Група американски и немски учени описаха механизма, по който протоклетките, които бяха предшественици на първите живи организми на нашата планета, придобиха способността да растат и да се делят.
От древни времена хората се интересуват от въпроса за произхода на живота. В хода на историята се появиха няколко хипотези, от които вероятно само теорията за изначалната супа има научна стойност. Всички останали се оказаха несъстоятелни. Креационизмът или теорията за божественото творение, която датира от късния неолит, се счита за ненаучна; хипотезата за вечното съществуване на живота напълно противоречи на палеонтологичните и астрономическите данни; хипотезата за привеждане на живот на нашата планета отвън (концепцията за панспермия) по принцип не решава проблема и, напротив, провокира въпроса как би могъл да възникне животът в друг свят.
За първи път версията, че малките капчици в ранните етапи на възникването на живота могат да се образуват поради разделянето на молекулите в сложни смеси поради фазово делене в коацерват (така наречения първичен бульон), беше изразена от съветския биолог Александър Опарин, малко по-късно - от британския учен Джон Халдан. Според хипотезата тези капчици осигуряват образуването на реактивни химически центрове, но в същото време остава неясно как те растат и се размножават.
Като част от новото изследване учените наблюдават поведението на капчиците в системи, поддържани от външен източник на енергия в състояние, далеч от термодинамично равновесие. В такива системи растежът на капчици се осъществява чрез добавяне на капков материал, който се получава по време на химични реакции. Установено е, че растежът на капка, който се получава в резултат на химични процеси, води до нестабилност на формата на капки и провокира разделянето й на две по-малки капчици.
По този начин химически активните капчици показват цикли на растеж и разделяне, наподобяващи пролиферацията на тъкан в жив организъм поради размножаването на клетките чрез деление (пролиферация). Изследователите хипотезират, че разделянето на активни капки може да служи като модел за пребиотични протоцели, при които химичните реакции в капчицата насърчават пребиотичния метаболизъм.
Течните капчици са самоорганизиращи се структури, които могат да съществуват съвместно със заобикалящата течност. Повърхността, която разделя две съседни фази, придава на капчиците определена форма, поради повърхностното напрежение - сферична. В допълнение, някои вещества имат способността да проникват на повърхността на капчиците на коацерват. Разделянето на средата на капчици натрупва ограничен обем материал и води до определени химични реакции.
Учените са установили термодинамиката на раждането на капка, но в същото време все още не разбират как тя расте и се размножава, тоест има основните характеристики, присъщи на живия организъм. Общоприето е, че нарастването на капчиците се дължи на абсорбцията на материал от свръхнаситена среда или процеса на рекондензация - прехвърлянето на разтворимо вещество от малки частици към големи чрез разтваряне (този процес се нарича узряване на Ostwald). В този случай малки капчици изчезват, остават само големи. Освен това учените признават, че малките капчици могат да се комбинират и да образуват големи. С течение на времето всички тези процеси водят до увеличаване на размера на капчиците и намаляване на техния брой, въпреки че протоклетката, при достигане на определен размер, трябва да се раздели на две.
Изследователите хипотезират, че капчиците на коацерват, които се поддържат далеч от термодинамично равновесие с химическо гориво, могат да имат необичайни характеристики, например, узряването на Ostwald при наличие на химически реакции може да бъде потиснато, при което няколко капчици могат да съществуват стабилно с определен размер, който се определя от скоростта реакции. В този случай сферичните капчици, които са подложени на химически реакции, се разделят на случаен принцип на две по-малки капчици със същия размер. Учените предполагат, че по този начин химически активните капчици могат да растат и да се разделят и следователно да се размножават, като използват входящия материал като гориво. Следователно, при наличие на химични реакции, които се предизвикват от външни източници, капчиците се държат като клетки. Такива активни капчици могат да бъдат модели за растеж и разделяне на протоцели с примитивен метаболизъм, което е проста химическа реакция, поддържана от външно гориво.
Промоционално видео:
Тези капчици са един вид резервоар за пространствената организация на определени химични реакции. За появата на капки е необходимо фазите да се разделят на две течни фази от различни състави, които съществуват един до друг. Фазите са разделени поради молекулно действие, при което подобни молекули понижават собствената си енергия, като са в непосредствена близост една до друга. Течността е способна да се разслои, ако намаляването на енергията, свързано с молекулно действие, поради смесване, преодолява ефекта от увеличаване на хаоса. Ако такива взаимодействия са достатъчно силни, се образува повърхност, която разделя съпътстващите фази. Ако повърхностният материал се образува и унищожи чрез химически реакции, капчиците могат да станат реактивни.
Така например, ако разгледаме модела на обикновена капка, можем да видим, че той има минимален брой необходими условия за образуването и умножаването на коацерватна капка: фазов интерфейс, две фази, както и външен източник на енергия, който държи системата далеч от състоянието на термодинамично равновесие … Каплеобразуването се дължи на D-капков материал, генериран вътре в капчицата от високоенергиен материал N, който действа като хранително вещество. Капченият материал е способен да се разложи на компоненти с по-ниска енергия W (отпадъци), които в резултат на дифузия напускат капчицата. Капка може да оцелее, когато има непрекъснато подаване на N и постоянно отстраняване на W. Това може да се постигне чрез рециркулация на N, използвайки външен източник на енергия, по-специално,слънчева светлина или определени горива.
Авторите на изследването смятат, че физиката на активните капчици е доста проста. Най-лесно е да се разбере от примера на модел с два компонента A и B. Когато фазата на материала на капчицата B се отдели от разтворителя, тя може да бъде трансформирана на случаен принцип поради химическата реакция BA в молекули тип А, които са разтворими във фоновата течност. Остава капка. Обратната реакция A-B вече не е спонтанна, тъй като B има по-висока енергия от A. Нов капков материал B може да бъде получен чрез реакцията A + C-B + C, свързана с горивото. В този случай С е ниско енергиен продукт на реакцията на молекулите на горивото. Горивото осигурява разлика в потенциала на химичните вещества, което прави възможно достигането до състояние В с висока енергия от състояние с по-ниска енергия А. Потенциалната разлика може да бъде постоянна, акоако концентрациите на С в тях са дадени от външен резервоар. В този случай системата се поддържа далеч от състоянието на термодинамично равновесие.
Учените са проучили комбинацията от разделяне на фазите и небалансирани химични реакции също в непрекъснат модел. Изследователите са открили, че химически активните сферични капчици могат да бъдат нестабилни и да се разделят на две по-малки капчици. Първоначално капката расте, докато достигне неподвижен размер. След това се удължава, образувайки форма на дъмбел. След това този дъмбел се разделя на две по-малки капчици със същия размер. В крайна сметка по-малките капчици започват да растат отново до ново разделение.
Както отбелязват учените, явленията, които са моделирали, могат да бъдат наблюдавани директно в експеримента. Според изследователите нестабилността на капчиците, която се задейства от външен приток на енергия и която води до делене на капчиците, може да се сравни с нестабилността на Мулинс-Секерки, която често се обсъжда в контекста на растежа на кристалите. За разлика от него, нестабилността на формата на капчиците може да се прояви и при наличие на неподвижна нерастяща капчица.
Съвременните клетки имат някои химически структури, които не са отделени от клетъчната цитоплазма с мембрана. Те се образуват чрез фазово отделяне от цитоплазмата. Повечето от тях са течни и се състоят от РНК-свързващи протеини и РНК молекули. Според хипотезата на света на РНК, в ранните периоди на живота, РНК е била и носител на генетична информация и е играла ролята на рибозим. Вероятно е комбинацията на РНК с прости пептиди да е била достатъчна за образуване на капчици коацерват.
Както отбелязват авторите на изследването, трансформацията на химически активни капчици в клетка, която се разделя за първи път, е голям проблем за разбирането на ранния еволюционен процес. За разлика от външната и вътрешната среда за капчици, интерфейсът между тези среди е амфифилен. Онези липиди, които нямат афинитет към вътрешната и външната среда на капчицата, биха могли да се натрупат върху амфифилната повърхност, при условие че присъстват във външната среда на капчици коацерват. Според специалистите мембраните в коацерватите могат да се появят много по-рано, отколкото е станало първото разделение на протоклетките.