Tyrėjai teigia, kad mažytės mineralinės nanodalelės galėjo būti paslėpti varikliai, kurie ankstyvąją Žemės chemiją pavertė pirmaisiais gyvybės statybiniais blokais. Veikdami kaip natūralūs katalizatoriai ir energijos procesoriai, šie „nanozimai“ galėtų padėti paaiškinti, kaip negyva materija palaipsniui tapo gyvomis sistemomis.
Mažytės dalelės, kurios galėjo sukurti gyvybę
Nauja drąsi teorija teigia, kad mikroskopiniai mineraliniai „nanozimai“ galėjo būti kibirkštis, pavertusi senąją Žemės chemiją gyvybe. Nuotrauka: „Shutterstock“
Vienas didžiausių mokslo klausimų yra tai, kaip Žemėje atsirado gyvybė. Tyrėjai paprastai sutinka, kad pirmųjų biopolimerų ir jų statybinių blokų atsiradimas žymėjo svarbų gyvybės atsiradimo (origin of life, OoL) žingsnį. Tačiau mokslininkai vis dar tiksliai nežino, kaip priešistorinių inertinių cheminių medžiagų (dujų) rinkinys virto pirmosiomis gyvomis sistemomis.
Paslaptį sunku išspręsti, nes visos įvykių sekos, dėl kurios atsirado gyvybė, neįmanoma tiesiogiai stebėti, o atkurti ją itin sudėtinga. Per pastarąjį šimtmetį mokslininkai iškėlė daugybę hipotezių, kurių dauguma buvo susijusios su chemine evoliucija, vykstančia Žemėje arba kosmose. Tačiau kiekvienas paaiškinimas turi apribojimų, dažnai remdamasis konkrečiais eksperimentiniais rezultatais ir (arba) teorinėmis prielaidomis.
Keletas gerai žinomų modelių bandė paaiškinti (žemišką) cheminę gyvybės atsiradimo kilmę, įskaitant metabolizmo pasaulį (FeS pasaulis), cinko pasaulį, tioesterio pasaulį, RNR pasaulį ir lipidų pasaulį. Nors kiekvienas iš jų pateikia vertingų įžvalgų, nė vienas nepaaiškina, kaip gyvybė atsirado iš negyvosios materijos. Nė viena teorija sėkmingai nesujungė visų proceso aspektų į vieningą ir įtikinamą scenarijų.
Nauja sistema, sukurta aplink nanozimus
Norėdamas išspręsti šį iššūkį, Kinijos Šendženo universiteto Biomedicininės inžinerijos mokyklos profesorius Yongdong Jin pasiūlė „nanozimų hipotezę“ gyvybės atsiradimui Žemėje.
Hipotezė teigia, kad primityvūs natūralūs mineraliniai nanozimai (MN-zimai), kartu su vėlesnėmis organinių mažų molekulių hibridizuotų nanozimų kartomis, atliko pagrindinį vaidmenį gyvybės atsiradime ir evoliucijoje. Remiantis šia idėja, šios medžiagos buvo ypač svarbios ankstyviausiuose gyvybės vystymosi etapuose, padėdamos iš negyvų medžiagų sukurti pirmąsias biologiškai reikšmingas molekules.
Primityviomis Žemės sąlygomis MN-zimai galėjo palaipsniui paversti priešistorines inertines chemines medžiagas (dujas) vis sudėtingesnėmis molekulėmis, derindami cheminius (ir fizinius) procesus. Autorius teigia, kad ši transformacija daugiausia vyko per procesą, apibūdinamą kaip „neorganinė fotosintezė“.
Keli vaidmenys ankstyvojoje cheminėje evoliucijoje
Nanozimų hipotezė priskiria keletą svarbių funkcijų natūraliems MN-zimams. Tai apima (a) katalizę, (b) paviršiaus surišimą/apribojimą, (c) apsaugą nuo UV spinduliuotės, (d) (foto)atranką ir (e) energijos srautų valdymą.
Atlikdami šiuos vaidmenis, MN-zimai galėjo paveikti ankstyvąsias chemines reakcijas, naudodami natūralius energijos šaltinius, tokius kaip šviesa, šiluma ir elektra. Hipotezė taip pat rodo, kad jie padėjo paversti energiją molekuline informacija, saugoma molekulėse (ir dariniuose), kurias buvo galima skaityti, rašyti ir kopijuoti. Tokios galimybės laikomos esminėmis gyvųjų sistemų atsiradimo prielaidomis.
Žemė kaip milžiniška gamtos laboratorija
Hipotezė teigia, kad pati Žemė gali palaipsniui sukurti organinį pasaulį iš visiškai neorganinės aplinkos atšiauriomis pirmykštėmis sąlygomis – ši idėja iš esmės atitinka ankstesnes abiogenezės koncepcijas.
Pagal šią sistemą Žemė veikė kaip natūrali „viskas viename“ chemijos laboratorija, veikianti milžiniškus laikotarpius. Natūralūs slėgio ir temperatūros gradientai visoje planetoje (nuo mantijos iki plutos), ypač šalia aktyvių ugnikalnių ir geoterminių karštųjų versmių, galėjo sudaryti idealias sąlygas aukštos temperatūros / aukšto slėgio lavos reakcijoms ir hidroterminėms reakcijoms.
Ši aplinka galėjo sukurti ankstyviausius MN fermentus, įskaitant metalus / tauriuosius metalus, metalų oksidus ir sulfidų nanodaleles. Pažymėtina, kad panašūs metodai šiandien plačiai naudojami laboratorijose dirbtiniams nanofermentams sintetinti.
Per milijardus metų ši pirmykštė MN fermentų kolekcija galėjo lėtai vystytis, atsinaujinti ir tapti vis sudėtingesnė. Kai kurie iš jų netgi galėjo būti įtraukti į gyvus organizmus. Remiantis hipoteze, šis procesas prisidėjo prie mineralų evoliucijos ir laipsniškų aplinkos pokyčių, kurie pagerino prebiotinių molekulių ir primityvios gyvybės išlikimo ir vystymosi sąlygas.
Gausios mineralinės nanodalelės Žemėje
Mineralinės nanodalelės jau plačiai paplitę visoje Žemės gamtinėje aplinkoje. Kiekvienais metais tūkstančiai teragramų (Tg) (1 Tg = 1012 g) šių dalelių cirkuliuoja ekosistemose. Kai kurie iš jų pasižymi natūraliu fermentų tipo aktyvumu ir todėl priskiriami MN-fermentams.
Šios medžiagos randamos vandenynuose, vandenyse, atmosferoje ir dirvožemyje, kur jos atlieka svarbų vaidmenį aplinkos biogeocheminiuose cikluose.
Naujausi atradimai taip pat rodo, kad gamta gali lengviau gaminti MN-fermentus nei manyta anksčiau. Tyrimai parodė, kad NM gali susidaryti savaime, natūraliems mineralams veikiant įkrautuose vandens mikrolašeliuose arba veikiant UV spinduliams. Saulės šviesa ir žaibas gali sudaryti fotokatalizines ir elektrokatalizines sąlygas, reikalingas didelio masto pirmykščių nanozimų ir vėlesnių organinių hibridinių nanozimų gamybai, kartu su gausiu prebiotinių molekulių kiekiu Žemės paviršiuje.
Siūlomas „Au pasaulis“
Ypač pastebimas hipotezės aspektas yra susijęs su vieno sluoksnio apsaugotomis aukso nanodalelėmis (AuNP).
Autorius teigia, kad šios dalelės galėjo būti vienos efektyviausių MN fermentų ir galėjo užimti centrinę vietą nanozimų evoliucijos istorijoje Žemės gyvybės atsiradimo laikotarpiu. Jis šią koncepciją vadina „Au pasauliu“.
Nors šiandien AuNP dažniausiai laikomos dirbtiniais nanozimais, hipotezė rodo, kad jos buvo geologiškai įtikimos įvairiomis natūraliomis Žemės sąlygomis.
Laisvosios aukso nanodalelės galėjo sunkiai išlikti stabilios pradinėje sriuboje, nes joms paprastai reikia organinių paviršiaus dangų. Tačiau, kai susidarė kiti MN fermentai ir tam tikrose vietose susikaupė mažos molekulės, tokios kaip tioliai ir aminai, AuNP galėjo išlikti monosluoksniu apsaugotoje formoje. Tokiu būdu jos galėjo dalyvauti platesniame reakcijų tinkle, kuris prisidėjo prie gyvybės atsiradimo.
Keturios pagrindinės gyvybės molekulių sąlygos
Siekdamas išsamiau paaiškinti, kaip gyvybės molekulės galėjo būti natūraliai atrinktos ir stabilizuotos, autorius išskiria 4 esminius elementus ir sąlygas, susijusias su gyvybės molekule Žemėje:
- Šlapias-sausas ciklas
- Savaiminis susirinkimas ir saviorganizacija
- Katalizinis ir protofermentinis aktyvumas
- Porų simbiozė ir stabilizavimas
Šie veiksniai kartu siūlomi kaip pagrindiniai ankstyvosios gyvybės molekulių išlikimo ir evoliucijos reikalavimai.
Žvilgsnis į ateitį
Toerija apima ne tik pačius nanofermentus, bet ir nagrinėja keletą kitų svarbių klausimų, susijusių su gyvybės molekule Žemėje. Tai apima vandens paradoksą, Žemės paviršiaus mikro-nano struktūros svarbą ir unikalias vandens bei sauso-šlapio ciklo aplinkos fizikochemines savybes, kurios galėjo turėti įtakos prebiotinei chemijai.
Autorius taip pat aptaria molekulinį bendradarbiavimą ir koevoliuciją ankstyviausiuose gyvybės atsiradimo etapuose, taip pat papildomas fizines perspektyvas apie gyvybės molekulę, įskaitant idėjas, susijusias su biomolekulių chiraline kilme.
Galiausiai nanozimų hipotezė skirta pateikti platesnį pagrindą, kuris galėtų padėti suderinti ilgalaikius nesutarimus tarp konkuruojančių gyvybės kilmės teorijų. Autorius tikisi, kad tai nušvies vieną iš labiausiai įsiminusių mokslo paslapčių ir kartu paskatins tolesnius tyrimus apie galimą nanozimų vaidmenį gyvybės atsiradime Žemėje.
Yongdong Jin. On the Origin of Life on Earth: The Nanozymes Hypothesis, and More. Research, 2025; 8 DOI: 10.34133/research.1025
Reta žvaigždė, pastebėta savo galaktikoje, galėtų atsakyti į svarbų klausimą apie gyvybės sudėtį
KTU fizikos mokslininkas Vytautas Stankus: alternatyvios gyvybės formos Visatoje – kiek tai realu?
Ar mažytės RNR molekulės atradimas galėtų paaiškinti gyvybės kilmę?