Οι επιστήμονες έχουν προτείνει μια θεμελιώδη νέα θεωρία για το πώς ξεκίνησε η ζωή στη Γη

Το μυστήριο παραμένει δύσκολο να λυθεί επειδή η πλήρης αλληλουχία των γεγονότων που οδηγούν στη ζωή είναι αδύνατο να παρατηρηθεί άμεσα και εξαιρετικά δύσκολο να αναδημιουργηθεί. Τον περασμένο αιώνα, οι επιστήμονες έχουν προτείνει πολλές υποθέσεις, οι περισσότερες από τις οποίες επικεντρώνονται στη χημική εξέλιξη που συμβαίνει στη Γη ή στο διάστημα. Ωστόσο, κάθε ερμηνεία έχει περιορισμούς, συχνά ανάλογα με συγκεκριμένα πειραματικά αποτελέσματα ή/και θεωρητικές υποθέσεις.

Αρκετά γνωστά μοντέλα έχουν προσπαθήσει να εξηγήσουν την (επίγεια) χημική ουσία OoL, συμπεριλαμβανομένου του κόσμου του πρώτου μεταβολισμού (FeS world), του κόσμου του ψευδαργύρου, του κόσμου του θειοεστέρα, του κόσμου του RNA και του κόσμου των λιπιδίων. Αν και το καθένα παρέχει πολύτιμες γνώσεις, καμία δεν παρέχει μια πλήρη εξήγηση για το πώς προέκυψε η ζωή από τη μη ζωντανή ύλη. Καμία ενιαία θεωρία δεν έχει ενσωματώσει με επιτυχία όλες τις πτυχές της διαδικασίας σε ένα ενιαίο και πειστικό σενάριο.

Ένα νέο πλαίσιο χτισμένο γύρω από το νανοένζυμο

Για να αντιμετωπίσει αυτή την πρόκληση, ο Yongdong Jin, καθηγητής στη Σχολή Βιοϊατρικής Μηχανικής στο Πανεπιστήμιο Shenzhen στην Κίνα, πρότεινε την «υπόθεση νανοζύμων» για το OoL στη Γη.

Η υπόθεση προτείνει ότι τα πρωτόγονα φυσικά ορυκτά νανοένζυμα (MN-zymes), μαζί με τις μεταγενέστερες γενιές υβριδικών νανοζύμων οργανικών μικρομορίων, έπαιξαν κεντρικό ρόλο στην εμφάνιση και την εξέλιξη της ζωής. Σύμφωνα με αυτή την ιδέα, αυτά τα στοιχεία ήταν ιδιαίτερα σημαντικά στα πρώτα στάδια της ανάπτυξης της ζωής, βοηθώντας στο σχηματισμό των πρώτων βιολογικά σχετικών μορίων από τη ζωντανή ύλη.

Κάτω από πρωτόγονες γήινες συνθήκες, τα MN-zymes θα μπορούσαν να μετατρέψουν αργά προϊστορικά αδρανή χημικά (αέρια) σε όλο και πιο πολύπλοκα μόρια μέσω ενός συνδυασμού χημικών (και φυσικών) διεργασιών. Οι συγγραφείς πρότειναν ότι αυτός ο μετασχηματισμός συνέβη κυρίως μέσω μιας διαδικασίας που περιγράφεται ως «ανόργανη φωτοσύνθεση».

Πολλαπλοί ρόλοι στην πρώιμη χημική εξέλιξη

Η υπόθεση των νανοζύμων αναθέτει αρκετές σημαντικές λειτουργίες στα φυσικά MN-zymes. Αυτά περιλαμβάνουν (α) κατάλυση, (β) επιφανειακή δέσμευση/σύλληψη, (γ) ακτινοβολία κατά της υπεριώδους ακτινοβολίας, (δ) (φωτο-)επιλογή και (ε) διαχείριση ροής ενέργειας.

Εκτελώντας αυτούς τους ρόλους, τα MN-zymes μπορούν να επηρεάσουν στοιχειώδεις χημικές αντιδράσεις χρησιμοποιώντας φυσικές πηγές ενέργειας όπως το φως, η θερμότητα και ο ηλεκτρισμός. Η υπόθεση υποδηλώνει επίσης ότι βοήθησαν στη μετατροπή της ενέργειας σε μοριακές πληροφορίες αποθηκευμένες σε μόρια (και οντότητες) που μπορούσαν να διαβαστούν, να γραφτούν και να αντιγραφούν. Τέτοιες ικανότητες θεωρούνται απαραίτητες προϋποθέσεις για την εμφάνιση συστημάτων ζωής.

Η Γη ως γιγάντιο φυσικό εργαστήριο

Η υπόθεση θέτει τη Γη ως ικανή να σχηματίσει σταδιακά έναν οργανικό κόσμο από ένα αρχικά εξ ολοκλήρου ανόργανο περιβάλλον κάτω από σκληρές πρωτόγονες συνθήκες, μια ιδέα που είναι σε γενικές γραμμές συνεπής με προηγούμενες ιδέες της αβιογένεσης.

Σε αυτό το πλαίσιο, η Γη λειτούργησε ως ένα φυσικό «όλα σε ένα» εργαστήριο χημείας που λειτούργησε με την πάροδο του χρόνου. Οι φυσικές διαβαθμίσεις πίεσης και οι διαβαθμίσεις θερμοκρασίας (από τον μανδύα στον φλοιό) σε όλο τον πλανήτη, ειδικά κοντά σε ενεργά ηφαίστεια και γεωθερμικές θερμές πηγές, μπορούν να παρέχουν ιδανικές συνθήκες για αντιδράσεις λάβας υψηλής θερμοκρασίας/υψηλής πίεσης και υδροθερμικές αντιδράσεις.

Αυτά τα περιβάλλοντα μπορούν να σχηματίσουν τα παλαιότερα MN-zymes με μέταλλα/ευγενή μέταλλα, οξείδια μετάλλων και σουλφιδικά NP. Συγκεκριμένα, παρόμοιες μέθοδοι χρησιμοποιούνται ευρέως στα εργαστήρια σήμερα για τη σύνθεση συνθετικών νανοζύμων.

Κατά τη διάρκεια δισεκατομμυρίων ετών, αυτή η πρωτόγονη συλλογή MN-zymes μπορεί να εξελίχθηκε αργά, να ανανεώθηκε και να γίνει ολοένα και πιο περίπλοκη. Μερικοί μπορεί να έχουν ενσωματωθεί σε ζωντανά όντα. Σύμφωνα με την υπόθεση, αυτή η διαδικασία συνέβαλε στην εξέλιξη των ορυκτών και σταδιακές περιβαλλοντικές αλλαγές που βελτίωσαν τις συνθήκες για την επιβίωση και την ανάπτυξη των πρεβιοτικών μορίων και της πρωτόγονης ζωής.

Η Γη είναι πλούσια σε μεταλλικά νανοσωματίδια

Τα ορυκτά NP είναι ήδη ευρέως διαδεδομένα σε όλο το φυσικό περιβάλλον της Γης. Κάθε χρόνο, χιλιάδες τεραγραμμάρια (Tg) (1 Tg = 10¹² ζ) Αυτά τα σωματίδια κυκλοφορούν μέσω του οικοσυστήματος. Μερικά διαθέτουν φυσική ενζυμική δράση και επομένως ταξινομούνται ως MN-ένζυμα.

Αυτά τα υλικά βρίσκονται στους ωκεανούς, το νερό, την ατμόσφαιρα και το έδαφος, όπου παίζουν σημαντικό ρόλο στους περιβαλλοντικούς βιογεωχημικούς κύκλους.

Πρόσφατες ανακαλύψεις υποδεικνύουν επίσης ότι η φύση μπορεί να παράγει Mn-zyme πιο εύκολα από ό,τι πιστεύαμε. Μελέτες έχουν δείξει ότι τα NM μπορούν να σχηματιστούν αυθόρμητα μέσω της διάβρωσης των φυσικών ορυκτών σε φορτισμένα μικροσταγονίδια νερού ή υπό την υπεριώδη ακτινοβολία. Το φως του ήλιου και ο κεραυνός μπορεί περαιτέρω να παρέχουν τις φωτοκαταλυτικές και ηλεκτροκαταλυτικές συνθήκες που είναι απαραίτητες για την υποστήριξη μεγάλης κλίμακας παραγωγής τόσο πρωτόγονων νανοζύμων όσο και αργότερα οργανικών υβριδικών νανοζύμων, μαζί με μια πλούσια παροχή πρεβιοτικών μορίων στην επιφάνεια της Γης.

Προτεινόμενο “Aw World”

Μια ιδιαίτερα αξιοσημείωτη πτυχή της υπόθεσης είναι τα NPs χρυσού που προστατεύονται από μονοστρωματικά στρώματα (AuNPs).

Οι συγγραφείς υποστηρίζουν ότι αυτά τα σωματίδια μπορεί να είναι από τα πιο αποτελεσματικά MN-zymes και να καταλαμβάνουν κεντρική θέση στην εξελικτική ιστορία των νανοζύμων κατά τη διάρκεια του OoL στη Γη. Αναφέρθηκε σε αυτή την έννοια ως “Au World”.

Αν και τα AuNPs θεωρούνται σήμερα γενικά συνθετικά νανοένζυμα, η υπόθεση υποδηλώνει ότι ήταν γεωλογικά εύλογα κάτω από μια ποικιλία φυσικών συνθηκών της Γης.

Τα δωρεάν AuNP μπορεί να δυσκολεύονται να παραμείνουν σταθερά στην αρχική σούπα, καθώς συνήθως απαιτούν οργανική επικάλυψη επιφάνειας. Ωστόσο, από τη στιγμή που μικρά μόρια όπως οι θειόλες και οι αμίνες παρήχθησαν (από άλλα ΜΝ-ζύμα) και συσσωρεύτηκαν σε συγκεκριμένες θέσεις, τα AuNPs (θειόλες/αμίνες) θα μπορούσαν να επιμείνουν σε μορφές προστατευμένες από μονοστοιβάδα. Έτσι, θα μπορούσαν να συμμετάσχουν σε ένα ευρύτερο δίκτυο αντιδράσεων που συνέβαλαν στην ανάδυση της ζωής.

Τέσσερις βασικές προϋποθέσεις για τα μόρια της ζωής

Για να εξηγήσουν περαιτέρω πώς τα μόρια της ζωής μπορούν να επιλεγούν και να σταθεροποιηθούν φυσικά, οι συγγραφείς εντοπίζουν 4 βασικά στοιχεία και συνθήκες που σχετίζονται με το OoL στη Γη:

• Υγρό-στεγνό ποδήλατο και αμφιφιλία
• Αυτοσυναρμολόγηση και αυτοοργάνωση
• Κατάλυση και πρωτοενζυμική δραστηριότητα
• Συνδυασμός συμβίωσης και σταθερότητας

Μαζί, αυτοί οι παράγοντες προτείνονται ως θεμελιώδεις απαιτήσεις για την επιβίωση και την εξέλιξη των πρώιμων μορίων που σχετίζονται με τη ζωή.

κοιτάζοντας μπροστά

Η ανασκόπηση εκτείνεται πέρα ​​από τα νανοένζυμα και διερευνά πολλά άλλα βασικά ερωτήματα που σχετίζονται με το OoL στη Γη. Αυτά περιλαμβάνουν το παράδοξο του νερού, τη σημασία της μικρο-νανοδομής της επιφάνειας της Γης και τις μοναδικές φυσικοχημικές ιδιότητες του νερού και το περιβάλλον ξηρού-υγρού κύκλου που μπορεί να επηρεάσει την πρεβιοτική χημεία.

Οι συγγραφείς συζητούν επίσης τη μοριακή συνεργασία και τη συνεξέλιξη στα πρώιμα στάδια της εμφάνισης της ζωής καθώς και πρόσθετες φυσικές πτυχές του OoL, συμπεριλαμβανομένων ιδεών για τη χειρόμορφη προέλευση των βιομορίων.

Τελικά, η υπόθεση των νανοζύμων προορίζεται να παρέχει ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο που μπορεί να συμβάλει στη συμφιλίωση μακροχρόνιων διαφωνιών μεταξύ των ανταγωνιστικών θεωριών προέλευσης της ζωής. Οι συγγραφείς ελπίζουν ότι θα ρίξει νέο φως σε ένα από τα πιο διαρκή μυστήρια της επιστήμης και θα δώσει ώθηση στην περαιτέρω έρευνα για τον πιθανό ρόλο των νανοζύμων στην άνοδο της ζωής στη Γη.