Chemija · Pamoka

Prebiotinė chemija ir gyvybės cheminės kilmės klausimai

Vertinkite prebiotines galimybes pagal suderinamus išteklius, komponentų funkcijas ir istorinių išvadų ribas.

Baigę pamoką, galėsite

Subalansuoti priskirtą nuoseklių etapų išteklių apskaitą.
Apskaičiuoti krovinių bendrą buvimą, netapatinant jo su integruota funkcija.
Subalansuoti formalią neutralaus peptido apskaitą, neteigiant, kad nustatytas jo susidarymo kelias.
Patikrinti bendrų sąlygų suderinamumą ir atskirti jį nuo istorinio įrodymo.

Prebiotinė chemija tiria galimus kelius iki žinomos biologijos

Prebiotiniai tyrimai klausia, kaip su gyvybe susiję cheminiai komponentai, organizacija ir funkcijos galėjo atsirasti tinkamose ankstesnėse aplinkose. Laboratorinis virsmas gali parodyti cheminę galimybę nurodytomis sąlygomis. Jis automatiškai nenustato, kas vyko istoriškai.

Molekulinio komponento atsiradimas, replikacijos funkcija ir integruota gyvoji sistema yra skirtingi teiginiai. Nurodykite, kurį etapą nagrinėja stebėjimas ir kurie platesni ryšiai lieka neišspręsti.

Bandymų rezultatų susiejimui reikia papildomo pagrindimo

Nuosekliam keliui reikia pakankamai suderinamos medžiagos visuose jo etapuose. Originaliame atgavimo modelyje dauginamos priskirtos dalys ir išsaugomi visi neatgauti telkiniai. Tikriems ryšiams papildomai reikia produktų tapatybės, stabilumo, energijos ir suderinamų aplinkų. Sėkmingų bandymų, atliktų skirtingomis sąlygomis, sujungimas pats yra hipotezė.

Susiskirstymas į skyrelius gali sutelkti komponentus vienoje vietoje. Originalus Puasono modelis apskaičiuoja tikimybę, kad du abstraktūs kroviniai bus kartu. Jis nepriskiria nei jų cheminės sąveikos, nei funkcijos. Išlikimui, selektyviems mainams, katalizei ir replikacijai reikia atskirų stebėjimų.

Originaliame IISER Pune nukleotidų tyrime nagrinėjamos geocheminės sąlygos ir komponentų stabilumas. Jame taip pat atskiriama matoma pūslelės išvaizda nuo jos molekulinės sudėties. Skyrelio formos objektas gali išlikti net tada, kai siūlomas komponentas pakinta; vaizdą turėtų lydėti cheminiai ir funkciniai duomenys.

Nuoseklus atgavimas išsaugo kiekvieną sekamų vienetų telkinį

Sekamas kiekis / µmol Core	2 etapo dalis 0.600	2 etapo dalis 0.800
Pradinis kiekis	180	180
1 etapo galutinis kiekis	81.0	81.0
2 etapo galutinis kiekis	48.6	64.8
Galutinis kiekis	12.15	16.2
Neatgauta 1 etape	99.0	99.0
Neatgauta 2 etape	32.4	16.2
Neatgauta 3 etape	36.45	48.6

Originali suderinamų trijų etapų Core apskaita. Tik 2 etapo atgavimo dalis pasikeičia iš 0.600 į 0.800. Neatgauti telkiniai ir galutinis kiekis subalansuoja pradinį 180 µmol kiekį. Tai priskirtos dalys, neparodant istorinio kelio.

Siūlomam keliui reikia suderinamų sąlygų ir išteklių

Reagentai, energijos šaltiniai, terpė, koncentracijos ir laikas veikia virsmą. Jungiant kelis etapus reikia patikrinti, ar jų produktai, sąlygos ir medžiagų kiekiai suderinami. Atskirų bandymų rezultatų sujungimas yra papildoma hipotezė.

Vieno etapo išeiga gali riboti nuoseklaus kelio produktų kiekį, tačiau svarbūs gali būti ir produktų stabilumas, šalutinės reakcijos bei atskyrimas. Subalansuotas suminis ryšys pats savaime nepatvirtina įmanomos istorinės aplinkos ar viso kelio.

Subalansuota chemija nustato tik nurodytą apskaitą

Neutralaus glicino pavyzdžiuose nurodytas linijinis peptido junglumas, laisvi galai ir atskaitos krūvio formos. Kiekvienam ryšiui netekus vienos vandens molekulės elementų gaunama išsami atomų ir elektronų apskaita. Teisinga suminė lygtis nepateikia aktyvinimo, greičio, energijos, vandens aktyvumo ar parodyto prebiotinio susidarymo kelio.

Sąlygų intervalų pavyzdys dar siauresnis: pagal jo apibrėžtį du išgalvoti intervalai turi persidengti, kad būtų galima viena bendra sąlyga. Persidengimas leidžia suderinamumą tame mokomajame modelyje. Perėjimas tarp sąlygų sukuria kitą išteklių ir stabilumo problemą, o ne įrodo pradinį vienos sąlygos aprašą.

Nežemiškos nukleobazės ir laboratorinės cheminės funkcijos gali suteikti duomenų apie prieinamus komponentus ir galimus procesus. Komponentų apskaita, integruota gyvoji funkcija ir istorinis gyvybės atsiradimas lieka skirtingi klausimai. Išsaugokite tyrimų datas, mėginio tapatybę, alternatyvas ir tai, ką stebėjimai iš tikrųjų nagrinėja.

Organizacija gali palaikyti funkciją, nepatvirtindama visų gyvybės požymių

Skyrelius, katalizines sąveikas, informaciją nešančius polimerus ir reakcijų tinklus galima tirti kaip atskiras chemines funkcijas. Modelinė sistema gali pasižymėti viena svarbia savybe, neturėdama kitų.

Struktūros susidarymui ir jos išlikimui, selektyviems mainams ar atkuriamai funkcijai reikia atskirų stebėjimų. Patraukli schema negali suteikti šių matavimų ar įrodyti, kad vienas siūlomas kelias istoriškai buvo vienintelis.

Istoriniams paaiškinimams reikia alternatyvas skiriančių duomenų

Kelius lyginkite pagal sąlygas, išteklių poreikį, prognozuojamus produktus, atsparumą pokyčiams ir duomenis, galinčius atskirti alternatyvas. Nesėkmė vienomis pasirinktomis sąlygomis neatmeta kiekvieno susijusio kelio, o sėkmė vienomis specialiai sukurtomis sąlygomis nepatvirtina kiekvieno istorinio teiginio.

Toliau pateikti originalūs balansai iliustruoja kelių suderinamumą ir ribotas išvadas, naudojant išgalvotas vertes. Jie neatkuria viso gyvybės kilmės kelio ir neteigia, kad šiuo metu atviras istorinis klausimas jau išspręstas.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Nuosekliam keliui reikia išsamios išlaikytų ir neatgautų kiekių apskaitos

Priskirkite 180 µmol sekamo Core trims suderinamiems simboliniams vieno Core etapams, kurių atgautos dalys yra 0.450, 0.600, 0.250. Išsaugokite kiekvieno etapo neatgautus telkinius. Kokia viršutinė galutinio kiekio riba gaunama pagal šias priskirtas dalis?

Etapų galutiniai kiekiai yra 180×0.450=81.0, tada 48.6, tada 12.15 µmol Core. Bendra atgauta dalis yra 0.450×0.600×0.250=0.0675.
Neatgauti telkiniai yra 99.0, 32.4, 36.45 µmol Core. Jų suma kartu su galutiniu 12.15 yra 180 µmol ir subalansuoja sekamo kiekio apskaitą.
Etapų suderinamumas nustatytas sąlygoje. Produktų stabilumui, šalutiniams keliams, atskyrimui, energijai ir sąlygoms, jungiančioms tikrus bandymų rezultatus, reikia nepriklausomų duomenų. Šie skaičiai neaprašo parodytos sintezės ir nenustato istorinio gyvybės kilmės kelio.

Galutinis kiekis 12.15 µmol Core, arba 6.75% pradinio sekamo kiekio, esant priskirtiems suderinamiems etapams.

Bendras krovinių buvimas nepatvirtina integruotos funkcijos

Sukurkite 10⁸ nepriklausomų skyrelių. Abstrakčių krovinių A/B skaičiai kiekviename skyrelyje yra nepriklausomi Puasono kintamieji, kurių vidurkiai 0.600/0.800. Raskite tikėtiną skyrelių, turinčių bent po vieną kiekvieno krovinio vienetą, skaičių.

Kai vidurkis λ, bent vieno vieneto tikimybė yra 1−exp(−λ). Taigi P(A≥1)=0.451188364 ir P(B≥1)=0.550671036.
Nepriklausomumas skyrelio viduje duoda P(both)=0.248456364. Tikėtinas abu krovinius turinčių skyrelių skaičius yra 10⁸×P(both)=2.48456364×10⁷.
Nepateikta jokia krovinių chemija, pernaša per membraną, katalizinis susiejimas, replikacija ar palaikoma funkcija. Puasono pasiskirstymo užpildymas ir nepriklausomumas yra priskirti; nevienalytis ar priklausomas užpildymas pakeistų rezultatą.

Tikėtinas abu krovinius turinčių skyrelių skaičius 2.48456364×10⁷ pagal priskirtą užpildymo modelį.

Peptido apskaita nepateikia jo susidarymo kelio

Naudokite neutralų gliciną H₂N−CH₂−COOH, C₂H₅NO₂, ir formaliai sujunkite keturias liekanas į linijinį Gly₄ su laisvais neutraliais N/C galais ir trimis peptidiniais ryšiais. Imkite suminę apskaitos lygtį 4 Gly → Gly₄ + 3 H₂O. Turėdami 200 nmol glicino, raskite formalų grandinių kiekį.

Keturi monomerai turi C₈H₂₀N₄O₈. Pašalinus trijų vandens molekulių elementus gaunama neutrali grandinė C₈H₁₄N₄O₅. Junglumas yra H₂N−CH₂−C(=O)−NH−CH₂−C(=O)−NH−CH₂−C(=O)−NH−CH₂−COOH.
Neutralus glicinas turi 40 elektronų; keturi turi 160. Grandinės elektronų skaičius yra 8×6+14+4×7+5×8=130; trys vandens molekulės prideda 30, todėl bendra suma 160 subalansuota. Abiejose pusėse krūvis nulinis, o kiekvienas atomas išlaikomas grandinėje ir vandenyje.
Formali ribinė grandinių kiekio vertė yra 200/4=50.0 nmol, kartu su 150 nmol formalaus vandens. Glicinas neturi chiralinio centro; šios liekanos neįveda jokio stereocheminio pasirinkimo.
Ši suminė lygtis nepatvirtina savaiminės kondensacijos, aktyvinimo chemijos, energijos tiekimo ar tikrosios išeigos. Apskaitai nurodytos neutralios laisvų galų atskaitos formos, nedarant teiginio apie tirpalo pH ir nepateikiant prebiotinės procedūros.

Neutralaus Gly₄ formulė C₈H₁₄N₄O₅; formali riba 50.0 nmol grandinių ir 150 nmol vandens.

Etapų suderinamumas yra papildoma patikra

Sukurkite kelią, kurio abiem etapams reikia vieno bendro palaikomo pH. Nustatykite uždarus galiojimo intervalus [5, 7] 1 etapui ir [8, 9] 2 etapui. Ar vienas pH atitinka abi sąlygas?

Bendra sąlyga turi priklausyti abiem intervalams. Jų sankirta tuščia, todėl šis vienos sąlygos kelias nesuderinamas pagal nurodytus intervalus.
Sąlygų keitimas ar atkūrimas tarp etapų apibrėžtų kitą modelį ir pareikalautų išteklių, produktų stabilumo ir perkėlimo apskaitos. Intervalai išgalvoti, nepateikiant tikros reakcijos ar veiklos rekomendacijos.
Net netuščia sankirta tik leistų suderinamą sąlygą pagal šią mokomojo modelio apibrėžtį. Ji neparodytų išeigos, mechanizmo ar istorinio įvykimo.

Nė vienas bendras pH nepriklauso abiem nustatytiems intervalams.

Pabandykite patys

Pakeiskite tik 2 etapo atgavimo dalį į 0.800. Perskaičiuokite galutinį kiekį ir neatgautus telkinius.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Etapų galutiniai kiekiai 81.0/64.8/16.2 µmol Core; neatgauti 99.0/16.2/48.6; galutinė dalis 0.0900.
Trijų neatgautų telkinių ir galutinio kiekio suma vis tiek yra 180 µmol Core.
Padvigubinkite tik vidutinį krovinio B kiekį iki 1.60, išlaikydami nepriklausomą užpildymą ir 10⁸ skyrelių. Raskite tikėtiną abu krovinius turinčių skyrelių skaičių.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
P(both)=0.360095004; tikėtinas skaičius 3.60095004×10⁷.
Nepakitusią P(A≥1) padauginkite iš 1−exp(−1.60); padidėjęs bendro buvimo atvejų skaičius vis tiek nepatvirtina integruotos funkcijos.
Naudokite šešias neutralaus glicino liekanas vienoje linijinėje grandinėje su laisvais galais, turėdami tą patį formalų 200 nmol monomerų kiekį. Raskite formulę, elektronų balansą ir ribinius kiekius.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Gly₆: C₁₂H₂₀N₆O₇, 190 elektronų; penkios vandens molekulės prideda 50, kad suma būtų 6×40=240. Formali grandinių riba 33.3333333 nmol, o vandens 166.666667 nmol.
Iš 6 C₂H₅NO₂ atimkite 5 H₂O, išlaikykite nulinį krūvį ir priskirtą monomerų kiekį padalykite iš šešių. Jokia tikroji susidarymo išeiga nenumatoma.
Pakeiskite tik 2 etapo intervalą į [6.5, 8.5]. Koks bendras intervalas ir ką jis nustato?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Sankirta [6.5, 7]; pagal mokomojo modelio apibrėžtis vienos sąlygos suderinamumas leidžiamas, neįrodant istorinio kelio.
Intervalų persidengimas šiame uždavinyje yra būtina sąlyga, o ne cheminės išeigos ar kilmės įrodymas.

Ką verta įsidėmėti

Suderinami ištekliai ir sąlygos susieja etapus; atskiri bandymai to automatiškai nepadaro.
Bendras buvimas skiriasi nuo integruotos cheminės funkcijos.
Formali peptido apskaita neparodo jo susidarymo kelio.
Cheminei galimybei ir istoriniam įvykimui reikia skirtingų duomenų.

Šaltiniai

Mokomoji medžiaga ir žinynai, kuriais remiasi pamokos paaiškinimai ir pavyzdžiai.