Các dạng sống khác nhau với các quá trình nguồn gốc thay đổi có thể đã xuất hiện gần như đồng thời trong lịch sử sơ khai của Trái Đất.[355] Các dạng khác có thể đã tuyệt chủng (để lại các hóa thạch đặc biệt nhờ quá trình sinh hóa khác nhau của chúng—ví dụ, các kiểu hóa sinh giả định). Người ta đã đề xuất rằng:

Các sinh vật đầu tiên là đất sét giàu sắt tự tái tạo để cố định carbon dioxide thành oxalic và các acid dicarboxylic khác. Hệ thống tái tạo đất sét này và kiểu hình trao đổi chất của chúng sau đó phát triển thành vùng giàu sulfide của điểm nóng có khả năng cố định nitơ. Cuối cùng, phosphate được đưa vào hệ thống phát triển cho phép tổng hợp nucleotide và phospholipid. Nếu quá trình sinh tổng hợp tổng hợp lại quá trình tạo sinh, thì quá trình tổng hợp các amino acid trước quá trình tổng hợp các gốc purin và pyrimidine. Hơn nữa, quá trình trùng hợp các thioester amino acid thành polypeptide trước quá trình trùng hợp có hướng dẫn các este amino acid bằng polynucleotit.[356]

Các phản ứng giống như trao đổi chất có thể đã xảy ra một cách tự nhiên trong các đại dương sơ khai, trước khi các sinh vật đầu tiên tiến hóa.[357][358] Sự trao đổi chất có thể có trước nguồn gốc của sự sống, có thể đã phát triển từ các điều kiện hóa học trong các đại dương sớm nhất. Tái tạo trong các phòng thí nghiệm cho thấy một số phản ứng này có thể tạo ra RNA, và một số phản ứng khác giống với hai chuỗi phản ứng thiết yếu của quá trình trao đổi chất: đường phân và con đường pentose phosphate, cung cấp tiền chất cần thiết cho acid nucleic, amino acid và lipid.[358]

Giả thuyết đất sét

Montmorillonite, một loại đất sét dồi dào, là chất xúc tác cho quá trình trùng hợp RNA và hình thành màng từ lipid.[359] Một mô hình về nguồn gốc của sự sống sử dụng đất sét đã được Alexander Cairns-Smith đưa ra vào năm 1985 và được một số nhà khoa học khám phá như một cơ chế hợp lý.[360] Giả thuyết về đất sét giả định rằng các phân tử hữu cơ phức tạp hình thành dần dần trên các bề mặt sao chép phi hữu cơ đã tồn tại từ trước của các tinh thể silicat trong dung dịch.

Tại Viện Bách khoa Rensselaer, các nghiên cứu của James Ferris cũng đã xác nhận rằng khoáng chất đất sét montmorillonite xúc tác sự hình thành RNA trong dung dịch nước, bằng cách tham gia các nucleotide để tạo thành chuỗi dài hơn.[361]

Năm 2007, Bart Kahr từ Đại học Washington và các đồng nghiệp đã báo cáo các thí nghiệm của họ đã kiểm tra ý tưởng rằng các tinh thể có thể hoạt động như một nguồn thông tin có thể truyền được, sử dụng các tinh thể kali hydro phthalate. Các tinh thể "mẹ" với sự không hoàn hảo đã được phân cắt và được sử dụng làm hạt giống để phát triển các tinh thể "con" từ dung dịch. Sau đó, họ kiểm tra sự phân bố của các điểm không hoàn hảo trong các tinh thể mới và phát hiện ra rằng các điểm không hoàn hảo trong các tinh thể mẹ được tái tạo ở các tinh thể con, nhưng các tinh thể con cũng có nhiều điểm không hoàn hảo khác. Để quan sát được hành vi giống gen, số lượng di truyền của những điểm không hoàn hảo này phải vượt quá số lượng của các đột biến trong các thế hệ kế tiếp, nhưng nó đã không xảy ra. Vì vậy, Kahr kết luận rằng các tinh thể "không đủ trung thực để lưu trữ và truyền thông tin từ thế hệ này sang thế hệ khác."[362]

Thế giới sắt-lưu huỳnh

Vào những năm 1980, Günter Wächtershäuser, được Karl Popper khuyến khích và ủng hộ,[363][364][365] 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.[366][367] 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.[368]

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.[369] 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").[370][371] 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.[372][373]

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."[374]

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).[375] 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.[376]

Giả thuyết thế giới kẽm

Giả thuyết thế giới kẽm (Zn-world) của Mulkidjanian[377] là một phần mở rộng của giả thuyết pyrit của Wächtershäuser. Wächtershäuser dựa trên lý thuyết của mình về các quá trình hóa học ban đầu dẫn đến các phân tử thông tin (RNA, peptide) trên một lưới điện tích đều đặn trên bề mặt của pyrit có thể đã tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trùng hợp nguyên sinh bằng cách thu hút các chất phản ứng và sắp xếp chúng tương đối phù hợp với nhau.[378] Lý thuyết thế giới Zn xác định và phân biệt thêm.[377][379] Chất lỏng thủy nhiệt giàu H 2 S tương tác với nước nguyên thủy lạnh giá (hay "ao nhỏ ấm áp" của Darwin) dẫn đến sự kết tủa của các hạt sulfide kim loại. Các hệ thống thông hơi đại dương và các hệ thống thủy nhiệt khác có cấu trúc địa đới phản ánh trong các mỏ sulfide khổng lồ do núi lửa cổ đại (VMS) có nguồn gốc thủy nhiệt. Chúng có đường kính dài tới nhiều km và có niên đại từ Archean Eon. Phong phú nhất là pyrit (FeS 2), chalcopyrit (CuFeS 2), và sphalerit (ZnS), với sự bổ sung của galena (PbS) và alabandit (MnS). ZnS và MnS có một khả năng duy nhất để lưu trữ năng lượng bức xạ, ví dụ từ tia UV. Trong khoảng thời gian liên quan về nguồn gốc của các phân tử tái tạo, áp suất khí quyển ban đầu đủ cao (> 100 bar, khoảng 100 atm) để kết tủa gần bề mặt Trái Đất, và bức xạ UV mạnh gấp 10 đến 100 lần so với bây giờ; do đó các đặc tính quang hợp độc đáo do ZnS làm trung gian đã cung cấp các điều kiện năng lượng thích hợp để cung cấp năng lượng cho quá trình tổng hợp các phân tử thông tin và trao đổi chất cũng như lựa chọn các nucleobase có thể quang hợp.

Lý thuyết thế giới Zn đã được bổ sung thêm bằng chứng thực nghiệm và lý thuyết về cấu tạo ion bên trong tế bào nhân sơ đầu tiên trước khi vi khuẩn cổ, vi khuẩn và sinh vật nhân chuẩn tiến hóa. Archibald Macallum ghi nhận sự giống nhau của các chất lỏng trong cơ thể như máu và bạch huyết với nước biển;[380] tuy nhiên, thành phần vô cơ của tất cả các tế bào khác với thành phần vô cơ của nước biển hiện đại, điều này đã khiến Mulkidjanian và các đồng nghiệp tái tạo lại "trại giống" của các tế bào đầu tiên kết hợp phân tích địa hóa với nghiên cứu thực vật học về nhu cầu ion vô cơ của các thành phần phổ quát của tế bào hiện đại. Các tác giả kết luận rằng phổ biến và theo suy luận ban đầu, các protein và hệ thống chức năng cho thấy ái lực và yêu cầu chức năng đối với K+, Zn2+, Mn2+, và [PO
4]3−
. Quá trình tái tạo địa hóa cho thấy thành phần ion có lợi cho nguồn gốc của tế bào không thể tồn tại trong cái mà ngày nay chúng ta gọi là môi trường biển nhưng lại tương thích với sự phát thải của các vùng chiếm ưu thế bằng hơi mà ngày nay chúng ta gọi là hệ thống địa nhiệt nội địa. Trong điều kiện khí quyển nguyên thủy bị cạn kiệt oxy, CO 2 chiếm ưu thế, tính chất hóa học của nước ngưng tụ và thở ra gần các trường địa nhiệt sẽ giống như mô hình bên trong của các tế bào hiện đại. Do đó, các giai đoạn tiến hóa tiền tế bào có thể đã diễn ra trong các "ao Darwin" nông được lót bằng các khoáng chất silicat xốp trộn với các sulfide kim loại và được làm giàu bằng các hợp chất K+, Zn2+ và phốt pho.[381][382]