Rauta-rikkimaailma

Rauta-rikkimaailma on elämän alkuperään liittyvä hypoteesi, jonka mukaan elämä olisi alkanut raudan hapettumiseen perustuvista kemiallisista reaktioista. Tällöin aineenvaihdunta olisi edeltänyt geenejä ja entsyymejä. Ensin olisi syntynyt rautaa ja rikkiä sisältävä eloton reaktioketju. Sopiva ympäristö olisi saattanut olla vaikkapa merenalainen tuliperäinen purkausaukko, jossa on korkea paine, korkea lämpötila, hapeton ympäristö ja runsaasti erilaisia yhdisteitä, jotka sopivat elämän rakenneosien tuotantoon ja katalyyteiksi. Ajatusta voidaan perustella muun muassa sillä, että monet syvämeren anaerobiset bakteerit ja arkeonit käyttävät rautaa ja rikkiä aineenvaihdunnassaan.
Hypoteesia on esittänyt ja tutkinut patenttilakimies ja kemisti Günter Wächtershäuser. Rauta-rikkimaailman etuna elämän synnyn selittäjänä on se, että se selittää luontevasti elämän syntyä, kun lähdetään elottomasta aineesta.
Rauta-rikkimaailma-ajatus olettaa, että mustan savuttajan tai vastaavan vedenalaisen tuliperäisen muodostuman häkämolekyyleistä, vetysulfidista, rautasulfidista, nikkelisulfidista syntyi kemiallisissa reaktioissa aminohappoja ja peptidejä, mikä on myös kokeellisesti varmistettu. Varhaisia molekyylejä olisivat olleet etikkahappo C₂H₄O₂ ja palorypälehappo, jotka ovat elämälle tärkeän sitruunahappokierron osia. Reaktioissa olisi syntynyt lopulta polypeptidejä, entsyymejä.
Eräs ehdotettu toinen elämän edeltäjä on joidenkin bakteerien käyttämä soluhengityksen vastakohta, käänteinen Krebsin sykli.
William Martin ja Michael Russell esittivät vuonna 2003 elämän syntyalueeksi vedenalaisia purkausaukkoja, ja ensimmäisiksi reaktiopaikoiksi huokosia. Hypoteesin ajatus on erilainen kuin RNA-maailma-hypoteesissa, jossa RNA-entsyymit ja geenit olivat ensin, niiden katalysoimat reaktiot vasta sitten.

Mustat savuttajat kemiallisena ympäristönä

Merenalaisissa tulivuorten aukoissa on jopa 350 °C, ja maan pinnalla olevissa vetisissä noin 100 °C. Suuri määrä erilaisia yhdisteitä on muun muassa merenalaisen tuliperäisen kuuman lähteen, "mustan savuttajan". ympäristössä ja myös kylmien purkausaukkojen (engl. cold seep) lähellä. Mustasta savuttajasta purkautuu monenlaisia yhdisteitä, muun muassa metaania, vetysulfidia, vetyä, rautasulfideja, rautaioneja, mangaania, metallioksideja, fosforihapoketta ja niin edelleen. Maan alla minne vesi tihkuu, lämpötila nousee hyvinkin 350-500 °C, mutta vedessä savuttajan ympäristössä voi olla 2 °C tuntumassa. Vesi pysyy korkeassakin 400 °C lämpötilassa nesteenä eikä kiehu.
Vesi on hyvin hapanta, pH on noin 2,8. Paine voi olla 2500 metrin syvyydessä noin 246 ilmakehää, millä on kemiallisesti vakauttava vaikutus. Monien orgaanisen kemian reaktioiden tiedetään tapahtuvan mm metallien ja metallioksidien katalysoimina suurissa lämpötiloissa ja paineissa. Merenalaisissa tuliperäisissä muodostumissa kemia vaihtelee paikasta toiseen, ja siellä on sekä voimakkaasti happamia että emäksisiä ympäristöjä.
Mustien savuttajien lähellä elää nykyään mikroskooppisen pieniä arkeoneja ja suurempiakin ekstremofiilejä, mm. pompeijinmatoja. Monet siellä elävät mikrobit, varsinkin arkeonit käyttävät energian tuotantoon kemosynteesiä hapettamalla rautaa, rikkiä, typpeä, metaania ja/tai vetyä. Jotkin mikrobit jopa yhteyttävät täällä tulivuoren purkauksen himmeän valon voimalla. Ekstremofiilit sietävät yleensä jopa 50-70 °C:tä, mutta jotkut hyperekstremofiilit vielä enemmän, ja esimerkiksi virukset hyvinkin 80-90 °C.

Wächtershäuserin ajatukset

Günter Wächtershäuserin alkuperäisen mallin mukaan rauta-rikkimaailma sijaitsi vedenalaisten tulivuorten purkausaukkojen lähellä esimerkiksi pyriitin pinnalla. Siellä on kuumaa, korkea paine ja suhteellisen vähän hiiltä. Sinne syntyi ensin yksinkertainen reaktiokierto, joka alkoi kehittyä mutkikkaammaksi. Ensimmäiset solut olisivat olleet lipidipisaroita mineraalipinnoilla. Ympäristö olisi ollut anaerobinen, korkeapaineinen ja lähellä 100 °C:tä. Metyylimerkaptaani CH₃SH  olisi ollut hiilimonoksidin CO pohjamolekyyli etikkahapon CH₃COOH. synnylle metalli-ionien toimiessa katalyytteinä. Tästä syntyisi puryvaattihappoa ja ammoniakin kanssa aminohappoja.
Tämän mukaan elämä syntyi kuumassa korkeapaineisessa vedessä, johon on sekoitettu rautasulfidia, nikkelisulfideja, hiilimonoksidia ja vetysulfidikaasua.

Martinin-Russellin malli

William Martinin ja Michael Russellin vuonna 2003 esittämien ajatusten mukaan oligomeerien synty olisi tapahtunut vedenalaisten purkausaukkojen pienissä metallisulfidien päällystämissä huokosissa, jonne saattoi saostua runsaasti molekyylejä. Puolipysyvää rautasulfidikalvoja ja silikaattikalvoja voisi kehittyä. Näin solun sisäiset kemialliset reaktiot saattoivat kehittyä pitkälle ennen lipidien syntyä.
Proteiinit ja lipidit saattoivat syntyä ennen solukalvoa. Eräs elämän abioottisen synnyn ongelmista onkin se, miten lipidejä ja proteiineja sisältävä puoliläpäisevä solukalvo saattoi syntyä kehityksen varhaisessa vaiheessa. Vesi virtaa purkausaukossa kuumalta alueelta kylmemmälle ja mahdollistaa monien syntyneiden orgaanisten molekyylien kulkeutumisen turvaan kuumasta viileämpään ennen hajoamista. Jyrkät lämpötilaerot purkausalueen ja ympäristön välillä mahdollistivat eri kemiallisille reaktioille sopivien lämpötilojen esiintymisen melko lähekkäin ja tuotteiden kulkeutumisen sopiville jatkoreaktioalueille. Muun muassa monomeerejä syntyi kuumassa, oligomeerejä viileämmässä.
Elämän syntypaikka olisi ollut Martinin ja Russellin mukaan ehkä lämmin emäksinen 100 °C purkausaukko, jonka tyyppinen on Lost Cityssä, mieluummin kuin hapan, yli 350 °C musta savuttaja. Vedenalaisissa savuttajissa termokliini tarkoittaa lämpötilan alenemista ympäristöön siirryttäessä, kemokliini kemiallisten yhdisteiden tiheyden alenemista ympäristöön siirryttäessä.