La hipótesis del mundo hierro-azufre es un conjunto de propuestas sobre el origen de la vida y la evolución temprana de la vida, presentadas en una serie de artículos entre 1988 y 1992 por Günter Wächtershäuser , un abogado de patentes de Munich con un título en química, que había sido alentado y apoyado por el filósofo Karl R. Popper para publicar sus ideas. La hipótesis propone que la vida temprana puede haberse formado en la superficie de los minerales de sulfuro de hierro , de ahí el nombre. [1] [2] [3] [4] [5] Fue desarrollado por retrodicción de la bioquímica existente junto con experimentos químicos.
Origen de la vida
Organismo pionero
Wächtershäuser propone que la forma de vida más temprana, denominada "organismo pionero", se originó en un flujo hidrotermal volcánico a alta presión y alta temperatura (100 ° C). Tenía una estructura compuesta de una base mineral con centros de metales de transición catalíticos (predominantemente hierro y níquel , pero también quizás cobalto , manganeso , tungsteno y zinc ). Los centros catalíticos catalizaron vías de fijación de carbono autótrofas que generaban compuestos orgánicos de moléculas pequeñas (no polímeros) a partir de gases inorgánicos (por ejemplo, monóxido de carbono , dióxido de carbono , cianuro de hidrógeno y sulfuro de hidrógeno ). Estos compuestos orgánicos se retuvieron sobre o en la base mineral como ligandos orgánicos de los centros de metales de transición con un tiempo de retención de flujo en correspondencia con su fuerza de enlace mineral, definiendo así un "metabolismo de superficie" autocatalítico. Los centros de metales de transición catalíticos se volvieron autocatalíticos al ser acelerados por sus productos orgánicos convertidos en ligandos. El metabolismo de la fijación de carbono se volvió autocatalítico al formar un ciclo metabólico en forma de una versión primitiva dependiente del azufre del ciclo reductivo del ácido cítrico . Los catalizadores acelerados expandieron el metabolismo y los nuevos productos metabólicos aceleraron aún más los catalizadores. La idea es que una vez que se estableció un metabolismo autocatalítico tan primitivo, su química intrínsecamente sintética comenzó a producir compuestos orgánicos cada vez más complejos, vías cada vez más complejas y centros catalíticos cada vez más complejos.
Conversiones de nutrientes
La reacción de cambio de gas de agua (CO + H 2 O → CO 2 + H 2 ) ocurre en fluidos volcánicos con diversos catalizadores o sin catalizadores. [6] Se ha demostrado la combinación de sulfuro ferroso y sulfuro de hidrógeno como agentes reductores junto con la formación de pirita - FeS + H 2 S → FeS 2 + 2H + + 2e - (o H 2 en lugar de 2H + + 2e - ) - bajo condiciones volcánicas suaves. [7] [8] Este resultado clave ha sido cuestionado. [9] Se ha demostrado la fijación de nitrógeno para el isótopo 15 N 2 junto con la formación de pirita. [10] El amoníaco se forma a partir del nitrato con FeS / H 2 S como reductor. [11] El metilmercaptano [CH 3 -SH] y el oxisulfuro de carbono [COS] se forman a partir de CO 2 y FeS / H 2 S, [12] o de CO y H 2 en presencia de NiS. [13]
Reacciones sintéticas
La reacción de monóxido de carbono (CO), sulfuro de hidrógeno (H 2 S) y metanotiol CH 3 SH en presencia de sulfuro de níquel y sulfuro de hierro genera el metil tioéster de ácido acético [CH 3 -CO-SCH 3 ] y presumiblemente ácido tioacético ( CH 3 -CO-SH) como los análogos de ácido acético activados más simples de acetil-CoA . Estos derivados de ácido acético activados sirven como materiales de partida para las siguientes etapas de síntesis exergónica. [13] También sirven para el acoplamiento energético con reacciones endergónicas, en particular la formación de compuestos (fosfo) anhídridos. [14] Sin embargo, Huber y Wächtershäuser informaron rendimientos bajos de acetato de 0,5% basados en la entrada de CH 3 SH (metanotiol) (8 mM) en presencia de 350 mM CO. Esto es aproximadamente 500 veces y 3700 veces [15] el más alto Concentraciones de CH 3 SH y CO medidas respectivamente hasta la fecha en un fluido de ventilación hidrotermal natural. [dieciséis]
La reacción de hidróxido de níquel con cianuro de hidrógeno (HCN) (en presencia o ausencia de hidróxido ferroso , sulfuro de hidrógeno o metilmercaptano ) genera cianuro de níquel, que reacciona con monóxido de carbono (CO) para generar pares de α-hidroxi y α-aminoácidos. : por ejemplo, glicolato / glicina , lactato / alanina , glicerato / serina ; así como ácido pirúvico en cantidades significativas. [17] El ácido pirúvico también se forma a alta presión y alta temperatura a partir de CO, H 2 O, FeS en presencia de nonil mercaptano. [18] La reacción del ácido pirúvico u otros α-cetoácidos con amoníaco en presencia de hidróxido ferroso o en presencia de sulfuro ferroso y sulfuro de hidrógeno genera alanina u otros α-aminoácidos . [19] La reacción de α-aminoácidos en solución acuosa con COS o con CO y H 2 S genera un ciclo de péptidos en el que se forman dipéptidos , tripéptidos , etc. y posteriormente se degradan a través de restos de hidantoína N-terminal y restos de urea N-terminal y posteriores escisión de la unidad de aminoácidos N-terminal. [20] [21] [22]
Mecanismo de reacción propuesto para la reducción de CO 2 en FeS: Ying et al. (2007) han demostrado que la transformación directa de mackinawita (FeS) para pirita (FeS 2 ) en la reacción con H 2 S hasta 300 ° C no es posible sin la presencia de cantidad crítica de oxidante. En ausencia de oxidante, el FeS reacciona con H 2 S hasta 300 ° C para dar pirrotita. Farid y col. han demostrado experimentalmente que la mackinawita (FeS) tiene la capacidad de reducir el CO 2 a CO a temperaturas superiores a 300 ° C. Informaron que la superficie del FeS se oxida, que al reaccionar con H 2 S da pirita (FeS 2 ). Se espera que el CO reaccione con H 2 O en el experimento de Drobner para dar H 2 .
Evolución temprana
La evolución temprana se define como que comienza con el origen de la vida y termina con el último ancestro común universal ( LUCA ). Según la teoría del mundo hierro-azufre, cubre una coevolución de la organización celular ( celularización ), la maquinaria genética y la enzimatización del metabolismo .
Celularización
La celularización se produce en varias etapas. Comienza con la formación de lípidos primitivos (por ejemplo, ácidos grasos o ácidos isoprenoides) en el metabolismo de la superficie. Estos lípidos se acumulan sobre o en la base mineral. Esto lipofiliza las superficies externas o internas de la base mineral, lo que promueve reacciones de condensación sobre reacciones hidrolíticas al disminuir la actividad del agua y los protones.
En la siguiente etapa se forman las membranas lipídicas. Mientras todavía están anclados a la base mineral, forman una semicélula limitada en parte por la base mineral y en parte por la membrana. Una mayor evolución de lípidos conduce a membranas lipídicas autosuficientes y células cerradas. Las primeras células cerradas son las precélulas ( sensu Kandler ) porque permiten el intercambio frecuente de material genético (por ejemplo, mediante fusiones). Según Woese , este intercambio frecuente de material genético es la causa de la existencia del tallo común en el árbol de la vida y de una evolución temprana muy rápida. [23]
Sistemas protoecológicos
William Martin y Michael Russell sugieren que las primeras formas de vida celular pueden haber evolucionado dentro de respiraderos hidrotermales alcalinos en las zonas de expansión del fondo marino en las profundidades del mar . [24] [25] Estas estructuras consisten en cavernas de microescala que están recubiertas por paredes delgadas de membranas de sulfuro metálico. Por lo tanto, estas estructuras resolverían varios puntos críticos relacionados con las sugerencias de Wächtershäuser a la vez:
- las microcavernas proporcionan un medio para concentrar moléculas recién sintetizadas, aumentando así la posibilidad de formar oligómeros ;
- los pronunciados gradientes de temperatura dentro del respiradero hidrotermal permiten establecer "zonas óptimas" de reacciones parciales en diferentes regiones del respiradero (por ejemplo, síntesis de monómeros en las partes más calientes, oligomerización en las partes más frías);
- el flujo de agua hidrotermal a través de la estructura proporciona una fuente constante de componentes básicos y energía (desequilibrio químico entre el hidrógeno hidrotermal y el dióxido de carbono marino);
- el modelo permite una sucesión de diferentes pasos de evolución celular (química prebiótica, síntesis de monómeros y oligómeros, síntesis de péptidos y proteínas, mundo del ARN , ensamblaje de ribonucleoproteínas y mundo del ADN ) en una sola estructura, facilitando el intercambio entre todas las etapas del desarrollo;
- La síntesis de lípidos como medio de "cerrar" las células contra el medio ambiente no es necesaria hasta que básicamente todas las funciones celulares estén desarrolladas.
Este modelo ubica al "último ancestro común universal" ( LUCA ) dentro de los confines físicos formados inorgánicamente de un respiradero hidrotermal alcalino, en lugar de asumir la existencia de una forma de vida libre de LUCA. El último paso evolutivo en el camino hacia las células auténticas de vida libre sería la síntesis de una membrana lipídica que finalmente permita a los organismos abandonar el sistema de microcavernas del respiradero. Esta adquisición tardía postulada de la biosíntesis de lípidos dirigida por péptidos codificados genéticamente es consistente con la presencia de tipos completamente diferentes de lípidos de membrana en arqueas y bacterias (más eucariotas ). El tipo de respiradero en primer plano de su sugerencia es químicamente más similar a los respiraderos cálidos (ca. 100 ° C) fuera de la cresta como Lost City que a los respiraderos de tipo fumador negro más familiares (ca. 350 ° C).
En un mundo abiótico, una termoclina de temperaturas y una quimioclina en concentración están asociadas con la síntesis prebiótica de moléculas orgánicas, más calientes en las proximidades del respiradero químicamente rico, más frías pero también menos ricas químicamente a mayores distancias. La migración de compuestos sintetizados desde áreas de alta concentración a áreas de baja concentración proporciona una direccionalidad que proporciona tanto la fuente como el sumidero de manera autoorganizada, lo que permite un proceso proto-metabólico mediante el cual la producción de ácido acético y su eventual oxidación se pueden organizar espacialmente. .
De esta manera, muchas de las reacciones individuales que se encuentran hoy en día en el metabolismo central podrían haber ocurrido inicialmente independientemente de cualquier membrana celular en desarrollo . Cada microcompartimento de ventilación es funcionalmente equivalente a una sola celda. A continuación, se seleccionan las comunidades químicas que tienen una mayor integridad estructural y resistencia a condiciones extremadamente fluctuantes; su éxito conduciría a zonas locales de agotamiento de importantes precursores químicos. La incorporación progresiva de estos componentes precursores dentro de una membrana celular aumentaría gradualmente la complejidad metabólica dentro de la membrana celular, al tiempo que conduciría a una mayor simplicidad ambiental en el entorno externo. En principio, esto podría conducir al desarrollo de conjuntos catalíticos complejos capaces de auto-mantenimiento .
Russell agrega un factor significativo a estas ideas, al señalar que la mackinawita semipermeable (un mineral de sulfuro de hierro) y las membranas de silicato podrían desarrollarse naturalmente bajo estas condiciones y unir electroquímicamente reacciones separadas en el espacio, si no en el tiempo. [26] [27]
Ver también
- Proteína de hierro y azufre
- Mundo de ARN
- Experimento de Miller-Urey
Referencias
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