Jernsulfidverdenshypotesen er et hypotetisk stadie i livets oprindelse på Jorden og den tidlige evolution foreslået af Günter Wächtershäuser , en advokat fra München , som også har en grad i kemi . Udgav sine ideer med støtte fra filosoffen Karl R. Popper . Som navnet på teorien antyder, tyder den på, at liv kunne opstå på overfladen af jernsulfidkrystaller [1] [2] [3] [4] [5] .
Ifølge Wächtershäuser opstod den tidligste form for liv, som han kaldte "den første organisme", i en vulkansk hydrotermisk udluftning ved højt tryk og høj (100°C) temperatur. Denne livsform havde en kompleks kemisk struktur og brugte katalytiske overgangsmetalcentre (overvejende jern og nikkel , men muligvis også kobolt , mangan , wolfram og zink ). Centrene katalyserede autotrofe carbonfikseringsveje , hvorved uorganiske gasser (såsom carbonmonoxid , carbondioxid , hydrogencyanid og hydrogensulfid ) dannede små ikke-polymere organiske molekyler. Disse organiske forbindelser dvæler på overfladen af mineraler som ligander af overgangsmetalcentre og giver således en autokatalytisk "overflademetabolisme". Gennem tilsætning af ligander blev katalytiske overgangsmetalcentre autokatalytiske . Og takket være dannelsen af en forenklet form af tricarboxylsyrecyklussen , afhængig af svovl, blev processen med carbonfiksering autokatalytisk. Forbedrede katalysatorer udvidede stofskiftets omfang, og nye stofskifteprodukter styrkede katalysatorerne yderligere. Hovedideen med denne hypotese er, at når først den er startet, begynder denne primitive autokatalytiske metabolisme at producere flere og mere komplekse organiske forbindelser og flere og flere nye måder at katalytiske reaktioner på.
Hovedideen i jernsulfidverdenhypotesen er, at livets oprindelse gik gennem følgende stadier: En vandstrøm med vulkanske gasser opløst i den (for eksempel kulilte, ammoniak og hydrogensulfid) opvarmet til 100 ° C og blev udsat for højt tryk. Denne strøm passerede gennem overgangsmetalsten (f.eks. jernsulfid eller nikkelsulfid ). Efter nogen tid begyndte dannelsen af katalytiske metallopeptider .
Vand-gas faseforskydningsreaktionen (CO + H 2 O → CO 2 + H 2 ) manifesterer sig i vulkanske strømme både i nærvær af forskellige katalysatorer og uden dem [6] . Reaktionen af ferruginholdige sulfider og svovlbrinte som et reduktionsmiddel med pyritaflejringer — FeS + H 2 S → FeS 2 + 2H + + 2e − (eller H 2 i stedet for 2H + + 2e − ) manifesterede sig under milde vulkanske forhold [7 ] [8] . Nøgleresultatet er imidlertid omstridt [9] Nitrogenfiksering er blevet påvist for 15 N 2 isotopen i kombination med pyritaflejringer [10] . Ammonium dannes ved omsætning af salpeter med FeS/H 2 S som reduktionsmiddel [11] . Methylmercaptan [CH 3 -SH] og kulstofsulfid dannes ud fra CO 2 og FeS/H 2 S, [12] eller fra CO og H 2 i nærvær af NiS. [13]
Reaktionen af carbonmonoxid (CO) og hydrogensulfid (H 2 S) i nærvær af jern- og nikkelsulfider producerer methylthioester af eddikesyre [CH 3 -CO-SCH 3 ] og formodentlig thioeddikesyre (CH 3 -CO-SH ) - den enkleste form af den aktiverede rest eddikesyre, analog med acetyl-CoA . Disse aktiverede eddikesyrerester tjener som et substrat for efterfølgende eksergonisk biosyntese [13] . De kan også tjene til at koble energisk sammen med endergoniske reaktioner, især med dannelsen af phosphoanhydridbindinger (svarende til dem i ATP ). [fjorten]
Reaktionen af nikkelhydroxid med hydrogencyanid (HCN) (med eller uden jern(II)hydroxid , hydrogensulfid , methylmercaptan ) producerer nikkelcyanid, som reagerer med carbonmonoxid (CO) og danner par af α-hydroxy og α-amino syrer: for eksempel glycolsyre og glycin , mælkesyre og alanin , glycerinsyre og serin ; samt pyrodruesyre i betydelige mængder. [15] Pyrodruesyre kan også dannes ved højt tryk og temperatur fra CO, H 2 O, FeS i nærvær af nonylmercaptan. [16] Reaktionen af pyrodruesyre eller andre α-ketosyrer med ammoniak i nærværelse af jernhydroxid eller jernsulfid med hydrogensulfid producerer alanin eller andre α-aminosyrer. [17] Når en vandig opløsning af α-aminosyrer reagerer med COS eller med CO og H 2 S, dannes der en peptidcyklus, som dipeptider, tripeptider osv. deltager i. [18] [19] [20] Mekanismen af CO 2 -reduktion på FeS er længe ukendt. Forskere (Ying et al., 2007) har vist, at den direkte omdannelse af mineralet makinavit (FeS) til pyrit (FeS 2 ) ved reaktion med H 2 S ved 300 °C er umulig uden en overskydende mængde oxidationsmiddel. I fravær af et oxidationsmiddel reagerer FeS med H2S og danner pyrrhotit . Farid et al. har dog eksperimentelt bevist, at makinavit (FeS) har evnen til at reducere CO 2 til CO ved temperaturer over 300 °C. Efter deres mening er det sådan, at overfladelaget af FeS oxideres, så pyrit (FeS 2 ) kan dannes ved yderligere reaktion med H 2 S.
Tidlig evolution begynder med dannelsen af liv og varer indtil fremkomsten af den sidste fælles forfader (LUCA). Ifølge jern-svovl-verdenshypotesen inkluderer tidlig evolution co- evolutionen af cellulær organisation, genetiske mekanismer, såvel som den gradvise ændring af metaboliske katalysatorer fra mineraler til enzymer af proteinoprindelse.
Fremkomsten af en ægte celle skete i flere faser. Det begyndte med dannelsen af primitive lipider ved "overflademetabolisme". Disse lipider akkumulerede i eller på mineralbasen af katalysatorsystemet. Dette gør den ydre eller indre overflade af mineralet mere lipofilt , hvilket bidrager til overvægten af kondensationsreaktioner over hydrolysereaktioner ved at reducere aktiviteten af vand og hydrogenioner.
I næste trin dannes lipidmembraner. Knyttet til et mineral danner de en celle afgrænset af en membran på den ene side og et mineral på den anden. Yderligere udvikling fører til dannelsen af uafhængige lipidmembraner og lukkede celler. De første lukkede membrankatalytiske systemer var endnu ikke ægte celler, fordi de havde en intensiv udveksling af genetisk materiale på grund af hyppige fusioner. Ifølge Woese er en så hyppig udveksling af genetisk materiale årsagen til eksistensen af en fælles stamme i livets fylogenetiske træ; det førte også til høje rater af tidlig evolution.
William Martin og Michael Russell foreslog, at de første cellulære livsformer udviklede sig inde i hydrotermiske åbninger på bunden af havet. [21] [22] Disse strukturer består af mikroskopiske hulrum (klynger, "huler"), hvis "vægge" er dækket af et lag af metalsulfider. Sådanne strukturer er en løsning på flere problemer i Wächtershäuser-teorien på én gang:
Denne model antyder, at LUCA var fysisk placeret i en af disse hydrotermiske klynger i stedet for at være en fritlevende form. Det sidste trin mod fremkomsten af ægte celler vil være syntesen af en lipidmembran, som vil tillade organismer at forlade behovet for en fysisk grænse fra mineralsten. Dette førte til en senere erhvervelse af mekanismerne for lipidbiosyntese, hvilket forklarer tilstedeværelsen af helt forskellige typer membraner i archaea og bakterier med eukaryoter.
I den abiotiske verden er termiske og kemiske gradienter direkte relateret til syntesen af organiske molekyler. I umiddelbar nærhed af udluftningen er der områder med både forhøjede temperaturer og forhøjede koncentrationer af essentielle kemikalier. Efterhånden som mere komplekse organiske forbindelser syntetiseres, diffunderer de ind i "kølige" områder, hvor de ikke syntetiseres, og deres koncentration er derfor lavere. Migrationen af forbindelser fra områder med høje koncentrationer til områder med lave koncentrationer sikrer retningen af strømmen af stoffer og muliggør rumlig organisering af forskellige metaboliske veje. [23]
Mange træk ved ferroplasma ( Ferroplasma acidiphilum ), en repræsentant for archaea, kan betragtes som et ekko af den antikke verden af jernsulfider . I denne mikroorganisme indeholder 86% af proteinerne jern i deres sammensætning. Fjernelsen af jernatomer fra proteinmolekyler fører til forstyrrelse af deres struktur og tab af funktionalitet. Det blev fundet, at andre mikroorganismer, der lever under lignende forhold, ikke har sådanne strukturelle egenskaber af proteiner: hvis 163 proteiner i ferroplasma indeholder jern, så i andre undersøgte bakterier ( Picrophilus torridus og Acidithiobacillus ferrooxidans ) var antallet af jernholdige proteiner 29 og 28 (yderligere var disse udbredte metalloproteiner, hvoraf mange også indeholder jernatomer i repræsentanter for andre økologiske nicher).
Alt dette giver grund til at antage, at situationen observeret i ferroplasma er et utilsigtet bevaret ekko af jernsulfidernes verden: under proteiniseringen af metaboliske veje beholdt nogle af enzymerne jern- og svovlatomer i deres sammensætning som nødvendige strukturelle og funktionelle komponenter. Yderligere evolution, som ledsagede udviklingen af nye økologiske nicher i miljøer uden overskydende jern, bidrog til at erstatte gamle jernholdige proteiner med andre, der ikke har brug for jern for at udføre deres funktioner.
Denne teori har dog en væsentlig ulempe, som ligger i det faktum, at ferroplasma er en aerob mikroorganisme, og aerobe metabolisme opstod evolutionært meget senere end anaerobe. [24]
| Livets oprindelse | |
|---|---|
| Begreber | |
| Hypoteser |
|
| Undersøgelse | |