De secole, apariția vieții pe Pământ rămâne unul dintre cele mai profunde mistere ale științei. Căutând să înțeleagă momentul zero al biologiei, cercetătorii propun acum o abordare revoluționară: „ipoteza nanozimelor”. Cercetătorii sunt, în general, de acord că apariția primilor biopolimeri și a elementelor lor constitutive a marcat un pas crucial în originea vieții. Cu toate acestea, oamenii de știință nu cunosc încă exact modul în care o colecție de substanțe chimice inerte preistorice (gaze) s-a transformat în primele sisteme vii.
Misterul rămâne dificil de rezolvat, deoarece secvența completă a evenimentelor care au dus la apariția vieții este imposibil de observat direct și extrem de greu de recreat. În ultimul secol, oamenii de știință au propus numeroase ipoteze, majoritatea axate pe evoluția chimică care are loc fie pe Pământ, fie în spațiu. Fiecare explicație are însă limitări, bazându-se adesea pe descoperiri experimentale specifice și/sau pe ipoteze teoretice. Importanța reală a acestei noi direcții de cercetare este găsirea „verigii lipsă”: acel mecanism exact prin care rocile inerte și gazele vulcanice s-au organizat, treptat, în primele celule capabile să se reproducă.
Mai multe modele binecunoscute au încercat să explice originea chimică (terestră) a vieții, printre care lumea „Metabolism-first” (lumea FeS), lumea zincului, lumea tioesterilor, lumea ARN-ului și lumea lipidelor. Deși fiecare oferă informații valoroase, niciunul nu propune o explicație completă a modului în care viața a apărut din materie neînsuflețită. Nicio teorie nu a reușit până acum să integreze toate aspectele procesului într-un scenariu unificat și convingător.
Un nou cadru teoretic construit în jurul nanozimelor
Pentru a aborda această provocare, prof. Yongdong Jin de la Facultatea de Inginerie Biomedicală a Universității Shenzhen din China a propus „ipoteza nanozimelor” privind originea vieții pe Pământ.
Ipoteza sugerează că nanozimele minerale naturale primitive (MN-zimele), împreună cu generațiile ulterioare de nanozime hibridizate cu molecule organice mici, au jucat un rol central în apariția și evoluția vieții. Conform acestei idei, aceste materiale au fost deosebit de importante în primele etape ale dezvoltării vieții, contribuind la generarea primelor molecule relevante din punct de vedere biologic din substanțe neînsuflețite.
În condițiile primitive ale Pământului, MN-zimele ar fi putut transforma treptat substanțele chimice inerte preistorice (gaze) în molecule din ce în ce mai complexe, printr-o combinație de procese chimice și fizice. Autorul propune că această transformare ar fi avut loc în principal printr-un proces descris drept „fotosinteză anorganică”.
Roluri multiple în evoluția chimică timpurie
Ipoteza nanozimelor atribuie nanozimelor naturale mai multe funcții importante. Acestea includ:
- (a) cataliza;
- (b) legarea/confinarea la suprafață;
- (c) protecția împotriva radiațiilor UV;
- (d) (foto-)selecția;
- (e) gestionarea fluxului de energie.
Prin îndeplinirea acestor roluri, MN-zimele ar fi putut influența reacțiile chimice timpurii folosind surse naturale de energie, precum lumina, căldura și electricitatea. Ipoteza sugerează, de asemenea, că acestea au contribuit la transformarea energiei în informație moleculară stocată în molecule (și entități) care puteau fi citite, scrise și duplicate. Astfel de capacități sunt considerate condiții prealabile esențiale pentru apariția sistemelor vii.
Cum a apărut prima formă de viață? Pământul ca un laborator natural gigant
Ipoteza pornește de la premisa că Pământul însuși este capabil să producă treptat o lume organică dintr-un mediu inițial complet anorganic, în condiții primordiale dure — o idee aflată în mare măsură în concordanță cu conceptele anterioare de abiogeneză.
În acest cadru, Pământul a funcționat ca un laborator chimic natural complet, de tip „all-in-one”, care a operat pe perioade imense de timp. Gradienții naturali de presiune și de temperatură de pe întreaga planetă (de la manta la scoarță), în special în apropierea vulcanilor activi și a izvoarelor geotermale, ar fi putut oferi condiții ideale atât pentru reacții de lavă la temperaturi și presiuni ridicate, cât și pentru reacții hidrotermale.
În studiul abiogenezei — procesul natural prin care viața a apărut din materie nevie —, aceste fisuri geotermale de pe fundul oceanelor sunt considerate „incubatoarele” perfecte, oferind căldura și elementele chimice necesare primelor reacții complexe.
Infografic: Descoperiri.ro
Aceste medii ar fi putut genera primele MN-zime, inclusiv metale și metale nobile, oxizi metalici și nanoparticule de sulfură. De remarcat că abordări similare sunt utilizate astăzi pe scară largă în laboratoare pentru a sintetiza nanozime artificiale.
De-a lungul a miliarde de ani, această colecție primordială de MN-zime s-ar fi putut dezvolta lent, reînnoindu-se și devenind tot mai sofisticată. Unele s-ar fi putut chiar încorpora în organismele vii. Conform ipotezei, acest proces a contribuit la evoluția mineralelor și la schimbările graduale de mediu care au îmbunătățit condițiile pentru supraviețuirea și dezvoltarea moleculelor prebiotice și a vieții primitive.
Nanoparticule minerale abundente pe Pământ
Nanoparticulele minerale sunt deja răspândite pe scară largă în mediile naturale ale Pământului. În fiecare an, mii de teragrame (Tg) (1 Tg = 10¹² g) din aceste particule circulă prin ecosisteme. Unele posedă o activitate naturală asemănătoare enzimelor și sunt, prin urmare, clasificate drept MN-zime.
Aceste materiale se găsesc în oceane, ape, atmosferă și soluri, unde joacă roluri importante în ciclurile biogeochimice de mediu.
Descoperirile recente sugerează, de asemenea, că natura ar putea produce MN-zime mai ușor decât se credea anterior. Studiile au arătat că nanoparticulele minerale se pot forma spontan prin alterarea mineralelor naturale în micropicături de apă încărcate sau sub iradiere UV. Lumina soarelui și fulgerele pot oferi, în plus, condițiile fotocatalitice și electrocatalitice necesare pentru a susține producția la scară largă atât a nanozimelor primordiale, cât și a nanozimelor hibride organice ulterioare, alături de o sursă bogată de molecule prebiotice la suprafața Pământului.
„Lumea Au” și nanoparticulele de aur
Un aspect deosebit de notabil al ipotezei implică nanoparticulele de aur (AuNP) protejate de un monostrat. Autorul studiului susține că aceste particule ar fi putut fi printre cele mai eficiente MN-zime și ar fi putut ocupa un loc central în istoria evolutivă a nanozimelor în timpul originii vieții pe Pământ. Cercetătorul se referă la acest concept drept „lumea Au”.
Deși nanoparticulele de aur sunt considerate în prezent nanozime artificiale, ipoteza sugerează că ele erau plauzibile din punct de vedere geologic în diverse condiții naturale de pe Pământ.
Nanoparticulele de aur libere ar fi putut avea dificultăți în a rămâne stabile în supa primordială, deoarece necesită, în general, acoperiri organice de suprafață. Cu toate acestea, odată ce molecule mici, precum tiolii și aminele, au fost produse (de alte MN-zime) și s-au acumulat în anumite locații, nanoparticulele de aur ar fi putut persista sub forme protejate de monostrat (tioli/amine). În acest fel, ele ar fi putut participa la rețeaua mai largă de reacții care au contribuit la apariția vieții.
4 condiții esențiale pentru moleculele vieții
Pentru a explica mai detaliat modul în care moleculele vieții ar fi putut fi selectate și stabilizate în mod natural, autorul identifică 4 elemente și condiții esențiale legate de originea vieții pe Pământ:
- ciclul umed-uscat și amfifilismul;
- autoasamblarea și autoorganizarea;
- activitatea catalitică și protoenzimatică;
- simbioza de împerechere și stabilizarea.
Împreună, acești factori sunt propuși drept cerințe fundamentale pentru supraviețuirea și evoluția moleculelor legate de viața timpurie.
Infografic: Descoperiri.ro
Perspective și direcții viitoare
Analiza depășește sfera nanozimelor în sine și explorează și alte întrebări majore legate de originea vieții pe Pământ. Acestea includ paradoxul apei, importanța structurii micro-nano a suprafeței Pământului și proprietățile fizico-chimice unice ale apei și ale mediilor cu cicluri umed-uscat care ar fi putut influența chimia prebiotică.
Autorul discută, de asemenea, cooperarea moleculară și coevoluția în timpul primelor etape ale apariției vieții, precum și perspective fizice suplimentare asupra originii vieții, inclusiv idei legate de originea chirală a biomoleculelor.
În cele din urmă, ipoteza nanozimelor își propune să ofere un cadru mai larg, care ar putea contribui la reconcilierea dezacordurilor de lungă durată dintre teoriile concurente privind originea vieții. Autorul speră că aceasta va arunca o nouă lumină asupra unuia dintre cele mai vechi mistere ale științei, încurajând totodată cercetări suplimentare privind rolul posibil al nanozimelor în apariția vieții pe Pământ. Mai mult decât atât, dacă această transformare chimică a fost posibilă aici, ipoteza nanoparticulelor minerale oferă astrobiologilor un nou model pentru a căuta forme de viață sau sisteme prebiotice pe alte planete din sistemul nostru solar.
Studiul a fost publicat în jurnalul științific Research.
Apa carbogazoasă scade pH-ul oral mai puțin decât băuturile răcoritoare cu zahăr, arată un studiu
Visele nu sunt întâmplătoare. Creierul pare să rescrie realitatea în somn, arată un studiu pe 3.700 de relatări
Un melanom care trece de la un pește la altul, primul cancer transmisibil la un animal de apă dulce
Megastructuri extraterestre în jurul găurilor negre: ideea îndrăzneață discutată de specialiști la MIT
Cultura ar putea modela acum evoluția umană mai mult decât mediul, sugerează un studiu
