Phát sinh phi sinh học
Nguồn gốc của quá trình trao đổi chất: Sinh lý học > Thế giới sắt-lưu huỳnh

Vào những năm 1980, Günter Wächtershäuser, được Karl Popper khuyến khích và ủng hộ, nhận thế giới sắt-lưu huỳnh của ông, một lý thuyết về sự tiến hóa của các con đường hóa học tiền sinh vật như là điểm khởi đầu trong quá trình tiến hóa của sự sống. Nó theo dõi hóa sinh ngày nay một cách có hệ thống đối với các phản ứng nguyên thủy cung cấp các con đường thay thế để tổng hợp các khối xây dựng hữu cơ từ các hợp chất khí đơn giản.
Trái ngược với các thí nghiệm Miller cổ điển, phụ thuộc vào các nguồn năng lượng bên ngoài (sét mô phỏng, bức xạ tia cực tím), "hệ thống Wächtershäuser" đi kèm với một nguồn năng lượng tích hợp: sulfide sắt (pyrit sắt) và các khoáng chất khác. Năng lượng giải phóng từ các phản ứng oxy hóa khử của các sulfide kim loại này có sẵn để tổng hợp các phân tử hữu cơ, và các hệ thống như vậy có thể đã phát triển thành các bộ tự xúc tác tạo thành các thực thể tự tái tạo, hoạt động trao đổi chất có trước các dạng sống được biết đến ngày nay. Thí nghiệm với các sulfide như vậy trong môi trường nước ở 100 °C tạo ra hiệu suất đipeptide tương đối nhỏ (0,4% đến 12,4%) và hiệu suất tripeptide nhỏ hơn (0,10%) mặc dù trong cùng điều kiện, đipeptide nhanh chóng bị phá vỡ.
Một số mô hình bác bỏ sự tự sao chép của một "gen trần", thay vào đó công nhận sự xuất hiện của một quá trình trao đổi chất nguyên thủy cung cấp một môi trường an toàn cho sự xuất hiện sau này của quá trình sao chép RNA. Trung tâm của chu trình Krebs (chu trình acid xitric) đối với việc sản xuất năng lượng ở các sinh vật hiếu khí, và thu hút các ion carbon dioxide và hydro trong quá trình sinh tổng hợp các hóa chất hữu cơ phức tạp, cho thấy rằng nó là một trong những phần đầu tiên của quá trình trao đổi chất. Đồng thời, các nhà địa hóa học Szostak và Adamala đã chứng minh rằng sự sao chép RNA không dùng enzym trong tế bào nguyên sinh chỉ có thể có mặt của chất chelat hóa cation yếu như acid xitric, cung cấp thêm bằng chứng về vai trò trung tâm của acid xitric trong quá trình trao đổi chất nguyên thủy. doi:10.1126/science.1241888
Russell đã đề xuất rằng "mục đích của cuộc sống là hydro hóa carbon dioxide" (như một phần của kịch bản "ưu tiên trao đổi chất", chứ không phải là kịch bản "di truyền học trước"). Nhà vật lý Jeremy England đã đề xuất rằng sự sống không thể tránh khỏi những cân nhắc nhiệt động lực học nói chung:
...khi một nhóm nguyên tử được điều khiển bởi một nguồn năng lượng bên ngoài (như mặt trời hoặc nhiên liệu hóa học) và được bao quanh bởi một bể nhiệt (như đại dương hoặc khí quyển), nó thường sẽ dần dần tự tái cấu trúc để tiêu tán ngày càng nhiều hơn. năng lượng. Điều này có thể có nghĩa là trong những điều kiện nhất định, vật chất có được thuộc tính vật lý quan trọng gắn liền với sự sống một cách dễ dàng.
Một trong những hiện thân sớm nhất của ý tưởng này đã được đưa ra vào năm 1924 với khái niệm của Oparin về các túi tự nhân bản nguyên thủy, trước khi phát hiện ra cấu trúc của DNA. Các biến thể trong những năm 1980 và 1990 bao gồm lý thuyết thế giới sắt-lưu huỳnh của Wächtershäuser và các mô hình được giới thiệu bởi Christian de Duve dựa trên hóa học của các thioesters. Các lập luận lý thuyết và trừu tượng hơn về tính hợp lý của sự xuất hiện của quá trình trao đổi chất mà không có sự hiện diện của gen bao gồm một mô hình toán học do Freeman Dyson đưa ra vào đầu những năm 1980 và khái niệm của Stuart Kauffman về các tập hợp tự xúc tác chung, được thảo luận vào cuối thập kỷ đó.

Orgel tóm tắt phân tích của mình bằng cách nêu rõ,
Hiện tại, không có lý do gì để mong đợi rằng các chu trình nhiều bước như chu trình acid xitric khử sẽ tự tổ chức trên bề mặt của FeS/FeS 2 hoặc một số khoáng chất khác."
Có thể là một loại đường trao đổi chất khác đã được sử dụng vào thời kỳ đầu của cuộc sống. Ví dụ, thay vì chu trình acid xitric khử, con đường "mở" acetyl-CoA (một trong năm cách cố định carbon dioxide được công nhận trong tự nhiên ngày nay) sẽ tương thích với ý tưởng tự tổ chức trên bề mặt sulfide kim loại. Enzyme quan trọng của con đường này, carbon monoxide dehydrogenase/acetyl-CoA synthase, chứa các cụm niken-sắt-lưu huỳnh hỗn hợp trong các trung tâm phản ứng của nó và xúc tác sự hình thành acetyl-CoA (tương tự như acetyl-thiol) trong một bước duy nhất. Tuy nhiên, ngày càng có nhiều lo ngại rằng các hợp chất prebiotic thiolated và thioester không thuận lợi về mặt nhiệt động học và động học để tích tụ trong các điều kiện tiền sinh học giả định (tức là các lỗ thông hơi thủy nhiệt). Người ta cũng đề xuất rằng cysteine và homocysteine có thể đã phản ứng với nitrile do phản ứng Stecker, dễ dàng tạo thành các poplypeptide giàu thiol xúc tác.