziej złożonym organizmom, a w końcowym efekcie człowiekowi. Wszystkie te etapy nie powstały by jednak gdyby nie kluczowa obecność tego pierwiastka. Brak tlenu w procesie tworzenia się organizmów sprawiłby, że w pewnym fragmencie zabrakło by najważniejszego ogniwa do całej układanki jaką jest stworzenie życia. Wydaje się nieprawdopodobne, abyśmy kiedykolwiek dowiedzieli się, jak naprawdę powstało życie na Ziemi. Przytoczone teoria na dziś dzień są jednak najbardziej prawdopodobne i wiarygodne.