Grupa amerykańskich i niemieckich naukowców opisała mechanizm, dzięki któremu protokomórki, które były poprzednikami pierwszych żywych organizmów na naszej planecie, uzyskały zdolność wzrostu i podziału.
Od czasów starożytnych ludzie interesowali się kwestią pochodzenia życia. Na przestrzeni dziejów pojawiło się kilka hipotez, z których jedynie teoria o pierwotnej zupie ma prawdopodobnie wartość naukową. Wszystkie inne okazały się nie do utrzymania. Kreacjonizm, czyli teoria boskiego stworzenia, która sięga późnego neolitu, jest uważana za nienaukową; hipoteza o wiecznym istnieniu życia całkowicie zaprzecza danym paleontologicznym i astronomicznym; hipoteza o sprowadzaniu życia na naszą planetę z zewnątrz (koncepcja panspermii) w zasadzie nie rozwiązuje problemu, a wręcz przeciwnie, prowokuje do pytania, jak życie mogłoby powstać w innym świecie.
Po raz pierwszy wersję, w której małe kropelki we wczesnych stadiach powstawania życia mogły powstać w wyniku rozdzielenia cząsteczek w złożonych mieszaninach w wyniku podziału faz w koacerwacie (tak zwany pierwotny bulion), wyraził radziecki biolog Aleksander Oparin, nieco później - brytyjski naukowiec John Haldane. Zgodnie z hipotezą kropelki te zapewniały tworzenie reaktywnych centrów chemicznych, ale jednocześnie nie jest jasne, jak rosły i rozmnażały się.
W ramach nowych badań naukowcy zaobserwowali zachowanie kropelek w układach utrzymywanych przez zewnętrzne źródło energii w stanie dalekim od równowagi termodynamicznej. W takich systemach wzrost kropelek odbywa się poprzez dodanie materiału kropelkowego, który jest wytwarzany podczas reakcji chemicznych. Stwierdzono, że wzrost kropli, który następuje w wyniku procesów chemicznych, powoduje niestabilność kształtu kropli i powoduje jej podział na dwie mniejsze krople.
W ten sposób chemicznie aktywne kropelki wykazywały cykle wzrostu i podziału przypominające proliferację tkanki w żywym organizmie w wyniku namnażania komórek przez podział (proliferację). Naukowcy wysuwają hipotezę, że podział aktywnych kropelek mógłby posłużyć jako model dla prebiotycznych protokomórek, w których reakcje chemiczne zachodzące w kropli promują metabolizm prebiotyczny.
Kropelki cieczy to samoorganizujące się struktury, które mogą współistnieć z otaczającą cieczą. Powierzchnia, która dzieli dwie sąsiednie fazy, nadaje kropelkom określony kształt, ze względu na napięcie powierzchniowe - kulisty. Ponadto niektóre substancje mają zdolność penetracji powierzchni kropelek koacerwatu. Podział medium na kropelki powoduje gromadzenie się ograniczonej ilości materiału i prowadzi do określonych reakcji chemicznych.
Naukowcy ustalili termodynamikę narodzin kropli, ale jednocześnie nadal nie rozumieją, jak rośnie i mnoży się, to znaczy ma główne cechy charakterystyczne dla żywego organizmu. Powszechnie przyjmuje się, że wzrost kropelek następuje w wyniku wchłaniania materiału z przesyconego ośrodka lub procesu rekondensacji - przeniesienia substancji rozpuszczonej z małych cząstek na duże na drodze rozpuszczania (proces ten nazywa się dojrzewaniem Ostwalda). W tym przypadku znikają małe kropelki, pozostają tylko duże. Ponadto naukowcy przyznają, że małe kropelki mogą łączyć się i tworzyć duże. Z biegiem czasu wszystkie te procesy prowadzą do wzrostu wielkości kropelek i spadku ich liczby, chociaż protokomórka po osiągnięciu określonego rozmiaru musi podzielić się na dwie.
Naukowcy wysuwają hipotezę, że kropelki koacerwatu, które są utrzymywane z dala od równowagi termodynamicznej z paliwem chemicznym, mogą mieć niezwykłe cechy, takie jak dojrzewanie Ostwalda w obecności reakcji chemicznych, można stłumić, dzięki czemu kilka kropel może istnieć stabilnie o określonej wielkości, która jest określona przez prędkość reakcje. W takim przypadku kuliste kropelki, które podlegają reakcjom chemicznym, są losowo dzielone na dwie mniejsze kropelki o tej samej wielkości. Naukowcy sugerują, że w ten sposób krople aktywne chemicznie mogą rosnąć i dzielić się, a zatem rozmnażać, wykorzystując napływający materiał jako paliwo. Dlatego w obecności reakcji chemicznych, które są wyzwalane ze źródeł zewnętrznych, kropelki zachowują się jak komórki. Takie aktywne kropelki mogą być modelami wzrostu i podziału protokomórek o prymitywnym metabolizmie, który jest prostą reakcją chemiczną wspomaganą paliwem zewnętrznym.
Film promocyjny:
Kropelki te są swego rodzaju rezerwuarem do przestrzennej organizacji pewnych reakcji chemicznych. Aby pojawiły się krople, konieczne jest rozdzielenie faz na dwie fazy ciekłe o różnym składzie, które istnieją obok siebie. Fazy są podzielone ze względu na działanie molekularne, w którym podobne cząsteczki obniżają swoją energię, będąc blisko siebie. Ciecz jest zdolna do rozwarstwienia, jeśli spadek energii związany z działaniem molekularnym spowodowany mieszaniem przezwycięża efekt narastającego chaosu. Jeśli takie oddziaływania są wystarczająco silne, powstaje powierzchnia, która oddziela współistniejące fazy. Jeśli materiał powierzchni zostanie utworzony i zniszczony w wyniku reakcji chemicznych, kropelki mogą stać się reaktywne.
Na przykład, jeśli weźmiemy pod uwagę model prostej kropli, widzimy, że ma on minimalną liczbę warunków niezbędnych do powstania i namnożenia kropli koacerwatu: interfejs fazowy, dwie fazy, a także zewnętrzne źródło energii, które utrzymuje układ z dala od stanu równowagi termodynamicznej … Tworzenie się kropel jest spowodowane materiałem kropelkowym D wytworzonym wewnątrz kropelek z wysokoenergetycznego materiału N, który działa jako składnik odżywczy. Kropelki są zdolne do rozkładu na składniki o niższej energii W (odpady), które w wyniku dyfuzji opuszczają kroplę. Kropla może przetrwać, gdy istnieje ciągły dopływ N i ciągłe usuwanie W. Można to osiągnąć poprzez recyrkulację N przy użyciu zewnętrznego źródła energii, w szczególnościświatło słoneczne lub niektóre paliwa.
Autorzy badania uważają, że fizyka aktywnych kropelek jest dość prosta. Najłatwiej to zrozumieć na przykładzie modelu z dwoma składnikami A i B. Gdy faza materiału kropli B oddzieli się od rozpuszczalnika, można ją losowo przekształcić w wyniku reakcji chemicznej BA w cząsteczki typu A, które są rozpuszczalne w cieczy tła. Pozostała kropla. Odwrotna reakcja A-B nie jest już spontaniczna, ponieważ B ma wyższą energię niż A. Nowy materiał kropelkowy B można otrzymać w reakcji A + C-B + C związanej z paliwem. W tym przypadku C jest niskoenergetycznym produktem reakcji cząsteczek paliwa. Paliwo zapewnia chemiczną różnicę potencjałów, która umożliwia osiągnięcie stanu B z wysoką energią z niższego stanu energetycznego A. Różnica potencjałów może być stała, jeślijeśli stężenia w nich C są podawane przez zewnętrzny zbiornik. W tym przypadku układ jest daleko od stanu równowagi termodynamicznej.
Naukowcy zbadali kombinację separacji faz i niezrównoważonych reakcji chemicznych również w modelu ciągłym. Naukowcy odkryli, że aktywne chemicznie kuliste kropelki mogą być niestabilne i podzielić się na dwie mniejsze kropelki. Początkowo kropla rośnie, aż osiągnie stacjonarny rozmiar. Następnie wydłuża się, tworząc kształt hantli. Ten hantel jest następnie dzielony na dwie mniejsze kropelki tego samego rozmiaru. Ostatecznie mniejsze kropelki zaczynają ponownie rosnąć, aż do nowego podziału.
Jak zauważają naukowcy, modelowane przez nich zjawiska można bezpośrednio zaobserwować w eksperymencie. Zdaniem naukowców niestabilność kropel, która jest wyzwalana przez zewnętrzny dopływ energii i która prowadzi do rozszczepienia, można porównać do niestabilności Mullinsa-Sekerki, o której często mówi się w kontekście wzrostu kryształów. Jednak w przeciwieństwie do niej, niestabilność kształtu kropli może również wystąpić w obecności nieruchomej, nie rosnącej kropli.
Współczesne komórki mają pewne struktury chemiczne, które nie są oddzielone od cytoplazmy komórkowej błoną. Powstają w wyniku rozdziału faz z cytoplazmy. Większość z nich jest płynna i składa się z białek wiążących RNA i cząsteczek RNA. Zgodnie z hipotezą świata RNA, we wczesnych okresach życia RNA był zarówno nośnikiem informacji genetycznej, jak i pełnił rolę rybozymu. Jest prawdopodobne, że połączenie RNA z prostymi peptydami wystarczyło do utworzenia kropelek koacerwatu.
Jak zauważają autorzy badania, transformacja chemicznie aktywnych kropelek w komórce, która dzieli się po raz pierwszy, stanowi duży problem dla zrozumienia wczesnego procesu ewolucyjnego. W przeciwieństwie do zewnętrznych i wewnętrznych nośników kropelkowych, interfejs między tymi mediami jest amfifilowy. Te lipidy, które nie mają powinowactwa do wewnętrznego i zewnętrznego środowiska kropelek, mogą gromadzić się na powierzchni amfifilowej, pod warunkiem, że są obecne w środowisku zewnętrznym kropelek koacerwatu. Zdaniem ekspertów membrany w koacerwatach mogły pojawić się znacznie wcześniej niż nastąpił pierwszy podział protokomórek.
