Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из теории мира железа и серы )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Гипотеза железо-серного мира - это набор предложений о происхождении жизни и ранней эволюции жизни, выдвинутых в серии статей между 1988 и 1992 годами Гюнтером Вехтерсхойзером , мюнхенским патентным юристом со степенью в области химии, которого поощряли и поддержанный философом Карлом Р. Поппером в публикации его идей. Гипотеза предполагает, что ранняя жизнь могла сформироваться на поверхности минералов сульфида железа , отсюда и название. [1] [2] [3] [4] [5] Он был разработан ретроспективно из сохранившейся биохимии в сочетании с химическими экспериментами.

Происхождение жизни [ править ]

Пионерский организм [ править ]

Wächtershäuser предполагает, что самая ранняя форма жизни, названная «организмом-первопроходцем», возникла в вулканическом гидротермальном потоке при высоком давлении и высокой (100 ° C) температуре. Он имел сложную структуру на минеральной основе с каталитическими центрами переходных металлов (преимущественно железа и никеля , но также, возможно, кобальта , марганца , вольфрама и цинка ). Каталитические центры катализируемой автотрофных пути фиксации углерода , генерирующие малую молекулу (не-полимер) органических соединений из неорганических газов (например , окись углерода , двуокись углерода , цианистый водород и сероводород). Эти органические соединения удерживались на или в минеральной основе в качестве органических лигандов центров переходных металлов с временем удерживания потока в соответствии с их силой минерального связывания, тем самым определяя автокаталитический «поверхностный метаболизм». Каталитические центры переходных металлов стали автокаталитическими за счет ускорения их органических продуктов, превращенных в лиганды. Метаболизм фиксации углерода стал автокаталитическим за счет формирования метаболического цикла в форме примитивной серозависимой версии восстановительного цикла лимонной кислоты.. Ускоренные катализаторы увеличивают метаболизм, а новые продукты метаболизма еще больше ускоряют действие катализаторов. Идея состоит в том, что как только такой примитивный автокаталитический метаболизм был установлен, его внутренне синтетическая химия начала производить все более сложные органические соединения, все более сложные пути и все более сложные каталитические центры.

Конверсия питательных веществ [ править ]

Реакция конверсии водяного газа (СО + Н 2 О → СО 2 + Н 2 ) происходит в вулканических жидкостях с различными катализаторами или без катализаторов. [6] Было продемонстрировано сочетание сульфида железа и сероводорода в качестве восстановителей в сочетании с образованием пирита - FeS + H 2 S → FeS 2 + 2H + + 2e - (или H 2 вместо 2H + + 2e - ) - в мягких вулканических условиях. [7] [8] Этот ключевой результат оспаривается. [9]Фиксация азота была продемонстрирована для изотопа 15 N 2 в сочетании с образованием пирита. [10] Аммиак образуется из нитрата с FeS / H 2 S в качестве восстановителя. [11] Метилмеркаптан [CH 3 -SH] и оксисульфид углерода [COS] образуются из CO 2 и FeS / H 2 S, [12] или из CO и H 2 в присутствии NiS. [13]

Синтетические реакции [ править ]

Реакция окиси углерода (CO), сероводород (H 2 S) и метантиол СН 3 SH в присутствии сульфида никеля и сульфид железа вырабатывает метиловый тиоэфир уксусной кислоты [СН 3 -СО-SCH 3 ] и , предположительно тиоуксусную кислоту ( CH 3 -CO-SH) как простейшие активированные аналоги ацетил-КоА уксусной кислоты . Эти активированные производные уксусной кислоты служат исходными материалами для последующих стадий экзергонического синтеза. [13]Они также служат для энергетического взаимодействия с эндергоническими реакциями, особенно с образованием соединений (фосфо) ангидрида. [14] Однако Huber и Wächtershäuser сообщили о низких выходах 0,5% ацетата на основе ввода CH 3 SH (метантиола) (8 мМ) в присутствии 350 мМ CO. Это примерно в 500 и 3700 раз [15] наивысший Концентрации CH 3 SH и CO, соответственно, измеренные на сегодняшний день в естественных гидротермальных источниках. [16]

Взаимодействие гидроксида никеля с цианистым водородом (HCN) (в присутствии или отсутствии гидроксида железа , сероводорода или метилмеркаптана ) приводит к образованию цианида никеля, который реагирует с монооксидом углерода (CO) с образованием пар α-гидрокси и α-аминокислот. : например, гликолат / глицин , лактат / аланин , глицерат / серин ; а также пировиноградная кислота в значительных количествах. [17] Пировиноградная кислота также образуется при высоком давлении и высокой температуре из CO, H 2.O, FeS в присутствии нонилмеркаптана. [18] Реакция пировиноградной кислоты или других α-кетокислот с аммиаком в присутствии гидроксида двухвалентного железа или в присутствии сульфида железа и сероводорода приводит к образованию аланина или других α-аминокислот . [19] Реакция α-аминокислот в водном растворе с COS или с CO и H 2 S генерирует пептидный цикл, в котором дипептиды , трипептиды и т. Д. Образуются и впоследствии разлагаются через N-концевые гидантоиновые фрагменты и N-концевую мочевинуфрагменты и последующее отщепление N-концевой аминокислотной единицы. [20] [21] [22]

Предлагаемый механизм реакции восстановления CO 2 на FeS: Ying et al. (2007) доказали, что прямое превращение макинавита (FeS) в пирит (FeS 2 ) при реакции с H 2 S до 300 ° C невозможно без присутствия критического количества окислителя. В отсутствие окислителя FeS реагирует с H 2 S до 300 ° C с образованием пирротина. Фарид и др. экспериментально доказали, что макинавит (FeS) обладает способностью восстанавливать CO 2 до CO при температуре выше 300 ° C. Они сообщили, что поверхность FeS окисляется, что при реакции с H 2 S дает пирит (FeS 2 ). Ожидается, что CO реагирует с H 2.O в эксперименте Дробнера, чтобы получить H 2 .

Ранняя эволюция [ править ]

Ранняя эволюция определяется как начинающаяся с зарождения жизни и заканчивающаяся последним универсальным общим предком ( LUCA ). Согласно теории мира железо-сера, он охватывает коэволюцию клеточной организации ( клеточность ), генетического механизма и ферментативного обмена веществ .

Сотовая связь [ править ]

Целлюляризация происходит в несколько этапов. Он начинается с образования примитивных липидов (например, жирных кислот или изопреноидных кислот) в поверхностном метаболизме. Эти липиды накапливаются на минеральной основе или в ней. Это липофилизирует внешнюю или внутреннюю поверхность минеральной основы, что способствует реакциям конденсации по сравнению с реакциями гидролиза за счет снижения активности воды и протонов.

На следующем этапе образуются липидные мембраны. Все еще прикрепленные к минеральной основе, они образуют полуклетку, частично ограниченную минеральной основой и частично мембраной. Дальнейшая эволюция липидов приводит к самоподдерживающимся липидным мембранам и закрытым клеткам. Самые ранние закрытые клетки являются пре-клетками ( sensu Kandler ), потому что они позволяют частый обмен генетическим материалом (например, путем слияния). Согласно Вёзе , этот частый обмен генетическим материалом является причиной существования общего стебля в древе жизни и очень быстрой ранней эволюции. [23]

Протоэкологические системы [ править ]

Уильям Мартин и Майкл Рассел предполагают, что первые клеточные формы жизни могли развиться внутри щелочных гидротермальных источников в зонах распространения на морском дне в глубоком море . [24] [25] Эти структуры состоят из микромасштабных каверн, покрытых тонкими мембранными стенками из сульфидов металлов. Таким образом, эти структуры позволили бы сразу решить несколько критических моментов, связанных с предложениями Wächtershäuser:

  1. микрокаверны предоставляют средства для концентрации вновь синтезированных молекул, тем самым увеличивая вероятность образования олигомеров ;
  2. крутые температурные градиенты внутри гидротермального канала позволяют устанавливать «оптимальные зоны» частичных реакций в различных областях вентиляционного канала (например, синтез мономера в более горячих частях, олигомеризация в более холодных частях);
  3. поток гидротермальной воды через структуру обеспечивает постоянный источник строительных блоков и энергии (химическое нарушение равновесия между гидротермальным водородом и морской двуокисью углерода);
  4. модель допускает последовательность различных этапов клеточной эволюции (пребиотическая химия, синтез мономеров и олигомеров, синтез пептидов и белков, мир РНК , сборка рибонуклеопротеинов и мир ДНК ) в единой структуре, облегчая обмен между всеми стадиями развития;
  5. в синтезе липидов как средства «закрытия» клеток от окружающей среды нет необходимости, пока в основном не разовьются все клеточные функции.

Эта модель определяет местонахождение «последнего универсального общего предка» ( LUCA ) в неорганически сформированных физических границах щелочного гидротермального источника, а не предполагает существование свободноживущей формы LUCA. Последним этапом эволюции на пути к истинным свободноживущим клеткам будет синтез липидной мембраны, которая, наконец, позволит организмам покинуть систему микрокаверн вентиляционного канала. Это постулируемое позднее приобретение биосинтеза липидов, управляемое генетически кодируемыми пептидами, согласуется с наличием совершенно разных типов мембранных липидов у архей и бактерий (плюс эукариот).). Вид вентиляции на переднем плане в их предложении химически больше похож на теплые (около 100 ° C) вентиляционные отверстия гребня, такие как Lost City, чем на более знакомые вентиляционные отверстия типа черного курильщика (около 350 ° C).

В абиотическом мире термоклин температур и хемоклин концентрации связаны с предбиотическим синтезом органических молекул, более горячих в непосредственной близости от химически богатого источника, более прохладных, но и менее химически богатых на больших расстояниях. Миграция синтезированных соединений из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией дает направление, которое обеспечивает как источник, так и приемник самоорганизующимся образом, обеспечивая протометаболический процесс, с помощью которого можно пространственно организовать производство уксусной кислоты и ее возможное окисление. .

Таким образом, многие из индивидуальных реакций, которые сегодня обнаруживаются в центральном метаболизме, могли первоначально происходить независимо от какой-либо развивающейся клеточной мембраны . Каждое вентиляционное микрокамерство функционально эквивалентно отдельной ячейке. Затем отбираются химические сообщества, обладающие большей структурной целостностью и устойчивостью к резко меняющимся условиям; их успех приведет к локальным зонам истощения важных химических веществ-прекурсоров. Постепенное включение этих компонентов-предшественников в клеточную мембрану будет постепенно увеличивать сложность метаболизма внутри клеточной мембраны, что приводит к большей простоте окружающей среды во внешней среде. В принципе, это может привести к разработке сложных каталитических наборов, способныхсамообслуживание .

Рассел добавляет важный фактор к этим идеям, указывая на то, что полупроницаемый макинавит (минерал сульфида железа) и силикатные мембраны могут естественным образом развиваться в этих условиях и электрохимически связывать реакции, разделенные в пространстве, если не во времени. [26] [27]

См. Также [ править ]

  • Белок железо-сера
  • Мир РНК
  • Эксперимент Миллера – Юри

Ссылки [ править ]

  1. ^ Wächtershäuser, Гюнтер (1988-12-01). «До ферментов и шаблонов: теория поверхностного метаболизма» . Microbiol. Мол. Биол. Ред . 52 (4): 452–84. DOI : 10.1128 / MMBR.52.4.452-484.1988 . PMC  373159 . PMID  3070320 . Проверено 2 мая 2009 .
  2. ^ Wächtershäuser, G (январь 1990). «Эволюция первых метаболических циклов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 87 (1): 200–04. Bibcode : 1990PNAS ... 87..200W . DOI : 10.1073 / pnas.87.1.200 . PMC 53229 . PMID 2296579 .  
  3. ^ Гантер Уотершозер, G (1992). «Основы эволюционной биохимии: железо-серный мир» . Прогресс в биофизике и молекулярной биологии . 58 (2): 85–201. DOI : 10.1016 / 0079-6107 (92) 90022-X . PMID 1509092 . 
  4. ^ Гантер Уотершозер, G (2006). «От вулканического происхождения хемоавтотрофной жизни до бактерий, архей и эукарий» . Философские труды Королевского общества B: биологические науки . 361 (1474): 1787–806, обсуждение 1806–188. DOI : 10.1098 / rstb.2006.1904 . PMC 1664677 . PMID 17008219 .  
  5. ^ Wächtershäuser, Гюнтер (2007). «О химии и эволюции организма-первопроходца» . Химия и биоразнообразие . 4 (4): 584–602. DOI : 10.1002 / cbdv.200790052 . PMID 17443873 . S2CID 23597542 .  
  6. ^ Seewald, Джеффри S .; Михаил Ю. Золотов; Томас Макколлом (январь 2006 г.). «Экспериментальное исследование одноуглеродных соединений в гидротермальных условиях». Geochimica et Cosmochimica Acta . 70 (2): 446–60. Bibcode : 2006GeCoA..70..446S . DOI : 10.1016 / j.gca.2005.09.002 . hdl : 1912/645 .
  7. ^ Тейлор, П .; Т.Е. Раммери; Д. Г. Оуэн (1979). «Реакции твердого моносульфида железа с водным сероводородом до 160 ° C» . Журнал неорганической и ядерной химии . 41 (12): 1683–87. DOI : 10.1016 / 0022-1902 (79) 80106-2 . Проверено 2 мая 2009 .
  8. ^ Дробнер, E .; Х. Хубер; Г. Вехтерсхойзер; Д. Роуз; К.О. Стеттер (1990). «Образование пирита, связанное с выделением водорода в анаэробных условиях» (PDF) . Природа . 346 (6286): 742–44. Bibcode : 1990Natur.346..742D . DOI : 10.1038 / 346742a0 . S2CID 4238288 .  
  9. ^ Кэхилл, CL; LG Benning; Х.Л. Барнс; JB Parise (июнь 2000 г.). «In situ дифракция рентгеновских лучей с временным разрешением сульфидов железа во время гидротермального роста пирита». Химическая геология . 167 (1–2): 53–63. Bibcode : 2000ChGeo.167 ... 53С . DOI : 10.1016 / S0009-2541 (99) 00199-0 .
  10. ^ Марк Дорр, Марк; Йоханнес Кесборер; Ренате Грюнерт; Гюнтер Крайзель; Вилли А. Брэнд; Роланд А. Вернер; Хайке Гейлманн; Кристина Апфель; Кристиан Робл; Вольфганг Вайганд (2003). «Возможное пребиотическое образование аммиака из диазота на поверхности сульфида железа». Angewandte Chemie International Edition . 42 (13): 1540–43. DOI : 10.1002 / anie.200250371 . PMID 12698495 . 
  11. ^ Blöchl, E; М. Келлер; G Wächtershäuser; К. О. Стеттер (1992). «Реакции, зависящие от сульфида железа и связывающие геохимию с биохимией» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 89 (17): 8117–20. Bibcode : 1992PNAS ... 89.8117B . DOI : 10.1073 / pnas.89.17.8117 . PMC 49867 . PMID 11607321 .  
  12. ^ Хайнен, Вольфганг; Энн Мари Лауэрс (1996-04-01). «Органические соединения серы, возникающие в результате взаимодействия сульфида железа, сероводорода и диоксида углерода в анаэробной водной среде» (PDF) . Истоки жизни и эволюция биосфер . 26 (2): 131–50. Bibcode : 1996OLEB ... 26..131H . CiteSeerX 10.1.1.967.5285 . DOI : 10.1007 / BF01809852 . ЛВП : 2066/29485 . PMID 11536750 . S2CID 9391517 .    
  13. ^ а б Хубер, Клаудиа; Гюнтер Вехтерсхойзер (1997-04-11). «Активированная уксусная кислота путем фиксации углерода на (Fe, Ni) S в первичных условиях» . Наука . 276 (5310): 245–47. DOI : 10.1126 / science.276.5310.245 . PMID 9092471 . S2CID 40053445 .  
  14. ^ Гантер Уотершозер; Майкл У. В. Адамс (1998). «Случай гипертермофильного, хемолитоавтотрофного происхождения жизни в железо-серном мире». В Юргене Вигеле (ред.). Термофилы: ключи к молекулярной эволюции и происхождению жизни . стр.  47 -57. ISBN 9780748407477.
  15. ^ Чандру, Кухан; Гилберт, Алексис; Бутч, Кристофер; Аоно, Масаси; Кливз, Хендерсон Джеймс II (21 июля 2016 г.). "Абиотическая химия производных тиолированного ацетата и происхождение жизни" . Научные отчеты . 6 : 29883. Bibcode : 2016NatSR ... 629883C . DOI : 10.1038 / srep29883 . PMC 4956751 . PMID 27443234 .  
  16. ^ Ривз, Эоган П .; Макдермотт, Джилл М .; Сивальд, Джеффри С. (15 апреля 2014 г.). «Происхождение метантиола в гидротермальных флюидах срединно-океанического хребта» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (15): 5474–79. Bibcode : 2014PNAS..111.5474R . DOI : 10.1073 / pnas.1400643111 . PMC 3992694 . PMID 24706901 .  
  17. ^ Хубер, Клаудиа; Гюнтер Вехтерсхойзер (27 октября 2006 г.). «α-Гидрокси- и α-аминокислоты в условиях возможного гадея, вулканического происхождения жизни». Наука . 314 (5799): 630–62. Bibcode : 2006Sci ... 314..630H . DOI : 10.1126 / science.1130895 . PMID 17068257 . S2CID 94926364 .  
  18. ^ Коди, Джордж Д .; Набиль З. Боктор; Тимоти Р. Филли; Роберт М. Хазен ; Джеймс Х. Скотт; Анураг Шарма; Хаттен С. Йодер (25 августа 2000 г.). «Первичные карбонилированные соединения железа и серы и синтез пирувата» . Наука . 289 (5483): 1337–40. Bibcode : 2000Sci ... 289.1337C . DOI : 10.1126 / science.289.5483.1337 . PMID 10958777 . S2CID 14911449 .  
  19. ^ Хубер, Клаудиа; Гюнтер Вехтерсхойзер (февраль 2003 г.). «Повторное рассмотрение первичного восстановительного аминирования». Буквы тетраэдра . 44 (8): 1695–97. DOI : 10.1016 / S0040-4039 (02) 02863-0 .
  20. ^ Хубер, Клаудиа; Гюнтер Вехтерсхойзер (31 июля 1998 г.). «Пептиды путем активации аминокислот с CO на (Ni, Fe) S поверхности: значение для происхождения жизни» . Наука . 281 (5377): 670–72. Bibcode : 1998Sci ... 281..670H . DOI : 10.1126 / science.281.5377.670 . PMID 9685253 . S2CID 33706837 .  
  21. ^ Хубер, Клаудиа; Вольфганг Айзенрайх; Стефан Хехт; Гюнтер Вехтерсхойзер (15 августа 2003 г.). «Возможный первичный цикл пептидов». Наука . 301 (5635): 938–40. Bibcode : 2003Sci ... 301..938H . DOI : 10.1126 / science.1086501 . PMID 12920291 . S2CID 2761061 .  
  22. ^ Wächtershäuser, Гюнтер (2000-08-25). «Происхождение жизни: жизнь, какой мы ее не знаем». Наука . 289 (5483): 1307–08. DOI : 10.1126 / science.289.5483.1307 . PMID 10979855 .  (требуется несвободная подписка для членов AAAS)
  23. ^ «До ферментов и шаблонов: теория поверхностного метаболизма» (PDF) . Обзоры микробиологии и молекулярной биологии - Американское общество микробиологов . Декабрь 1998 г.
  24. ^ Мартин, Уильям; Майкл Дж. Рассел (2003). «О происхождении клеток: гипотеза эволюционных переходов от абиотической геохимии к хемоавтотрофным прокариотам и от прокариот к ядросодержащим клеткам» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия B, Биологические науки . 358 (1429): 59–83, обсуждение 83–85. DOI : 10.1098 / rstb.2002.1183 . PMC 1693102 . PMID 12594918 .  
  25. ^ Мартин, Уильям; Майкл Дж. Рассел (2007). «О происхождении биохимии щелочного гидротермального источника» . Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci . 362 (1486): 1887–925. DOI : 10.1098 / rstb.2006.1881 . PMC 2442388 . PMID 17255002 .  
  26. ^ Майкл Рассел, Майкл (2006). «Первая жизнь» . Американский ученый . 94 (1): 32. DOI : 10,1511 / 2006.1.32 .
  27. ^ Рассел, Майкл (Эд), (2010), «Происхождение, абиогенез и поиск жизни во Вселенной» (Cosmology Science Publications) [ ISBN отсутствует ]