Кіріспе
Өмірдің пайда болуының гипотетикалық сценарийі. Темір-көкөрт әлем гипотезасы – өмірдің пайда болуы және оның ерте эволюциясына қатысты ұсыныстар жиынтығы. Бұл гипотеза 1988-1992 жылдар аралығында химия ғылымындағы білімі бар Мюнхендік патенттік заңгер Гюнтер Вахтершаузердің бірнеше мақалаларында жарияланды. Ол философ Карл Р. Поппердің ынталандыруымен және қолдауымен өз идеяларын жариялаған. Гипотезаға сәйкес, алғашқы өмір темір сульфид минералдарының бетінде пайда болған болуы мүмкін, содан аталған. Бұл ретродикция (өткен шаққа қатысты болжам жасау) және қазіргі биохимия (құрып жойылмаған, сақталған биохимия) негізінде, химиялық тәжірибелермен байланысты дамытылды.
The iron–sulfur world hypothesis is a set of proposals for the origin of life and the early evolution of life advanced in a series of articles between 1988 and 1992 by Günter Wächtershäuser, a Munich patent lawyer with a degree in chemistry, who had been encouraged and supported by philosopher Karl R. Popper to publish his ideas. The hypothesis proposes that early life may have formed on the surface of iron sulfide minerals, hence the name. It was developed by retrodiction (making a "prediction" about the past) from extant biochemistry (non extinct, surviving biochemistry) in conjunction with chemical experiments.
Пионерлік организм
Вахтершюзердің пікірінше, "пионерлік организм" деп аталатын өмірдің ең алғашқы түрі жоғары қысым және жоғары (100 °C) температурадағы жанартаулық гидротермальдық ағында пайда болған. Оның құрамында минералды негіз бен катализдік ауысу металдарының орталықтары (көбінесе темір және никель, сондай-ақ кобальт, марганец, вольфрам және мырыш) бар күрделі құрылымға ие болған. Катализдік орталықтар органикалық емес газдардан (мысалы, көміртек оксиді, көміртек диоксиді, сутегі цианиді және күкіртсутек) кішкентай молекулалы (полимер емес) органикалық қосылыстарды жасайтын автотрофты көміртекті бекіту жолдарын катализдеген. Бұл органикалық қосылыстар минералды негізде немесе минералды негіздегі ауысу металдарының орталықтарының органикалық лигандтары ретінде сақталған, олардың минералды байланыс күшіне сәйкес ағында ұсталып тұру уақытымен анықталатын автокатализдік "беттік метаболизмді" құрады. Катализдік ауысу металдарының орталықтары өздерінің органикалық өнімдері лигандтарға айналғанда үдеп, автокатализдікке ие болды. Көміртекті бекіту метаболизмі қайталама лимон қышқылы циклының алғашқы күкіртке тәуелді түрі түрінде метаболиздік цикл құру арқылы автокатализдікке айналды. Үдеген катализаторлар метаболизмді кеңейтті, ал жаңа метаболиздік өнімдер катализаторларды одан әрі үдетті. Бұл идеяның мәні – осындай алғашқы автокатализдік метаболизм қалыптасқаннан кейін, оның ішкі синтетикалық химиясы одан әрі күрделі органикалық қосылыстарды, күрделірек жолдарды және күрделірек катализдік орталықтарды жасауды бастады.
Синтетикалық реакциялар
Көміртек оксиді (CO), сутек сульфиді (H2S) және метантиол CH3SH никель сульфиді мен темір сульфидінің қатысуымен реакцияласу нәтижесінде сірке қышқылының метил тиоэстері [CH3 CO SCH3] және тиосірке қышқылы (CH3 CO SH) – ацетил CoA-ның ең қарапайым активтелген сірке қышқылы аналогтары түзіледі. Бұл активтелген сірке қышқылы туындылары келесі экзотермиялық синтез кезеңдері үшін бастапқы материалдар болып табылады. Дегенмен, Huber және Wächtershäuser 350 мМ CO қатысуында 8 мМ CH3SH (метантиол) енгізуге негізделген 0,5% ацетат шығымы туралы хабарлады. Бұл көрсеткіш бүгінгі күнге дейін табиғи гидротермальдық қайнарларда өлшенген ең жоғары CH3SH және CO концентрацияларынан 500 және 3700 есе жоғары. Никель гидроксиді сутек цианидімен (HCN) (темір гидроксиді, сутек сульфиді немесе метил меркаптанның болуына немесе болмауына қарамастан) реакцияласып, никель цианидін түзеді. Бұл никель цианиді көміртек оксидімен (CO) реакцияласып, α-гидрокси және α-аминқышқылдарының жұптарын: мысалы, гликолат/глицин, лактат/аланин, глицерат/серин; сондай-ақ, маңызды мөлшерде пируват қышқылын түзеді. Пируват қышқылы да жоғары қысым және температурада нонил меркаптанның қатысуымен CO, H2O, FeS-тен түзіледі. Пируват қышқылы немесе басқа α-кетоқышқылдар аммиакпен темір гидроксидінің немесе темір сульфиді мен сутек сульфидінің қатысуымен реакцияласып, аланин немесе басқа α-аминқышқылдарын түзеді. α-аминқышқылдарының сулы ерітіндіде COS немесе CO және H2S-пен реакциясы нәтижесінде пептидтік цикл пайда болады, онда дипептидтер, трипептидтер және т.б. түзіліп, N-терминалды гидантоин және N-терминалды мочевина фрагменттері арқылы ыдырайды, содан кейін N-терминалды аминқышқыл тобы бөлінеді. FeS-те CO2 тотығу механизмі: Ying et al. (2007) маккинавиттің (FeS) 300°C-қа дейін H2S-пен реакцияласу кезінде тотықтырғыштың жеткілікті мөлшері болмаса, пиритке (FeS2) тікелей өзгеруі мүмкін емес екенін көрсетті. Тотықтырғыш болмаған жағдайда, FeS 300°C-қа дейін H2S-пен реакцияласып, пиротит түзеді. Farid et al. маккинавиттің (FeS) 300°C-тан жоғары температурада CO2-ны CO-ға дейін тотығуға қабілетті екенін экспериментальды түрде көрсетті. Олар FeS бетінің тотығуын, ал H2S-пен реакцияласу кезінде пириттің (FeS2) пайда болатынын хабарлады. Дробнер экспериментінде CO-ның H2O-мен реакцияласып, H2 түзетіні күтіледі.
Ерте эволюция
Ерте эволюция өмірдің пайда болуымен басталып, соңғы жалпы ортақ ата-тектің (LUCA) пайда болуымен аяқталады. Темір-күкірт әлемі теориясына сәйкес, ол жасушалық құрылымның (жасушалану), генетикалық механизмнің және метаболизмнің ферменттік процестерге айналуының бірлескен эволюциясын қамтиды.
Ұяшықтандыру
Cellularization occurs in several stages. It may have begun with the formation of primitive lipids (e.g. fatty acids or isoprenoids) in surface metabolism. These lipids accumulate on or in the mineral base. This lipophilizes the outer or inner surfaces of the mineral base, which promotes condensation reactions over hydrolytic reactions by lowering the activity of water and protons. In the next stage lipid membranes are formed. While still anchored to the mineral base they form a semi-cell bounded partly by the mineral base and partly by the membrane. Further lipid evolution leads to self-supporting lipid membranes and closed cells. The earliest closed cells are pre-cells (sensu Kandler) because they allow frequent exchange of genetic material (e.g. by fusions). According to Woese, this frequent exchange of genetic material is the cause for the existence of the common stem in the tree of life and for a very rapid early evolution. Nick Lane and coauthors state that "Non-enzymatic equivalents of glycolysis, the pentose phosphate pathway and gluconeogenesis have been identified as well. Multiple syntheses of amino acids from α-keto acids by direct reductive amination and by transamination reactions can also take place. Long chain fatty acids can be formed by hydrothermal Fischer Tropsch type synthesis which chemically resembles the process of fatty acid elongation. Recent work suggests that nucleobases might also be formed following the universally conserved biosynthetic pathways, using metal ions as catalysts". Metabolic intermediates in glycolysis and the pentose phosphate pathway such as glucose, pyruvate, ribose 5 phosphate, and erythrose 4 phosphate are spontaneously generated in the presence of Fe(II). Fructose 1,6 biphosphate, a metabolic intermediate in gluconeogenesis, was shown to have been continuously accumulated but only in a frozen solution. The formation of fructose 1,6 biphosphate was accelerated by lysine and glycine which implies the earliest anabolic enzymes were amino acids. It had been reported that 4Fe 4S, 2Fe 2S, and mononuclear iron clusters are spontaneously formed in low concentrations of cysteine and alkaline pH. Methyl thioacetate, a precursor to acetyl CoA can be synthesized in conditions relevant to hydrothermal vents. Phosphorylation of methyl thioacetate leads to the synthesis of thioacetate, a simpler precursor to acetyl CoA. Thioacetate in more cooler and neutral conditions promotes synthesis of acetyl phosphate which is a precursor to adenosine triphosphate and is capable of phosphorylating ribose and nucleosides. This suggests that acetyl phosphate was likely synthesized in thermophoresis and mixing between the acidic seawater and alkaline hydrothermal fluid in interconnected micropores. It is possible that it could promote nucleotide polymerization at mineral surfaces or at low water activity. Thermophoresis at hydrothermal vent pores can concentrate polyribonucleotides, but it remains unknown as to how it could promote coding and metabolic reactions. In mathematical simulations, autocatalytic nucleotide synthesis is proposed to promote protocell growth as nucleotides also catalyze CO2 fixation. Strong nucleotide catalysis of fatty acids and amino acids slow down protocell growth and if competition between catalytic function were to occur, this would disrupt the protocell. Weak or moderate nucleotide catalysis of amino acids via CO2 fixation would favor protocell division and growth. In 2017, a computational simulation of a protocell at an alkaline hydrothermal vent environment showed that "Some hydrophobic amino acids chelate FeS nanocrystals, producing three positive feedbacks: (i) an increase in catalytic surface area; (ii) partitioning of FeS nanocrystals to the membrane; and (iii) a proton motive active site for carbon fixing that mimics the enzyme Ech". Maximal ATP synthesis would have occurred at high water activity in freshwater and high concentrations of Mg2+ and Ca2+ prevented synthesis of ATP, however the concentrations of divalent cations in Hadean oceans were much lower than in modern oceans and alkaline hydrothermal vent concentrations of Mg2+ and Ca2+ are typically lower than in the ocean. Such environments would have generated Fe3+ which would have promoted ADP phosphorylation. The mixture of seawater and alkaline hydrothermal vent fluid can promote cycling between Fe3+ and Fe2+. Experimental research of biomimetic prebiotic reactions such as the reduction of NAD and phosphoryl transfer also support an origin of life occurring at an alkaline hydrothermal vent.
Баламалы орта
Қышқылдық жағдайда Fe, Zn2+ және Cr3+ арқылы итермеленген кері Кребс циклының 11 метаболиттік аралықтарының 6-сы протоклеткалардың жергілікті металға бай және қышқылдық жерүсті гидротермальдық өрістерде пайда болуы мүмкін екенін көрсетеді. Қышқылдық жағдайлар РНҚ-ның тұрақтандырылуымен үйлеседі. Бұл гидротермальдық өрістерде қатып-еру циклдары және глюконеогенездің ферментсіз реакцияларын, нуклеобаза синтезін, ферментсіз полимерлендіруді және РНҚ репликациясын ынталандыратын әртүрлі температуралық градиенттер болған. Гидротермальдық өрістердің ылғалды-құрғақ циклдары РНҚ мен пептидтерді полимерлендіретін, ал ылғалды-құрғақ цикл кезіндегі ылғалды гель фазасындағы протоклеткалардың жиналуы көршілес протоклеткаларға метаболиттік өнімдердің таралуына мүмкіндік беретін. Протоклеткалардың жиналуын горизонтальді гендердің алғашқы түрі деп сипаттауға болады. Май қышқылдарының везикулалары рибозималық белсенділікке қажетті Mg2+ бар полимерлермен тұрақтандырылады. Бұл пребиотикалық процестер ультракүлгін сәулеленуден ерте клеткалық өмірдің пайда болуын қорғайтын көлеңкелі аймақтарда жүрген болуы мүмкін. Ұзын тізбекті спирттер мен монокарбоксил қышқылдары да Фишер-Тропш синтезі арқылы синтезделген. Гидротермальдық өрістерде өтпелі металдардың шөгінділері де кездесетін. Геотермальдық конвекция протондық қозғаушы күштің пайда болуына, фосфорилдік топтардың берілуіне, тотығу-тотығу арасындағы байланысқа және белсенді тасымалдауға энергия көзі болуы мүмкін. Жерүсті гидротермальдық өрістердің көптігі сирек кездесетін және метеориттерден немесе ультракүлгін сәулеленуден қорғаныш ұсынбайтын. Жерүсті гидротермальдық өрістердегі саз минералдары органикалық реактивтерді сіңіретін. Пирофосфат суда нашар ериді және фосфорилдеуші агент болмаса фосфорилденбейді.