Гипотеза мира сульфидов железа

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Гипотеза мира сульфидов железа — гипотетический этап возникновения жизни на Земле и ранней эволюции, предложенный Гюнтером Вэхтерсхойзером, юристом из Мюнхена, имеющим так же научную степень по химии. Опубликовал свои идеи при поддержке философа Карла Р. Поппера. Как следует из названия теории, она предполагает, что жизнь могла зародиться на поверхности кристаллов сульфидов железа.[1][2][3][4][5].

Происхождение жизни[править | править вики-текст]

Первый организм[править | править вики-текст]

Гидротермальные жерла

Согласно Вэхтерсхойзеру, самая ранняя форма жизни, названная им «первый организм», зародилась в вулканическом гидротермальном потоке при высоком давлении и высокой (100°С) температуре. Эта форма жизни имела сложную химическую структуру и использовала каталитические центры на основе переходных металлов (преимущественно железа и никеля, но так же, возможно, кобальта, марганца, вольфрама, и цинка). Центры катализировали пути автотрофной фиксации углерода, благодаря чему из неорганических газов (таких как монооксид углерода, диоксид углерода, цианистый водород, и сероводород) образовывались небольшие неполимерные органические молекулы. Эти органические соединения задерживались на поверхности минералов как лиганды центров переходных металлов, обеспечивая тем самым автокаталитический «поверхностный метаболизм». Благодаря присоединению лигандов каталитические центры переходных металлов становились автокаталитическими. А благодаря формированию упрощенной формы цикла трикарбоновых кислот, зависимой от серы, автокаталитическим становился процесс фиксации углерода. Усиленные катализаторы расширяли область действия метаболизма, а новые продукты метаболизма ещё сильнее усиливали катализаторы. Основная идея этой гипотезы состоит в том, что раз будучи запущенным, этот примитивный автокаталитический метаболизм начинает производить все более и более сложные органические соединения и все новые пути каталитических реакций.

Основная идея гипотезы мира сульфидов железа состоит в том, что зарождение жизни прошло через следующие стадии: Водный поток с растворенными в нём вулканическими газами (н-р монооксид углерода, аммиак и сероводород) нагрелся до 100°С и подвергся высокому давлению. Этот поток прошел через породы переходных металлов (н-р сульфид железа или сульфид никеля). Через некоторое время началось формирование каталитических металлопептидов.

Обмен веществ[править | править вики-текст]

Реакция сдвига фаз вода-газ (CO + H2O → CO2 + H2) проявляется в вулканических потоках как при наличии различных катализаторов, так и без них[6]. Реакция железистых сульфидов и сероводорода в качестве восстановителя с залежами пирита — FeS + H2S → FeS2 + 2H+ + 2e (или H2 вместо 2H+ + 2e) проявлялись при мягких вулканических условиях[7][8]. Однако ключевой результат оспаривается[9] Фиксация азота была продемонстрирована для изотопа 15N2 в сочетании с залежами пирита[10]. Аммоний формируется при реакции селитры с FeS/H2S в качестве восстановителя[11]. Метилмеркаптан [CH3-SH] и сероокись углерода формируются из CO2 and FeS/H2S,[12] или из CO и H2 в присутствии NiS.[13]

Синтетические реакции[править | править вики-текст]

Реакция монооксида углерода (CO) и сероводорода (H2S) в присутствии сульфидов железа и никеля производит метиловый тиоэфир уксусной кислоты [CH3-CO-SCH3] и предположительно тиоуксустую кислоту (CH3-CO-SH) — простейшую форму активированного остатка уксусной кислоты, аналогичного ацетил-КоА. Эти активированные остатки уксусной кислоты служат субстратом для последующего экзергонического биосинтеза[13]. Они также могут служить для энергетического сопряжения с эндергоническими реакциями, в особенности с образованием фосфоангидридных связей (подобных тем, что есть в АТФ).[14]

При реакции гидроксида никеля с цианистым водородом (HCN) (в присутствии или без гидроксида железа(II), сероводорода, метилмеркаптана) образуется цианид никеля, который реагирует с монооксидом углерода (CO) с образованием пар α-гидрокси- и α-аминокислот: например, гликолевой кислоты и глицина, молочной кислоты и аланина, глицериновой кислоты и серина; а также пировиноградной кислоты в значительных количествах.[15] Пировиноградная кислота также может образоваться при высоком давлении и температуре из CO, H2O, FeS в присутствии нонилмеркаптана.[16] При реакции пировиноградной кислоты или других α-кетокислот с аммиаком в присутствии гидроксида железа или сульфида железа с сероводородом образуется аланин или другие α-аминокислоты.[17] При реакции водного раствора α-аминокислот с COS или с CO и H2S образуется пептидный цикл, в котором участвуют дипептиды, трипептиды и т.д.[18][19][20] Механизм восстановления CO2 на FeS долгое время был неизвестен. Учёные (Ying и др., 2007) показали, что прямое превращение минерала макинавита (FeS) в пирит (FeS2) в реакции с H2S при 300 °C невозможно без избыточного количества окислителя. В отсутствии окислителя FeS реагирует с H2S с образованием пирротина. Однако Farid и др. экспериментально доказали, что макинавит (FeS) имеет способность восстанавливать CO2 до CO при температурах свыше 300 °C. По их мнению, именно таким образом поверхностный слой FeS окисляется, поэтому при дальнейшей реакции с H2S может образовываться пирит (FeS2).

Ранняя эволюция[править | править вики-текст]

Ранняя эволюция начинается с образования жизни и длится до возникновения последнего всеобщего предка (LUCA). Согласно гипотезе железо-серного мира, ранняя эволюция включает в себя коэволюцию клеточной организации, генетических механизмов, а также постепенную смену катализаторов метаболизма с минералов на ферменты белкового происхождения.

Возникновение клетки[править | править вики-текст]

Возникновение истинной клетки происходило в несколько этапов. Оно начиналось с формирования примитивных липидов путём «поверхностного метаболизма». Эти липиды накапливались в минеральной основе каталитической системы или на ней. Это делает внешнюю или внутреннюю поверхность минерала более липофильной, что способствует преобладанию реакций конденсации над реакциями гидролиза за счёт снижения активности воды и ионов водорода.

На следующем этапе формируются липидные мембраны. Закреплённые на минерале, они образуют ячейку, с одной стороны ограниченную мембраной, а с другой — минералом. Дальнейшая эволюция приводит к формированию независимых липидных мембран и закрытых клеток. Первые закрытые мембранные каталитические системы ещё не были истинными клетками, потому что в них происходил интенсивный обмен генетическим материалом за счёт частых слияний. По Вёзе, такой частый обмен генетическим материалом и есть причина существования общего ствола в филогенетическом древе жизни; он же привёл к высоким темпам ранней эволюции.

Прото-экологические системы[править | править вики-текст]

Уильям Мартин и Майкл Рассел предположили, что первые клеточные формы жизни развивались внутри гидротермальных жерл на дне моря.[21][22] Эти структуры состоят из микроскопических пустот (кластеров, «пещер»), «стены» которых покрыты слоем сульфидов металлов. Такие структуры являются решением сразу нескольких проблем теории Вэхтерсхойзера:

  1. микроскопические кластеры не дают синтезированным молекулам диффундировать в пространстве, что повышает их концентрацию и увеличивает вероятность возникновения олигомеров;
  2. крутые температурные градиенты гидротермальных жерл позволяют распределить различные этапы синтеза по регионам с различными температурами (например, синтез мономеров в горячей части, олигомеров — в холодной);
  3. потоки гидротермальных вод через такие кластеры являлись неиссякаемыми источниками строительных элементов и энергии (за счёт отсутствия химического равновесия между водородом гидротермальных вод и CO2 морской воды);
  4. эта модель допускает возможность существования различных этапов клеточной эволюции (пребиотическая химия, синтез моно- и олигомеров, синтез пептидов и белков, мир РНК, мир ДНК) в одной и той же структуре, что облегчает смену различных этапов развития жизни;
  5. синтез липидной мембраны не является необходимым для поддержания постоянства состава автокаталитической системы (её фактическими границами являются границы кластера).

Данная модель предполагает, что LUCA физически находился в одном из таких гидротермальных кластеров, нежели представлял свободноживущую форму. Последним шагом к появлению истинных клеток станет синтез липидной мембраны, который позволит организмам оставить необходимость в физической границе из минеральных пород. Это обусловило более позднее приобретение механизмов биосинтеза липидов, что объясняет наличие совершенно различных типов мембран у архей и бактерий с эукариотами.

В абиотическом мире термический и химический градиенты непосредственно связаны с синтезом органических молекул. В непосредственной близости от жерла находятся регионы как с повышенными температурами, так и с повышенными концентрациями необходимых химических веществ. По мере синтеза более сложных органических соединений, они диффундируют в «прохладные» регионы, где не происходит их синтез, и, следовательно, их концентрация меньше. Миграция соединений из областей с повышенной концентрацией в области с пониженной обеспечивает направленность потока веществ, позволяет пространственно организовать различные метаболические пути.[23]

Доказательства теории[править | править вики-текст]

Файл:Ferroplasma 2.JPG
Ferroplasma acidiphilum

Отголоском древнего мира сульфидов железа можно считать многие особенности ферроплазмы (Ferroplasma acidiphilum), представителя архей. У этого микроорганизма 86% белков включают в свой состав железо. Удаление атомов железа из белковых молекул приводит к нарушению их структуры и потере функциональности. Было установлено, что другие микроорганизмы, обитающие в схожих условиях, не обладают такими особенностями строения белков: если у ферроплазмы 163 белка содержат в своём составе железо, то у других исследуемых бактерий (Picrophilus torridus и Acidithiobacillus ferrooxidans) число железосодержащих протеинов составило 29 и 28 соответственно (причём это были широко распространённые металлопротеины, многие из которых содержат атомы железа и у представителей других экологических ниш).

Всё это даёт повод предположить, что ситуация, наблюдаемая у ферроплазмы, является случайно сохранившимся отголоском мира сульфидов железа: при протеинизации метаболических путей часть ферментов сохранила в своём составе атомы железа и серы как необходимые структурные и функциональные компоненты. Дальнейшая эволюция, которая сопутствовала освоению новых экологических ниш в средах, лишённых избытка железа, способствовала замене старых железосодержащих белков другими, не нуждающимися в железе для выполнения своих функций.

У этой теории, однако, есть существенный минус, который заключается в том, что ферроплазма — микроорганизм аэробный, а аэробные метаболизмы появились эволюционно гораздо более поздно, чем анаэробные.[24]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Wächtershäuser, Günter (1988-12-01). «Before enzymes and templates: theory of surface metabolism.». Microbiol. Mol. Biol. Rev. 52 (4): 452–484. PMID 3070320. Проверено 2009-05-02.
  2. Wächtershäuser, G (1990-01). «Evolution of the first metabolic cycles». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 87 (1): 200–204. DOI:10.1073/pnas.87.1.200. PMID 2296579. Проверено 2009-05-02.
  3. Günter Wächtershäuser (1992). «Groundworks for an evolutionary biochemistry: The iron-sulphur world». Progress in Biophysics and Molecular Biology 58 (2): 85–201. DOI:10.1016/0079-6107(92)90022-X. PMID 1509092. Проверено 2009-05-02.
  4. Günter Wächtershäuser (2006). «From volcanic origins of chemoautotrophic life to Bacteria, Archaea and Eukarya». Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences 361 (1474): 1787–1808. DOI:10.1098/rstb.2006.1904. PMID 17008219.
  5. Wächtershäuser, Günter (2007). «On the Chemistry and Evolution of the Pioneer Organism». Chemistry & Biodiversity 4 (4): 584–602. DOI:10.1002/cbdv.200790052. PMID 17443873. Проверено 2009-05-02.
  6. Seewald, Jeffrey S.; Mikhail Yu. Zolotov, Thomas McCollom (2006-01). «Experimental investigation of single carbon compounds under hydrothermal conditions». Geochimica et Cosmochimica Acta 70 (2): 446–460. DOI:10.1016/j.gca.2005.09.002. Bibcode2006GeCoA..70..446S. Проверено 2009-05-02.
  7. Taylor, P.; T. E. Rummery, D. G. Owen (1979). «Reactions of iron monosulfide solids with aqueous hydrogen sulfide up to 160°C». Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry 41 (12): 1683–1687. DOI:10.1016/0022-1902(79)80106-2. Проверено 2009-05-02.
  8. Drobner, E.; H. Huber, G. Wachtershauser, D. Rose, K. O. Stetter (1990). «Pyrite formation linked with hydrogen evolution under anaerobic conditions». Nature 346 (6286): 742–744. DOI:10.1038/346742a0. Bibcode1990Natur.346..742D.
  9. Cahill, C. L.; L. G. Benning, H. L. Barnes, J. B. Parise (2000-06). «In situ time-resolved X-ray diffraction of iron sulfides during hydrothermal pyrite growth». Chemical Geology 167 (1–2): 53–63. DOI:10.1016/S0009-2541(99)00199-0. Проверено 2009-05-02.
  10. Mark Dorr; Johannes Käßbohrer, Renate Grunert, Günter Kreisel, Willi A. Brand, Roland A. Werner, Heike Geilmann, Christina Apfel, Christian Robl, Wolfgang Weigand (2003). «A Possible Prebiotic Formation of Ammonia from Dinitrogen on Iron Sulfide Surfaces». Angewandte Chemie International Edition 42 (13): 1540–3. DOI:10.1002/anie.200250371. PMID 12698495.
  11. Blöchl, E; M Keller, G Wachtershäuser, K O Stetter (1992). «Reactions depending on iron sulfide and linking geochemistry with biochemistry». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 89 (17): 8117–20. DOI:10.1073/pnas.89.17.8117. PMID 11607321. Bibcode1992PNAS...89.8117B. Проверено 2009-05-02.
  12. Heinen, Wolfgang; Anne Marie Lauwers (1996-04-01). «Organic sulfur compounds resulting from the interaction of iron sulfide, hydrogen sulfide and carbon dioxide in an anaerobic aqueous environment». Origins of Life and Evolution of Biospheres 26 (2): 131–150. DOI:10.1007/BF01809852. Bibcode1996OLEB...26..131H.
  13. 1 2 Huber, Claudia; Günter Wächtershäuser (1997-04-11). «Activated Acetic Acid by Carbon Fixation on (Fe,Ni)S Under Primordial Conditions». Science 276 (5310): 245–7. DOI:10.1126/science.276.5310.245. PMID 9092471. Проверено 2009-05-02.
  14. Günter Wächtershäuser. The case for a hyperthermophilic, chemolithoautotrophic origin of life in an iron-sulfur world // Thermophiles: The Keys to Molecular Evolution and the Origin of Life. — 1998. — P. 47–57. — ISBN 9780748407477.
  15. Huber, Claudia (2006-10-27). «α-Hydroxy and α-Amino Acids Under Possible Hadean, Volcanic Origin-of-Life Conditions». Science 314 (5799): 630–2. DOI:10.1126/science.1130895. PMID 17068257. Bibcode2006Sci...314..630H. Проверено 2009-05-02.
  16. Cody, George D. (2000-08-25). «Primordial Carbonylated Iron-Sulfur Compounds and the Synthesis of Pyruvate». Science 289 (5483): 1337–40. DOI:10.1126/science.289.5483.1337. PMID 10958777. Bibcode2000Sci...289.1337C. Проверено 2009-05-02.
  17. Huber, Claudia (February 2003). «Primordial reductive amination revisited». Tetrahedron Letters 44 (8): 1695–1697. DOI:10.1016/S0040-4039(02)02863-0. Проверено 2009-05-02.
  18. Huber, Claudia (1998-07-31). «Peptides by Activation of Amino Acids with CO on (Ni,Fe)S Surfaces: Implications for the Origin of Life». Science 281 (5377): 670–2. DOI:10.1126/science.281.5377.670. PMID 9685253. Bibcode1998Sci...281..670H. Проверено 2009-05-02.
  19. Huber, Claudia (2003-08-15). «A Possible Primordial Peptide Cycle». Science 301 (5635): 938–40. DOI:10.1126/science.1086501. PMID 12920291. Bibcode2003Sci...301..938H. Проверено 2009-05-02.
  20. Wächtershäuser, Günter (2000-08-25). «ORIGIN OF LIFE: Life as We Don't Know It». Science 289 (5483): 1307–8. DOI:10.1126/science.289.5483.1307. PMID 10979855. Проверено 2009-05-02. (requires nonfree AAAS member subscription)
  21. Martin, William (2003). «On the origins of cells: a hypothesis for the evolutionary transitions from abiotic geochemistry to chemoautotrophic prokaryotes, and from prokaryotes to nucleated cells». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B: Biological Sciences 358 (1429): 59–83; discussion 83–5. DOI:10.1098/rstb.2002.1183. PMID 12594918.
  22. Martin, William (2007). «On the origin of biochemistry at an alkaline hydrothermal vent». Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 362 (1486): 1887–925. DOI:10.1098/rstb.2006.1881. PMID 17255002.
  23. Michael Russell (2006). «First Life». American Scientist 94 (1): 32. DOI:10.1511/2006.1.32.
  24. Ferrer M., Golyshina O.V., Beloqui A. et al. The cellular machinery of Ferroplasma acidiphilum is iron-protein-dominated // Nature. 2007. V. 445. P. 91-94. Abstract. Обзор на русском языке: Марков А. У микроба ферроплазмы почти все белки содержат железо.