Введение

Гипотетический сценарий происхождения жизни. Гипотеза мира железо-серы – это совокупность предложений, касающихся происхождения жизни и её ранней эволюции, предложенных в серии статей между 1988 и 1992 годами Гюнтером Вахтершаузером, мюнхенским патентным поверенным с химическим образованием, которого философ Карл Р. Поппер поощрял и поддерживал в публикации его идей. Гипотеза предполагает, что ранняя жизнь могла возникнуть на поверхности минералов сульфида железа, что и отражено в названии. Она была разработана на основе ретроспективного анализа (построения гипотезы о прошлом) современной биохимии (биохимии, существующей и в настоящее время) в сочетании с химическими экспериментами.

Пионерский организм

Вактершаузер предполагает, что самая ранняя форма жизни, которую он назвал «пионерным организмом», возникла в вулканическом гидротермальном потоке при высоком давлении и высокой (100 °C) температуре. Она имела композитную структуру, состоящую из минеральной основы с каталитическими центрами переходных металлов (преимущественно железо и никель, но также, возможно, кобальт, марганец, вольфрам и цинк). Эти каталитические центры катализировали автотрофные пути фиксации углерода, генерируя небольшие (неполимерные) органические соединения из неорганических газов (например, монооксида углерода, диоксида углерода, цианистого водорода и сероводорода). Эти органические соединения удерживались на минеральной основе или внутри неё в качестве органических лигандов переходных металлов, время удержания в потоке соответствовало прочности их минеральной связи, что определяло автокаталитический «поверхностный метаболизм». Каталитические центры переходных металлов становились автокаталитическими, ускоряясь под воздействием своих органических продуктов, превратившихся в лиганды. Метаболизм фиксации углерода становился автокаталитическим, формируя метаболический цикл в виде примитивной, зависящей от серы, версии редуктивного цикла лимонной кислоты. Ускоренные катализаторы расширяли метаболизм, а новые продукты метаболизма ещё больше ускоряли катализаторы. Суть идеи заключается в том, что как только такой примитивный автокаталитический метаболизм был установлен, его изначально синтетическая химия начала производить всё более сложные органические соединения, всё более сложные пути и всё более сложные каталитические центры.

Синтетические реакции

Реакция монооксида углерода (CO), сероводорода (H2S) и метанэтиола CH3SH в присутствии сульфида никеля и сульфида железа образует метилтиоэстер уксусной кислоты [CH3 CO SCH3] и, предположительно, тиоуксусную кислоту (CH3 CO SH) как простейшие активированные аналоги уксусной кислоты ацетил-КоА. Эти активированные производные уксусной кислоты служат исходными материалами для последующих экзергонических синтетических стадий. Однако, Huber и Wächtershäuser сообщили о низкой доходности 0,5% ацетата, основанной на вводе CH3SH (метанэтиола) (8 мМ) в присутствии 350 мМ CO. Это примерно в 500 и 3700 раз превышает самые высокие концентрации CH3SH и CO, соответственно, измеренные к настоящему времени в естественной гидротермальной флюидной жидкости. Реакция 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, гликолата/глицина, лактата/аланина, глицерата/серина; а также пирувата в значительных количествах. Пируват также образуется при высоком давлении и высокой температуре из CO, H2O, FeS в присутствии нонилмеркаптана. Реакция пирувата или других α-кетокислот с аммиаком в присутствии гидроксида железа или в присутствии сульфида железа и сероводорода образует аланин или другие α-аминокислоты. Реакция α-аминокислот в водном растворе с COS или с CO и H2S порождает пептидный цикл, в котором образуются дипептиды, трипептиды и т.д., а затем разлагаются через N-концевые гидантоиновые фрагменты и N-концевые фрагменты мочевины с последующим расщеплением N-концевой аминокислотной единицы. Предлагаемый механизм реакции восстановления CO2 на FeS: Ying et al. (2007) показали, что прямое превращение маккинаита (FeS) в пирит (FeS2) при реакции с H2S до 300 °C невозможно без присутствия критического количества окислителя. В отсутствие какого-либо окислителя FeS реагирует с H2S при температуре до 300 °C, образуя пирротит. Farid et al. экспериментально показали, что маккинавайт (FeS) способен восстанавливать CO2 до CO при температуре выше 300 °C. Они сообщили, что поверхность FeS окисляется, что при реакции с H2S дает пирит (FeS2). Ожидается, что CO в эксперименте Дробнера будет реагировать с H2O с образованием H2.

Ранняя эволюция

Ранняя эволюция определяется как период от возникновения жизни до последнего универсального общего предка (LUCA). Согласно теории мира железа и серы, этот период включает совместную эволюцию клеточной организации (клеточного строения), генетического аппарата и ферментативного метаболизма.

Клеточная обработка

Клеточная дифференциация происходит в несколько стадий. Она могла начаться с образования примитивных липидов (например, жирных кислот или изопреноидов) в поверхностном метаболизме. Эти липиды накапливаются на минеральном основании или в нем. Это липофилизирует внешнюю или внутреннюю поверхность минерального основания, что способствует реакциям конденсации по сравнению с гидролитическими реакциями за счет снижения активности воды и протонов. На следующей стадии формируются липидные мембраны. Оставаясь закрепленными на минеральном основании, они образуют полуклеточную структуру, ограниченную частично минеральным основанием, а частично мембраной. Дальнейшая эволюция липидов приводит к самоподдерживающимся липидным мембранам и закрытым клеткам. Самые ранние закрытые клетки являются предклеточными (sensu Kandler), поскольку они допускают частый обмен генетическим материалом (например, посредством слияний). Согласно Возу, этот частый обмен генетическим материалом является причиной существования общего предка на дереве жизни и очень быстрой ранней эволюции. Ник Лейн и соавторы утверждают, что "были идентифицированы также неферментативные эквиваленты гликолиза, пентозофосфатного пути и глюконеогенеза. Также может происходить множественный синтез аминокислот из α-кетокислот посредством прямого редуктивного аминирования и трансаминирования. Длинноцепочечные жирные кислоты могут образовываться посредством гидротермального синтеза типа Фишера-Тропша, который химически напоминает процесс удлинения жирных кислот. Недавние исследования показывают, что нуклеобазы также могут образовываться по универсально консервативным биосинтетическим путям, используя ионы металлов в качестве катализаторов". Метаболические промежуточные продукты гликолиза и пентозофосфатного пути, такие как глюкоза, пируват, рибозо-5-фосфат и эритрозо-4-фосфат, спонтанно образуются в присутствии Fe(II). Показано, что фруктозо-1,6-бисфосфат, метаболический промежуточный продукт глюконеогенеза, непрерывно накапливается, но только в замороженном растворе. Формирование фруктозо-1,6-бисфосфата ускорялось лизином и глицином, что подразумевает, что самые ранние анаболические ферменты были аминокислотами. Сообщалось, что кластеры 4Fe-4S, 2Fe-2S и мононуклеарного железа спонтанно образуются при низких концентрациях цистеина и щелочном pH. Метилтиоацетат, предшественник ацетил-КоА, может быть синтезирован в условиях, соответствующих гидротермальным источникам. Фосфорилирование метилтиоацетата приводит к синтезу тиоацетата, более простого предшественника ацетил-КоА. Тиоацетат в более прохладных и нейтральных условиях способствует синтезу ацетилфосфата, который является предшественником аденозинтрифосфата и способен фосфорилировать рибозу и нуклеозиды. Это позволяет предположить, что ацетилфосфат, вероятно, синтезировался в термофорезе и смешивании между кислой морской водой и щелочной гидротермальной жидкостью во взаимосвязанных микропорах. Возможно, он может способствовать полимеризации нуклеотидов на минеральных поверхностях или при низкой активности воды. Термофорез в порах гидротермальных источников может концентрировать полирибонуклеотиды, но остается неясным, как он может способствовать кодированию и метаболическим реакциям. В математических симуляциях предлагается автокаталитический синтез нуклеотидов для стимулирования роста протоклеток, поскольку нуклеотиды также катализируют фиксацию CO2. Сильный нуклеотидный катализ жирных кислот и аминокислот замедляет рост протоклеток, и если бы возникла конкуренция между каталитическими функциями, это нарушило бы протоклетки. Слабый или умеренный нуклеотидный катализ аминокислот посредством фиксации CO2 способствовал бы делению и росту протоклеток. В 2017 году вычислительное моделирование протоклеток в щелочной гидротермальной среде показало, что "некоторые гидрофобные аминокислоты хелатируют нанокристаллы FeS, создавая три положительные обратные связи: (i) увеличение каталитической площади поверхности; (ii) разделение нанокристаллов FeS на мембрану; и (iii) активный сайт протонного мотива для фиксации углерода, имитирующий фермент Ech". Максимальный синтез АТФ мог бы происходить при высокой активности воды в пресной воде, а высокие концентрации Mg2+ и Ca2+ препятствовали синтезу АТФ, однако концентрации двухвалентных катионов в гадейских океанах были намного ниже, чем в современных океанах, а концентрации Mg2+ и Ca2+ в щелочных гидротермальных источниках обычно ниже, чем в океане. Такие условия могли бы генерировать Fe3+, который способствовал бы фосфорилированию АДФ. Смешивание морской воды и щелочной гидротермальной жидкости может способствовать циклу между Fe3+ и Fe2+. Экспериментальные исследования биомиметических пребиотических реакций, таких как восстановление НАД и перенос фосфорильной группы, также подтверждают происхождение жизни в щелочных гидротермальных источниках.

Альтернативная среда

6 из 11 метаболических промежуточных соединений в обратном цикле Кребса, стимулируемых Fe, Zn2+ и Cr3+ в кислых условиях, позволяют предположить, что протоклетки могли возникнуть в локально богатых металлами и кислых наземных гидротермальных полях. Кислые условия, по-видимому, согласуются со стабилизацией РНК. Эти гидротермальные поля характеризовались бы циклами замораживания и оттаивания, а также разнообразием температурных градиентов, которые способствовали бы неферментативным реакциям глюконеогенеза, синтеза нуклеобаз, неферментативной полимеризации и репликации РНК. Цикличное увлажнение и высыхание гидротермальных полей способствовало бы полимеризации РНК и пептидов, а агрегация протоклеток во влажной гелевой фазе во время этих циклов обеспечивала бы диффузию метаболических продуктов между соседними протоклетками. Агрегацию протоклеток можно рассматривать как примитивную форму горизонтального переноса генов. Везикулы жирных кислот стабилизировались бы полимерами в присутствии Mg2+, необходимого для активности рибозимов. Эти пребиотические процессы могли происходить в затененных областях, защищающих зарождающуюся раннюю клеточную жизнь от ультрафиолетового излучения. Длинноцепочечные спирты и монокарбоновые кислоты также могли синтезироваться посредством синтеза Фишера-Тропша. Гидротермальные поля также содержали бы осадки переходных металлов. Геотермальная конвекция также могла служить источником энергии для возникновения протонного градиента, переноса фосфорильных групп, связи между окислительно-восстановительными реакциями и активным транспортом. Обилие надземных гидротермальных полей было бы редким и не обеспечивало бы защиты ни от метеоритов, ни от ультрафиолетового излучения. Глинистые минералы в надземных гидротермальных полях поглощали бы органические реагенты. Пирофосфат имеет низкую растворимость в воде и не может быть фосфорилирован без фосфорилирующего агента.