Rautasulfidimaailman hypoteesi on hypoteettinen vaihe elämän syntymisessä maapallolla ja varhaisessa evoluutiossa, jonka on ehdottanut Günter Wächtershäuser , Münchenistä kotoisin oleva lakimies , jolla on myös kemian tutkinto . Julkaisi ideansa filosofi Karl R. Popperin tuella . Kuten teorian nimi ehdottaa, se viittaa siihen, että elämä voisi syntyä rautasulfidikiteiden pinnalta [1] [2] [3] [4] [5] .
Wächtershäuserin mukaan varhaisin elämänmuoto, jota hän kutsui "ensimmäiseksi organismiksi", syntyi vulkaanisesta hydrotermisestä aukosta korkeassa paineessa ja korkeassa (100 °C) lämpötilassa. Tällä elämänmuodolla oli monimutkainen kemiallinen rakenne ja se käytti siirtymämetallikatalyyttisiä keskuksia (pääasiassa rautaa ja nikkeliä , mutta mahdollisesti myös kobolttia , mangaania , volframia ja sinkkiä ). Keskukset katalysoivat autotrofisia hiilen kiinnitysreittejä , jolloin epäorgaaniset kaasut (kuten hiilimonoksidi , hiilidioksidi , vetysyanidi ja rikkivety ) muodostivat pieniä ei-polymeerisiä orgaanisia molekyylejä. Nämä orgaaniset yhdisteet viipyvät mineraalien pinnalla siirtymämetallikeskusten ligandeina , mikä tarjoaa autokatalyyttisen "pinta-aineenvaihdunnan". Ligandien lisäämisen myötä siirtymämetallikatalyyttikeskuksista tuli autokatalyyttisiä . Ja rikistä riippuvan trikarboksyylihapposyklin yksinkertaistetun muodon muodostumisen ansiosta hiilen kiinnitysprosessista tuli autokatalyyttinen. Tehostetut katalyytit laajensivat aineenvaihdunnan laajuutta ja uudet aineenvaihduntatuotteet vahvistivat katalyyttejä entisestään. Tämän hypoteesin pääajatuksena on, että kun tämä primitiivinen autokatalyyttinen aineenvaihdunta on alkanut, se alkaa tuottaa yhä monimutkaisempia orgaanisia yhdisteitä ja yhä enemmän uusia tapoja katalyyttisiin reaktioihin.
Rautasulfidimaailman hypoteesin pääidea on, että elämän synty meni läpi seuraavat vaiheet: Vesivirta, johon on liuennut vulkaanisia kaasuja (esimerkiksi hiilimonoksidia, ammoniakkia ja rikkivetyä), lämmitetty 100 °C:seen ja altistettiin korkealle paineelle. Tämä virtaus kulki siirtymämetallikivien (esim. rautasulfidi tai nikkelisulfidi ) läpi. Jonkin ajan kuluttua katalyyttisten metallopeptidien muodostuminen alkoi .
Vesi-kaasu -faasisiirtymäreaktio (CO + H 2 O → CO 2 + H 2 ) ilmenee vulkaanisissa virroissa sekä erilaisten katalyyttien läsnä ollessa että ilman niitä [6] . Rautapitoisten sulfidien ja rikkivedyn reaktio pelkistimenä rikkikiisukerrostumien kanssa — FeS + H 2 S → FeS 2 + 2H + + 2e − (tai H 2 2H + + 2e − ) ilmeni lievissä vulkaanisissa olosuhteissa [7 ] [8] . Keskeinen tulos on kuitenkin kiistanalainen [9] Typen sitoutuminen on osoitettu 15 N 2 -isotoopille yhdessä rikkikiisukertymien kanssa [10] . Ammonium muodostuu suolapeterin reaktiossa FeS/H2S : n kanssa pelkistimenä [11] . Metyylimerkaptaani [CH 3 -SH] ja hiilisulfidi muodostuvat CO 2 :sta ja FeS/H2S : stä [12] tai CO:sta ja H2 : sta NiS:n läsnä ollessa. [13]
Hiilimonoksidin (CO) ja vetysulfidin (H 2 S) reaktio raudan ja nikkelisulfidien läsnä ollessa tuottaa etikkahapon metyylitioesteriä [CH 3 -CO-SCH 3 ] ja oletettavasti tioetikkahappoa (CH 3 -CO-SH ) - aktivoidun etikkahapon jäännöksen yksinkertaisin muoto, analoginen asetyyli-CoA:n kanssa . Nämä aktivoidut etikkahappojäännökset toimivat substraattina myöhempään eksergoniseen biosynteesiin [13] . Ne voivat myös toimia energeettisesti kytkeytymään endergonisiin reaktioihin, erityisesti fosfoanhydridisidosten muodostumiseen (samankaltaisia kuin ATP :ssä ). [neljätoista]
Nikkelihydroksidin reaktio vetysyanidin (HCN) kanssa (rauta(II)hydroksidin, rikkivedyn, metyylimerkaptaanin kanssa tai ilman ) tuottaa nikkelisyanidia , joka reagoi hiilimonoksidin ( CO) kanssa muodostaen α-hydroksi- ja α-aminopareja hapot: esimerkiksi glykolihappo ja glysiini , maitohappo ja alaniini , glyseriinihappo ja seriini ; sekä palorypälehappoa merkittäviä määriä. [15] Pyruviinihappoa voidaan muodostaa myös korkeassa paineessa ja lämpötilassa CO:sta, H 2 O:sta, FeS:stä nonyylimerkaptaanin läsnä ollessa. [16] Pyruviinihapon tai muiden α- ketohappojen reaktio ammoniakin kanssa rautahydroksidin tai rautasulfidin läsnä ollessa rikkivedyn kanssa tuottaa alaniinia tai muita α-aminohappoja. [17] Kun α-aminohappojen vesiliuos reagoi COS:n tai CO:n ja H 2 S:n kanssa, muodostuu peptidisykli, johon osallistuvat dipeptidit, tripeptidit jne. [18] [19] [20] Mekanismi FeS: n hiilidioksidin vähentämisestä ei tiedetty pitkään aikaan. Tutkijat (Ying et al., 2007) ovat osoittaneet, että makinaviitin (FeS) suora muuntaminen rikkikiisuksi (FeS 2 ) reaktiolla H 2 S:n kanssa 300 °C:ssa on mahdotonta ilman ylimäärää hapettavaa ainetta. Hapettavan aineen puuttuessa FeS reagoi H2S : n kanssa muodostaen pyrrotiittia . Farid ym. ovat kuitenkin kokeellisesti osoittaneet, että makinaviitilla (FeS) on kyky pelkistää CO 2 CO:ksi yli 300 °C:n lämpötiloissa. Heidän mielestään näin FeS:n pintakerros hapettuu, joten rikkikiisua (FeS 2 ) voi muodostua jatkoreaktiossa H 2 S :n kanssa.
Varhainen evoluutio alkaa elämän muodostumisesta ja kestää viimeisen yhteisen esi -isän (LUCA) syntymiseen asti. Rauta-rikkimaailman hypoteesin mukaan varhaiseen evoluutioon kuuluu soluorganisaation , geneettisten mekanismien yhteisevoluutio sekä aineenvaihduntakatalyyttien asteittainen muuttuminen mineraaleista proteiiniperäisiksi entsyymeiksi.
Todellisen solun syntyminen tapahtui useissa vaiheissa. Se alkoi primitiivisten lipidien muodostumisesta "pinta-aineenvaihdunnalla". Nämä lipidit kerääntyivät katalyyttijärjestelmän mineraalipohjaan tai sen pinnalle. Tämä tekee mineraalin ulko- tai sisäpinnasta lipofiilisemmän , mikä edistää kondensaatioreaktioiden hallitsevuutta hydrolyysireaktioihin verrattuna vähentämällä veden ja vetyionien aktiivisuutta.
Seuraavassa vaiheessa muodostuu lipidikalvoja. Kiinnittyneenä mineraaliin ne muodostavat solun, jota rajaa toiselta puolelta kalvo ja toiselta puolelta mineraali. Jatkokehitys johtaa itsenäisten lipidikalvojen ja suljettujen solujen muodostumiseen. Ensimmäiset suljetut kalvokatalyyttijärjestelmät eivät olleet vielä oikeita soluja, koska niissä tapahtui intensiivinen geneettisen materiaalin vaihto toistuvien fuusioiden vuoksi. Woesen mukaan tällainen toistuva geneettisen materiaalin vaihto on syy yhteisen rungon olemassaololle fylogeneettisessä elämänpuussa; se johti myös varhaisen evoluution korkeisiin nopeuksiin.
William Martin ja Michael Russell ehdottivat, että ensimmäiset soluelämän muodot kehittyivät meren pohjassa olevien hydrotermisten aukkojen sisällä. [21] [22] Nämä rakenteet koostuvat mikroskooppisista onteloista (klustereita, "luolia"), joiden "seinät" on peitetty metallisulfidikerroksella. Tällaiset rakenteet ovat ratkaisu useisiin Wächtershäuser-teorian ongelmiin kerralla:
Tämä malli viittaa siihen, että LUCA sijaitsi fyysisesti yhdessä näistä hydrotermisistä klusteista sen sijaan, että se olisi vapaana elävä muoto. Viimeinen askel kohti todellisten solujen syntyä on lipidikalvon synteesi, jonka avulla organismit voivat jättää fyysisen rajan tarpeen mineraalikivistä. Tämä johti myöhemmin lipidien biosynteesin mekanismien hankkimiseen, mikä selittää täysin erityyppisten kalvojen esiintymisen arkeissa ja bakteereissa eukaryoottien kanssa.
Abioottisessa maailmassa termiset ja kemialliset gradientit liittyvät suoraan orgaanisten molekyylien synteesiin. Tuuletusaukon välittömässä läheisyydessä on alueita, joilla on sekä kohonneita lämpötiloja että keskeisten kemikaalien pitoisuuksia. Kun monimutkaisempia orgaanisia yhdisteitä syntetisoidaan, ne diffundoituvat "viileille" alueille, joissa niitä ei syntetisoida, ja näin ollen niiden pitoisuus on pienempi. Yhdisteiden kulkeutuminen suuripitoisilta alueilta pienipitoisuuksisille alueille varmistaa aineiden virtauksen suunnan ja mahdollistaa erilaisten aineenvaihduntareittien avaruudellisen järjestäytymisen. [23]
Arkeaa edustavan ferroplasman ( Ferroplasma acidiphilum ) monia ominaisuuksia voidaan pitää muinaisen rautasulfidien maailman kaikuina . Tässä mikro-organismissa 86 % proteiineista sisältää rautaa koostumuksessaan. Rautaatomien poistaminen proteiinimolekyyleistä johtaa niiden rakenteen hajoamiseen ja toiminnallisuuden menettämiseen. Todettiin, että muilla vastaavissa olosuhteissa elävillä mikro-organismeilla ei ole tällaisia proteiinien rakenteellisia piirteitä: jos ferroplasman 163 proteiinia sisältää rautaa, niin muissa tutkituissa bakteereissa ( Picrophilus torridus ja Acidithiobacillus ferrooxidans ) rautaa sisältävien proteiinien määrä oli 29 ja 28. (lisäksi nämä olivat laajalle levinneitä metalloproteiineja, joista monet sisältävät rautaatomeja myös muiden ekologisten markkinarakojen edustajissa).
Kaikki tämä antaa aihetta olettaa, että ferroplasmassa havaittu tilanne on vahingossa säilynyt kaiku rautasulfidien maailmasta: aineenvaihduntareittien proteiinoitumisen aikana osa entsyymeistä säilytti koostumuksessaan rauta- ja rikkiatomeja välttämättöminä rakenteellisina ja toiminnallisina komponentteina. Jatkokehitys, joka seurasi uusien ekologisten markkinarakojen kehittymistä ympäristöissä, joissa ei ollut ylimääräistä rautaa, auttoi korvaamaan vanhoja rautaa sisältäviä proteiineja muilla, jotka eivät tarvitse rautaa tehtäviensä suorittamiseen.
Tällä teorialla on kuitenkin merkittävä haitta, joka piilee siinä, että ferroplasma on aerobinen mikro-organismi ja aerobiset aineenvaihduntat ilmestyivät evoluutionaalisesti paljon myöhemmin kuin anaerobiset. [24]
| Elämän alkuperä | |
|---|---|
| Käsitteet | |
| Hypoteesit |
|
| Opiskelu | |