科学网—纳米矿催化剂可能是早期生命演化的关键动力
精选
已有 173 次阅读
2026-4-16 09:20
| 系统分类: 科普集锦
一种全新的生命起源理论指出，微小的矿物 “纳米酶”可能是推动地球早期化学演化的关键驱动力。它们的独特特性，或许填补了无生命物质与首个生命系统之间的空白。图片来源：Shutterstock
纳米酶假说认为，矿物纳米颗粒推动了早期地球的化学演化，通过催化与环境相关过程，助力无生命物质向生命形态转化。
早期地球上首批生物聚合物的形成，被普遍视为生命起源（ OoL）过程中的关键一步。然而，生命究竟如何从简单的非生命化学物质（气体）中诞生，至今仍不明确。还原这些早期过程难度极大，因此难以形成完整且准确的解释。
过去一个世纪里，科学家提出了诸多解释生命起源的理论，大多聚焦地球或宇宙空间中的化学演化。尽管研究不断推进，这些理论仍存在缺陷且常引发争议，原因在于它们依赖的实验证据有限，或基于特定的理论假设。
相关理论包括代谢优先世界（硫化铁世界）、锌世界、硫酯世界、 RNA世界与脂质世界。每种理论都能解释早期生命形成的部分环节，却无法给出完整阐释。目前尚未建立起一个能统一解释生命如何从简单化学物质中诞生的模型。
天然矿物纳米酶在地球生命起源中的多重关键作用
图 1 天然矿物纳米酶（MN-zymes）在地球生命起源中的多重关键作用。
全新统一理论：纳米酶假说
为弥补这些研究空白，深圳大学金永东教授提出了 “纳米酶假说”。该理论认为，天然矿物纳米酶（MN-zymes），以及后续与小分子有机物形成的杂合纳米酶，在生命的诞生与演化中占据核心地位，尤其在生命起源的最初阶段。
根据该假说，这类纳米酶通过复杂的物理化学过程，助力简单的非生命化学物质转化为早期生物分子。其中一个关键机制，被定义为早期地球环境下的 “无机光合作用”。
该模型提出，矿物纳米酶承担着多项核心功能：催化反应、分子结合与限域、抵御紫外线辐射、光驱动选择性反应，以及调控能量流动。凭借这些作用，纳米酶为化学反应提供支持，帮助能量转化为可储存、可复制、可利用的分子形式，而这些正是生命存在的基本条件。
地球：一座天然化学实验室
这一观点将地球本身视作一个庞大、自维持的化学系统，能够在完全无机的环境中孕育生命，这与早期的无生源论观点相似。在此框架下，地球如同一个 “一体化”的天然实验室。
地球：可持续的天然大型化学实验室
图 2 原始大气环境与矿物纳米酶体系下，地球作为“一体化”可持续天然大型化学实验室，为地球生命起源合成前生物分子的示意图。地球内部，尤其是火山与地热系统附近，温度和压力存在自然差异，为纳米酶通过高温高压反应形成创造了理想条件。这类过程与当前实验室制备人工纳米酶的方法十分相似。
随着时间推移，这些早期纳米酶可能不断演化、自我更新，部分最终被整合进生命系统，既影响生物演化，也逐步改变地球环境；而环境的改变，又进一步推动了化学演化与早期生命的发展。
天然纳米酶的丰度与形成方式
矿物纳米颗粒在地球上分布广泛。每年，数千太克（ Tg，1 Tg = 1012克）的这类颗粒在生态系统中循环。许多矿物纳米颗粒具备类酶活性，广泛存在于海洋、土壤、大气与淡水系统中，在生物地球化学循环中发挥关键作用。
最新研究表明，纳米酶的形成难度远低于此前认知。它们可通过带电水微滴中的矿物风化、紫外线照射等过程形成。阳光与雷电也能驱动地表化学反应，同时生成纳米酶与各类前生物分子。
“金世界”与纳米酶的特殊功能
该假说还强调了金纳米颗粒（ AuNPs）的潜在作用，并称其为“金世界”。这类颗粒或许是活性极强的纳米酶，对早期化学演化贡献重大，但其重要性长期被忽视。
矿物纳米酶的推测化学起源路径与演化谱系
图 3 地球生命起源中矿物纳米酶的推测化学起源路径与演化谱系。尽管无保护涂层的游离金纳米颗粒难以稳定存在，但在巯基、胺类等小分子有机物出现后，金纳米颗粒可附着于矿物表面或以稳定形式存在，从而参与早期化学过程。
生命诞生的关键条件与广泛意义
该假说还归纳了早期生命相关分子诞生与存续的几项必要条件：干湿循环、两亲性、自组装与有序化、类原始酶的催化活性，以及分子间的稳定相互作用。
除纳米酶本身外，这一理论框架还探讨了更广泛的生命起源问题，包括水与表面结构的作用、早期分子间的协作与共演化，以及分子手性起源等物理因素。
总体而言，纳米酶假说旨在解答地球生命起源这一长期悬而未决的难题，提供了更具整合性的解释，也有望推动学界进一步研究纳米酶在早期生物演化中的作用。
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自孙学军科学网博客。 链接地址： https://blog.sciencenet.cn/blog-41174-1529879.html
上一篇： 一种两栖动物肠道菌有卓越的抗癌特性 下一篇： 重新认识一种隐藏的膳食化合物