En grupp amerikanska och tyska forskare beskrev mekanismen genom vilken protocellerna, som var föregångarna för de första levande organismerna på vår planet, förvärvade förmågan att växa och dela sig.
Sedan antiken har människor varit intresserade av frågan om livets ursprung. Under historiens gång har flera hypoteser framkommit, varav bara teorin om den primordiala soppan troligen är av vetenskapligt värde. Alla andra visade sig vara ohållbara. Kreationism, eller teorin om gudomlig skapelse, som går tillbaka till den sena neolitiska perioden, anses vara vetenskaplig; hypotesen om livets eviga existens strider helt och hållet med paleontologiska och astronomiska data; hypotesen om att föra liv till vår planet från utsidan (begreppet panspermia) löser i princip inte problemet och framtvingar tvärtom frågan om hur livet kan uppstå i en annan värld.
För första gången uttrycktes den version av att små droppar i de tidiga stadierna av livets ursprung på grund av separationen av molekyler i komplexa blandningar på grund av fasdelning i ett koacervat (den så kallade primära buljongen) uttrycktes av den sovjetiska biologen Alexander Oparin, lite senare - av den brittiska forskaren John Haldane. Enligt hypotesen gav dessa droppar bildning av reaktiva kemiska centra, men samtidigt är det fortfarande oklart hur de växte och multiplicerades.
Som en del av den nya studien har forskare observerat beteendet hos droppar i system som upprätthålls av en extern energikälla i ett tillstånd långt från termodynamisk jämvikt. I sådana system utförs dropptillväxt genom tillsats av droppmaterial som produceras under kemiska reaktioner. Det konstaterades att tillväxten av en droppe, som inträffar som ett resultat av kemiska processer, medför en instabilitet i droppformen och provocerar dess uppdelning i två mindre droppar.
Således uppvisade de kemiskt aktiva dropparna tillväxt- och delningscykler som liknade spridningen av vävnad i en levande organisme på grund av cellmultiplikation genom delning (proliferation). Forskarna antar att uppdelning av aktiva droppar kan fungera som en modell för prebiotiska protoceller, där kemiska reaktioner i droppen främjar den prebiotiska metabolismen.
Flytande droppar är självorganiserande strukturer som kan samexistera med den omgivande vätskan. Ytan som delar två angränsande faser ger dropparna en viss form på grund av ytspänning - sfärisk. Dessutom har vissa ämnen förmågan att tränga igenom ytan på koacervatdroppar. Att dela upp mediet i droppar ackumulerar en begränsad mängd material och leder till vissa kemiska reaktioner.
Forskare har fastställt termodynamiken vid födelsen av en droppe, men samtidigt förstår de fortfarande inte hur den växer och multiplicerar, det vill säga den har de viktigaste egenskaperna som är inneboende i en levande organisme. Det accepteras allmänt att tillväxten av droppar sker på grund av absorptionen av ett material från ett övermättat medium eller processen för återkondensation - överföring av ett löst ämne från små partiklar till stora med hjälp av upplösning (denna process kallas Ostwald-mognad). I detta fall försvinner små droppar, bara stora kvar. Dessutom medger forskare att små droppar kan kombinera och bilda stora. Med tiden leder alla dessa processer till en ökning av dropparnas storlek och en minskning av antalet, även om protokollen, när den når en viss storlek, måste delas upp i två.
Forskarna antar att koacervatdroppar som hålls långt ifrån termodynamisk jämvikt med ett kemiskt bränsle kan ha ovanliga egenskaper, till exempel kan Ostwald-mogning i närvaro av kemiska reaktioner undertryckas, varigenom flera droppar kan existera stabilt med en viss storlek, vilket ges av hastigheten reaktioner. I detta fall är sfäriska droppar, som utsätts för kemiska reaktioner, slumpmässigt uppdelade i två mindre droppar av samma storlek. Forskare föreslår att kemiskt aktiva droppar på detta sätt kan växa och delas och därför multipliceras med det inkommande materialet som bränsle. Därför uppträder dropparna i närvaro av kemiska reaktioner som utlöses från externa källor som celler. Sådana aktiva droppar kan vara modeller för tillväxt och uppdelning av protoceller med primitiv metabolism, vilket är en enkel kemisk reaktion som stöds av externt bränsle.
Kampanjvideo:
Dessa droppar är en slags behållare för den rumsliga organisationen av vissa kemiska reaktioner. För uppkomsten av droppar är det nödvändigt att separera faserna i två flytande faser med olika sammansättning, som finns sida vid sida. Faserna är indelade på grund av molekylär verkan, där liknande molekyler sänker sin egen energi, när de är i närheten av varandra. En vätska kan stratifiera om minskningen av energi förknippad med molekylär verkan på grund av blandning övervinner effekten av ökande kaos. Om sådana interaktioner är tillräckligt starka bildas en yta som skiljer de samexisterande faserna. Om ytmaterialet bildas och förstörs av kemiska reaktioner kan dropparna bli reaktiva.
Så, till exempel, om vi betraktar modellen för en enkel droppe, kan vi se att den har ett minimum antal nödvändiga förhållanden för bildning och multiplikation av ett koacervatfall: ett fasgränssnitt, två faser, samt en extern energikälla som håller systemet borta från tillståndet i termodynamisk jämvikt … Droppbildningen beror på D-droppmaterialet som genereras inuti droppen från ett högenergi-material N, som fungerar som ett näringsämne. Droppmaterialet kan sönderdelas till lägre energikomponenter W (avfall), som, som ett resultat av diffusion, lämnar droppen. En droppe kan överleva när det finns en kontinuerlig tillförsel av N och en konstant borttagning av W. Detta kan uppnås genom återcirkulation av N med hjälp av en extern energikälla, i synnerhet,solljus eller vissa bränslen.
Studiens författare anser att fysiken hos aktiva droppar är ganska enkel. Det är lättast att förstå med exemplet på en modell med två komponenter A och B. När fasen av droppen B-materialet separerar från lösningsmedlet kan den slumpmässigt omvandlas på grund av den kemiska reaktionen BA till molekyler av typ A, som är lösliga i bakgrundsvätskan. En droppe återstår. Den omvända reaktionen A-B är inte längre spontan, eftersom B har en högre energi än A. Nytt droppmaterial B kan erhållas genom reaktionen A + C-B + C associerad med bränsle. I detta fall är C en lågenergi-reaktionsprodukt av bränslemolekyler. Bränslet ger en kemisk potentialskillnad, vilket gör det möjligt att nå tillstånd B med hög energi från ett lägre energitillstånd A. Potentialskillnaden kan vara konstant omom koncentrationerna av C i dem ges av en extern behållare. I detta fall hålls systemet långt från tillståndet för termodynamisk jämvikt.
Forskare har studerat kombinationen av fasseparation och obalanserade kemiska reaktioner också i en kontinuerlig modell. Forskare har funnit att kemiskt aktiva sfäriska droppar kan vara instabila och dela upp i två mindre droppar. Ursprungligen växer droppen tills den når en stationär storlek. Efter det förlängs det och bildar en hantelform. Denna hantel delas sedan upp i två mindre droppar av samma storlek. I slutändan börjar de mindre dropparna växa igen tills en ny division.
Som forskarna noterar kan de fenomen som de modellerade direkt observeras i experimentet. Enligt forskarna kan instabiliteten hos droppar, som utlöses av en yttre tillströmning av energi och som leder till smälten av droppar, jämföras med Mullins-Sekerki-instabiliteten, som ofta diskuteras i samband med kristalltillväxt. I motsats till detta kan instabiliteten hos droppformen emellertid också uppstå i närvaro av en rörlig, icke-växande dropp.
Moderna celler har vissa kemiska strukturer som inte är separerade från den cellulära cytoplasma med ett membran. De bildas genom fasseparation från cytoplasma. De flesta av dem är flytande och består av RNA-bindande proteiner och RNA-molekyler. Enligt hypotesen om RNA-världen var RNA i de tidiga perioderna av livet både en bärare av genetisk information och spelade rollen som ett ribozym. Det är troligt att kombinationen av RNA med enkla peptider var tillräcklig för att bilda koacervat droppar.
Som författarna till studien noterar är transformationen av kemiskt aktiva droppar i en cell som delar sig för första gången ett stort problem för att förstå den tidiga evolutionära processen. Till skillnad från de externa och interna droppmedierna är gränssnittet mellan dessa media amfifilt. De lipider som inte har någon affinitet för den inre och yttre miljön för droppen kan samlas på den amfifila ytan, förutsatt att de är närvarande i den yttre miljön för koacervatdroppar. Enligt experter kan membran i koacervater tyckas mycket tidigare än den första uppdelningen av protoceller ägde rum.