โลกยุคแรก: เงื่อนไขและจุดเริ่มต้นของชีวิต - ชีววิทยา

ดั้งเดิมโลกเป็นคำที่ถูกนำมาใช้ในการอ้างถึงสิ่งที่โลกของเราอยู่ในช่วง 1,000 ล้านปีแรกของการดำรงอยู่ ช่วงนี้ครอบคลุมถึง Hadic Aeon (4,600–4,000 mA) และ Eoarchic Era (4,000–3,600 Ma) ของ Archaic Aeon (4,000–2,500 Ma) ในทางธรณีวิทยาคำย่อ Ma (มาจากภาษาละติน mega annum) หมายถึงหลายล้านปีก่อนปัจจุบัน

Hadic, Archaic และ Proterozoic Aeons (2500-542 Ma) ประกอบขึ้นเป็น Precambrian ซึ่งหมายถึงหินที่ก่อตัวขึ้นก่อนยุคแคมเบรียน แผนกย่อยของ Precambrian ไม่ใช่หน่วยสตราติกราฟฟิคอย่างเป็นทางการและกำหนดตามลำดับเวลาทั้งหมด

ที่มา: pixabay.com

การก่อตัวของโลกดึกดำบรรพ์

คำอธิบายที่ได้รับการยอมรับมากที่สุดเกี่ยวกับการกำเนิดของเอกภพคือทฤษฎีบิ๊กแบงตามที่จักรวาลขยายจากปริมาตรเริ่มต้นเท่ากับศูนย์ (สสารทั้งหมดกระจุกตัวอยู่ที่เดียวในพริบตาซึ่งเรียกว่า "เอกฐาน") ไปยัง มีปริมาณมากถึง 13,700 ล้านปีก่อน

เอกภพมีอายุเกือบ 9 พันล้านปีเมื่อ 4.567 ล้านปีก่อนระบบสุริยะและโลกยุคแรกก่อตัวขึ้น การประมาณที่แม่นยำมากนี้มาจากการหาคู่แบบเรดิโอเมตริกของอุกกาบาตย้อนหลังไปถึงระบบสุริยะ

ดวงอาทิตย์เกิดจากการยุบตัวของพื้นที่ก๊าซของตัวกลางระหว่างดวงดาว การบีบอัดสสารเป็นสาเหตุของอุณหภูมิสูง จานหมุนของก๊าซและฝุ่นก่อตัวเป็นเนบิวลาสุริยะดั้งเดิมซึ่งเป็นส่วนประกอบของระบบสุริยะ

การก่อตัวของโลกยุคแรกสามารถอธิบายได้ด้วย "แบบจำลองมาตรฐานของการก่อตัวของดาวเคราะห์"

ฝุ่นคอสมิกสะสมผ่านกระบวนการการชนกันของการสะสมครั้งแรกระหว่างวัตถุท้องฟ้าขนาดเล็กจากนั้นระหว่างดาวเคราะห์ตัวอ่อนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางไม่เกิน 4,000 กิโลเมตรในที่สุดระหว่างดาวเคราะห์ขนาดใหญ่จำนวนน้อย

เงื่อนไขของโลกดึกดำบรรพ์

ในช่วงประวัติศาสตร์อันยาวนานโลกยุคแรกได้รับการเปลี่ยนแปลงอย่างใหญ่หลวงในสภาพแวดล้อม

เงื่อนไขเริ่มต้นซึ่งมีคุณสมบัติเป็นนรกเป็นศัตรูกับชีวิตทุกรูปแบบ อุณหภูมิที่ทำให้วัสดุบนบกทั้งหมดเป็นส่วนหนึ่งของทะเลแมกมาการทิ้งระเบิดโดยอุกกาบาตดาวเคราะห์น้อยและดาวเคราะห์ขนาดเล็กและการปรากฏตัวของอนุภาคไอออไนซ์ที่ร้ายแรงซึ่งนำมาจากลมสุริยะนั้นโดดเด่น

ต่อจากนั้นโลกยุคดึกดำบรรพ์ได้เย็นตัวลงทำให้ลักษณะของเปลือกโลกน้ำของเหลวบรรยากาศและสภาพทางเคมีกายภาพที่เอื้ออำนวยต่อการปรากฏตัวของโมเลกุลอินทรีย์แรกและในที่สุดก็เป็นจุดกำเนิดและการอนุรักษ์ชีวิต

Hadic Aeon

ความรู้เกี่ยวกับ Hadic Aeon มาจากการวิเคราะห์ตัวอย่างหินบนบกจำนวนเล็กน้อย (เกิดขึ้นระหว่าง 4,031 ถึง 4,0 Ma) เสริมด้วยการอนุมานจากการศึกษาอุกกาบาตและวัสดุท้องฟ้าอื่น ๆ

ไม่นานหลังจากการก่อตัวของโลกใน Hadic Aeon การชนกันครั้งใหญ่ครั้งสุดท้ายเกิดขึ้นกับวัตถุท้องฟ้าขนาดเท่าดาวอังคาร พลังงานของผลกระทบละลายหรือระเหยกลายเป็นไอของโลก

การรวมตัวกันโดยการระบายความร้อนและการสะสมของไอน้ำทำให้เกิดดวงจันทร์ วัสดุหลอมเหลวที่ยังคงอยู่บนโลกก่อตัวเป็นมหาสมุทรแมกมา

แกนกลางของโลกซึ่งทำจากโลหะเหลวมาจากส่วนลึกในมหาสมุทรแมกมา ซิลิกาที่หลอมรวมซึ่งกำเนิดเปลือกโลกประกอบขึ้นเป็นชั้นบนของมหาสมุทรนั้น พลวัตที่ยิ่งใหญ่ของขั้นตอนนี้นำไปสู่ความแตกต่างของแกนกลางเสื้อคลุมเปลือกโลกโปรโตโอเชียโนและบรรยากาศ

ระหว่าง 4,568 ถึง 4.4 Ma โลกเป็นศัตรูกับสิ่งมีชีวิต ไม่มีทวีปหรือน้ำเหลวมีเพียงมหาสมุทรแมกมาที่ถูกอุกกาบาตถล่มอย่างรุนแรง อย่างไรก็ตามในช่วงนี้สภาวะทางเคมีและสิ่งแวดล้อมที่จำเป็นต่อการเกิดขึ้นของสิ่งมีชีวิตเริ่มพัฒนาขึ้น

มันเป็น Eoarchic

โดยทั่วไปแล้วสิ่งมีชีวิตมักถูกสันนิษฐานว่ามีต้นกำเนิดในช่วงการเปลี่ยนแปลงระหว่าง Hadic Aeon และ Eoarchic Era แม้ว่าจะไม่มีไมโครฟอสซิลใดที่พิสูจน์ได้

ยุค Eoarchic เป็นช่วงเวลาของการก่อตัวและการทำลายเปลือกโลก การก่อตัวของหินที่เก่าแก่ที่สุดที่รู้จักในกรีนแลนด์เกิดขึ้นเมื่อ 3.8 พันล้านปีก่อน วาอัลบาราซึ่งเป็นมหาทวีปแห่งแรกของโลกถูกสร้างขึ้นเมื่อ 3.6 พันล้านปีก่อน

ในช่วงยุค Eoarchic ระหว่าง 3,950 ถึง 3,870 Ma โลกและดวงจันทร์ได้รับผลกระทบจากอุกกาบาตถล่มอย่างรุนแรงจนสิ้นสุดช่วงเวลาแห่งความสงบซึ่งกินเวลานานถึง 400 ล้านปี หลุมอุกกาบาตบนดวงจันทร์ (ประมาณปี 1700 มีเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 20 กม. 15 มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 300–1200 กม.) เป็นผลที่มองเห็นได้ชัดเจนที่สุดจากการทิ้งระเบิดครั้งนี้

บนโลกการทิ้งระเบิดครั้งนี้ทำลายเปลือกโลกส่วนใหญ่และทำให้มหาสมุทรเดือดฆ่าทุกชีวิตยกเว้นแบคทีเรียบางชนิดอาจเป็นพวกหัวรุนแรงที่ปรับตัวให้เข้ากับอุณหภูมิสูง สิ่งมีชีวิตบนบกใกล้จะสูญพันธุ์

กระบวนการพรีไบโอติก

ในทศวรรษที่สองของศตวรรษที่ 20 Aleksandr Oparin นักชีวเคมีชาวรัสเซียเสนอว่าสิ่งมีชีวิตเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมเช่นเดียวกับโลกดึกดำบรรพ์ผ่านกระบวนการวิวัฒนาการทางเคมีซึ่งในขั้นต้นนำไปสู่การปรากฏตัวของโมเลกุลอินทรีย์ที่เรียบง่าย

บรรยากาศจะประกอบด้วยก๊าซ (ไอน้ำไฮโดรเจนแอมโมเนียมีเทน) ซึ่งจะแยกตัวออกเป็นอนุมูลโดยการกระทำของแสงยูวี

การรวมตัวกันใหม่ของอนุมูลเหล่านี้จะทำให้เกิดการอาบน้ำของสารประกอบอินทรีย์กลายเป็นน้ำซุปดั้งเดิมซึ่งปฏิกิริยาทางเคมีจะทำให้เกิดโมเลกุลที่สามารถทำซ้ำได้

ในปี 1957 สแตนลีย์มิลเลอร์และแฮโรลด์ยูเรย์แสดงให้เห็นโดยใช้อุปกรณ์ที่มีน้ำร้อนและส่วนผสมของก๊าซโอปารินซึ่งอยู่ภายใต้ประกายไฟฟ้าอาจเกิดวิวัฒนาการทางเคมีได้

การทดลองนี้สร้างสารประกอบอย่างง่ายที่มีอยู่ในสิ่งมีชีวิต ได้แก่ เบสกรดนิวคลีอิกกรดอะมิโนและน้ำตาล

ในขั้นตอนต่อไปของวิวัฒนาการทางเคมีซึ่งได้รับการทดลองขึ้นใหม่สารประกอบก่อนหน้านี้จะรวมตัวกันเพื่อสร้างโพลีเมอร์ที่จะรวมตัวกันเป็นโพรโทบิออน สิ่งเหล่านี้ไม่สามารถทำซ้ำได้ แต่มีเยื่อหุ้มเซลล์ที่สังเคราะห์และเคลื่อนไหวได้เหมือนเซลล์ที่มีชีวิต

กำเนิดชีวิต

Protobionts จะเปลี่ยนเป็นสิ่งมีชีวิตโดยได้รับความสามารถในการสืบพันธุ์ถ่ายทอดข้อมูลทางพันธุกรรมไปยังคนรุ่นต่อไป

ในห้องปฏิบัติการพอลิเมอร์ RNA สั้นสามารถสังเคราะห์ทางเคมีได้ ในบรรดาโพลีเมอร์ที่มีอยู่ในโพรโทบิออนจะต้องมีอาร์เอ็นเอ

เมื่อหินหนืดแข็งตัวเริ่มก่อตัวของเปลือกโลกดึกดำบรรพ์กระบวนการกัดกร่อนของหินจะก่อให้เกิดดินเหนียว แร่ธาตุนี้สามารถดูดซับพอลิเมอร์อาร์เอ็นเอสั้น ๆ ลงบนพื้นผิวที่มีไฮเดรตซึ่งทำหน้าที่เป็นแม่แบบสำหรับการสร้างโมเลกุลอาร์เอ็นเอที่มีขนาดใหญ่

ในห้องปฏิบัติการยังแสดงให้เห็นว่าพอลิเมอร์ RNA แบบสั้นสามารถทำหน้าที่เป็นเอนไซม์กระตุ้นการจำลองแบบของตัวเองได้ สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าโมเลกุลของ RNA สามารถจำลองแบบในโปรโตไบออนซึ่งเป็นเซลล์ต้นกำเนิดในที่สุดโดยไม่ต้องใช้เอนไซม์

การเปลี่ยนแปลงแบบสุ่ม (การกลายพันธุ์) ในโมเลกุลอาร์เอ็นเอของโปรโตไบออนจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่การคัดเลือกโดยธรรมชาติสามารถดำเนินการได้ นี่จะเป็นจุดเริ่มต้นของกระบวนการวิวัฒนาการที่ก่อกำเนิดสิ่งมีชีวิตทุกรูปแบบบนโลกตั้งแต่โปรคาริโอตไปจนถึงพืชและสัตว์มีกระดูกสันหลัง

อ้างอิง

Barge, LM 2018 พิจารณาสภาพแวดล้อมของดาวเคราะห์ในแหล่งกำเนิดของการศึกษาสิ่งมีชีวิต Nature Communications, DOI: 10.1038 / s41467-018-07493-3
Djokic, T. , Van Kranendonk, MJ, Campbell, KA, Walter, MR, Ward, CR 2017 สัญญาณแรกของสิ่งมีชีวิตบนบกที่เก็บรักษาไว้ในแคลิฟอร์เนีย เงินฝากน้ำพุร้อน 3.5 Ga Nature Communications, DOI: 10.1038 / ncomms15263
ฟาวเลอร์, CMR, Ebinger, CJ, Hawkesworth, CJ (eds) 2545. โลกยุคแรก: การพัฒนาทางกายภาพเคมีและชีวภาพ. สมาคมธรณีวิทยาสิ่งพิมพ์พิเศษ 199 ลอนดอน
Gargaud, M. , Martin, H. , López-García, P. , Montmerle, T. , Pascal, R. 2012. Young Sun โลกยุคแรกและต้นกำเนิดของชีวิต: บทเรียนสำหรับโหราศาสตร์ สปริงเกอร์ไฮเดลเบิร์ก
Hedman, M. 2007 อายุของทุกสิ่ง - วิทยาศาสตร์สำรวจอดีตอย่างไร สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยชิคาโกชิคาโก
Jortner, J. 2006. เงื่อนไขสำหรับการเกิดขึ้นของสิ่งมีชีวิตบนโลกยุคแรก: สรุปและสะท้อน. ธุรกรรมเชิงปรัชญาของ Royal Society B, 361, 1877–1891
Kesler, SE, Ohmoto, H. (eds.) 2549. วิวัฒนาการของบรรยากาศชั้นต้นไฮโดรสเฟียร์และชีวมณฑล: ข้อ จำกัด จากการสะสมของแร่. สมาคมธรณีวิทยาแห่งอเมริกาโบลเดอร์บันทึกความทรงจำ 198
Lunine, JI 2006. สภาพทางกายภาพบนโลกยุคแรก. ธุรกรรมเชิงปรัชญาของ Royal Society B, 361, 1721–1731
Ogg, JG, Ogg, G. , Gradstein, FM 2008 มาตราส่วนเวลาทางธรณีวิทยาที่กระชับ เคมบริดจ์นิวยอร์ก
Rollinson, HR 2007. ระบบโลกยุคแรก: แนวทางธรณีเคมี Blackwell, Malden
Shaw, GH 2016. บรรยากาศยุคแรกของโลกและมหาสมุทรและต้นกำเนิดของชีวิต. สปริงเกอร์จาม.
Teerikorpi, P. , Valtonen, M. , Lehto, K. , Lehto, H. , Byrd, G. , Chernin, A. 2009 เอกภพที่วิวัฒนาการและต้นกำเนิดของชีวิต - การค้นหารากจักรวาลของเรา สปริงเกอร์นิวยอร์ก
Wacey, D. 2009. ชีวิตในวัยเด็กบนโลก: แนวทางปฏิบัติ. สปริงเกอร์นิวยอร์ก
Wickramasinghe, J. , Wickramasinghe, C. , Napier, W. 2010. ดาวหางกับจุดกำเนิดของชีวิต. World Scientific รัฐนิวเจอร์ซีย์

โลกยุคแรก: เงื่อนไขและจุดเริ่มต้นของชีวิต - ชีววิทยา - 2025