Teoria del món de ferro-sofre

Fumarolas negres. En algunes teories s'afirma que la vida va sorgir en les proximitats d'algun tipo de font hidrotermal submarina.

La teoria del món de ferro-sofre és una hipòtesis sobre l'orige de la vida, enunciada entre 1988 i 1992 per Günter Wächtershäuser (va ser conegut també per diferents experiments realisats cap als efectes dels aminoàcits en el ADN de les rates), un químic i advocat especialista en palesas; en les que intervenen espècies químiques i composts de ferro i sofre.

Wächtershäuser propon que una modalitat primitiva de metabolisme va precedir a la genètica.

En el seu treball s'entén per metabolisme un cicle de reaccions químiques que genera energia aprovechable per atres processos. L'hipòtesis consistix que, una volta establit un cicle metabòlic primitiu, est comença a produir composts cada volta més complexos.

L'idea clau de la teoria és que la química primitiva de la vida no va ocórrer en una dissolució en massa en els oceàs, sino en la superfície de minerals, per eixemple pirita, pròxims a fonts hidrotermals. Es tractava d'un ambient anaeròbic i d'altes pressions i temperaturas: 100 °C.

Les primeres «cèlules» haurien segut bombetes lipídicas en les superfícies de minerals. Wächtershäuser va elaborar l'hipòtesis de que l'àcit acètic, una combinació senzilla de carbono, hidrogen i oxigen, que es pot trobar en el vinagre, va eixercitar una funció essencial. Este àcit orgànic forma part del cicle de l'àcit cítric, que és fonamental per al metabolisme celular.

Algunes de les idees fonamentals de la teoria del món ferro-sofre es poden resumir en la següent recepta breu per a crear vida:

• Hervir aigua.
• Agitar-la en sulfurs de ferro i níquel.
• Burbujear gas de monòxit de carbono i sulfur d'hidrogen (àcit sulfhídrico).
• Esperar a que es generen pèptids.

En térmens més tècnics, Wächtershäuser va plantejar els següents passos per a aparició de proteïnas:

1. Producció d'àcit acètic per mig de catálisis per ions metàlics.
2. Afegir carbono a la molècula d'àcit acètic, per a generar àcit pirúvico (es produïx un compost de tres carbono).
3. Agregar amoni, per a obtindre aminoàcits.
4. Es generen pèptids i, més vesprada, proteïnes.

Tant l'àcit acètic com el pirúvico són substrats claus del cicle de l'àcit cítric.

En 1997, Wächtershäuser i Claudia Huber varen mesclar monòxit de carbono, sulfur d'hidrogen i partícules de sulfur de níquel a 100 °C i varen demostrar que es podien generar aminoàcits. A l'any següent, utilisant els mateixos ingredients, varen ser capaces de produir pèptids.

Orige de la vida

Organisme pioner

Wächtershäuser propon que la forma de vida més primerenca, denominada "organisme pioner", es va originar en un fluix hidrotermal volcànic a alta pressió i alta temperatura (100 °C). Tenia una estructura composta d'una base mineral en centres de metals de transició catalítics (predominantment ferro i níquel, pero també potser cobalt, manganeso, tungsteno i zinc). Els centres catalítics catalizaron vies de fixació de carbono autótrofas que generaven composts orgànics de molècules chicotetes (no polímers) a partir de gasos inorgànics (p. Ej, monòxit de carbono, diòxit de carbono, cianur d'hidrogen i sulfur d'hidrogen. Estos composts orgànics es varen retindre sobre o en la base mineral com ligandos orgànics dels centres de metals de transició en un temps de retenció de fluix en correspondència en la seua força d'enllaç mineral, definint aixina un "metabolisme de superfície" autocatalítico. Els centres de metals de transició catalítics es varen tornar autocatalíticos en ser accelerats pels seus productes orgànics convertits en ligandos. El metabolisme de la fixació de carbono es va tornar autocatalítico en formar un cicle metabòlic en forma d'una versió primitiva depenent del sofre del cicle reductivo del àcit cítric. Els catalisadors accelerats varen expandir el metabolisme i els nous productes metabòlics varen accelerar encara més els catalisadors. L'idea és que una volta que es va establir un metabolisme autocatalítico tan primitiu, la seua química intrínsecament sintètica va començar a produir composts orgànics cada volta més complexos, vies cada volta més complexes i centres catalítics cada volta més complexos.

Conversió de nutrients

La reacció de canvi de gas d'aigua (CO + H2O → CO2 + H2) ocorre en decorreguts volcànics en diversos catalisadors o sense catalisadors. S'ha demostrat la combinació de sulfur de ferro i sulfur d'hidrogen com a agents reductors junt en la formació de pirita - FES + H2S → FES2 + 2H + + 2i - (o H2 en lloc de 2H + + 2i -) - baix condicions volcàniques suaus. Este resultat clau ha segut qüestionat. S'ha demostrat la fixació de nitrogen per al isòtop 15 de el N2 junt en la formació de pirita. l'amoníac es forma a partir del nitrat en FES / H2S com a reductor. El metilmercaptano [CH3 -SH] i l'oxisulfuro de carbono [COS] es formen a partir de CO2 i FES / H2S, o de CO i H2 en presència de NiS.

Reaccions sintètiques

La reacció de monòxit de carbono (CO), sulfur d'hidrogen (H2 S) i metanotiol CH3 SH en presència de sulfur de níquel i sulfur de ferro genera el metil tioéster d'àcit acètic [CH3 -CO-SCH3] i presumiblement àcit tioacético (CH3 -CO-SH) com els anàlecs d'àcit acètic activats més simples de acetil-CoA. Estos derivats d'àcit acètic activats servixen com a materials de partida per a les següents etapes de síntesis exergónica. També servixen per a l'acoplament energètic en reaccions endergónicas, en particular la formació de composts fosfoanhídridos. No obstant, Huber i Wächtershäuser varen informar rendiments baixos d'acetat de 0,5% basats en l'entrada de CH3 SH (metanotiol) (8 mm) en presència de 350 mm CO. Açò és aproximadament 500 voltes i 3700 voltes el més alt Concentracions de CH3 SH i CO mides respectivament fins a la data en un decorregut de ventilació hidrotermal natural.

La reacció d'hidròxit de níquel en cianur d'hidrogen (HCN) (en presència o absència d'hidròxit ferroso, sulfur d'hidrogen o metilmercaptano) genera cianur de níquel, que reacciona en monòxit de carbono (CO) per a generar parells de α-hidroxi i α-aminoàcits: per eixemple, glicolato / glicina, lactato / alanina, glicerato / serina; aixina com àcit pirúvico en cantitats significatives. l'àcit pirúvico també es forma a alta pressió i alta temperatura a partir de CO, H2O, FES en presència de nonil mercaptano. La reacció de l'àcit pirúvico o atres α-cetoácidos en amoníac en presència d'hidròxit de ferro o en presència de sulfur de ferro i sulfur d'hidrogen genera alanina o atres α-aminoàcits. La reacció de α-aminoàcits en solució acuosa en COS o en CO i H2S genera un cicle de pèptids en el que es formen dipèptids, tripèptids, etc. i posteriorment es degraden a través de restants d'hidantoína N-terminal i urea N-terminal i posterior escissió de l'unitat d'aminoàcit N-terminal.

Un mecanisme de reacció propost per a la reducció de CO2 en FES: Ying et al. (2007) han demostrat que la transformació directa de mackinawita (FES) per a pirita (FES2) en la reacció en H 2 S fins a 300 °C no és possible sense la presència de cantitat crítica d'oxidant. En absència d'oxidant, el FES reacciona en H2S fins a 300 °C per a donar pirrotita. Farid i col. varen demostrar experimentalment que la mackinawita (FES) té la capacitat de reduir el CO2 a CO a temperatures superiors a 300 °C. Varen informar que la superfície del FES es oxida, que en reaccionar en H2S dona pirita (FES2). S'espera que el CO reaccione en H2O en l'experiment Drobner per a donar H2.

Evolució primerenca

L'evolució primerenca es definix com començant en l'orige de la vida i terminant en l'últim antepassat comú universal (LUCA). Segons la teoria del món ferro-sofre, cobrix una coevolución de l'organisació celular (celularización), la maquinària genètica i la enzimatisació del metabolisme.

Orige de les biomoléculas

Patel (2016) despuix d'un experiment va sugerir que els lípits, pèptids (precursors de les proteïnes) i el pre-ARN (àcit nucleico precursor del ARN i este últim del ADN) es varen derivar d'un protometabolisme de cianur d'hidrogen en demostrar-se que els precursors dels seus components; els nucleòtits, aminoàcits i lípits poden derivar-se tots de l'homologació reductora del cianur d'hidrogen i alguns dels seus derivats i, per tant, tots els subsistema celulars podrien haver sorgit simultàneament a través de la química comuna. Els passos clau de la reacció són impulsats per llum ultravioleta, usen sulfur d'hidrogen com a reductor i poden accelerar-se per mig de cicles fotorredox Cu (I) -Cu (II).

Celularisació

La celularisació es produïx en vàries etapes. Comença en la formació de lípits primitius (per eixemple, àcit grassos o àcits isoprenoides) en el metabolisme de la superfície. Estos lípits s'acumulen sobre o en la base mineral. Açò lipofiliza les superfícies externes o internes de la base mineral, lo que promou reaccions de condensació sobre reaccions hidrolítiques en disminuir l'activitat del aigua i els protones.

En la següent etapa es formen les membranes lipídicas. Mentres encara estan ancorats a la base mineral, formen una semicélula llimitada en part per la base mineral i en part per la membrana. Una major evolució de lípits conduïx a membranes lipídicas autosuficients i cèlules tancades. Les primeres cèlules tancades són les precélulas (sensu Kandler) perque permeten l'intercanvi freqüent de material genètic (per eixemple, per mig de fusions). Segons Carl Woese, este intercanvi freqüent de material genètic és la causa de l'existència del brot comú en l'arbre de la vida i d'una evolució primerenca molt ràpida.

Sistemes

William Martin i Michael Russell sugerixen que les primeres formes de vida celular poden haver evolucionat dins de respiraders hidrotermals alcalinos en les zones d'expansió del fondo marí en les profunditats del mar. Estes estructures consistixen en cavernes de microescala que estan cobertes per parets primes de membranes de sulfur metàlic. Per lo tant, estes estructures resoldrien varis punts crítics relacionats en les sugerències de Wächtershäuser al mateix temps:

• les microcavernas proporcionen un mig per a concentrar molèculas recent sintetisades, aumentant aixina la possibilitat de formar oligómeros;
• els pronunciats gradient de temperatura dins del respirader hidrotermal permeten establir "zones òptimes" de reaccions parcials en diferents regions del respirader (per eixemple, síntesis de monòmers en les parts més calentes, oligomerisació en les parts més fredes);
• el fluix d'aigua hidrotermal a través de l'estructura proporciona una font constant de components bàsics i energia (desequilibri químic entre l'hidrogen hidrotermal i el diòxit de carbono marí);
• el model permet una successió de diferents passos de l'evolució celular (química prebiótica, síntesis de monòmers i oligómeros, síntesis de pèptids i proteïnas, el món de ARN, ensamblage de ribonucleoproteínas i el món de ADN) en una sola estructura, facilitant l'intercanvi entre totes les etapes del desenroll;
• La síntesis de lípits com a mig de "tancar" les cèlules contra el mig ambient no és necessària fins que bàsicament es desenrollen totes les funcions celulars.

En un món abiótico, una termoclina de temperatures i una quimioclina en concentració s'associen en la síntesis prebiótica de molèculas orgàniques, més calentes en les proximitats del respirader químicament ric, més fredes pero també menys riques químicament a majors distàncies. La migració de composts sintetisats des d'àrees d'alta concentració a àrees de baixa concentració dona una direccionalidad que proporciona font i sumidero de manera autoorganizada, lo que permet un procés proto-metabòlic per mig del qual la producció d'àcit acètic i el seu eventual oxidació poden organisar-se espacialment.

D'esta manera, moltes de les reaccions individuals que es troben hui en dia en el metabolisme central podrien haver ocorregut inicialment independentment de qualsevol membrana celular en desenroll. Cada microcompartiment de ventilació és funcionalmente equivalent a una sola cèlula. A continuació, se seleccionen les comunitats químiques que tenen una major integritat estructural i resistència a condicions extremadament fluctuantes; el seu èxit conduiria a zones locals d'agotament d'importants precursors químics. L'incorporació progressiva d'estos components precursors dins d'una membrana celular aumentaria gradualment la complexitat metabòlica dins de la membrana celular, a l'hora que conduiria a una major simplicitat ambiental en l'entorn extern. En principi, açò podria conduir al desenroll de conjunts catalítics complexos capaços deauto-manteniment.

Russell agrega un factor significatiu a estes idees, en senyalar que la mackinawita semipermeable (un mineral de sulfur de ferro) i les membranes de silicat podrien desenrollar-se naturalment baix estes condicions i unir reaccions electroquímicamente separades en l'espai, si no en el temps.

William Martin sugerix que el "últim antepassat comú universal" (LUCA) es va originar en un respirader hidrotermal submarí càlit, dins d'un sistema hidrotermal format per compartiment contigus de sulfur de ferro (FES), poblacions de macromolécula d'ARN i proteïnes similars a virus, que eventualment varen codificar una o unes poques proteïnes cada una, es varen convertir en agents tant de variació com de selecció. La selecció darwiniana inicial va ser per a l'autorreplicación molecular. La classificació combinatòria d'elements genètics entre compartiment hauria donat com resultat la proliferació preferida i la selecció de conjunts moleculars cada volta més complexos, els continguts dels compartiment que varen conseguir ventages de replicació. Els primers sistemes de replicació de el ADN, de naturalea similar a un virus, haurien almagasenat informació en compartiment que oferien condicions hospitalàries. En tals compartiment, els elements de ADN s'haurien convertit en sumideros que acreixen atres elements genètics, tal volta, inclós el super operón ribosómico, a través de la transcripció inversa de molèculas d'ADN en creiximent. L'aglomeració de les numeroses proteïnes i cofactores requerits per a la formació de lípits i membranes semipermeables (i el número encara major de proteïnes subordinades necessàries per a proporcionar aminoàcits, coenzimas i uns atres metabòlits de manera eficient) era alcanzable per a l'aparició dels grans genomes de ADN. D'acort en esta proposta els primers organismes varen ser quimioautótrofos el metabolisme de la qual es va centrar en reaccions de formació de tioéster similars a la via moderna acetil-CoA (Wood-Ljungdahl).

Este model ubica a el "últim antepassat comú universal" dins dels confines físics formats inorgánicamente d'un respirader hidrotermal alcalino, en lloc d'assumir l'existència d'una forma de vida lliure de LUCA. L'últim pas evolutiu en el camí cap a les cèlules autèntiques de vida lliure seria la síntesis d'una membrana lipídica que finalment permeta als organismes abandonar el sistema de microcavernas del respirader. Esta adquisició tardana postulada de la biosíntesis de lípits dirigida per pèptids codificats genèticament és consistent en la presència de tipos completament diferents de lípits de membrana en estoves i bactèries (més eucariota). El tipo de ventilació en el primer pla de la seua sugerència és químicament més similar als respiraders càlits (ca. 100 °C) fora de la cresta com Lost City que als respiraders de tipo fumador negre més familiars (ca. 350 °C).