Jern-svovelverdensteorien er en hypotese om livets opprinnelse , fremsatt mellom 1988 og 1992 av Günter Wächtershäuser (han var også kjent for forskjellige eksperimenter utført på effekten av aminosyrer på DNA til rotter.), [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] en kjemiker og patentadvokat ; der kjemiske arter og forbindelser av jern ogsvovel . [ 6 ]
Wächtershäuser foreslår at en primitiv modus for metabolisme gikk foran genetikk .
I hans arbeid er metabolisme forstått som en syklus av kjemiske reaksjoner som genererer brukbar energi for andre prosesser. Hypotesen er at når en primitiv metabolsk syklus er etablert, begynner den å produsere stadig mer komplekse forbindelser .
Nøkkelideen til teorien er at den tidlige kjemien i livet ikke fant sted i bulkløsning i havene , men på overflaten av mineraler , som pyritt , nær hydrotermiske ventiler . Det var et anaerobt miljø med høye trykk og temperaturer : 100 °C.
De første " cellene " ville ha vært lipidbobler på overflaten av mineraler. Wächtershäuser antok at eddiksyre , en enkel kombinasjon av karbon , hydrogen og oksygen , som finnes i eddik , spilte en viktig rolle. Denne organiske syren er en del av sitronsyresyklusen , som er avgjørende for cellemetabolismen.
Noen av de grunnleggende ideene til jern-svovelverdensteorien kan oppsummeres i følgende korte oppskrift for å skape liv :
I mer tekniske termer foreslo Wächtershäuser følgende trinn for utseendet til proteiner :
Både eddiksyre og pyrodruesyre er nøkkelsubstrater i sitronsyresyklusen .
I 1997 blandet Wächtershäuser og Claudia Huber karbonmonoksid- , hydrogensulfid- og nikkelsulfidpartikler ved 100 °C og viste at aminosyrer kunne genereres . [ 7 ] Året etter var de i stand til å produsere peptider ved å bruke de samme ingrediensene . [ 8 ]
Wächtershäuser foreslår at den tidligste formen for liv , kalt en "pionerorganisme", har sin opprinnelse i en høytrykks- og høytemperatur (100 °C) vulkansk hydrotermisk strømning. Den hadde en struktur sammensatt av en mineralbase med katalytiske overgangsmetallsentre (hovedsakelig jern og nikkel , men kanskje også kobolt , mangan , wolfram og sink ). Katalytiske sentre katalyserte autotrofe karbonfikseringsveier som genererte småmolekylære (ikke- polymere ) organiske forbindelser fra uorganiske gasser (f.eks. karbonmonoksid , karbondioksid , hydrogencyanid og hydrogensulfid . Disse organiske forbindelsene ble holdt tilbake på eller i mineralbasen som organiske ligander av overgangsmetallsentrene med en fluksretensjonstid som tilsvarer deres mineralbindingsstyrke, og definerer dermed en autokatalytisk "overflatemetabolisme". Katalytisk ble autokatalytisk ved å bli akselerert av deres organiske produkter omdannet til ligander Karbonfikseringsmetabolismen ble autokatalytisk ved å danne en metabolsk syklus i form av en primitiv svovelavhengig versjon av sitronsyrereduktive syklus Akselererte katalysatorer utvidet metabolisme og nye metabolske produkter akselerert enda flere katalysatorer. Tanken er at når en slik primitiv autokatalytisk metabolisme ble etablert, begynte dens iboende syntetiske kjemi å produsere stadig mer komplekse organiske forbindelser, stadig mer komplekse veier og stadig mer komplekse katalytiske sentre. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]
Vanngassskiftreaksjonen (CO + H2O → CO2 + H2) skjer i vulkanske væsker med forskjellige katalysatorer eller uten katalysatorer. Kombinasjonen av jernsulfid og hydrogensulfid som reduksjonsmiddel er vist sammen med dannelse av pyritt - FeS + H2S → FeS2 + 2H + + 2e - (eller H2 i stedet for 2H + + 2e -) - under vulkanske forhold myke. Dette nøkkelresultatet er bestridt. Nitrogenfiksering for 15- isotopen til N2 er vist i forbindelse med dannelsen av pyritt . Ammoniakk dannes fra nitrat med FeS/H2S som reduksjonsmiddel. Metylmerkaptan [CH3 -SH] og karbonoksysulfid [ COS] dannes fra CO2 og FeS/H2S, eller fra CO og H2 i nærvær av NiS. [ 13 ] [ 14 ]
Reaksjonen av karbonmonoksid (CO), hydrogensulfid (H2S) og metantiol CH3SH i nærvær av nikkelsulfid og jernsulfid genererer metyltioesteren av eddiksyre [CH3-CO-SCH3] og antagelig tioeddiksyre (CH3 -CO- SH) som de enkleste aktiverte eddiksyreanalogene av acetyl-CoA. Disse aktiverte eddiksyrederivatene tjener som utgangsmaterialer for de følgende eksergoniske syntesetrinnene . De tjener også til energetisk kobling med endergoniske reaksjoner, spesielt dannelsen av fosfoanhydridforbindelser. Imidlertid rapporterte Huber og Wächtershäuser lave utbytter på 0,5 % acetat basert på CH3SH(metantiol) input (8 mM) i nærvær av 350 mM CO. Dette er omtrent 500 ganger og 3700 ganger de høyeste konsentrasjonene av henholdsvis CH3SH og CO målt til dags dato i en naturlig hydrotermisk ventilasjonsvæske. [ 15 ] [ 16 ]
Reaksjonen av nikkelhydroksid med hydrogencyanid (HCN) (i nærvær eller fravær av jern(II)hydroksid, hydrogensulfid eller metylmerkaptan) genererer nikkelcyanid , som reagerer med karbonmonoksid (CO) for å generere par av α-hydroksy og α- aminosyrer : for eksempel glykolat / glysin , laktat / alanin , glyserat / serin ; samt pyrodruesyre i betydelige mengder. Pyrodruesyre dannes også under høyt trykk og høy temperatur fra CO, H2O, FeS i nærvær av nonylmerkaptan . Reaksjonen av pyrodruesyre eller andre α-ketosyrer med ammoniakk i nærvær av jernhydroksid eller i nærvær av jernsulfid og hydrogensulfid genererer alanin eller andre α-aminosyrer. Reaksjonen av α-aminosyrer i vandig løsning med COS eller med CO og H2S genererer en peptidsyklus der dipeptider, tripeptider osv. dannes. og deretter nedbrytes via N-terminal hydantoin og N-terminal urea-rester og påfølgende spaltning av den N-terminale aminosyreenheten . [ 17 ] [ 18 ]
En foreslått reaksjonsmekanisme for reduksjon av CO2 til FeS: Ying et al. (2007) har vist at direkte transformasjon av macinavitt (FeS) til pyritt (FeS2) i reaksjonen med H 2 S opp til 300 °C ikke er mulig uten tilstedeværelse av en kritisk mengde oksidasjonsmiddel. I fravær av en oksidant, reagerer FeS med H2S opp til 300 °C for å gi pyrrhotitt . Farid et al. eksperimentelt demonstrert at macinawite (FeS) har evnen til å redusere CO2 til CO ved temperaturer over 300 °C. De rapporterte at overflaten av FeS er oksidert, som ved reaksjon med H2S gir pyritt (FeS2). CO forventes å reagere med H2O i Drobner-eksperimentet for å gi H2 . [ 19 ] [ 20 ]
Tidlig evolusjon er definert som begynner med livets opprinnelse og slutter med den siste universelle felles stamfar (LUCA). I følge jern-svovelverdensteorien dekker den en co -evolusjon av cellulær organisering (cellularisering), det genetiske maskineriet og enzymatiseringen av metabolismen.
Patel (2016) foreslo etter et eksperiment at lipider, peptider (forløpere til proteiner) og pre-RNA (nukleinsyreforløper til RNA og sistnevnte av DNA ) ble avledet fra en protometabolisme av hydrogencyanid når det ble vist at forløperne til dets komponenter; nukleotider , aminosyrer og lipider kan alle være avledet ved reduktiv homologering av hydrogencyanid og noen av dets derivater, og dermed kunne alle cellulære undersystemer ha oppstått samtidig gjennom felles kjemi . Nøkkeltrinn i reaksjonen drives av ultrafiolett lys , bruker hydrogensulfid som reduksjonsmiddel, og kan akselereres av Cu(I)-Cu(II) fotoredokssykluser. [ 21 ]
Cellularisering skjer i flere stadier. Det begynner med dannelsen av primitive lipider (for eksempel fettsyrer eller isoprenoidsyrer) i overflatemetabolismen. Disse lipidene akkumuleres på eller i mineralbasen. Dette lipofiliserer de ytre eller indre overflatene til mineralbasen, noe som fremmer kondensasjonsreaksjoner over hydrolytiske reaksjoner ved å senke aktiviteten til vann og protoner .
I neste trinn dannes lipidmembraner . Mens de fortsatt er forankret til mineralbasen, danner de en halvcelle avgrenset delvis av mineralbasen og delvis av membranen. Ytterligere lipidutvikling fører til selvbærende lipidmembraner og lukkede celler. De første lukkede cellene er precellene (sensu Kandler) fordi de tillater hyppig utveksling av genetisk materiale (for eksempel gjennom fusjoner). I følge Carl Woese er denne hyppige utvekslingen av genetisk materiale årsaken til eksistensen av den vanlige stammen i livets tre og til en veldig rask tidlig evolusjon. [ 22 ]
William Martin og Michael Russell antyder at de tidligste formene for cellulært liv kan ha utviklet seg innenfor alkaliske hydrotermiske ventiler i havbunnsspredningssoner . Disse strukturene består av huler i mikroskala som er dekket av tynnveggede metallsulfidmembraner. Derfor vil disse strukturene løse flere kritiske punkter knyttet til Wächtershäusers forslag på en gang: [ 23 ] [ 24 ]
I en abiotisk verden er en termoklin av temperaturer og en kjemoklin i konsentrasjon assosiert med den prebiotiske syntesen av organiske molekyler , varmere i nærheten av den kjemisk rike ventilen, kjøligere men også mindre kjemisk rik på større avstander. Migreringen av syntetiserte forbindelser fra områder med høy konsentrasjon til områder med lav konsentrasjon gir en retning som gir kilde og synke på en selvorganisert måte, og tillater en proto-metabolsk prosess der eddiksyreproduksjon og dens eventuelle oksidasjon kan organiseres romlig.
På denne måten kunne mange av de individuelle reaksjonene som finnes i sentralmetabolisme i dag i utgangspunktet ha skjedd uavhengig av hvilken som helst utviklende cellemembran. Hvert mikroventilasjonsrom tilsvarer funksjonelt en enkelt celle. Deretter velges kjemiske samfunn som har høyere strukturell integritet og motstand mot ekstremt svingende forhold; dens suksess ville føre til lokale utarmingssoner for viktige kjemiske forløpere. Den progressive inkorporeringen av disse forløperkomponentene i en cellemembran vil gradvis øke den metabolske kompleksiteten i cellemembranen, samtidig som den fører til større miljøvennlighet i det ytre miljøet. I prinsippet kan dette føre til utvikling av komplekse katalysatorsammenstillinger som er i stand til å vedlikeholde seg selv.
Russell legger en betydelig faktor til disse ideene, og bemerker at semipermeabel macinawitt (et jernsulfidmineral) og silikatmembraner kan utvikle seg naturlig under disse forholdene og koble reaksjoner elektrokjemisk adskilt i verdensrommet, om ikke tid.
William Martin antyder at den " siste universelle felles stamfaren " (LUCA) stammer fra en varm undersjøisk hydrotermisk ventil , i et hydrotermisk system som består av sammenhengende rom av jernsulfid (FeS), populasjoner av RNA - makromolekyler og viruslignende proteiner , som til slutt kodet for ett eller noen få proteiner hver, ble agenter for både variasjon og seleksjon. Det første darwinistiske utvalget var for molekylær selvreplikasjon . Kombinatorisk sortering av genetiske elementer mellom avdelinger ville ha resultert i den foretrukne spredningen og seleksjonen av stadig mer komplekse molekylære ensembler, innholdet i avdelingene som oppnådde replikasjonsfordeler . Tidlige DNA-replikasjonssystemer , viruslignende i naturen, ville ha lagret informasjon i rom som tilbød sykehusforhold. I slike rom ville DNA-elementer blitt synker som forsterker andre genetiske elementer, kanskje inkludert det ribosomale superoperonet , gjennom omvendt transkripsjon av voksende DNA- molekyler . Agglomerasjonen av de mange proteinene og kofaktorene som kreves for dannelsen av lipider og semipermeable membraner (og det enda større antallet hjelpeproteiner som trengs for å effektivt tilveiebringe aminosyrer, koenzymer og andre metabolitter ) var oppnåelig ved fremveksten av det store DNA-et genomer .. I følge dette forslaget var de første organismene kjemoautotrofer hvis metabolisme fokuserte på tioesterdannelsesreaksjoner som ligner på den moderne acetyl-CoA (Wood-Ljungdahl) banen. [ 25 ]
Denne modellen plasserer den "siste universelle felles stamfaren" innenfor de uorganisk dannede fysiske rammene til en alkalisk hydrotermisk ventil, i stedet for å anta eksistensen av en LUCA-fri livsform. Det siste evolusjonære trinnet på veien til ekte frittlevende celler ville være syntesen av en lipidmembran som til slutt ville tillate organismer å forlate ventilens mikrohulesystem. Denne postulerte sene anskaffelsen av genetisk kodet peptiddrevet lipidbiosyntese stemmer overens med tilstedeværelsen av helt forskjellige typer membranlipider i arkea og bakterier (pluss eukaryoter). Ventilasjonstypen i forgrunnen av forslaget ditt er kjemisk mer lik de varme (ca. 100 °C) ventilene utenfor åsryggen som Lost City enn den er til de mer kjente sorte røykeventilene (ca. 350 °C).
En økende forståelse av feilene til modeller som kun vurderer RNA-verdenhypotesen eller jern-svovelverdensteorien, fører til trender mot modeller som inkluderer aspekter av begge. Spesifikt, og basert på den logistiske usannsynligheten til RNA-verdenshypotesen, har Robert Griffith etablert en modell for samarbeid mellom RNA, primitive peptider og lipider hvis sekvens vil være som følger: organisk materiale generert av abiotisk syntese i primitive hav vil separeres i faser ved å tetthet og løselighet. Syntesen av komplekse monomerer og også av polymerer vil finne sted på hydrofile overflater og i deres nærhet (grensesnitt) med både de vandige og luftmediene. Replikering og oversettelse ville finne sin ideelle plass i grensesnittet mellom hydrofobe emulgerte elementer. De første nukleinsyrene ville fortrinnsvis kode for arginin . Disse arginin-anrikede peptidene vil tjene til å sekvestrere og overføre energirike fosfatbindinger . Dette vil gjøre peptider essensielle for vedlikehold av fosfatrike nukleinsyrer og samtidig holde dem nær lipidgrensesnitt. [ 26 ]
Denne teorien kalles RNA-peptid-koevolusjon, eller RNA-peptidverdenen, og den gir en mulig forklaring på den raske utviklingen av høykvalitetsreplikasjon i RNA (siden proteiner er katalysatorer), med den ulempen at de postulerer den tilfeldige dannelsen. av to komplekse molekyler, et enzym (fra peptider) og et RNA (fra nukleotider). Et forskningsprosjekt fullført i mars 2015 fant at et nettverk av reaksjoner som begynner med hydrogencyanid og hydrogensulfid , i vannstrømmer bestrålt med ultrafiolett lys, kunne produsere de kjemiske byggesteinene til RNA sammen med de til proteiner og lipider. Forskerne brukte begrepet "cyanosulfid" for å beskrive dette nettverket av reaksjoner. I november 2017 identifiserte et team ved Scripps Research Institute reaksjoner som involverte forbindelsen diamidofosfat som kunne ha koblet kjemiske komponenter i korte peptid- og lipidkjeder, samt korte RNA-lignende nukleotidkjeder. [ 27 ] [ 28 ]
I 2016 utførte Matthew Dodd og kollegene en studie med tittelen Evidence for Primitive Life at Earth 's Oldest Hydrothermal Vents , [ 29 ] med fokus på hydrotermiske avsetninger i Nuvvuagittuq-beltet i Quebec , Canada . I denne studien foreslår de at forekomstene som er studert inneholder rester av mikroskopiske organismer. Forskerne tolket at hematittstrukturene som ble funnet i Nuvvuagittuq-beltet var et produkt av mineralisering utført av bakterier og ekstracellulære filamenter, som deretter ble avsatt og belagt med jern eller silika . Dette beltet består av basaltiske bergarter og noen av de eldste sedimentære enhetene, inkludert jern og jaspis . Filamentøse og rørformede strukturer sammensatt av jernoksid ( hematitt ) finnes i dagens havskorpe . Forfatterne etablerer et forhold mellom moderne hydrotermiske ventiler, som huser samfunn av bakterier som er i stand til å oksidere jern for å produsere sin energi, med mer primitive kilder. Dagens bakterier produserer særegne rørformede strukturer, lik fossile eksempler.
I så fall kan disse kildene ha gitt et habitat for jordens mest primitive livsformer .