Войти
Гипотеза мира железо-сера представляет собой набор предложений по происхождению жизни и ранней эволюции жизни, изложенной в серии статей между 1988 и 1992 годами Günter Wächtershäuser, мюнхенским патентным юристом со степенью по химии, которого философ Карл Р. Поппер поощрял и поддерживал в публикации своих идей. Гипотеза предполагает, что ранняя жизнь могла образоваться на поверхности минералов сульфида железа, отсюда и название. Он был разработан ретроспективой из сохранившейся биохимии в сочетании с химическими экспериментами.
Вехтерсхойзер предполагает, что самая ранняя форма жизни, называемая «первопроходцем», возникла в вулканическом гидротермальном потоке. при высоком давлении и высокой (100 ° С) температуре. Он имел сложную структуру минеральной основы с каталитическими центрами переходных металлов (преимущественно железо и никель, но также, возможно, кобальт, марганец, вольфрам и цинк ). Каталитические центры катализируют пути автотрофной фиксации углерода с образованием низкомолекулярных (неполимерных) органических соединений из неорганических газов (например, оксид углерода, диоксид углерода, цианистый водород и сероводород ). Эти органические соединения удерживались на или в минеральной основе в качестве органических лигандов центров переходных металлов с временем удерживания потока в соответствии с их силой минерального связывания, тем самым определяя автокаталитический «поверхностный метаболизм». Каталитические центры переходных металлов стали автокаталитическими за счет ускорения их органических продуктов, превращенных в лиганды. Метаболизм связывания углерода стал автокаталитическим за счет формирования метаболического цикла в форме примитивной серозависимой версии восстановительного цикла лимонной кислоты. Ускоренные катализаторы увеличивают метаболизм, а новые продукты метаболизма еще больше ускоряют действие катализаторов. Идея состоит в том, что как только такой примитивный автокаталитический метаболизм был установлен, его внутренне синтетическая химия начала производить все более сложные органические соединения, все более сложные пути и все более сложные каталитические центры.
Реакция конверсии водяного газа (CO + H 2 O → CO 2 + H 2) встречается в вулканических флюидах с различными катализаторами или без катализаторов. Комбинация сульфида железа и сероводорода в качестве восстановителей в сочетании с образованием пирита - FeS + H 2 S → FeS 2 + 2H + 2e (или H 2 вместо 2H + 2e) - было продемонстрировано в мягких вулканических условиях. Этот ключевой результат оспаривается. Фиксация азота была продемонстрирована для изотопа N 2 в сочетании с образованием пирита. Аммиак образуется из нитрата с FeS / H 48 2 83 S в качестве восстановителя. Метилмеркаптан [CH 3 -SH] и оксисульфид углерода [COS] образуются из CO 2 и FeS / H 2 S или из CO и H 2 в присутствии NiS.
Реакция оксида углерода (CO), сероводорода (H2S) и метантиол CH3SH в присутствии сульфида никеля и сульфида железа образует метил тиоэфир уксусной кислоты [CH 3 -CO-SCH 3 ] и предположительно тиоуксусная кислота (CH 3 -CO-SH) в качестве простейших активированных аналогов уксусной кислоты ацетил-КоА. Эти активированные производные уксусной кислоты служат исходными материалами для последующих стадий экзергонического синтеза. Они также служат для энергетического взаимодействия с эндергоническими реакциями, особенно с образованием соединений (фосфо) ангидрида. Однако Huber и Wächtershäuser сообщили о низких выходах 0,5% ацетата на основе ввода CH 3 SH (метантиола) (8 мМ) в присутствии 350 мМ CO. Это примерно в 500 раз и 3700 раз выше CH 3 Концентрации SH и CO, соответственно измеренные на сегодняшний день в естественном гидротермальном флюиде.
Реакция гидроксида никеля с цианистым водородом (HCN) (в присутствии или в отсутствие гидроксида железа, сероводорода или метилмеркаптана ) образует цианид никеля, который реагирует с оксидом углерода (CO) для образования пар α-гидрокси и α-аминокислот: например, гликолят / глицин, лактат / аланин, глицерат / серин ; а также пировиноградная кислота в значительных количествах. Пировиноградная кислота также образуется при высоком давлении и высокой температуре из CO, H 2 O, FeS в присутствии нонилмеркаптан. Реакция пировиноградной кислоты или других α-кетокислот с аммиаком в присутствии гидроксида железа или в присутствии сульфида железа и сероводорода образует аланин или другие α-аминокислоты. Реакция α-аминокислот в водном растворе с COS или с CO и H 2 S генерирует пептидный цикл, в котором дипептиды, трипептиды и т.п. образуются и впоследствии разлагаются посредством N-концевых гидантоиновых групп и N-концевых мочевинных групп и последующего расщепления N-концевой аминокислотной единицы.
Предлагаемый механизм реакции для снижения CO 2 на FeS: Ying et al. (2007) доказали, что прямое превращение макинавита (FeS) в пирит (FeS 2) в реакции с H 2 S до 300 ° C невозможно. без наличия критического количества окислителя. В отсутствие окислителя FeS реагирует с H 48 2 83 S до 300 ° C с образованием пирротина. Фарид и др. экспериментально доказали, что макинавит (FeS) обладает способностью восстанавливать CO 2 до CO при температуре выше 300 ° C. Они сообщили, что поверхность FeS окисляется, что при реакции с H 48 2 83 S дает пирит (FeS 48 2 83). Ожидается, что CO реагирует с H 2 O в эксперименте Дробнера, давая H 2.
Ранняя эволюция определяется как начало с происхождения жизни и заканчивая последним универсальным общим предком (LUCA ). Согласно теории мира железо-сера, он охватывает коэволюцию клеточной организации (клеточность ), генетический механизм и ферментизацию метаболизма.
Клеточность происходит в несколько этапов. Он начинается с образования примитивных липидов (например, жирных кислот или изопреноидных кислот) в поверхностном метаболизме. Эти липиды накапливаются на минеральной основе или в ней. Это липофилизирует внешнюю или внутреннюю поверхность минеральной основы, что способствует реакциям конденсации по сравнению с реакциями гидролиза за счет снижения активности воды и протонов.
На следующем этапе образуются липидные мембраны. Все еще прикрепленные к минеральной основе, они образуют полуклетку, частично ограниченную минеральной основой и частично мембраной. Дальнейшая эволюция липидов приводит к самоподдерживающимся липидным мембранам и закрытым клеткам. Самые ранние закрытые клетки являются пре-клетками (sensu Kandler ), потому что они позволяют частый обмен генетическим материалом (например, путем слияния). Согласно Вёзе, этот частый обмен генетическим материалом является причиной существования общего стебля в древе жизни и очень быстрой ранней эволюции.
Уильям Мартин и Майкл Рассел предполагают, что первые клеточные формы жизни могли развиться внутри щелочных гидротермальных жерл на распространении по морскому дну. зоны в глубоком море. Эти структуры состоят из микромасштабных каверн, покрытых тонкими мембранными стенками из сульфидов металлов. Следовательно, эти структуры могли бы решить сразу несколько критических точек, соответствующих предложениям Вехтерсхойзера:
Эта модель определяет местонахождение «последнего универсального общего предка» (LUCA ) в пределах неорганически сформированных физических границ щелочного гидротермального источника, вместо того, чтобы предполагать существование свободноживущей формы LUCA. Последним эволюционным шагом на пути к истинным свободноживущим клеткам будет синтез липидной мембраны, которая, наконец, позволит организмам покинуть систему микрокаверн вентиляции. Это постулируемое позднее приобретение биосинтеза липидов под управлением генетически кодируемых пептидов согласуется с наличием совершенно разных типов мембранных липидов у архей и бактерий ( плюс эукариот ). Вид вентиляции на переднем плане в их предложении химически больше похож на теплый (около 100 ° C) хребет, такой как Затерянный город, чем на более знакомый черный курильщик тип вентиляционные (ок. 350 ° C).
В абиотическом мире термоклин температуры и хемоклин по концентрации связаны с предбиотическим синтезом органических молекул, более горячих в непосредственной близости от химически богатая вентиляция, более прохладная, но менее химически богатая на больших расстояниях. Миграция синтезированных соединений из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией дает направление, которое обеспечивает как источник, так и поглощение самоорганизующимся образом, обеспечивая протометаболический процесс, посредством которого производство уксусной кислоты и ее возможное окисление может быть пространственно организовано.
Таким образом, многие из индивидуальных реакций, которые сегодня обнаруживаются в центральном метаболизме, могли первоначально происходить независимо от какой-либо развивающейся клеточной мембраны. Каждое вентиляционное микрокамерство функционально эквивалентно отдельной ячейке. Затем отбираются химические сообщества, обладающие большей структурной целостностью и устойчивостью к резко меняющимся условиям; их успех приведет к локальным зонам истощения важных химических веществ-прекурсоров. Постепенное включение этих компонентов-предшественников в клеточную мембрану будет постепенно увеличивать метаболическую сложность внутри клеточной мембраны, в то же время приводя к большей простоте окружающей среды во внешней среде. В принципе, это может привести к разработке сложных каталитических наборов, способных самоподдерживаться.
Рассел добавляет важный фактор к этим идеям, указывая на то, что полупроницаемый макинавит (минерал сульфид железа) и силикатные мембраны могут естественным образом развиваться в этих условиях и электрохимически связывать реакции, разделенные в пространстве, если не во времени.
