Skupina amerických a německých vědců popsala mechanismus, kterým protocells, které byly předchůdci prvních živých organismů na naší planetě, získaly schopnost růst a dělit se.
Od starověku se lidé zajímali o otázku původu života. V průběhu historie se objevilo několik hypotéz, z nichž pouze teorie pravěké polévky má pravděpodobně vědeckou hodnotu. Všichni ostatní se ukázali být neudržitelní. Kreacionismus nebo teorie božského stvoření, která sahá až do pozdního neolitu, je považována za nevědeckou; hypotéza věčné existence života zcela odporuje paleontologickým a astronomickým datům; hypotéza o přivedení života na naši planetu z vnějšku (koncept panspermie) v zásadě problém nevyřeší a naopak vyvolává otázku, jak by život mohl vzniknout v jiném světě.
Poprvé byla verze sovětského biologa Alexandra Oparina, o něco později - britského vědce Johna Haldana, vyjádřena verze, že malé kapičky v raných stádiích života mohly vzniknout díky separaci molekul v komplexních směsích kvůli fázové separaci v koacervátu (tzv. Primární vývar). Podle hypotézy poskytly tyto kapičky vznik reaktivních chemických center, ale zároveň není jasné, jak rostly a množily se.
V rámci nové studie vědci pozorovali chování kapiček v systémech udržovaných vnějším zdrojem energie ve stavu daleko od termodynamické rovnováhy. V takových systémech je růst kapiček prováděn přidáním kapičkového materiálu, který je produkován během chemických reakcí. Bylo zjištěno, že růst kapky, ke kterému dochází v důsledku chemických procesů, způsobuje nestabilitu tvaru kapky a vyvolává její rozdělení na dvě menší kapičky.
Chemicky aktivní kapky tedy vykazovaly růstové a dělicí cykly připomínající proliferaci tkáně v živém organismu díky multiplikaci buněk dělením (proliferace). Vědci předpokládají, že dělení aktivních kapiček může sloužit jako model prebiotických protocell, ve kterých chemické reakce v kapičce podporují prebiotický metabolismus.
Kapičky kapaliny jsou samoorganizující se struktury, které mohou koexistovat s okolní kapalinou. Povrch, který dělí dvě sousední fáze, dává kapkám určitý tvar, díky povrchovému napětí - kulovému. Kromě toho některé látky mají schopnost proniknout na povrch koacervátových kapiček. Rozdělení média na kapičky akumuluje omezený objem materiálu a vede k určitým chemickým reakcím.
Vědci stanovili termodynamiku zrození kapky, ale zároveň stále nechápou, jak roste a množí se, to znamená, že má hlavní rysy, které jsou vlastní živému organismu. Obecně se uznává, že k růstu kapiček dochází v důsledku absorpce materiálu z přesyceného média nebo procesu opětovné kondenzace - přenos solutu z malých částic na velké částice rozpuštěním (tento proces se nazývá Ostwaldovo zrání). V tomto případě malé kapičky zmizí, zůstanou jen velké. Vědci navíc připouštějí, že malé kapičky se mohou kombinovat a tvořit velké. Postupem času všechny tyto procesy vedou ke zvětšení velikosti kapiček a ke snížení jejich počtu, ačkoli protocell se musí po dosažení určité velikosti rozdělit na dva.
Vědci předpokládají, že koacervátové kapičky, které jsou udržovány daleko od termodynamické rovnováhy s chemickým palivem, mohou mít neobvyklé vlastnosti, jako je Ostwaldovo dozrávání v přítomnosti chemických reakcí, které může být potlačeno, přičemž několik kapiček může existovat stabilně s určitou velikostí, což je dáno rychlostí reakce. V tomto případě se sférické kapičky, které podléhají chemickým reakcím, náhodně rozdělí na dvě menší kapičky stejné velikosti. Vědci naznačují, že tímto způsobem mohou chemicky aktivní kapičky růst a dělit se, a proto se množit, přičemž využívají přicházející materiál jako palivo. Proto v přítomnosti chemických reakcí, které jsou spouštěny z vnějších zdrojů, se kapičky chovají jako buňky. Takové aktivní kapičky mohou být modely pro růst a dělení protocell s primitivním metabolismem, což je jednoduchá chemická reakce podporovaná vnějším palivem.
Propagační video:
Tyto kapičky jsou jakýmsi rezervoárem pro prostorové uspořádání určitých chemických reakcí. Pro vznik kapek je nutné rozdělit fáze do dvou kapalných fází různého složení, které existují vedle sebe. Fáze jsou rozděleny kvůli molekulárnímu účinku, ve kterém podobné molekuly snižují svou vlastní energii, jsou v těsné blízkosti sebe. Kapalina je schopna stratifikovat, pokud pokles energie spojený s molekulárním působením v důsledku míchání překoná účinek rostoucího chaosu. Pokud jsou takové interakce dostatečně silné, vytvoří se povrch, který odděluje koexistující fáze. Pokud je povrchový materiál tvořen a ničen chemickými reakcemi, mohou se kapičky stát reaktivními.
Pokud například vezmeme v úvahu model jednoduché kapky, můžeme vidět, že má minimální počet nezbytných podmínek pro vytvoření a násobení koacervátové kapky: fázové rozhraní, dvě fáze a také externí zdroj energie, který udržuje systém mimo stav termodynamické rovnováhy. … Tvorba kapiček je způsobena materiálem D-kapiček generovaným uvnitř kapičky z materiálu N s vysokou energií, který působí jako živina. Kapkový materiál je schopen se rozložit na složky s nízkou energií W (odpad), které v důsledku difúze kapičku opouštějí. Kapka může přežít, když existuje nepřetržité zásobování N a konstantní odstraňování W. Toho lze dosáhnout recirkulací N pomocí externího zdroje energie, zejménasluneční světlo nebo určitá paliva.
Autoři studie se domnívají, že fyzika aktivních kapiček je poměrně jednoduchá. Nejjednodušší je to pochopit na příkladu modelu se dvěma složkami A a B. Když se fáze materiálu kapičky B oddělí od rozpouštědla, může být náhodně přeměněna v důsledku chemické reakce BA na molekuly typu A, které jsou rozpustné v kapalině pozadí. Kapka zůstává. Reverzní reakce A-B již není spontánní, protože B má vyšší energii než A. Nový kapičkový materiál B lze získat reakcí A + C-B + C spojenou s palivem. V tomto případě je C nízkoenergetický reakční produkt molekul paliva. Palivo poskytuje rozdíl chemického potenciálu, který umožňuje dosáhnout stavu B vysokou energií ze stavu A nižšího stavu. Rozdíl potenciálu může být konstantní, pokudjestliže koncentrace C v nich jsou dány vnějším zásobníkem. V tomto případě je systém udržován daleko od stavu termodynamické rovnováhy.
Vědci studovali kombinaci fázové separace a nevyvážených chemických reakcí také na kontinuálním modelu. Vědci zjistili, že chemicky aktivní sférické kapičky mohou být nestabilní a rozdělit se na dvě menší kapičky. Kapka zpočátku roste, dokud nedosáhne stacionární velikosti. Poté se prodlouží a vytvoří tvar činky. Tato činka je pak rozdělena na dvě menší kapičky stejné velikosti. Nakonec menší kapičky začnou znovu růst až do nového rozdělení.
Jak vědci poznamenávají, jevy, které modelovali, lze v experimentu přímo pozorovat. Podle vědců může být nestabilita kapiček, která je vyvolána vnějším přílivem energie a která vede k štěpení kapiček, srovnatelná s nestabilitou Mullins-Sekerki, o které se často diskutuje v souvislosti s růstem krystalů. Na rozdíl od toho však nestabilita tvaru kapiček může nastat také v přítomnosti nehybné nerostoucí kapičky.
Moderní buňky mají některé chemické struktury, které nejsou odděleny od buněčné cytoplazmy pomocí membrány. Jsou tvořeny fázovou separací z cytoplazmy. Většina z nich je kapalná a skládá se z proteinů vázajících RNA a molekul RNA. Podle hypotézy světa RNA byla RNA v raných obdobích života nositelem genetické informace a hrála roli ribozymu. Je pravděpodobné, že kombinace RNA s jednoduchými peptidy byla dostatečná k vytvoření koacervátových kapiček.
Jak autoři studie poznamenávají, transformace chemicky aktivních kapiček v buňce, která se poprvé dělí, je velkým problémem pro pochopení raného evolučního procesu. Na rozdíl od externích a interních kapiček média je rozhraní mezi těmito médii amfifilní. Lipidy, které nemají žádnou afinitu k vnitřnímu a vnějšímu prostředí kapičky, by se mohly akumulovat na amfifilním povrchu za předpokladu, že jsou přítomny ve vnějším prostředí koacervátových kapiček. Podle odborníků by se membrány v koacervátech mohly objevit mnohem dříve, než došlo k prvnímu rozdělení protocellů.