Hipoteza świata żelaza i siarki - Iron–sulfur world hypothesis

Żelazo-siarka świat hipoteza jest zbiorem propozycji dotyczących pochodzenia życia i wczesnej ewolucji życia zaawansowanego w serii artykułów, między 1988 i 1992 roku przez Güntera Wächtershäuser , w Monachium prawnika patentowego na wydziale chemii, którzy byli zachęcani i wspierany przez filozofa Karla R. Poppera w publikowaniu swoich pomysłów. Hipoteza sugeruje, że wczesne życie mogło powstać na powierzchni minerałów siarczku żelaza , stąd nazwa. Został opracowany przez retrodykcję z istniejącej biochemii w połączeniu z eksperymentami chemicznymi.

Pochodzenie życia

Organizm pionierski

Wächtershäuser sugeruje, że najwcześniejsza forma życia, zwana „organizmem pionierskim”, powstała w wulkanicznym przepływie hydrotermalnym pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej (100 °C) temperaturze. Miał kompozytową strukturę na bazie mineralnej z centrami katalitycznego metalu przejściowego (głównie żelazo i nikiel , ale być może także kobalt , mangan , wolfram i cynk ). Centra katalityczne katalizowały autotroficzne szlaki wiązania węgla, generując drobnocząsteczkowe (niepolimerowe) związki organiczne z gazów nieorganicznych (np. tlenek węgla , dwutlenek węgla , cyjanowodór i siarkowodór ). Te związki organiczne były utrzymywane na lub w bazie mineralnej jako organiczne ligandy centrów metali przejściowych z czasem retencji przepływu odpowiadającym ich sile wiązania mineralnego, tym samym definiując autokatalityczny „metabolizm powierzchniowy”. Centra katalitycznego metalu przejściowego stały się autokatalityczne dzięki przyspieszeniu przez ich produkty organiczne przekształcone w ligandy. Metabolizm wiązania węgla stał się autokatalityczny, tworząc cykl metaboliczny w postaci prymitywnej, zależnej od siarki wersji redukcyjnego cyklu kwasu cytrynowego . Przyspieszone katalizatory rozszerzyły metabolizm, a nowe produkty przemiany materii dodatkowo przyspieszyły katalizatory. Pomysł polega na tym, że po ustanowieniu takiego prymitywnego metabolizmu autokatalitycznego, jego wewnętrznie syntetyczna chemia zaczęła wytwarzać coraz bardziej złożone związki organiczne, coraz bardziej złożone szlaki i coraz bardziej złożone centra katalityczne.

Konwersje składników odżywczych

Reakcja konwersji gazu wodnego (CO + H 2 O → CO 2 + H 2 ) występuje w płynach wulkaniczne z różnymi katalizatorami lub bez katalizatorów. Połączenie siarczku żelazawego i siarkowodoru jako środków redukujących w połączeniu z tworzeniem pirytu – FeS + H 2 S → FeS 2 + 2H + + 2e − (lub H 2 zamiast 2H + + 2e − ) – zostało zademonstrowane w warunkach łagodnej wulkanizacji warunki. Ten kluczowy wynik został zakwestionowany. Wiązanie azotu wykazano izotopu 15 N 2 w połączeniu z tworzeniem pirytu. Formy amoniaku z azotanu FeS / H 2 S, środkiem redukującym. Metylomerkaptan [CH 3- SH] i tlenosiarczek węgla [COS] powstają z CO 2 i FeS/H 2 S lub z CO i H 2 w obecności NiS.

Reakcje syntetyczne

Reakcja tlenku węgla (CO), siarkowodoru (H 2 S) i metatiolu CH 3 SH w obecności siarczku niklu i siarczku żelaza generuje tioester metylowy kwasu octowego [CH 3 -CO-SCH 3 ] i prawdopodobnie kwasu tiooctowego ( CH 3 -CO-SH) w najprostszej aktywowane analogi kwasu octowego z acetylo-CoA . Te aktywowane pochodne kwasu octowego służą jako materiały wyjściowe do kolejnych etapów egzoergicznej syntezy. Służą również do sprzężenia energetycznego z reakcjami endergonicznymi, zwłaszcza tworzenia związków (fosfo)bezwodników. Jednak Huber i Wächtershäuser odnotowali niskie wydajności 0,5% octanu w oparciu o dopływ CH 3 SH (metanotiolu) (8 mM) w obecności 350 mM CO. Jest to około 500 razy i 3700 razy wyższe stężenia CH 3 SH i CO odpowiednio mierzone do tej pory w naturalnym płynie hydrotermalnym.

Reakcja wodorotlenku niklu z cyjanowodorem (HCN) (w obecności lub przy braku wodorotlenku żelaza , siarkowodoru lub merkaptanu metylu ) generuje cyjanek niklu, który reaguje z tlenkiem węgla (CO) tworząc pary α-hydroksy i α-aminokwasów : np. glikolan / glicyna , mleczan / alanina , glicerynian / seryna ; a także kwas pirogronowy w znacznych ilościach. Kwas pirogronowy powstaje również pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze z CO, H 2 O, FeS w obecności merkaptanu nonylowego. W reakcji kwasu pirogronowego lub innych α- ketokwasów z amoniakiem w obecności wodorotlenku żelazawego lub w obecności siarczku żelazawego i siarkowodoru powstaje alanina lub inne α-aminokwasy . Reakcja z a-aminokwasami, w roztworze wodnym z COS lub CO i H 2 S generuje cykl peptydowych, w których dipeptydy , tripeptydy itp powstają i następnie degradowana przez N-końcową hydantoiny reszty N-końcowe mocznik ugrupowań i następnie rozszczepienie N-końcowa jednostka aminokwasowa.

Proponowany mechanizm reakcji redukcji CO 2 na FeS: Ying et al. (2007) wykazali, że bezpośrednia przemiana mackinawitu (FeS) w piryt (FeS 2 ) w reakcji z H 2 S do 300°C nie jest możliwa bez obecności krytycznej ilości utleniacza. W przypadku braku utleniacza FeS reaguje z H 2 S do 300 ° C, otrzymując pirotynu. Farid i in. udowodnili eksperymentalnie, że mackinawit (FeS) ma zdolność redukcji CO 2 do CO w temperaturze wyższej niż 300 °C. Poinformowali, że powierzchnia FeS ulega utlenieniu, co w reakcji z H 2 S daje piryt (FeS 2 ). Oczekuje się, że CO reaguje z H 2 O w eksperymencie Drobnera dając H 2 .

Wczesna ewolucja

Wczesną ewolucję definiuje się jako początek od powstania życia i kończący się na ostatnim uniwersalnym wspólnym przodku ( LUCA ). Zgodnie z teorią świata żelaza i siarki obejmuje on koewolucję organizacji komórkowej ( celularyzacja ), maszynerię genetyczną i enzymatyzację metabolizmu .

Cellularyzacja

Cellularyzacja przebiega w kilku etapach. Rozpoczyna się od powstania prymitywnych lipidów (np. kwasów tłuszczowych lub kwasów izoprenoidowych) w metabolizmie powierzchniowym. Te lipidy gromadzą się na lub w bazie mineralnej. To lipofilizuje zewnętrzne lub wewnętrzne powierzchnie bazy mineralnej, co sprzyja reakcjom kondensacji w porównaniu z reakcjami hydrolizy poprzez obniżenie aktywności wody i protonów.

W kolejnym etapie tworzą się błony lipidowe. Chociaż są nadal zakotwiczone w podłożu mineralnym, tworzą półkomórkę ograniczoną częściowo podłożem mineralnym, a częściowo błoną. Dalsza ewolucja lipidów prowadzi do samopodtrzymujących się błon lipidowych i zamkniętych komórek. Najwcześniejsze zamknięte komórki to prekomórki ( sensu Kandler ), ponieważ umożliwiają częstą wymianę materiału genetycznego (np. przez fuzje). Według Woese'a ta częsta wymiana materiału genetycznego jest przyczyną istnienia w drzewie życia wspólnej łodygi i bardzo szybkiej wczesnej ewolucji.

Systemy protoekologiczne

William Martin i Michael Russell sugerują, że pierwsze formy życia komórkowego mogły wyewoluować wewnątrz alkalicznych kominów hydrotermalnych w strefach rozprzestrzeniania się dna morskiego w głębinach morskich . Struktury te składają się z kawern w mikroskali, które są pokryte cienkimi błoniastymi ściankami z siarczku metalu. Dlatego struktury te od razu rozwiązałyby kilka krytycznych punktów związanych z sugestiami Wächtershäuser:

  1. mikrokawerny zapewniają środki do koncentracji nowo zsyntetyzowanych cząsteczek, zwiększając w ten sposób szansę na tworzenie oligomerów ;
  2. strome gradienty temperatury wewnątrz komina hydrotermalnego pozwalają na ustalenie „optymalnych stref” reakcji cząstkowych w różnych rejonach komina (np. synteza monomeru w cieplejsze, oligomeryzacja w chłodniejszych częściach);
  3. przepływ wody hydrotermalnej przez konstrukcję zapewnia stałe źródło budulca i energii (nierównowaga chemiczna między wodorem hydrotermalnym a morskim dwutlenkiem węgla);
  4. model pozwala na następstwo różnych etapów ewolucji komórkowej (chemia prebiotyków, synteza monomerów i oligomerów, synteza peptydów i białek, świat RNA , montaż rybonukleoprotein i świat DNA ) w jednej strukturze, ułatwiając wymianę między wszystkimi etapami rozwoju;
  5. synteza lipidów jako środka „zamykającego” komórki przed środowiskiem nie jest konieczna, dopóki nie rozwiną się w zasadzie wszystkie funkcje komórkowe.

Model ten lokalizuje „ostatniego uniwersalnego wspólnego przodka” ( LUCA ) w nieorganicznie utworzonych fizycznych granicach alkalicznego komina hydrotermalnego, zamiast zakładać istnienie wolno żyjącej formy LUCA. Ostatnim krokiem ewolucyjnym na drodze do wolno żyjących komórek w dobrej wierze byłaby synteza błony lipidowej, która ostatecznie umożliwia organizmom opuszczenie systemu mikrojamek wentylacyjnych. To postulowane późne nabycie biosyntezy lipidów kierowanej przez genetycznie kodowane peptydy jest zgodne z obecnością całkowicie różnych typów lipidów błonowych u archeonów i bakterii (plus eukariota ). Rodzaj otworu wentylacyjnego na pierwszym planie ich sugestii jest chemicznie bardziej podobny do ciepłych (ok. 100 °C) wywietrzników poza grzbietem, takich jak Lost City, niż do bardziej znanych czarnych wywietrzników typu palacz (ok. 350 °C).

W świecie abiotycznym termoklina temperatur i stężenie chemokliny są związane z prebiotyczną syntezą cząsteczek organicznych, gorętszych w pobliżu bogatego w chemikalia otworu wentylacyjnego, chłodniejszego, ale też mniej bogatego chemicznie na większych odległościach. Migracja zsyntetyzowanych związków z obszarów o wysokim stężeniu do obszarów o niskim stężeniu nadaje kierunkowość, która zapewnia zarówno źródło, jak i ujście w sposób samoorganizujący się, umożliwiając proces protometaboliczny, dzięki któremu można przestrzennie zorganizować produkcję kwasu octowego i jego ewentualne utlenianie .

W ten sposób wiele indywidualnych reakcji, które obecnie spotyka się w metabolizmie ośrodkowym, mogło początkowo zachodzić niezależnie od rozwijającej się błony komórkowej . Każdy mikroprzedział wentylacyjny jest funkcjonalnie równoważny pojedynczej komórce. Następnie wybiera się społeczności chemiczne o większej integralności strukturalnej i odporności na gwałtowne zmiany warunków; ich sukces doprowadziłby do lokalnych stref wyczerpania ważnych prekursorów chemicznych. Stopniowe włączanie tych składników prekursorowych do błony komórkowej stopniowo zwiększałoby złożoność metaboliczną w błonie komórkowej, prowadząc jednocześnie do większej prostoty środowiskowej w środowisku zewnętrznym. W zasadzie mogłoby to prowadzić do opracowania złożonych zestawów katalitycznych zdolnych do samoobsługi .

Russell dodaje istotny czynnik do tych pomysłów, wskazując, że półprzepuszczalny mackinawit (minerał siarczku żelaza) i membrany krzemianowe mogą naturalnie rozwijać się w tych warunkach i elektrochemicznie łączyć reakcje rozdzielone w przestrzeni, jeśli nie w czasie.

Zobacz też

Bibliografia