Geochemical Transactions, 2006; 7: 7-7 (más artículos en esta revista)

Alcalinas de circulación de fluido en las rocas ultramáficas y la formación de nucleótidos constituyentes: una hipótesis

BioMed Central
G Nils Holm (nils.holm @ geo.su.se) [1], Marion Dumont (marion.dumont @ geo.su.se) [1], Magnus Ivarsson (magnus.ivarsson @ geo.su.se) [1 ], Cécile Konn (cecile.konn @ geo.su.se) [1]
[1] Departamento de Geología y Geoquímica, Universidad de Estocolmo, Estocolmo, Suecia

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Resumen

El agua de mar está en constante que circula a través oceánicas como un sótano de baja temperatura de fluidos hidrotermales (<150 ° C). En los casos en que las rocas ultramáficas están expuestos a los fluidos, por ejemplo durante la fase inicial de subducción, ferromagnesian minerales se alteran en contacto con el agua, dando lugar a pH alto y la formación secundaria de hidróxido de magnesio, entre otros - brucite, que pueden scavenge borato y fosfato de agua de mar. El alto pH puede promover la formación abiótica de pentoses, en particular ribosa. Pentoses se estabilizan de borato, ya que forma cíclica pentoses menos reactiva complejos con borato. Los análisis han demostrado que ocupa el borato 2 'y 3' posiciones de ribosa, dejando así a los 5 'puesto disponible para reacciones como fosforilación. La codificación de elementos purina (adenina, en particular) de ARN se pueden formar en el mismo general de ambientes hidrotermales del fondo marino.

Fondo

Oceanic sótano se compone de basaltos y rocas ultramáficas que tienen relativamente bajo contenido de sílice (45-52% y <45%, respectivamente), pero un alto contenido de ferromagnesian minerales como el olivino y piroxeno. La alteración de estos minerales en contacto con el agua durante hidrotermal libre circulación lleva a 'serpentinization', un proceso en el que olivino reacciona con el agua. Esto puede dar lugar a la formación de serpentina, magnetita, brucite, y el hidrógeno molecular [1]. El proceso también puede estar asociada con una alta alcalinidad [2]. Alcalinas fluidos son característicos de los acuíferos profundos de rocas ultramáficas como la Omán ophiolite (pH 10-12 [3]], la Costa del área de distribución ophiolite (pH 11-12 [4]], así como los sistemas hidrotermales de cresta flancos (Ciudad Perdida ; PH 9-9.8 [5, 6]] y no suprasubduction zonas de acreción (Mariana antearco; pH 12,6 [7]]. Serpentinite alojada en los respiraderos hidrotérmicos campos parecen ser comunes a lo largo y lento ultraslow propagación de las cordilleras [8, 9].

Brucite es una sola capa de hidróxido de magnesio, minerales que pueden transformarse en doble capa-hidróxidos de si una fracción del divalentes Mg 2 + se sustituirá por cationes trivalentes comunes tales como Al 3 +, Fe 3 + y Cr 3 + [10, 11 ]. Magnetita es un eficaz catalizador en Fischer-Tropsch tipo (FTT) y las reacciones de síntesis abiótica de compuestos orgánicos [12, 13]. Diferentes clases de la mayoría de lineales compuestos orgánicos se forman por reacciones FTT de H 2 y CO o CO 2 en presencia de mezclas de metales de transición nativos o sus óxidos. El tipo de compuesto orgánico formado depende de la mezcla de catalizador o catalizadores de la actualidad. Geoquímicos a menudo se refieren a la FTT reacción de las vías para la reducción de CO 2 a CH 4 en ambientes acuosos, aunque el término industrial normalmente sólo se refiere a la reducción de CO a una variedad de compuestos orgánicos bajo condiciones anhidro [1, 14 - 16]. Los datos experimentales de Berndt y compañeros de trabajo sugirió que la magnetita efecto catalizador en síntesis FTT se mantiene durante la reacción de agua a alta presión [17]. Estudios posteriores de McCollom y Seewald han demostrado que su interpretación era correcta, probablemente no, y que el etano y el propano no forman a partir de procesos de FTT en las condiciones utilizadas por Bernd et al. [18]. Sin embargo, Foustoukos y Seyfried han encontrado que la formación abiótica de hidrocarburos en fluidos hidrotermales es promovido por una mezcla de hierro y cromo-teniendo minerales [19]. Estos resultados pueden sugerir que el componente de cromo en las rocas ultramáficas es un factor importante para la FTT de síntesis bajo condiciones hidratada.

Además, Madon y Taylor han demostrado que la magnetita es mucho menos susceptible a la intoxicación por compuestos como el H 2 S de hierro metálico, y por lo tanto, es eficaz en una amplia gama de condiciones en los ambientes naturales [20].

Ribosa y la reacción formose

Un par de décadas atrás, muchos científicos creían que la formación de ribosa, un componente de ARN, se produjo a través de la formose reacción [21, 22]. En esta reacción, pentoses como ribosa puede formarse bajo condiciones alcalinas de simple orgánicos precursores (formaldehído y glycolaldehyde) [22, 23]. La condensación de formaldehído a los azúcares es la catalizada por cationes divalentes y capas minerales, tales como las arcillas. La reacción producto de la condensación por etapas de formaldehído a un dímero (glycolaldehyde), trimer, etc Bajo condiciones experimentales se ha podido convertir hasta en un 50% del original para formaldehído glycolaldehyde [24]. Sin embargo, esta reacción ha sido un tiempo un concepto desfasado y en química prebiótica. Una razón importante de ello es que la reacción, como la hemos conocido, es nonselective y conduce a una gran variedad de aldoses, ketoses, alcoholes de azúcar y con sólo pequeñas fracciones de compuestos bioactivos potencialmente como ribosa [25 - 27]. Una opinión general ha sido que si ribosa se utilizaron en la primera RNA, un desconocido proceso de selección debe haber operado a segregar de la ribosa otros azúcares que se formaron. Una segunda razón por la cual la reacción formose se ha desfasado es que la reacción a un producto tipo constructivo, naturalmente, sólo en virtud de 'improbable' condiciones, como bajo condiciones altamente alcalinos [11, 21, 22, 28]. Ambientes naturales con el pH condiciones necesarias para la formación abióticos hidratos de carbono han sido previamente consideradas como relativamente raro en la Tierra. Sin embargo, el reciente descubrimiento de sistemas alcalina hidrotermal en rocas ultramáficas, como la Ciudad Perdida de campo hidrotermal en el Mid-Atlantic Ridge [5, 6], indica que los entornos alcalina puede ser mucho más comunes en la Tierra más de lo que pensábamos hace unos pocos años . Por lo tanto, formose la reacción debe todavía ser considerada como de gran potencial si podemos identificar algunos selectivo mecanismo que permita interactuar con ella. A continuación, se propone que dicho mecanismo se conoce hoy en día.

Pentoses se estabilizan de borato

Recientemente se ha demostrado que los minerales de borato estabilizar ribosa [29, 30]. Tanto el ácido bórico y de borato forma fácilmente complejos con una gran variedad de azúcares y otros compuestos que contengan cis-grupos hidroxilo [31, 32]. Una vez formado, la forma cíclica de la pentosa ribosa formas como un país estable, menos reactiva complejos con borato. La unión de las preferencias de borato a pentoses ha sido determinar que se ribosa> lyxose> arabinosa> xilosa (Fig. 1] [33]. RMN análisis muestra que ocupa el borato 2 'y 3' posiciones de ribosa, dejando así a los 5 'puesto disponible para los posibles reacciones de fosforilación, como [30, 34]. En los sistemas biológicos, los nucleótidos purina se sintetiza mediante la construcción de la base de purina en una pre-existentes ribosa-5'-fosfato [21]. Sin embargo, los resultados de Etaix y Orgel muestran que la adenosina-5'-trifosfato puede sintetizarse directamente de la adenosina y trimetaphosphate si el 2'-y 3'-OH grupos están bloqueadas por borato [35]. Por otro lado, a pesar de Yamagata y compañeros de trabajo han encontrado en trimetaphosphate fumarolas del Monte usu, Japón [35], es tal vez no la más probable fosforilantes agente en condiciones naturales. Yamagata y compañeros de trabajo también determinó sobre la igualdad de las concentraciones de pirofosfato en las fumarolas (0,45 μ M) [35]. Pirofosfato es un compuesto de fósforo que aparece a formar bajo las condiciones más variadas y, por lo tanto, probablemente un candidato más probable para la fosforilación abióticos (véase más adelante).

Purinas y aminoácidos pueden formarse en los mismos ambientes prebiótico

A diferencia de ribosa, la codificación de purina elementos de ARN pueden ser sintetizados en la misma abióticos reacciones que producen aminoácidos [22, 23, 26, 37]. Los aminoácidos pueden ser sintetizados en putativo química prebiótica, como reacciones de tipo Strecker (síntesis de aminoácidos de cianuro y aldehído a la presencia de amoníaco) en ambientes hidrotérmicos en bastante bajas temperaturas (150 ° C) [38]. Los aminoácidos también pueden ser liberados por hidrólisis de HCN oligómeros que la forma de auto-condensación de cianuro de hidrógeno en solución acuosa [23]. Estas reacciones no requieren condiciones alcalinas. Purinas se forman a partir de HCN a través de dos vías. Una ruta es a través de la HCN oligómeros que también forma aminoácidos; el segundo es a través de la HCN tetramer diaminomaleonitrile (maldito) [22, 23]. HCN pueden formarse en una variedad de formas, pero normalmente se producen en cantidades traza. Con el fin de participar en reacciones orgánicas abióticos que primero debe ser concentrada. Una posibilidad es la concentración a un depósito de hierro de cianuro a pH relativamente bajos de HCN libre que puede ser puesto en libertad a los locales elevación del pH [11]. De este modo se evitaría la "paradoja Miller ', que se refiere a la reacción de parte estable cyanohydrin formación de HCN libre y omnipresente formaldehído. Russell y compañeros de trabajo han presentado un modelo de participación de los montones de tierra alcalina hidrotermal como los reactores de flujo en el que firmemente compuestos polares como el cianuro de iones se mantiene fresca por FeS / Fe 3 S 4 membranas [2]. Según su modelo, las fluctuaciones en el pH en la interfase entre el fluido hidrotermal y el agua de mar para determinar la adsorción y desorción del cianuro. En ambientes naturales, la aparición de ferrocyanides en sistemas hidrotermales hasta el momento ha sido informado de las Islas Kurile y la península de Kamchatka [39, 40].

La auto-condensación de HCN para producir purinas es una sencilla y eficaz reacción [22]. Joyce, por tanto, ha sugerido que el primer material genético se basa en bases de purina solas [21]. La hipótesis ha sido respaldada por los resultados experimentales de Sowerby y compañeros de trabajo [41]. Sus experimentos mostraron que tanto la adenina y la hipoxantina que fue adsorbido sobre grafito superficies modula la interacción de aminoácidos con la superficie de cristal. Adenina y la hipoxantina son los elementos de codificación de un putativo purina-sólo alfabeto genético y los efectos observados en los aminoácidos son diferentes para cada una de las bases. Sin embargo, Cohn y compañeros de trabajo han demostrado que la adenina es mucho desplazadas hacia la adsorción en pirita, cuarzo y Pirrotina, que son comunes a todos los minerales hidrotermales de ambientes [42]. Por lo tanto, suele ser inútil para la búsqueda de bases de purina en la fase de fluidos hidrotermales de sistemas [43].

Aldehídos en sistemas hidrotermales

Debido a la diferencia postulada en los requisitos para la formación de la ribosa y la base de nitrógeno, la formación espontánea de ARN bajo condiciones prebióticas se ha puso en duda [26]. Las diferencias en el entorno necesario podrá, no obstante, ser ilusoria. Ya mencionamos antes que el formaldehído es necesaria para la formación de hidratos de carbono formose en la reacción. Schulte y de choque han demostrado que los aldehídos pueden ser intermediarios en la formación de ácidos carboxílicos de hidrocarburos en la cuenca sedimentaria salmueras, así como en los sistemas hidrotermales [44]. Por otra parte, llegaron a la conclusión de que la presencia de aldehídos deberá ser, normalmente, difíciles de detectar en los sistemas naturales metastable si se llega a un equilibrio entre aldehídos y ácidos carboxílicos en espera condiciones redox. Por otro lado, esto sugiere que aldehídos están siempre presentes como productos intermedios de reacción en caso de los ácidos orgánicos e hidrocarburos naturales existentes en los sistemas hidrotermales. De hecho, bajas concentraciones de formaldehído se han identificado en aguas termales en entornos de Islandia, Mexico y el sur de California [45].

La Mariana antearco

La Mariana antearco en el Océano Pacífico occidental, donde la placa del Pacífico subducts debajo de la placa de Filipinas, parece ser de especial interés en el contexto de la síntesis orgánica abióticos. El antearco Mariana es una organización no acreción antearco con numerosas montañas marinas. La velocidad de sedimentación de material pelágicas es muy lenta y el contenido de carbono de la serpentinite barro en el fondo marino es extremadamente bajo (0.01-0.1 peso.%) [7]. "Contaminación" de biogenenic entrada en el sistema es, pues, como mínimo. Intersticial fluidos de pH 12,5 asociados con serpentinized barro en el sur de los montes submarinos chamorro se enriquecen a la disolución de carbonato, hidrocarburos ligeros, borato y amoníaco [7]. Poros fluidos cónicos de los montes marinos contienen hidrocarburos ligeros, así como ácidos orgánicos, mientras que inclusiones fluidas de las chimeneas de carbonato de asociados muestran la presencia de la luz, así como a más largo cadena de hidrocarburos, compuestos aromáticos y acetato [46]. Estos líquidos se derivan de la placa de subducción del Pacífico en una etapa temprana de la deshidratación. Después de los fluidos han sido expulsados de subducción de la placa a temperaturas moderadas que se enfríe a unos pocos ° C en el paso por el primer plato Filipinas / Mariana antearco. La inusualmente alta δ 13 C del metano presente en los fluidos Mariana antearco y la relativamente baja proporción C1/C2 sugieren un origen abiótico de los compuestos de carbono [7].

El agua de mar es la fuente de casi todos los de borato en la corteza oceánica alterada. Boro es asumido rápidamente el agua de mar durante la baja temperatura alteración de la corteza oceánica [47, 48]. Boro es notablemente enriquecido en serpentinites y basalto alterado por el agua de mar a temperaturas relativamente bajas [49, 50]. A 150 ° C por debajo de boro y se elimina del agua de mar y se incorpora a brucite, que es la alteración dominante fase. Se ha demostrado que el ácido bórico inhibe la disolución de brucite a neutral y débilmente pH alcalino [51].

Brucite scavenges fosfato

Co-precipitación con brucite a pH alto se utiliza para la analítica cuantitativa y la eliminación determinación precisa de nanomolar concentraciones de fosfato en los fluidos naturales [52]. Este es uno de los pocos mecanismos naturales para concentrarse fosfato relativa a las condiciones ambientales. Por otra parte, Al-Mg-sustituidos de doble capa de hidróxido de los minerales han puesto de manifiesto la intercalación de, por ejemplo, fosfato, azúcar, aldol-, y los fosfatos de alquilo y nucleótidos [53].

Sólidos hidróxidos de magnesio con fosfato adsorbido tienen, además, ha demostrado que catalizar la síntesis de pirofosfato de Ortofosfato [54]. Hermes-Lima y Vieyra en su artículo afirman que sintetizar el fosfato de magnesio, aunque esto no se ha verificado, por ejemplo, x-ray análisis. Sin embargo, el método que especifique implica un alto pH [55], lo que sugiere que producen brucite [56], en analogía con el procedimiento de Karl y Tien [52], con el fosfato que se co-precipitado. La formación de pirofosfato ha demostrado ser más eficaz por encima de pH 9. Pirofosfato que está formado de tal manera que la estancia se concentró en el hidróxido de magnesio después de «activación» de la adsorbido Ortofosfato [54], posiblemente junto con un nucleósido purina abióticos. Una vez se dispone de pirofosfato, la fosforilación de los nucleósidos es posible.

Krishnamurthy y compañeros de trabajo han encontrado que glycolaldehyde se convierte en glycolaldehyde fosfato (GAP) en presencia de amidotriphosphate [57]. La conversión se ha completado sólo en presencia de 0,25 M MgCl 2. Llegaron a la conclusión de que «el papel de iones de magnesio, si bien esencial para la reacción de proceder, no es fácil se especifica en detalle». La presencia de magnesio es obviamente importante para el progreso de las reacciones de fosforilación en ambientes naturales, pero no sabemos todavía por qué.

Ferroan brucite - un intermedio en el camino hacia brucite y magnetita

Los últimos trabajos de Bach y compañeros de trabajo sugiere que serpentinization pasa por una secuencia de reacciones que comienzan con un bajo flujo de fluidos serpentinization de olivino y serpentina a ferroan brucite [58]. Más tarde-etapa serpentinization invoca formación de magnetita y brucite de la ruptura de la ferroan brucite [58]. Esto significa que el fosfato (ortofosfato y pirofosfato) y borato que se scavenged de la brucite estará en estrecho contacto con la magnetita authigenic mientras que se está formando como un microcristalina compuestos con una gran superficie y, presumiblemente, es más potente para la abióticos formación de compuestos orgánicos.

Todo el suelo oceánico se ve afectada por los fluidos

El Ocean Drilling Program (ODP) Leg 201 se dedicó a los controles en las comunidades microbianas en sedimentos enterrados profundamente y se llevó a cabo en 2002. Resultados de ODP Leg 201 revelan que el agua de mar fresca se canaliza hacia arriba en aguas profundas, los sedimentos de las rocas por debajo de [59, 60]. Esto ocurre aún Ma 40 o más después de la formación del sótano y se pone de manifiesto la concentración de perfiles de nitrato disuelto en los sedimentos porewater PAO Sitios de 1225 y 1231 (Fig. 2]. Perfiles similares se han obtenido para la disolución de sulfato. Tal flujo de fluidos, por lo tanto, ser considerado como un proceso mundial que se produce en una amplia gama de temperaturas. El hecho de que el agua de mar circula a través del océano sótano millones de años después de su formación demuestra que los procesos hidrotermales a temperaturas moderadas puede ser bastante extendido en el tiempo. Esto, junto con los recientes descubrimientos del mecanismo de serpentinization y abióticos síntesis orgánica, añade una dimensión de universatility a los posibles escenarios para la formación de prebiótico el primer material genético.

Conclusión

De hecho, es posible que la reacción formose es responsable de la formación prebiótica de ribosa en ambientes naturales y que esto ocurre en una estrecha proximidad a la síntesis de purinas y los procesos de fosforilación. Shapiro un par de décadas atrás llegó a la conclusión: «La evidencia de que se dispone actualmente no es compatible con la disponibilidad de ribosa en la Tierra prebiótica ... Esta situación podría cambiar si alguna otra vía para la síntesis de ribosa fueron descubiertos, uno que lo produjo en un mejor rendimiento y no era tan vulnerable a las interferencias de nitrógeno que contienen sustancias »[26]. El descubrimiento de la estabilización de pentoses - ribosa, en particular - de borato ha cambiado nuestra visión de los formose de una reacción aparentemente al azar y nonselective reacción en un muy preciso pre-ARN.

Agradecimientos

Esta investigación ha sido apoyada por el Consejo de Investigación sueco y la Junta Nacional Sueca del Espacio.