Hypotéza světa sulfidů železa je hypotetickou fází vzniku života na Zemi a rané evoluce, kterou navrhl Günter Wächtershäuser , právník z Mnichova , který má rovněž diplom z chemie . Své myšlenky publikoval s podporou filozofa Karla R. Poppera . Jak název teorie napovídá, naznačuje, že život by mohl vzniknout na povrchu krystalů sulfidu železa [1] [2] [3] [4] [5] .
Podle Wächtershäusera vznikla nejranější forma života, kterou nazval „první organismus“, ve vulkanickém hydrotermálním průduchu při vysokém tlaku a vysoké (100 °C) teplotě. Tato forma života měla složitou chemickou strukturu a používala katalytická centra přechodných kovů (převážně železo a nikl , ale také možná kobalt , mangan , wolfram a zinek ). Centra katalyzovala autotrofní cesty fixace uhlíku , přičemž anorganické plyny (jako je oxid uhelnatý , oxid uhličitý , kyanovodík a sirovodík ) tvořily malé nepolymerní organické molekuly. Tyto organické sloučeniny setrvávají na povrchu minerálů jako ligandy center přechodných kovů, čímž zajišťují autokatalytický „povrchový metabolismus“. Přidáním ligandů se katalytická centra přechodných kovů stala autokatalytická . A díky vytvoření zjednodušené formy cyklu trikarboxylové kyseliny , závislé na síře, se proces fixace uhlíku stal autokatalytickým. Vylepšené katalyzátory rozšířily rozsah metabolismu a nové metabolické produkty dále posílily katalyzátory. Hlavní myšlenkou této hypotézy je, že jakmile tento primitivní autokatalytický metabolismus začne, začne produkovat stále složitější organické sloučeniny a stále více nových způsobů katalytických reakcí.
Hlavní myšlenkou hypotézy o světě sulfidu železitého je, že vznik života prošel následujícími fázemi: Proud vody s rozpuštěnými sopečnými plyny (například oxid uhelnatý, čpavek a sirovodík) zahřátý na 100 °C a byl vystaven vysokému tlaku. Tento tok procházel horninami přechodných kovů (např. sirník železa nebo sirník niklu ). Po nějaké době začala tvorba katalytických metalopeptidů .
Reakce fázového posunu voda-plyn (CO + H 2 O → CO 2 + H 2 ) se projevuje ve vulkanických proudech jak za přítomnosti různých katalyzátorů, tak i bez nich [6] . Reakce sulfidů železitých a sirovodíku jako redukčního činidla s usazeninami pyritu — FeS + H 2 S → FeS 2 + 2H + + 2e − (nebo H 2 místo 2H + + 2e − ) se projevila za mírných vulkanických podmínek [7 ] [8] . Klíčový výsledek je však sporný [9] Fixace dusíku byla prokázána pro izotop 15N 2 v kombinaci s depozity pyritu [10] . Amonium vzniká reakcí ledku s FeS/H 2 S jako redukčním činidlem [11] . Methylmerkaptan [CH 3 -SH] a sulfid uhlíku vznikají z CO 2 a FeS/H 2 S, [12] nebo z CO a H 2 v přítomnosti NiS. [13]
Reakcí oxidu uhelnatého (CO) a sirovodíku (H 2 S) v přítomnosti sulfidů železa a niklu vzniká methylthioester kyseliny octové [CH 3 -CO-SCH 3 ] a pravděpodobně kyselina thiooctová (CH 3 -CO-SH ) - nejjednodušší forma aktivovaného zbytku kyselina octová, analogická acetyl-CoA . Tyto aktivované zbytky kyseliny octové slouží jako substrát pro následnou exergonickou biosyntézu [13] . Mohou také sloužit k energetickému spojení s endergonickými reakcemi, zejména s tvorbou fosfoanhydridových vazeb (podobné těm v ATP ). [čtrnáct]
Reakcí hydroxidu nikelnatého s kyanovodíkem (HCN) (s nebo bez hydroxidu železnatého , sirovodíku , methylmerkaptanu ) vzniká kyanid nikelnatý, který reaguje s oxidem uhelnatým (CO) za vzniku párů α-hydroxy a α-amino kyseliny: například kyselina glykolová a glycin , kyselina mléčná a alanin , kyselina glycerová a serin ; stejně jako kyselina pyrohroznová ve významných množstvích. [15] Kyselina pyrohroznová může vznikat i za vysokého tlaku a teploty z CO, H 2 O, FeS v přítomnosti nonylmerkaptanu. [16] Reakcí kyseliny pyrohroznové nebo jiných α-ketokyselin s amoniakem v přítomnosti hydroxidu železa nebo sulfidu železa se sirovodíkem vzniká alanin nebo jiné α-aminokyseliny. [17] Při reakci vodného roztoku α-aminokyselin s COS nebo s CO a H 2 S vzniká peptidový cyklus, kterého se účastní dipeptidy, tripeptidy atd. [18] [19] [20] Mechanismus snížení CO 2 na FeS je dlouho neznámé. Vědci (Ying et al., 2007) prokázali, že přímá přeměna minerálu makinavitu (FeS) na pyrit (FeS 2 ) reakcí s H 2 S při 300 °C je nemožná bez přebytečného množství oxidačního činidla. V nepřítomnosti oxidačního činidla reaguje FeS s H2S za vzniku pyrhotitů . Farid a spol . Podle jejich názoru se takto oxiduje povrchová vrstva FeS, takže při další reakci s H2S může vzniknout pyrit (FeS 2 ) .
Raná evoluce začíná formováním života a trvá až do vzniku posledního společného předka (LUCA). Podle hypotézy světa železo-síra raná evoluce zahrnuje koevoluci buněčné organizace, genetických mechanismů a také postupnou změnu metabolických katalyzátorů z minerálů na enzymy proteinového původu.
Ke vzniku skutečné buňky došlo v několika fázích. Začalo to tvorbou primitivních lipidů „povrchovým metabolismem“. Tyto lipidy se akumulovaly v nebo na minerální bázi katalytického systému. Díky tomu je vnější nebo vnitřní povrch minerálu lipofilnější , což přispívá k převaze kondenzačních reakcí nad reakcemi hydrolýzy snížením aktivity vody a vodíkových iontů.
V dalším kroku se tvoří lipidové membrány. Vázané na minerál tvoří buňku ohraničenou membránou na jedné straně a minerálem na druhé straně. Další evoluce vede ke vzniku nezávislých lipidových membrán a uzavřených buněk. První uzavřené membránové katalytické systémy ještě nebyly skutečnými buňkami, protože u nich probíhala intenzivní výměna genetického materiálu kvůli častým fúzím. Tak častá výměna genetického materiálu je podle Woese důvodem existence společného kmene ve fylogenetickém stromu života; to také vedlo k vysoké míře rané evoluce.
William Martin a Michael Russell navrhli, že první buněčné formy života se vyvinuly uvnitř hydrotermálních průduchů na dně moře. [21] [22] Tyto struktury se skládají z mikroskopických dutin (shluků, „kaveren“), jejichž „stěny“ jsou pokryty vrstvou sulfidů kovů. Takové struktury jsou řešením několika problémů Wächtershäuserovy teorie najednou:
Tento model naznačuje, že LUCA byla fyzicky umístěna v jednom z těchto hydrotermálních klastrů, spíše než že by šlo o volně žijící formu. Posledním krokem ke vzniku skutečných buněk bude syntéza lipidové membrány, která umožní organismům opustit potřebu fyzické hranice z minerálních hornin. To vedlo k pozdějšímu osvojení mechanismů biosyntézy lipidů, což vysvětluje přítomnost zcela odlišných typů membrán u archeí a bakterií s eukaryoty.
V abiotickém světě jsou tepelné a chemické gradienty přímo spojeny se syntézou organických molekul. V bezprostřední blízkosti větracího otvoru se nacházejí oblasti se zvýšenými teplotami a zvýšenými koncentracemi základních chemikálií. Jak jsou syntetizovány složitější organické sloučeniny, difundují do "chladných" oblastí, kde nejsou syntetizovány, a proto je jejich koncentrace nižší. Migrace sloučenin z oblastí s vysokou koncentrací do oblastí s nízkou koncentrací zajišťuje směr toku látek a umožňuje prostorovou organizaci různých metabolických drah. [23]
Mnoho znaků feroplasmy ( Ferroplasma acidiphilum ), zástupce archaea, lze považovat za ozvěnu antického světa sulfidů železa . V tomto mikroorganismu obsahuje 86 % bílkovin ve svém složení železo. Odstranění atomů železa z molekul bílkovin vede k narušení jejich struktury a ztrátě funkčnosti. Bylo zjištěno, že jiné mikroorganismy žijící v podobných podmínkách nemají takové strukturní rysy proteinů: pokud 163 proteinů ve feroplazmě obsahuje železo, pak u dalších studovaných bakterií ( Picrophilus torridus a Acidithiobacillus ferrooxidans ) byl počet proteinů obsahujících železo 29 a 28 (navíc šlo o široce rozšířené metaloproteiny, z nichž mnohé obsahují atomy železa i v představitelích jiných ekologických nik).
To vše dává důvod předpokládat, že situace pozorovaná ve feroplazmě je náhodně zachovanou ozvěnou světa sulfidů železa: při proteinizaci metabolických drah si některé enzymy podržely ve svém složení atomy železa a síry jako nezbytné strukturální a funkční složky. Další evoluce, která doprovázela vývoj nových ekologických nik v prostředích zbavených přebytku železa, přispěla k nahrazení starých proteinů obsahujících železo jinými, které železo ke své funkci nepotřebují.
Tato teorie má však značnou nevýhodu, která spočívá v tom, že ferroplasma je aerobní mikroorganismus a aerobní metabolismy se objevily evolučně mnohem později než anaerobní. [24]
| Původ života | |
|---|---|
| Koncepty | |
| Hypotézy |
|
| Studie | |