Ipoteza lumii sulfurei de fier este o etapă ipotetică a originii vieții pe Pământ și a evoluției timpurii propusă de Günter Wächtershäuser , un avocat din Munchen , care are și o diplomă în chimie . Și-a publicat ideile cu sprijinul filosofului Karl R. Popper . După cum sugerează și numele teoriei, aceasta sugerează că viața ar putea avea originea pe suprafața cristalelor de sulfură de fier [1] [2] [3] [4] [5] .
Potrivit lui Wächtershäuser, cea mai timpurie formă de viață, pe care el a numit-o „primul organism”, își are originea într-un canal hidrotermal vulcanic la presiune ridicată și temperatură ridicată (100°C). Această formă de viață avea o structură chimică complexă și folosea centri catalitici ai metalelor de tranziție (predominant fier și nichel , dar, eventual , cobalt , mangan , wolfram și zinc ). Centrele au catalizat căi autotrofe de fixare a carbonului , prin care gazele anorganice (cum ar fi monoxidul de carbon , dioxidul de carbon , cianura de hidrogen și hidrogenul sulfurat ) formau molecule organice nepolimerice mici. Acești compuși organici persistă pe suprafața mineralelor ca liganzi ai centrilor metalelor de tranziție, oferind astfel un „metabol de suprafață” autocatalitic. Prin adăugarea de liganzi, centrii catalitici ai metalelor tranziționale au devenit autocatalitici . Și datorită formării unei forme simplificate a ciclului acidului tricarboxilic , dependent de sulf, procesul de fixare a carbonului a devenit autocatalitic. Catalizatorii îmbunătățiți au extins domeniul de aplicare al metabolismului, iar noile produse metabolice au întărit și mai mult catalizatorii. Ideea principală a acestei ipoteze este că, odată început, acest metabolism autocatalitic primitiv începe să producă compuși organici din ce în ce mai complecși și din ce în ce mai multe moduri noi de reacții catalitice.
Ideea principală a ipotezei lumii sulfurei de fier este că originea vieții a trecut prin următoarele etape: Un flux de apă cu gaze vulcanice dizolvate în el (de exemplu, monoxid de carbon, amoniac și hidrogen sulfurat) încălzit până la 100 ° C și a fost supusă la presiune înaltă. Acest flux a trecut prin roci de metal de tranziție (de exemplu, sulfură de fier sau sulfură de nichel ). După ceva timp, a început formarea metalopeptidelor catalitice .
Reacția de defazare apă-gaz (CO + H 2 O → CO 2 + H 2 ) se manifestă în fluxuri vulcanice atât în prezența diverșilor catalizatori, cât și fără aceștia [6] . Reacția sulfurilor feruginoase și a hidrogenului sulfurat ca agent reducător cu depozitele de pirit — FeS + H 2 S → FeS 2 + 2H + + 2e − (sau H 2 în loc de 2H + + 2e − ) s-a manifestat în condiții vulcanice blânde [7]. ] [8] . Cu toate acestea, rezultatul cheie este contestat [9] Fixarea azotului a fost demonstrată pentru izotopul 15 N 2 în combinație cu depozitele de pirit [10] . Amoniul se formează prin reacția salitrului cu FeS/H 2 S ca agent reducător [11] . Metil mercaptan [CH3 -SH] și sulfura de carbon sunt formate din CO2 și FeS/ H2S , [12] sau din CO și H2 în prezența NiS . [13]
Reacția monoxidului de carbon (CO) și a hidrogenului sulfurat ( H2S ) în prezența sulfurilor de fier și nichel produce metil tioester al acidului acetic [CH3 -CO-SCH3 ] și probabil acidul tioacetic (CH3 -CO-SH) . ) - cea mai simplă formă a reziduului activat de acid acetic, analogă cu acetil-CoA . Aceste reziduuri de acid acetic activate servesc ca substrat pentru biosinteza exergonica ulterioara [13] . Ele pot servi și la cuplarea energetică cu reacțiile endergonice, în special cu formarea de legături fosfoanhidride (asemănătoare celor din ATP ). [paisprezece]
Reacția hidroxidului de nichel cu cianura de hidrogen (HCN) (cu sau fără hidroxid de fier (II) , hidrogen sulfurat , metil mercaptan ) produce cianura de nichel, care reacționează cu monoxidul de carbon (CO) pentru a forma perechi de α-hidroxi și α-amino acizi: de exemplu, acid glicolic și glicină , acid lactic și alanină , acid gliceric și serină ; precum şi acidul piruvic în cantităţi semnificative. [15] Acidul piruvic se poate forma și la presiune și temperatură ridicată din CO, H 2 O, FeS în prezența nonilmercaptanului. [16] Reacția acidului piruvic sau a altor α-cetoacizi cu amoniacul în prezența hidroxidului de fier sau a sulfurei de fier cu hidrogen sulfurat produce alanină sau alți α-aminoacizi. [17] Când o soluție apoasă de α-aminoacizi reacționează cu COS sau cu CO și H 2 S, se formează un ciclu peptidic, în care participă dipeptidele, tripeptidele etc.. [18] [19] [20] Mecanismul a reducerii CO 2 pe FeS este mult timp necunoscut. Oamenii de știință (Ying și colab., 2007) au arătat că conversia directă a mineralului makinavit (FeS) în pirita ( FeS2 ) prin reacția cu H2S la 300 ° C este imposibilă fără o cantitate în exces de agent oxidant. În absența unui agent oxidant, FeS reacționează cu H2S pentru a forma pirotita . Cu toate acestea, Farid și colab. au demonstrat experimental că makinavitul (FeS) are capacitatea de a reduce CO2 la CO la temperaturi de peste 300 °C . În opinia lor, acesta este modul în care stratul de suprafață al FeS este oxidat, astfel încât pirita (FeS2 ) se poate forma la reacția ulterioară cu H2S .
Evoluția timpurie începe cu formarea vieții și durează până la apariția ultimului strămoș comun (LUCA). Conform ipotezei lumii fier-sulf, evoluția timpurie include co- evoluția organizării celulare, mecanismele genetice, precum și schimbarea treptată a catalizatorilor metabolici de la minerale la enzime de origine proteică.
Apariția unei adevărate celule s-a produs în mai multe etape. A început cu formarea lipidelor primitive prin „metabolismul de suprafață”. Aceste lipide s-au acumulat în sau pe baza minerală a sistemului catalizator. Acest lucru face ca suprafața exterioară sau interioară a mineralului să fie mai lipofilă , ceea ce contribuie la predominarea reacțiilor de condensare asupra reacțiilor de hidroliză prin reducerea activității ionilor de apă și hidrogen.
În etapa următoare, se formează membrane lipidice. Atașate de un mineral, ele formează o celulă delimitată de o membrană pe o parte și de un mineral pe cealaltă parte. Evoluția ulterioară duce la formarea de membrane lipidice independente și celule închise. Primele sisteme catalitice cu membrană închisă nu erau încă celule adevărate, deoarece aveau un schimb intensiv de material genetic datorită fuziunilor frecvente. Potrivit lui Woese , un astfel de schimb frecvent de material genetic este motivul existenței unui trunchi comun în arborele filogenetic al vieții; a dus, de asemenea, la rate mari de evoluție timpurie.
William Martin și Michael Russell au propus că primele forme de viață celulară s-au dezvoltat în interiorul gurilor hidrotermale de pe fundul mării. [21] [22] Aceste structuri constau din goluri microscopice (clustere, „caverne”), ai căror „pereți” sunt acoperiți cu un strat de sulfuri metalice. Astfel de structuri sunt o soluție la mai multe probleme ale teoriei Wächtershäuser simultan:
Acest model sugerează că LUCA a fost situat fizic într-unul dintre aceste clustere hidrotermale, mai degrabă decât să fie o formă de viață liberă. Pasul final către apariția celulelor adevărate va fi sinteza unei membrane lipidice, care va permite organismelor să părăsească nevoia unei granițe fizice din rocile minerale. Acest lucru a condus la o achiziție ulterioară a mecanismelor de biosinteză a lipidelor, ceea ce explică prezența unor tipuri complet diferite de membrane în arhee și bacterii cu eucariote.
În lumea abiotică, gradienții termici și chimici sunt direct legați de sinteza moleculelor organice. În imediata apropiere a orificiului de ventilație, există regiuni atât cu temperaturi ridicate, cât și cu concentrații ridicate de substanțe chimice esențiale. Pe măsură ce sunt sintetizați compuși organici mai complecși, ei difuzează în regiuni „reci” unde nu sunt sintetizați și, prin urmare, concentrația lor este mai mică. Migrarea compușilor din zone cu concentrații mari în zone cu concentrații scăzute asigură direcția fluxului de substanțe și permite organizarea spațială a diferitelor căi metabolice. [23]
Multe caracteristici ale feroplasmei ( Ferroplasma acidiphilum ), un reprezentant al arheei, pot fi considerate un ecou al lumii antice a sulfurilor de fier . În acest microorganism, 86% dintre proteine includ fier în compoziția lor. Îndepărtarea atomilor de fier din moleculele de proteine duce la perturbarea structurii acestora și la pierderea funcționalității. S-a constatat că alte microorganisme care trăiesc în condiții similare nu au astfel de caracteristici structurale ale proteinelor: dacă 163 de proteine din feroplasmă conțin fier, atunci la alte bacterii studiate ( Picrophilus torridus și Acidithiobacillus ferrooxidans ) numărul de proteine care conțin fier a fost de 29 și 28. , respectiv.(mai mult, acestea erau metaloproteine larg răspândite, multe dintre ele conțin atomi de fier și în reprezentanții altor nișe ecologice).
Toate acestea dau motive de a presupune că situația observată în feroplasmă este un ecou păstrat accidental al lumii sulfurilor de fier: în timpul proteicizării căilor metabolice, unele dintre enzime au reținut atomii de fier și sulf în compoziția lor ca componente structurale și funcționale necesare. Evoluția ulterioară, care a însoțit dezvoltarea unor noi nișe ecologice în medii lipsite de exces de fier, a contribuit la înlocuirea vechilor proteine care conțin fier cu altele care nu au nevoie de fier pentru a-și îndeplini funcțiile.
Această teorie are însă un dezavantaj semnificativ, care constă în faptul că feroplasma este un microorganism aerob, iar metabolismele aerobe au apărut evolutiv mult mai târziu decât cele anaerobe. [24]
| Originea vieții | |
|---|---|
| Concepte | |
| Ipoteze |
|
| Studiu | |