Ao nhỏ của Darwin

Một khái niệm ban đầu, rằng sự sống có nguồn gốc từ vật chất không sống trong các giai đoạn chậm, xuất hiện trong cuốn sách Nguyên tắc Sinh học năm 1864–1867 của Herbert Spencer. Năm 1879, William Turner Thiselton-Dyer đã đề cập đến vấn đề này trong một bài báo "Về tự sinh luận và tiến hóa". Vào ngày 1 tháng 2 năm 1871 Charles Darwin đã viết về những ấn phẩm này cho Joseph Hooker, và đưa ra suy đoán của riêng mình,[263][264][265] gợi ý rằng tia lửa ban đầu của sự sống có thể đã bắt đầu trong một

ao nhỏ ấm áp, với đủ loại muối amoniac và phosphoric, ánh sáng, nhiệt, điện... món quà là một hợp chất protein đã được hình thành về mặt hóa học, sẵn sàng trải qua những thay đổi phức tạp hơn.

Ông ấy tiếp tục giải thích rằng

Ngày nay, những vật chất như vậy sẽ bị nuốt chửng hoặc hấp thụ ngay lập tức, điều này đã không xảy ra trước khi các sinh vật sống được hình thành.

Darwin 1887, trang 18:

Nhiều nghiên cứu gần đây, vào năm 2017, ủng hộ quan điểm cho rằng sự sống có thể đã bắt đầu ngay sau khi Trái Đất được hình thành khi các phân tử RNA xuất hiện từ "những cái ao nhỏ ấm áp".[266]

Suối nước nóng núi lửa và miệng phun thủy nhiệt, nông hay sâu

Martin Brazier đã chỉ ra rằng các vi hóa thạch ban đầu đến từ một thế giới nóng chảy gồm các khí như methan, amoniac, carbon dioxide và hydrogen sulfide, những chất độc hại đối với sự sống hiện tại.[267] Một phân tích về cây sự sống dạng ba nhánh cổ điển cho thấy vi khuẩn và vi khuẩn cổ ưa nhiệt và cực ưa nhiệt là gần nhất với gốc cây sự sống, cho thấy rằng sự sống có thể đã tiến hóa trong một môi trường có nhiệt độ cao.[268]

Miệng phun thủy nhiệt biển sâu

Lý thuyết về miệng thông hơi dưới đáy biển sâu, hay lỗ thông hơi thủy nhiệt kiềm, cho rằng sự sống có thể đã bắt đầu từ các lỗ thông hơi thủy nhiệt dưới biển,[269][270] Martin và Russell đã đề xuất

rằng sự sống đã phát triển trong các kết tủa monosulfide sắt có cấu trúc trong một ụ thủy nhiệt tại vị trí thấm ở độ dốc oxy hóa khử, pH và nhiệt độ giữa chất lỏng thủy nhiệt giàu sulfide và nước chứa sắt (II) của đáy đại dương Hadean. Sự phát sinh tự nhiên, ngăn ba chiều được quan sát bên trong các kết tủa sulfide kim loại ở vị trí thấm hóa thạch cho thấy rằng những ngăn vô cơ này là tiền thân của thành tế bào và màng tế bào được tìm thấy ở sinh vật nhân sơ sống tự do. Khả năng đã biết của FeS và NiS để xúc tác quá trình tổng hợp acetyl-metylsulfide từ carbon monoxide và methylsulfide, các thành phần của chất lỏng thủy nhiệt, cho thấy rằng quá trình tổng hợp tiền sinh vật xảy ra ở bề mặt bên trong của các ngăn có vách kim loại-sulfide này...[271]

Những dạng mà chất lỏng giàu hyđrô xuất hiện từ dưới đáy biển, như là kết quả của Serpentinit của siêu mafic olivin với nước biển và một bề mặt pH với đại dương giàu carbon dioxide. Các miệng phun tạo thành một nguồn năng lượng hóa học bền vững bắt nguồn từ các phản ứng oxy hóa khử, trong đó chất cho điện tử (hydro phân tử) phản ứng với chất nhận điện tử (carbon dioxide); xem lý thuyết thế giới sắt-lưu huỳnh. Đây là những phản ứng tỏa nhiệt.[269][lower-alpha 2]Russell đã chứng minh rằng các miệng phun thủy nhiệt kiềm tạo ra một gradient hóa trị động lực proton abiogenic (PMF)[272] trong đó các điều kiện lý tưởng cho một buồng ấp phát sinh sự sống phi sinh học. Các ngăn cực nhỏ của chúng "cung cấp một phương tiện tự nhiên để tập trung các phân tử hữu cơ," bao gồm các khoáng chất sắt-lưu huỳnh như mackinawite, tạo cho các tế bào khoáng chất này các đặc tính xúc tác mà Günter Wächtershäuser dự tính.[273] Sự di chuyển của các ion qua màng phụ thuộc vào sự kết hợp của hai yếu tố:

1. Lực khuếch tán gây ra bởi gradient nồng độ – tất cả các hạt bao gồm các ion đều có xu hướng khuếch tán từ nơi có nồng độ cao hơn xuống thấp hơn.
2. Lực tĩnh điện gây ra bởi gradien điện thế – các cation như proton H+ có xu hướng khuếch tán xuống điện thế, các anion theo hướng ngược lại.

Hai gradient này kết hợp với nhau có thể được biểu thị như một gradient điện hóa, cung cấp năng lượng cho quá trình tổng hợp phát sinh sự sống phi học. Động lực proton có thể được mô tả như là thước đo của thế năng được lưu trữ dưới dạng sự kết hợp của proton và gradient điện thế qua màng (sự khác biệt về nồng độ proton và thế điện).

Szostak gợi ý rằng hoạt động địa nhiệt mang lại nhiều cơ hội hơn cho sự hình thành của sự sống trong các hồ mở nơi tích tụ khoáng chất. Năm 2010, dựa trên phân tích quang phổ của nước biển và nước khoáng nóng, Ignat Ignatov và Oleg Mosin đã chứng minh rằng sự sống có thể chủ yếu bắt nguồn từ nước khoáng nóng. Nước khoáng nóng có chứa các ion hydrocarbonat và canxi có phạm vi tối ưu nhất.[274][275] Trường hợp này tương tự với nguồn gốc của sự sống trong các miệng phun thủy nhiệt, nhưng với các ion hydrocarbonat và canxi trong nước nóng. Nghiên cứu với các phân tích quang phổ được thực hiện ở Rupite, Bulgaria, với nước khoáng nóng có các ion canxi và hydrocarbonat, Anoxybacillus ruparies sp., vi khuẩn, vi khuẩn cổ và vi khuẩn lam[276][277] Nước khoáng có độ pH từ 9–11. các phản ứng trong nước biển. Theo Melvin Calvin, một số phản ứng ngưng tụ-khử nước của các amino acid và nucleotit trong các khối peptide và acid nucleic riêng lẻ có thể diễn ra trong thủy quyển sơ cấp có độ pH 9–11 ở giai đoạn tiến hóa muộn hơn.[278] Một số hợp chất này như acid hydrocyanic (HCN) đã được chứng minh trong các thí nghiệm của Miller. Đây là môi trường mà đá thạch nhũ đã được tạo ra. David Ward của Đại học Bang Montana đã mô tả sự hình thành của đá thạch nhũ trong nước khoáng nóng tại Công viên Quốc gia Yellowstone. Stromatolite tồn tại trong nước khoáng nóng và gần các khu vực có hoạt động núi lửa.[279] Các quá trình đã phát triển ở vùng biển gần các mạch nước khoáng nóng. Năm 2011, Tadashi Sugawara từ Đại học Tokyo đã tạo ra một tế bào nguyên mẫu trong nước nóng.[280]

Nghiên cứu thực nghiệm và mô hình hóa máy tính cho thấy rằng bề mặt của các phần tử khoáng bên trong miệng phun thủy nhiệt có các đặc tính xúc tác tương tự như của các enzym và có thể tạo ra các phân tử hữu cơ đơn giản, chẳng hạn như metanol (CH3OH) và acid fomic, axetic và pyruvic từ hòa tan CO2 trong nước nếu được phát động bởi điện áp đặt hoặc do phản ứng với H2 hoặc H2S.[281][282]

Nghiên cứu được Martin báo cáo ở trên vào năm 2016 ủng hộ luận điểm rằng sự sống nảy sinh tại các miệng phun thủy nhiệt,[283][284] rằng hóa học tự phát trong vỏ Trái Đất được thúc đẩy bởi tương tác đá và nước ở trạng thái không cân bằng nhiệt động lực học làm cơ sở cho nguồn gốc của sự sống[285][286] và rằng các dòng khởi nguyên của vi khuẩn cổ và vi khuẩn là sinh vật tự dưỡng phụ thuộc H2 có sử dụng CO2 làm chất nhận điện tử cuối cùng của chúng trong quá trình chuyển hóa năng lượng.[287] Martin gợi ý, dựa trên bằng chứng này rằng LUCA "có thể đã phụ thuộc rất nhiều vào năng lượng địa nhiệt của miệng thủy nhiệt để tồn tại".[288]

Các hồ thủy nhiệt dao động trên các đảo núi lửa hoặc tiền lục địa

Mulkidjanian và các đồng tác giả cho rằng môi trường biển không cung cấp sự cân bằng ion và thành phần phổ biến trong các tế bào, cũng như các ion được yêu cầu bởi các protein và ribozyme thiết yếu được tìm thấy trong hầu như tất cả các sinh vật sống, đặc biệt là đối với K+/Na+ tỷ lệ Mn2+, Zn2+ và nồng độ photphat. Môi trường duy nhất được biết đến mô phỏng các điều kiện cần thiết trên Trái Đất được tìm thấy trong các hồ thủy nhiệt trên cạn được cung cấp bởi các lỗ thông hơi.[289] Ngoài ra, các mỏ khoáng trong những môi trường này dưới bầu không khí thiếu khí sẽ có độ pH thích hợp (trái ngược với các bể hiện tại trong môi trường có ôxy), chứa các kết tủa của khoáng chất sulfide ngăn chặn bức xạ tia cực tím có hại, có chu trình làm ướt/làm khô để cô đặc dung dịch chất nền đến nồng độ có thể chấp nhận được. đến sự hình thành tự phát các polymer của acid nucleic, polyeste[290] và depsipeptide,[291] cả bằng các phản ứng hóa học trong môi trường thủy nhiệt, cũng như do tiếp xúc với tia UV trong quá trình vận chuyển từ lỗ thông hơi đến các bể lân cận. Môi trường tiền sinh vật được giả thuyết của chúng tương tự như môi trường lỗ thông hơi dưới đáy đại dương thường được giả thuyết nhất, nhưng bổ sung thêm các thành phần giúp giải thích các đặc thù được tìm thấy trong quá trình tái tạo Tổ tiên Chung phổ quát Cuối cùng (LUCA) của tất cả các sinh vật sống.[292]

Colín–García và cộng sự. (2016) thảo luận về những thuận lợi và khó khăn của các miệng phun thủy nhiệt khi là môi trường nguyên thủy.[293] Họ đề cập đến các phản ứng gắng sức trong các hệ thống như vậy có thể là một nguồn năng lượng tự do thúc đẩy các phản ứng hóa học, bổ sung cho tính đa dạng khoáng chất cao của chúng, ngụ ý cảm ứng các gradient hóa học quan trọng, do đó tạo điều kiện thuận lợi cho sự tương tác giữa chất cho và chất nhận điện tử. Colín–García và cộng sự. (2016) cũng tóm tắt một loạt các thí nghiệm được đề xuất để kiểm tra vai trò của các miệng phun thủy nhiệt trong quá trình tổng hợp tiền sinh học.[293]

Tro núi lửa trong đại dương

Geoffrey W. Hoffmann đã lập luận rằng một sự kiện tạo nên hạt nhân phức tạp là nguồn gốc của sự sống liên quan đến cả polypeptide và acid nucleic tương thích với thời gian và không gian có sẵn trong các đại dương nguyên sinh của Trái Đất[294] Hoffmann gợi ý rằng tro núi lửa có thể tạo ra nhiều hình dạng ngẫu nhiên cần thiết trong sự kiện tạo nên hạt nhân phức tạp đã được công nhận. Khía cạnh này của lý thuyết có thể được kiểm tra bằng thực nghiệm.

Sinh quyển nóng sâu của Gold

Vào những năm 1970, Thomas Gold đề xuất lý thuyết cho rằng sự sống phát triển lần đầu tiên không phải trên bề mặt Trái Đất mà ở dưới bề mặt vài km. Người ta khẳng định rằng việc phát hiện ra sự sống của vi sinh vật bên dưới bề mặt của một thiên thể khác trong Hệ Mặt trời của chúng ta sẽ cho thấy lý thuyết này đáng tin cậy. Gold cũng khẳng định rằng một lượng nhỏ thức ăn từ một nguồn sâu, không thể tiếp cận, là cần thiết để tồn tại vì sự sống phát sinh trong một vũng vật chất hữu cơ có khả năng tiêu thụ hết thức ăn và bị tuyệt chủng. Lý thuyết của Gold cho rằng dòng chảy của thức ăn như vậy là do khí methan nguyên thủy thoát ra từ lớp vỏ Trái Đất; Các giải thích thông thường hơn về nguồn cung cấp thức ăn của các vi sinh vật sâu (tránh xa các hợp chất carbon trầm tích) là các sinh vật này tồn tại nhờ hydro được giải phóng bởi sự tương tác giữa nước và (khử) các hợp chất sắt trong đá.

Giả thuyết bãi biển phóng xạ

Zachary Adam tuyên bố rằng các quá trình thủy triều xảy ra trong thời gian Mặt trăng ở gần hơn nhiều có thể tập trung các hạt uranium và các nguyên tố phóng xạ khác ở mực nước cao trên các bãi biển nguyên thủy, nơi chúng có thể chịu trách nhiệm tạo ra các khối xây dựng sự sống.[295] Theo các mô hình máy tính,[296] một mỏ chứa các chất phóng xạ như vậy có thể cho thấy phản ứng hạt nhân tự duy trì giống như phản ứng được tìm thấy trong vỉa quặng uranium Oklo ở Gabon. Cát bãi biển phóng xạ như vậy có thể đã cung cấp đủ năng lượng để tạo ra các phân tử hữu cơ, chẳng hạn như amino acid và đường từ acetonitril trong nước. Vật liệu monazit phóng xạ cũng giải phóng photphat hòa tan vào các vùng giữa các hạt cát, làm cho nó trở nên "dễ tiếp cận" về mặt sinh học. Do đó, các amino acid, đường và phốt phát hòa tan có thể đã được sản xuất đồng thời, theo Adam. Phóng xạ actinides, bỏ lại phía sau trong một số tập trung bởi các phản ứng, có thể đã hình thành một phần của khu phức hợp kim loại hữu cơ. Những phức hợp này có thể là chất xúc tác ban đầu quan trọng cho các quá trình sống.

John Parnell đã gợi ý rằng một quá trình như vậy có thể cung cấp một phần "yếu tố quan trọng của sự sống" trong giai đoạn đầu của bất kỳ hành tinh đá ướt sơ khai nào, miễn là hành tinh này đủ lớn để tạo ra một hệ thống kiến tạo mảng mang các khoáng chất phóng xạ đến bề mặt. Vì Trái Đất sơ khai được cho là có nhiều mảng nhỏ hơn, nên nó có thể đã cung cấp một môi trường thích hợp cho các quá trình như vậy.[297]