Исследователи предполагают, что крошечные минеральные наночастицы могли быть скрытыми двигателями, которые превратили ранние химические процессы на Земле в первые строительные блоки жизни. Действуя как природные катализаторы и переработчики энергии, эти «наноферменты» могут помочь объяснить, как безжизненная материя постепенно превратилась в живые системы.
Один из важнейших вопросов науки — как зародилась жизнь на Земле. Исследователи в целом сходятся во мнении, что появление первых биополимеров и их строительных блоков стало критически важным шагом в происхождении жизни. Однако ученые до сих пор точно не знают, как совокупность доисторических инертных химических веществ (газов) превратилась в первые живые организмы.
Эта загадка остается сложной для разгадки, поскольку полную последовательность событий, приведших к возникновению жизни, невозможно наблюдать непосредственно, и ее крайне трудно воссоздать. За прошедшее столетие ученые выдвинули множество гипотез, большинство из которых сосредоточены на химической эволюции, происходящей либо на Земле, либо в космосе. Однако каждое объяснение имеет свои ограничения, часто опираясь на конкретные экспериментальные данные и/или теоретические предположения.
Несколько известных моделей пытались объяснить химическое происхождение жизни в Земле (на Земле), включая модель «мир, где сначала происходил метаболизм» (мир FeS), модель «мир цинка», модель «мир тиоэфиров», модель «мир РНК» и модель «мир липидов». Хотя каждая из них дает ценные сведения, ни одна не предлагает полного объяснения того, как жизнь возникла из неживой материи. Ни одна теория не смогла успешно интегрировать все аспекты этого процесса в единый и убедительный сценарий.
Новая структура, построенная на основе наноферментов.
Для решения этой проблемы профессор Ёндон Цзинь из Школы биомедицинской инженерии Шэньчжэньского университета в Китае предложил «гипотезу наноферментов» для объяснения существования орнитологических объектов на Земле.
Гипотеза предполагает, что примитивные природные минеральные нанозимы (МН-зимы), наряду с более поздними поколениями органических нанозимов, гибридизированных с малыми молекулами, сыграли центральную роль в возникновении и эволюции жизни. Согласно этой идее, эти материалы были особенно важны на самых ранних этапах развития жизни, способствуя образованию первых биологически значимых молекул из неживых веществ.
В условиях примитивной Земли MN-ферменты, возможно, постепенно превращали инертные химические вещества (газы) доисторической эпохи во все более сложные молекулы посредством сочетания химических (и физических) процессов. Автор предполагает, что это превращение происходило преимущественно посредством процесса, описываемого как «неорганический фотосинтез».
Многогранная роль в ранней химической эволюции
Гипотеза о нанозимах приписывает природным MN-зимам несколько важных функций. К ним относятся: (а) катализ, (б) связывание/удержание на поверхности, (в) защита от УФ-излучения, (г) (фото-)селекция и (д) управление потоком энергии.
Выполняя эти функции, MN-зимы, возможно, влияли на ранние химические реакции, используя природные источники энергии, такие как свет, тепло и электричество. Гипотеза также предполагает, что они помогали преобразовывать энергию в молекулярную информацию, хранящуюся в молекулах (и других объектах), которую можно было считывать, записывать и дублировать. Такие возможности считаются необходимыми предпосылками для возникновения живых систем.
Земля как гигантская природная лаборатория
Согласно этой гипотезе, сама Земля способна постепенно создать органический мир из изначально полностью неорганической среды в суровых первобытных условиях, что в целом согласуется с более ранними концепциями абиогенеза.
В этой модели Земля функционировала как естественная «универсальная» химическая лаборатория, работающая на протяжении огромных периодов времени. Естественные градиенты давления и температуры по всей планете (от мантии до коры), особенно вблизи действующих вулканов и геотермальных источников, могли обеспечить идеальные условия для высокотемпературных/высокодавленческих реакций лавы и гидротермальных реакций.
В таких условиях могли образоваться самые ранние МН-зимы, включая металлы/благородные металлы, оксиды металлов и сульфидные наночастицы. Примечательно, что аналогичные подходы сегодня широко используются в лабораториях для синтеза искусственных нанозимов.
На протяжении миллиардов лет эта первобытная совокупность MN-ферментов, возможно, медленно эволюционировала, обновлялась и становилась все более сложной. Некоторые из них, возможно, даже вошли в состав живых организмов. Согласно гипотезе, этот процесс способствовал эволюции минералов и постепенным изменениям окружающей среды, которые улучшили условия для выживания и развития пребиотических молекул и примитивной жизни.
На Земле широко распространены минеральные наночастицы.
Минеральные наночастицы уже широко распространены в природных средах Земли. Ежегодно тысячи терраграммов (Тг) (1 Тг = 10¹² г ) этих частиц циркулируют в экосистемах. Некоторые из них обладают природной ферментоподобной активностью и поэтому классифицируются как МН-зимы.
Эти вещества встречаются в океанах, водах, атмосфере и почвах, где они играют важную роль в биогеохимических циклах окружающей среды.
Недавние открытия также предполагают, что природа может производить МН-зимы легче, чем считалось ранее. Исследования показали, что нанозимы могут образовываться спонтанно в результате выветривания природных минералов в заряженных микрокаплях воды или под воздействием УФ-излучения. Солнечный свет и молнии могут дополнительно обеспечивать фотокаталитические и электрокаталитические условия, необходимые для крупномасштабного производства как первичных нанозимов, так и более поздних органических гибридных нанозимов, наряду с богатым запасом пребиотических молекул на поверхности Земли.
Предлагаемый «мир Ау»
Особенно примечательным аспектом этой гипотезы является защита наночастиц золота (AuNPs) монослоем.
Автор утверждает, что эти частицы, возможно, были одними из самых эффективных MN-зимов и могли занимать центральное место в эволюционной истории нанозимов во время освоения Земли. Он называет эту концепцию «золотым миром».
Хотя сегодня золотые наночастицы обычно рассматриваются как искусственные нанозимы, гипотеза предполагает, что их образование было геологически правдоподобным в различных природных условиях Земли.
Свободные золотые наночастицы, возможно, испытывали трудности с сохранением стабильности в исходной среде, поскольку обычно им необходимы органические поверхностные покрытия. Однако, после того как были образованы небольшие молекулы, такие как тиолы и амины (другими MN-ферментами), и они накопились в определенных местах, золотые наночастицы могли сохраняться в форме, защищенной монослоем (тиолов/аминов). Таким образом, они могли участвовать в более широкой сети реакций, которые способствовали возникновению жизни.
Четыре ключевых условия для существования молекул жизни
Для дальнейшего объяснения того, как молекулы жизни могли быть отобраны и стабилизированы естественным путем, автор выделяет 4 основных элемента и условия, связанных с существованием живых организмов на Земле:
