Järnsulfidvärldshypotesen är ett hypotetiskt stadium i livets uppkomst på jorden och tidig evolution föreslagen av Günter Wächtershäuser , en advokat från München , som också har en examen i kemi . Publicerade sina idéer med stöd av filosofen Karl R. Popper . Som namnet på teorin antyder antyder den att liv kan ha sitt ursprung på ytan av järnsulfidkristaller [1] [2] [3] [4] [5] .
Enligt Wächtershäuser har den tidigaste livsformen, som han kallade "den första organismen", sitt ursprung i en vulkanisk hydrotermisk ventil vid högt tryck och hög (100°C) temperatur. Denna livsform hade en komplex kemisk struktur och använde katalytiska centra för övergångsmetall (främst järn och nickel , men eventuellt också kobolt , mangan , wolfram och zink ). Centrerna katalyserade autotrofa kolfixeringsbanor , varvid oorganiska gaser (såsom kolmonoxid , koldioxid , vätecyanid och vätesulfid ) bildade små icke-polymera organiska molekyler. Dessa organiska föreningar ligger kvar på ytan av mineraler som ligander av övergångsmetallcentra, vilket ger en autokatalytisk "ytmetabolism". Genom tillsatsen av ligander blev katalytiska centra för övergångsmetall autokatalytiska . Och tack vare bildandet av en förenklad form av trikarboxylsyracykeln , beroende av svavel, blev processen för kolfixering autokatalytisk. Förbättrade katalysatorer utökade omfattningen av ämnesomsättningen och nya metaboliska produkter stärkte katalysatorerna ytterligare. Huvudtanken med denna hypotes är att när den väl startat börjar denna primitiva autokatalytiska metabolism producera mer och mer komplexa organiska föreningar och fler och fler nya sätt att katalytiska reaktioner.
Huvudidén med järnsulfidvärldshypotesen är att livets ursprung gick igenom följande stadier: En vattenström med vulkaniska gaser lösta i den (till exempel kolmonoxid, ammoniak och vätesulfid) uppvärmd till 100 ° C och utsattes för högt tryck. Detta flöde passerade genom övergångsmetallbergarter (t.ex. järnsulfid eller nickelsulfid ). Efter en tid började bildandet av katalytiska metallopeptider .
Vatten-gas fasförskjutningsreaktionen (CO + H 2 O → CO 2 + H 2 ) manifesterar sig i vulkaniska flöden både i närvaro av olika katalysatorer och utan dem [6] . Reaktionen av järnhaltiga sulfider och vätesulfid som reduktionsmedel med pyritavlagringar — FeS + H 2 S → FeS 2 + 2H + + 2e − (eller H 2 istället för 2H + + 2e − ) manifesterade sig under milda vulkaniska förhållanden [7 ] [8] . Det viktigaste resultatet är dock omtvistat [9] Kvävefixering har påvisats för 15 N 2 isotopen i kombination med pyritavlagringar [10] . Ammonium bildas genom reaktion av salpeter med FeS/H 2 S som reduktionsmedel [11] . Metylmerkaptan [CH 3 -SH] och kolsulfid bildas av CO 2 och FeS/H 2 S, [12] eller från CO och H 2 i närvaro av NiS. [13]
Reaktionen av kolmonoxid (CO) och vätesulfid (H 2 S) i närvaro av järn- och nickelsulfider ger metyltioester av ättiksyra [CH 3 -CO-SCH 3 ] och förmodligen tioättiksyra (CH 3 -CO-SH ) - den enklaste formen av den aktiverade återstoden ättiksyra, analog med acetyl-CoA . Dessa aktiverade ättiksyrarester tjänar som ett substrat för efterföljande exergonisk biosyntes [13] . De kan också tjäna till att koppla ihop energiskt med endergoniska reaktioner, speciellt med bildandet av fosfoanhydridbindningar (liknande de i ATP ). [fjorton]
Reaktionen av nickelhydroxid med vätecyanid (HCN) (med eller utan järn(II)hydroxid , vätesulfid , metylmerkaptan ) producerar nickelcyanid, som reagerar med kolmonoxid (CO) för att bilda par av α-hydroxi och α-amino syror: till exempel glykolsyra och glycin , mjölksyra och alanin , glycerolsyra och serin ; samt pyrodruvsyra i betydande mängder. [15] Pyrodruvsyra kan också bildas vid högt tryck och temperatur från CO, H 2 O, FeS i närvaro av nonylmerkaptan. [16] Reaktionen av pyrodruvsyra eller andra α-ketosyror med ammoniak i närvaro av järnhydroxid eller järnsulfid med vätesulfid producerar alanin eller andra α-aminosyror. [17] När en vattenlösning av α-aminosyror reagerar med COS eller med CO och H 2 S bildas en peptidcykel, i vilken dipeptider, tripeptider etc. deltar [18] [19] [20] Mekanismen CO 2 -reduktion på FeS var länge okänd. Forskare (Ying et al., 2007) har visat att direkt omvandling av mineralet makinavit (FeS) till pyrit (FeS 2 ) genom reaktion med H 2 S vid 300 °C är omöjlig utan en överskottsmängd av oxidationsmedel. I frånvaro av ett oxidationsmedel reagerar FeS med H2S för att bilda pyrrotit . Farid et al har dock experimentellt bevisat att makinavit (FeS) har förmågan att reducera CO 2 till CO vid temperaturer över 300 °C. Enligt deras åsikt är det så här ytskiktet av FeS oxideras, så pyrit (FeS 2 ) kan bildas vid ytterligare reaktion med H 2 S.
Tidig evolution börjar med bildandet av liv och varar tills uppkomsten av den sista gemensamma förfadern (LUCA). Enligt järn-svavelvärldshypotesen inkluderar tidig evolution samutvecklingen av cellulär organisation, genetiska mekanismer, såväl som den gradvisa förändringen av metaboliska katalysatorer från mineraler till enzymer av proteinursprung.
Uppkomsten av en sann cell skedde i flera steg. Det började med bildandet av primitiva lipider genom "ytmetabolism". Dessa lipider ackumulerades i eller på mineralbasen i katalysatorsystemet. Detta gör den yttre eller inre ytan av mineralet mer lipofil , vilket bidrar till övervägande av kondensationsreaktioner över hydrolysreaktioner genom att minska aktiviteten av vatten och vätejoner.
I nästa steg bildas lipidmembran. Fästa till ett mineral bildar de en cell som begränsas av ett membran på ena sidan och ett mineral på den andra. Ytterligare utveckling leder till bildandet av oberoende lipidmembran och slutna celler. De första katalytiska systemen med slutna membran var ännu inte riktiga celler, eftersom de hade ett intensivt utbyte av genetiskt material på grund av frekventa fusioner. Enligt Woese är ett så frekvent utbyte av genetiskt material orsaken till att det finns en gemensam stam i livets fylogenetiska träd; det ledde också till höga takter av tidig evolution.
William Martin och Michael Russell föreslog att de första cellulära livsformerna utvecklades inuti hydrotermiska ventiler på havets botten. [21] [22] Dessa strukturer består av mikroskopiska hålrum (kluster, "hålor"), vars "väggar" är täckta med ett lager av metallsulfider. Sådana strukturer är en lösning på flera problem i Wächtershäuser-teorin samtidigt:
Denna modell antyder att LUCA var fysiskt belägen i ett av dessa hydrotermiska kluster snarare än att vara en frilevande form. Det sista steget mot uppkomsten av sanna celler kommer att vara syntesen av ett lipidmembran, vilket gör att organismer kan lämna behovet av en fysisk gräns från mineralbergarter. Detta ledde till ett senare förvärv av mekanismerna för lipidbiosyntes, vilket förklarar förekomsten av helt olika typer av membran i arkéer och bakterier med eukaryoter.
I den abiotiska världen är termiska och kemiska gradienter direkt relaterade till syntesen av organiska molekyler. I omedelbar närhet av ventilen finns regioner med både förhöjda temperaturer och förhöjda koncentrationer av viktiga kemikalier. När mer komplexa organiska föreningar syntetiseras diffunderar de in i "kalla" regioner där de inte syntetiseras och därför är deras koncentration lägre. Migrationen av föreningar från områden med höga koncentrationer till områden med låga koncentrationer säkerställer riktningen för flödet av ämnen och tillåter rumslig organisation av olika metaboliska vägar. [23]
Många funktioner hos ferroplasma ( Ferroplasma acidiphilum ), en representant för archaea, kan betraktas som ett eko av den antika världen av järnsulfider . I denna mikroorganism innehåller 86% av proteinerna järn i sin sammansättning. Avlägsnandet av järnatomer från proteinmolekyler leder till störningar av deras struktur och förlust av funktionalitet. Det visade sig att andra mikroorganismer som lever under liknande förhållanden inte har sådana strukturella egenskaper hos proteiner: om 163 proteiner i ferroplasman innehåller järn, då i andra studerade bakterier ( Picrophilus torridus och Acidithiobacillus ferrooxidans ) var antalet järnhaltiga proteiner 29 och 28 (detta var dessutom utbredda metalloproteiner, av vilka många innehåller järnatomer även i representanter för andra ekologiska nischer).
Allt detta ger anledning att anta att situationen som observeras i ferroplasma är ett oavsiktligt bevarat eko av järnsulfidernas värld: under proteiniseringen av metabola vägar behöll några av enzymerna järn- och svavelatomer i sin sammansättning som nödvändiga strukturella och funktionella komponenter. Ytterligare utveckling, som åtföljde utvecklingen av nya ekologiska nischer i miljöer utan överskott av järn, bidrog till att gamla järnhaltiga proteiner ersattes med andra som inte behöver järn för att utföra sina funktioner.
Denna teori har dock en betydande nackdel, som ligger i det faktum att ferroplasma är en aerob mikroorganism, och aeroba metabolismer uppträdde evolutionärt mycket senare än anaeroba. [24]
| Livets ursprung | |
|---|---|
| Begrepp | |
| Hypoteser |
|
| Studie | |