ทฤษฎีเคมีสังเคราะห์คืออะไร? พื้นฐานและการทดลอง

มนุษย์เป็นสิ่งที่ซับซ้อนซึ่งนอกเหนือจากการตอบสนองความต้องการพื้นฐานของมันแล้วยังต้องการคำอธิบายเกี่ยวกับการดำรงอยู่และต้นกำเนิดของมันด้วย จากนั้นสมมุติฐานต่างๆเกิดขึ้นตั้งแต่สาขาศาสนาและปรัชญาไปจนถึงวิทยาศาสตร์ ภายในกระแสวิทยาศาสตร์ทฤษฎีวิวัฒนาการระดับโมเลกุลที่เรียกว่าทฤษฎีการสังเคราะห์ทางเคมีได้รับการตั้งสมมติฐานจากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์ Alexander Oparin และ John Haldane ซึ่งแม้จะไม่ได้ทำงานร่วมกันก็มาถึงการกำหนดสมมติฐานเดียวกันซึ่งให้ความต่อเนื่องกับฐานราก ยกขึ้นในทฤษฎีบิ๊กแบงซึ่งตรงข้ามกับทฤษฎีการกำเนิดที่เกิดขึ้นเองและทฤษฎีทางศาสนาเกี่ยวกับการกำเนิดของชีวิต

ทฤษฎีการสังเคราะห์ทางเคมีสร้างอะไร?

ทฤษฎีนี้ระบุว่าไฮโดรเจน (H2) ที่มีอยู่ในบรรยากาศดึกดำบรรพ์ทำปฏิกิริยากับอะตอมของคาร์บอนไนโตรเจนหรือออกซิเจนก่อให้เกิดน้ำซุปที่มีคุณค่าทางโภชนาการซึ่งเมื่อสัมผัสกับแหล่งพลังงานดึกดำบรรพ์ต่าง ๆ ก่อให้เกิดกรดอะมิโนหลายชนิดซึ่งเป็นส่วนประกอบพื้นฐานของชีวิตอินทรีย์

สภาพในบรรยากาศตาม สมมุติฐานทางเคมีสังเคราะห์

ทฤษฎีเคมีสังเคราะห์กำหนดว่าบรรยากาศดั้งเดิมควรมีลักษณะที่สนับสนุนปฏิกิริยารีดักชั่นเนื่องจากถ้าบรรยากาศที่มีแนวโน้มออกซิเดชั่นมีอยู่ส่วนประกอบของ “ ซุปตาร์ลูกแรกเกิด” พวกเขาจะเสื่อมโทรม ด้วยเหตุนี้นักวิทยาศาสตร์ที่ตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับทฤษฎีวิวัฒนาการต่างๆจึงยืนยันว่าในสภาวะเริ่มต้นของดาวเคราะห์ ไม่สามารถ ออกซิเจนมีอยู่เนื่องจากปฏิกิริยาออกซิเดชั่นจะไม่ส่งเสริมการพัฒนาของสิ่งมีชีวิต

พื้นฐานทฤษฎีเคมีสังเคราะห์

ขั้นตอนของการตั้งสมมติฐานของชุดทฤษฎีที่หักล้างกับแบบอย่างของทฤษฎีการสร้างตามธรรมชาติ (เป็นที่ยอมรับกันอย่างแพร่หลายในยุคของเขา) เริ่มขึ้นในปี 1864 อันเป็นผลมาจากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Luis Pasteur ซึ่งแสดงให้เห็นในการทดลองของเขาว่า “ ชีวิตมาจากสิ่งมีชีวิต” ก่อให้เกิดการพัฒนาทฤษฎีใหม่ ๆ ในบรรดาทฤษฎีเหล่านี้คือเคมีสังเคราะห์ซึ่งระบุว่าสิ่งมีชีวิตเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาขององค์ประกอบทางเคมีพื้นฐาน องค์ประกอบที่ประกอบขึ้นเป็นสมมุติฐานนี้มีการอธิบายรายละเอียดด้านล่าง:

องค์ประกอบของโลกในจุดเริ่มต้น: ทฤษฎีนี้พิจารณาว่าในช่วงแรกดาวเคราะห์มีบรรยากาศที่ขาดออกซิเจนอิสระอย่างไรก็ตามอุดมไปด้วยส่วนประกอบอื่น ๆ โดยส่วนใหญ่เป็นไฮโดรเจน (ความเข้มข้นสูง) ดังนั้นมันจึงเป็นแบบลดลงซึ่งนิยมการปล่อยอะตอมของไฮโดรเจนในสายพันธุ์ทางเคมีที่มีอยู่ นอกจากนี้ยังมีสารประกอบทางเคมีพื้นฐานอื่น ๆ เช่นกรดไฮโดรไซยานิก (HCN) มีเทน (CH4) คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) น้ำ (H2O) และส่วนประกอบอื่น ๆ

• การก่อตัวของน้ำซุปที่มีคุณค่าทางโภชนาการ: หรือที่เรียกว่า ซุปลูกหัวปีประกอบด้วยการรวมตัวกันของของเหลวที่มีคุณค่าทางโภชนาการที่เกิดจากส่วนประกอบเหล่านี้ของบรรยากาศดั้งเดิม ของเหลวในปริมาตรนี้ก่อให้เกิดทะเลแรก มันเกิดขึ้นได้อย่างไร? ทฤษฎีการสังเคราะห์ทางเคมีระบุว่าอันเป็นผลมาจากการที่ชั้นบรรยากาศเย็นลงมีการควบแน่นของไอน้ำที่มาจากภูเขาไฟซึ่งลากส่วนประกอบทั้งหมดเหล่านี้ไปด้วยทำให้เกิด น้ำซุปที่มีคุณค่าทางโภชนาการซึ่งจะสะสมในความหดหู่ (มหาสมุทร) ซึ่งจะคงอยู่เป็นระยะเวลานานโดยไม่เสี่ยงต่อการสลายตัว
• ลักษณะของโครงสร้างที่ซับซ้อนมากขึ้น: ในกระบวนการนี้การกระทำของแหล่งพลังงานต่างๆมีความสำคัญเช่นพายุไฟฟ้ารังสีดวงอาทิตย์และการระเบิดของภูเขาไฟ ผลของปฏิกิริยาเหล่านี้เป็นส่วนประกอบที่ซับซ้อนเช่นน้ำตาลกรดไขมันกลีเซอรีนและกรดอะมิโน เมื่อเวลาผ่านไปวิวัฒนาการก่อให้เกิดโครงสร้างที่ Oparin เรียกว่า coacervatesโครงสร้างทางชีวภาพที่ทนทานและก้าวหน้ามากขึ้นซึ่งเป็นสารตั้งต้นของกรดนิวคลีอิกในปัจจุบัน

การก่อตัวของ coacervates

Oparin ได้ตั้งข้อสังเกตว่าในกระบวนการวิวัฒนาการของสายพันธุ์ทางเคมีที่มีอยู่ในนั้น น้ำซุปลูกหัวปีเกิด coacervates ซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนซึ่งในช่วงเวลาของการแบ่งเซลล์รวมกันเป็นโครงสร้างเดียวดังนั้นการได้รับเมมเบรนที่จะทำให้พวกมันกลายเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีลักษณะเฉพาะโดยมีความสามารถในการสังเคราะห์ด้วยตนเอง (ความสามารถในการผลิตอาหารของตัวเอง ) ซึ่งจะพัฒนาไปสู่รูปแบบที่มั่นคงและซับซ้อนมากขึ้นเรื่อย ๆ จนกลายเป็นโครงสร้างที่มีชีวิตที่แท้จริง ตามทฤษฎีการสังเคราะห์ทางเคมีสิ่งมีชีวิตดึกดำบรรพ์เหล่านี้เป็นต้นกำเนิดของพืชและสัตว์โลกในโลกของเรา

ในขั้นต้นไม่มีชั้นโอโซนซึ่งป้องกันเซลล์จากรังสีโดยตรงจากดวงอาทิตย์ นั่นคือเหตุผลที่เชื่อกันว่าเป็นไปได้ว่าโครงสร้างแรกถูกสร้างขึ้นและถูกทำลายอย่างไม่หยุดหย่อนโดยอุบัติการณ์โดยตรงของพลังงานแสงอาทิตย์ หลังจากผ่านไปหลายล้านปีเซลล์ดังกล่าวสามารถพัฒนาไปสู่ระบบอินทรีย์ที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งจะทำให้พวกมันสามารถเพิ่มจำนวนได้ ต่อมาพวกเขาเริ่มสังเคราะห์อาหารผ่านพลังงานแสงอาทิตย์โดยดำเนินกระบวนการสังเคราะห์แสงและส่งออกซิเจนบริสุทธิ์เข้าสู่ชั้นบรรยากาศซึ่งต่อมาจะกลายเป็นชั้นโอโซน

กระบวนการสร้าง coacervate ถูกกำหนดไว้ด้านล่าง:

• ทุกอย่างเริ่มต้นด้วยการก่อตัวของโมเลกุลที่เป็นระเบียบและมีเสถียรภาพ
• เมื่อเวลาผ่านไปโมเลกุลเสริมที่สอง (macromolecule) จะถูกสร้างขึ้นและเป็นส่วนหนึ่งของ coacervate
• โมเลกุลขนาดใหญ่นี้แยกออกจาก coacervate ที่ซึ่งมันเห็นต้นกำเนิด
• โมเลกุลขนาดใหญ่เริ่มดึงดูดสารประกอบที่สามารถจับกับโครงสร้างสร้างโคเซอร์เวตเดิมขึ้นมาใหม่

Stanley Miller และ Harold Urey Experiment (1953)

แม้ว่าสมมติฐานของทฤษฎีการสังเคราะห์ทางเคมีจะถูกกำหนดขึ้นในปีพ. ศ. 1924 โดย Oparin และ Haldane นักวิทยาศาสตร์สองคนได้สร้างขึ้นใหม่ในการทดลองในระดับที่มีเงื่อนไขของบรรยากาศดั้งเดิมโดยมีส่วนผสมของไฮโดรเจนมีเธนและแอมโมเนียในการปล่อยไฟฟ้าหลายชนิดการสังเคราะห์สารอินทรีย์ต่างๆ กรด จุดประสงค์ของการทดสอบนี้คือการสาธิตว่าการสังเคราะห์สารประกอบอินทรีย์เกิดขึ้นเองและเกิดขึ้นจากโมเลกุลธรรมดาที่อยู่ในบรรยากาศแรก

สำหรับการออกแบบการทดลองพวกเขาใช้ภาชนะแก้วและเทน้ำจำนวนหนึ่งเพื่อให้เต็มบางส่วนจึงมีการใส่ส่วนผสมของก๊าซดังกล่าวข้างต้นลงไปด้วย เนื้อหานี้อยู่ภายใต้การปล่อยประจุไฟฟ้าที่จำลองพายุยุคก่อนประวัติศาสตร์ที่เกิดขึ้นที่จุดเริ่มต้นของดาวเคราะห์

การทดสอบนี้ใช้เวลาหนึ่งสัปดาห์และเมื่อผ่านไปแล้วจะมีการวิเคราะห์ผล ตัวบ่งชี้แรกของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นคือสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงของสีของน้ำซึ่งในตอนแรกมีความโปร่งใสและหลังจากนั้นหนึ่งสัปดาห์จะมีโทนสีชมพูซึ่งต่อมาจะกลายเป็นสีน้ำตาลตามที่อุดมไปด้วย กรดอะมิโนที่จำเป็นและโมเลกุลอินทรีย์

การทดลองนี้เป็นการสนับสนุนทฤษฎีที่ว่ารูปแบบแรกของชีวิตเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ