Salah satu pertanyaan terbesar dalam sains adalah bagaimana kehidupan pertama kali muncul di Bumi. Para peneliti umumnya sepakat bahwa kemunculan biopolimer pertama dan bahan penyusunnya menandai langkah penting dalam asal mula kehidupan (OoL). Namun, para ilmuwan masih belum mengetahui secara pasti bagaimana sekumpulan bahan kimia inert (gas) prasejarah berevolusi menjadi sistem kehidupan pertama.
Misteri ini masih sulit dipecahkan karena rangkaian lengkap peristiwa yang menyebabkan kehidupan tidak mungkin diamati secara langsung dan sangat sulit untuk diciptakan kembali. Selama satu abad terakhir, para ilmuwan telah mengajukan banyak hipotesis, sebagian besar berfokus pada evolusi kimia yang terjadi di Bumi atau di luar angkasa. Namun setiap penjelasan mempunyai keterbatasan, seringkali bergantung pada hasil eksperimen tertentu dan/atau hipotesis teoritis.
Beberapa model terkenal telah mencoba menjelaskan OoL kimia (terestrial), termasuk dunia metabolisme pertama (dunia FeS), dunia seng, dunia tioester, dunia RNA, dan dunia lipid. Meskipun masing-masing memberikan informasi berharga, tidak ada yang memberikan penjelasan lengkap tentang bagaimana kehidupan muncul dari benda mati. Tidak ada teori yang berhasil mengintegrasikan seluruh aspek proses ke dalam satu skenario yang terpadu dan meyakinkan.
Kerangka kerja baru yang dibangun berdasarkan nanozim
Untuk mengatasi tantangan ini, Profesor Yongdong Jin, dari Fakultas Teknik Biomedis di Universitas Shenzhen di Tiongkok, mengajukan “hipotesis nanozim” untuk OoL di Bumi.
Hipotesis menunjukkan bahwa nanozim mineral alami primitif (MN-zim), serta generasi selanjutnya dari nanozim molekul organik kecil hibrida, memainkan peran sentral dalam kemunculan dan evolusi kehidupan. Menurut gagasan ini, bahan-bahan ini sangat penting pada tahap awal perkembangan kehidupan, membantu menghasilkan molekul pertama yang relevan secara biologis dari zat tak hidup.
Dalam kondisi bumi primitif, MN-zim mungkin secara bertahap mengubah bahan kimia inert (gas) prasejarah menjadi molekul yang semakin kompleks melalui kombinasi proses kimia (dan fisik). Penulis mengusulkan bahwa transformasi ini terjadi terutama melalui proses yang digambarkan sebagai “fotosintesis anorganik”.
Berbagai peran dalam evolusi kimia awal
Hipotesis nanozim mengaitkan beberapa fungsi penting dengan MN-zim alami. Ini termasuk (a) katalisis, (b) pengikatan/pengurungan permukaan, (c) iradiasi anti-UV, (d) seleksi (foto-), dan (e) manajemen aliran energi.
Dengan memenuhi peran ini, MN-zim mungkin telah mempengaruhi reaksi kimia awal dengan menggunakan sumber energi alami seperti cahaya, panas, dan listrik. Hipotesis lebih lanjut menunjukkan bahwa mereka membantu mengubah energi menjadi informasi molekuler yang disimpan dalam molekul (dan entitas) yang dapat dibaca, ditulis, dan diduplikasi. Kemampuan tersebut dianggap sebagai prasyarat penting bagi munculnya sistem kehidupan.
Bumi, laboratorium alam raksasa
Hipotesis tersebut memandang Bumi sendiri mampu secara bertahap menghasilkan dunia organik dari lingkungan yang awalnya sepenuhnya anorganik di bawah kondisi primordial yang keras, sebuah gagasan yang sebagian besar konsisten dengan konsep abiogenesis sebelumnya.
Dalam kerangka ini, Bumi berfungsi sebagai laboratorium kimia alam “all-in-one” yang beroperasi dalam jangka waktu yang sangat lama. Gradien tekanan dan suhu alami di seluruh planet (mantel hingga kerak bumi), khususnya di dekat gunung berapi aktif dan sumber air panas bumi, mungkin telah memberikan kondisi ideal untuk reaksi lava bersuhu tinggi/tekanan tinggi dan reaksi hidrotermal.
Lingkungan ini mungkin menghasilkan enzim MN pertama, termasuk logam/logam mulia, oksida logam, dan NP tersulfurisasi. Khususnya, pendekatan serupa banyak digunakan di laboratorium saat ini untuk mensintesis nanozim buatan.
Selama miliaran tahun, kumpulan MN-zim primordial ini mungkin perlahan berevolusi, memperbarui dirinya, dan menjadi semakin canggih. Beberapa bahkan mungkin telah dimasukkan ke dalam organisme hidup. Menurut hipotesis, proses ini berkontribusi pada evolusi mineral dan perubahan lingkungan progresif yang meningkatkan kondisi kelangsungan hidup dan perkembangan molekul prebiotik dan kehidupan primitif.
Nanopartikel mineral berlimpah di Bumi
NP Mineral sudah tersebar luas di seluruh lingkungan alam di Bumi. Setiap tahun, ribuan terragram (Tg) (1 Tg = 1012 g) partikel-partikel ini bersirkulasi melalui ekosistem. Beberapa memiliki aktivitas seperti enzim alami dan oleh karena itu diklasifikasikan sebagai MN-zim.
Bahan-bahan ini ditemukan di lautan, perairan, atmosfer, dan tanah, dimana bahan-bahan tersebut memainkan peran penting dalam siklus biogeokimia lingkungan.
Temuan terbaru juga menunjukkan bahwa alam dapat menghasilkan enzim MN lebih mudah dari perkiraan sebelumnya. Penelitian telah menunjukkan bahwa NM dapat terbentuk secara spontan melalui perubahan mineral alami dalam mikrotetesan air bermuatan atau di bawah iradiasi UV. Sinar matahari dan petir selanjutnya dapat menyediakan kondisi fotokatalitik dan elektrokatalitik yang diperlukan untuk mendukung produksi nanozim primordial dan kemudian nanozim hibrida organik dalam skala besar, serta cadangan molekul prebiotik yang kaya di permukaan bumi.
Proyek “Au World”.
Aspek yang sangat menonjol dari hipotesis ini adalah mengenai NP emas (AuNPs) yang dilindungi oleh lapisan tunggal.
Penulis berpendapat bahwa partikel-partikel ini mungkin merupakan salah satu MN-zim yang paling efektif dan mungkin menempati tempat sentral dalam sejarah evolusi nanozim selama OoL di Bumi. Dia menyebut konsep ini sebagai “Au world”.
Meskipun AuNP saat ini umumnya dianggap sebagai nanozim buatan, hipotesisnya menunjukkan bahwa mereka secara geologis masuk akal dalam berbagai kondisi alam di Bumi.
AuNP bebas mungkin mengalami kesulitan untuk tetap stabil dalam sup aslinya karena biasanya memerlukan lapisan permukaan organik. Namun, ketika molekul kecil seperti tiol dan amina diproduksi (oleh enzim MN lainnya) dan terakumulasi di lokasi tertentu, AuNP mungkin bertahan dalam bentuk yang dilindungi lapisan tunggal (tiol/amina). Dengan cara ini, mereka dapat berpartisipasi dalam jaringan reaksi yang lebih luas yang berkontribusi terhadap munculnya kehidupan.
Empat kondisi kunci bagi molekul kehidupan
Untuk menjelaskan lebih lanjut bagaimana molekul kehidupan dipilih dan distabilkan secara alami, penulis mengidentifikasi 4 elemen dan kondisi penting yang terkait dengan OoL di Bumi:
- Bersepeda basah-kering dan amfifilisme
- Perakitan mandiri dan pengorganisasian mandiri
- Aktivitas katalitik dan protoenzimatik
- Kombinasikan simbiosis dan stabilisasi
Bersama-sama, faktor-faktor ini diusulkan sebagai kondisi mendasar bagi kelangsungan hidup dan evolusi molekul yang berkaitan dengan kehidupan awal.
Melihat ke masa depan
Analisis ini melampaui nanozim itu sendiri dan mengeksplorasi beberapa pertanyaan besar lainnya terkait OoL di Bumi. Ini termasuk paradoks air, pentingnya struktur mikro-nano permukaan bumi, dan sifat fisikokimia unik air serta siklus lingkungan basah-kering yang mungkin mempengaruhi kimia prebiotik.
Penulis juga membahas kerja sama molekuler dan ko-evolusi selama tahap awal kemunculan kehidupan, serta perspektif fisik tambahan tentang OoL, termasuk gagasan terkait asal usul kiral biomolekul.
Pada akhirnya, hipotesis nanozim bertujuan untuk memberikan kerangka kerja yang lebih luas yang dapat membantu mendamaikan perbedaan pendapat yang sudah lama ada antara teori-teori yang bersaing tentang asal usul kehidupan. Penulis berharap hal ini akan memberikan pencerahan baru pada salah satu misteri sains yang paling abadi, sekaligus mendorong penelitian lebih lanjut mengenai kemungkinan peran nanozim dalam munculnya kehidupan di Bumi.
