Uno dei più grandi interrogativi della scienza riguarda l’origine della vita sulla Terra. I ricercatori concordano generalmente sul fatto che la comparsa dei primi biopolimeri e dei loro elementi costitutivi abbia segnato una tappa fondamentale nell’origine della vita. Tuttavia, gli scienziati non sanno ancora con esattezza come un insieme di sostanze chimiche inerti preistoriche (gas) si sia trasformato nei primi sistemi viventi.
Il mistero rimane irrisolto perché l’intera sequenza di eventi che ha portato alla vita è impossibile da osservare direttamente ed estremamente difficile da ricreare. Nel corso dell’ultimo secolo, gli scienziati hanno proposto numerose ipotesi, la maggior parte delle quali incentrate sull’evoluzione chimica avvenuta sulla Terra o nello spazio. Tuttavia, ogni spiegazione presenta dei limiti, spesso basandosi su specifici risultati sperimentali e/o presupposti teorici.
Diversi modelli ben noti hanno tentato di spiegare l’origine chimica della vita (terrestre), tra cui il mondo del metabolismo primario (mondo FeS), il mondo dello zinco, il mondo dei tioesteri, il mondo dell’RNA e il mondo dei lipidi. Sebbene ognuno di essi fornisca spunti preziosi, nessuno offre una spiegazione completa di come la vita sia emersa dalla materia non vivente. Nessuna singola teoria è riuscita a integrare tutti gli aspetti del processo in uno scenario unificato e convincente.
Un nuovo quadro di riferimento basato sui nanoenzimi
Per affrontare questa sfida, il professor Yongdong Jin della Facoltà di Ingegneria Biomedica dell’Università di Shenzhen, in Cina, ha proposto l'”ipotesi dei nanoenzimi” per l’OoL sulla Terra.
L’ipotesi suggerisce che i nanoenzimi minerali naturali primitivi (MN-zimi), insieme alle successive generazioni di nanoenzimi ibridati a piccole molecole organiche, abbiano svolto un ruolo centrale nell’emergere e nell’evoluzione della vita. Secondo questa idea, questi materiali sono stati particolarmente importanti durante le primissime fasi dello sviluppo della vita, contribuendo a generare le prime molecole biologicamente rilevanti a partire da sostanze non viventi.
Nelle condizioni primordiali della Terra, gli enzimi MN potrebbero aver gradualmente convertito sostanze chimiche inerti preistoriche (gas) in molecole sempre più complesse attraverso una combinazione di processi chimici (e fisici). L’autore propone che questa trasformazione sia avvenuta principalmente attraverso un processo descritto come “fotosintesi inorganica”.
Ruoli multipli nelle prime fasi dell’evoluzione chimica
L’ipotesi dei nanoenzimi attribuisce diverse funzioni importanti agli MN-zimi naturali. Queste includono (a) la catalisi, (b) il legame/confinamento superficiale, (c) la protezione dalle radiazioni UV, (d) la (foto)selezione e (e) la gestione del flusso di energia.
Svolgendo queste funzioni, gli MN-zimi potrebbero aver influenzato le prime reazioni chimiche che utilizzavano fonti di energia naturali come luce, calore ed elettricità. L’ipotesi suggerisce inoltre che abbiano contribuito a convertire l’energia in informazioni molecolari immagazzinate nelle molecole (e nelle entità) che potevano essere lette, scritte e duplicate. Tali capacità sono considerate prerequisiti essenziali per l’emergere dei sistemi viventi.
La Terra come gigantesco laboratorio naturale
L’ipotesi considera la Terra stessa come capace di produrre gradualmente un mondo organico a partire da un ambiente inizialmente interamente inorganico, in condizioni primordiali estreme; un’idea ampiamente coerente con i precedenti concetti di abiogenesi.
In questo contesto, la Terra ha funzionato come un laboratorio chimico naturale “tutto in uno”, operante per periodi di tempo immensi. I gradienti naturali di pressione e temperatura presenti in tutto il pianeta (dal mantello alla crosta), in particolare in prossimità di vulcani attivi e sorgenti termali, potrebbero aver fornito le condizioni ideali per reazioni laviche e idrotermali ad alta temperatura e alta pressione.
Questi ambienti potrebbero aver generato i primi MN-zimi, tra cui metalli/metalli nobili, ossidi metallici e nanoparticelle di solfuro. È interessante notare che approcci simili sono ampiamente utilizzati oggi nei laboratori per sintetizzare nanozimi artificiali.
Nel corso di miliardi di anni, questa collezione primordiale di MN-zimi potrebbe essersi evoluta lentamente, rinnovandosi e diventando sempre più sofisticata. Alcuni potrebbero persino essere stati incorporati in organismi viventi. Secondo questa ipotesi, tale processo avrebbe contribuito all’evoluzione dei minerali e a graduali cambiamenti ambientali che avrebbero migliorato le condizioni per la sopravvivenza e lo sviluppo di molecole prebiotiche e della vita primitiva.
Sulla Terra abbondano le nanoparticelle minerali.
Le nanoparticelle minerali sono già diffuse in tutti gli ambienti naturali della Terra. Ogni anno, migliaia di teragrammi (Tg) (1 Tg = 10 12 g) di queste particelle circolano negli ecosistemi. Alcune possiedono un’attività enzimatica naturale e sono quindi classificate come MN-zimi.
Questi materiali si trovano negli oceani, nelle acque, nell’atmosfera e nei suoli, dove svolgono ruoli importanti nei cicli biogeochimici ambientali.
Recenti scoperte suggeriscono inoltre che la natura potrebbe produrre nanozimi più facilmente di quanto si pensasse in precedenza. Studi hanno dimostrato che i nanozimi possono formarsi spontaneamente attraverso l’erosione di minerali naturali in microgocce d’acqua cariche o sotto irradiazione UV. La luce solare e i fulmini potrebbero inoltre fornire le condizioni fotocatalitiche ed elettrocatalitiche necessarie per supportare la produzione su larga scala sia di nanozimi primordiali che di successivi nanozimi ibridi organici, insieme a una ricca disponibilità di molecole prebiotiche sulla superficie terrestre.
Il proposto “Au World”
Un aspetto particolarmente rilevante dell’ipotesi riguarda le nanoparticelle d’oro (AuNP) protette da un monostrato.
L’autore sostiene che queste particelle potrebbero essere state tra i nanozimi più efficaci e potrebbero aver occupato un posto centrale nella storia evolutiva dei nanozimi durante l’OoL sulla Terra. Si riferisce a questo concetto come al “mondo Au”.
Sebbene oggi le nanoparticelle d’oro (AuNP) siano comunemente considerate nanoenzimi artificiali, l’ipotesi suggerisce che fossero geologicamente plausibili in una varietà di condizioni naturali della Terra.
Le nanoparticelle d’oro libere potrebbero aver faticato a rimanere stabili nella soluzione iniziale, poiché generalmente richiedono rivestimenti superficiali organici. Tuttavia, una volta prodotte (da altri enzimi MN) piccole molecole come tioli e ammine e accumulate in determinate posizioni, le nanoparticelle d’oro potrebbero essere persistite in forme protette da un monostrato (di tioli/ammine). In questo modo, potrebbero aver partecipato alla più ampia rete di reazioni che hanno contribuito all’emergere della vita.
Quattro condizioni chiave per le molecole della vita
Per spiegare ulteriormente come le molecole della vita possano essere state selezionate e stabilizzate naturalmente, l’autore identifica 4 elementi e condizioni essenziali relativi all’OoL sulla Terra:
- Ciclo bagnato-asciutto e anfifilismo
- Autoassemblaggio e auto-organizzazione
- Attività catalitica e protoenzimatica
- Accoppiamento, simbiosi e stabilizzazione
Nel loro insieme, questi fattori vengono proposti come requisiti fondamentali per la sopravvivenza e l’evoluzione delle molecole legate alle prime forme di vita.
Guardando al futuro
La rassegna va oltre i nanoenzimi stessi ed esplora diverse altre questioni fondamentali relative all’OoL sulla Terra. Tra queste, il paradosso dell’acqua, l’importanza della micro-nano struttura della superficie terrestre e le proprietà fisico-chimiche uniche dell’acqua e degli ambienti con cicli di asciugatura e umidificazione che potrebbero aver influenzato la chimica prebiotica.
L’autore discute anche della cooperazione molecolare e della coevoluzione durante le primissime fasi dell’emergere della vita, nonché di ulteriori prospettive fisiche sull’OoL, comprese idee relative all’origine chirale delle biomolecole.
In definitiva, l’ipotesi dei nanoenzimi si propone di fornire un quadro più ampio che possa contribuire a conciliare le annose divergenze tra le diverse teorie sull’origine della vita. L’autore auspica che essa possa far luce su uno dei misteri più duraturi della scienza, incoraggiando al contempo ulteriori ricerche sul possibile ruolo dei nanoenzimi nell’emergere della vita sulla Terra.
Astratto
L’origine della vita (OoL) è una questione scientifica fondamentale e di lunga data. Sebbene siano state avanzate diverse ipotesi plausibili, il modo in cui la vita abbia avuto inizio sulla Terra prebiotica da un ammasso di sostanze chimiche inerti preistoriche (gas) rimane ancora un enigma. In questo contesto, al fine di unificare le ipotesi esistenti e coprire tutti gli scenari possibili, l’autore propone l'”ipotesi dei nanozimi” per l’OoL sulla Terra, secondo la quale i nanozimi minerali naturali (MN-zimi) e i loro successivi nanozimi ibridi organici/inorganici hanno svolto molteplici ruoli chiave nell’emergere iniziale delle molecole della vita, in particolare attraverso la “fotosintesi inorganica” nelle condizioni primordiali della Terra. Nell’ambito di questa ipotesi, proteine, DNA e RNA potrebbero essere emersi quasi simultaneamente, come risultato della diversità dei nanozimi e dei catalizzatori, e dei molteplici ruoli chiave fisici e chimici dei MN-zimi. Oltre agli aspetti relativi ai nanozimi, vengono brevemente discussi diversi aspetti fondamentali e cruciali dell’argomento e vengono proposti alcuni elementi e condizioni essenziali per la selezione naturale e la sopravvivenza delle molecole della vita.
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Yongdong Jin. On the Origin of Life on Earth: The Nanozymes Hypothesis, and More. Research, 2025; 8 DOI: 10.34133/research.1025
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