Skupina amerických a nemeckých vedcov opísala mechanizmus, ktorým protokoly, ktoré boli predchodcami prvých živých organizmov na našej planéte, získali schopnosť rásť a deliť sa.
Od staroveku sa ľudia zaujímali o otázku pôvodu života. V priebehu histórie sa objavilo niekoľko hypotéz, z ktorých iba teória pravekej polievky má pravdepodobne vedeckú hodnotu. Všetci ostatní sa ukázali byť neudržateľní. Kreacionizmus alebo teória Božieho stvorenia, ktorá siaha až do neskorého neolitu, sa považuje za nevedecký; hypotéza večnej existencie života je úplne v rozpore s paleontologickými a astronomickými údajmi; hypotéza privádzania života na našu planétu zvonka (koncept panspermie) v zásade problém nerieši a naopak vyvoláva otázku, ako by mohol vzniknúť život v inom svete.
Verzia, ktorú malé kvapôčky v počiatočnom štádiu života mohli vzniknúť vďaka separácii molekúl v zložitých zmesiach kvôli fázovému rozdeleniu na koacervát (tzv. Primárny vývar), vyjadril sovietsky biológ Alexander Oparin, o niečo neskôr - britský vedec John Haldane. Podľa hypotézy tieto kvapôčky poskytovali tvorbu reaktívnych chemických centier, ale zároveň nie je jasné, ako rástli a množili sa.
V rámci novej štúdie vedci pozorovali správanie kvapiek v systémoch udržiavaných externým zdrojom energie v stave ďaleko od termodynamickej rovnováhy. V takýchto systémoch sa rast kvapiek uskutočňuje pridaním kvapôčkového materiálu, ktorý sa vytvára počas chemických reakcií. Zistilo sa, že rast kvapky, ku ktorej dochádza v dôsledku chemických procesov, spôsobuje nestabilitu tvaru kvapky a spôsobuje jej rozdelenie na dve menšie kvapôčky.
Chemicky aktívne kvapôčky teda vykazovali rastové a deliace cykly pripomínajúce proliferáciu tkaniva v živom organizme v dôsledku množenia buniek delením (proliferácia). Vedci predpokladajú, že rozdelenie aktívnych kvapôčok by mohlo slúžiť ako model prebiotických protobuniek, v ktorých chemické reakcie v kvapôčke podporujú prebiotický metabolizmus.
Kvapôčky kvapaliny sú samoorganizujúce sa štruktúry, ktoré môžu koexistovať s okolitou tekutinou. Povrch, ktorý rozdeľuje dve susedné fázy, dáva kvapkám určitý tvar, vďaka povrchovému napätiu - guľovitému. Niektoré látky majú okrem toho schopnosť preniknúť na povrch koacervátových kvapiek. Rozdelenie média na kvapôčky akumuluje obmedzený objem materiálu a vedie k určitým chemickým reakciám.
Vedci stanovili termodynamiku narodenia kvapky, ale zároveň stále nechápu, ako rastie a množia sa, to znamená, že má hlavné črty, ktoré sú vlastné živému organizmu. Všeobecne sa uznáva, že k rastu kvapiek dochádza v dôsledku absorpcie materiálu z presýteného média alebo procesu regenerácie - prenos rozpustenej látky z malých častíc na veľké pomocou rozpúšťania (tento proces sa nazýva Ostwaldovo dozrievanie). V tomto prípade malé kvapky zmiznú, zostanú iba veľké. Vedci tiež pripúšťajú, že malé kvapôčky sa môžu kombinovať a vytvárať veľké. Postupom času všetky tieto procesy vedú k zväčšeniu veľkosti kvapôčok ak zníženiu ich počtu, hoci protocell sa musí po dosiahnutí určitej veľkosti rozdeliť na dva.
Vedci predpokladajú, že koacervátové kvapôčky, ktoré sú udržiavané ďaleko od termodynamickej rovnováhy s chemickým palivom, môžu mať neobvyklé vlastnosti, napríklad Ostwaldovo dozrievanie v prítomnosti chemických reakcií môže byť potlačené, pričom niekoľko kvapôčok môže existovať stabilne s určitou veľkosťou, ktorá je daná rýchlosťou reakcie. V tomto prípade sa sférické kvapôčky, ktoré podliehajú chemickým reakciám, sa náhodne rozdelia na dve menšie kvapôčky rovnakej veľkosti. Vedci naznačujú, že týmto spôsobom môžu chemicky aktívne kvapôčky rásť a deliť sa, a preto sa môžu množiť, pričom prichádzajúci materiál používajú ako palivo. Preto sa v prítomnosti chemických reakcií, ktoré sú spúšťané z vonkajších zdrojov, sa kvapky správajú ako bunky. Takéto aktívne kvapôčky môžu byť modelom pre rast a delenie protobuniek s primitívnym metabolizmom, čo je jednoduchá chemická reakcia podporovaná externým palivom.
Propagačné video:
Tieto kvapky sú akýmsi rezervoárom pre priestorové usporiadanie určitých chemických reakcií. Pre vznik kvapiek je potrebné rozdeliť fázy na dve kvapalné fázy rôzneho zloženia, ktoré existujú bok po boku. Fázy sa delia v dôsledku molekulárneho pôsobenia, pri ktorom podobné molekuly znižujú svoju vlastnú energiu a sú v tesnej blízkosti seba. Kvapalina je schopná stratifikovať sa, ak pokles energie spojený s molekulárnym pôsobením v dôsledku miešania prekonáva účinok zvyšujúceho sa chaosu. Ak sú takéto interakcie dostatočne silné, vytvorí sa povrch, ktorý oddeľuje koexistujúce fázy. Ak je povrchový materiál tvorený a ničený chemickými reakciami, kvapôčky sa môžu stať reaktívnymi.
Napríklad, ak vezmeme do úvahy model jednoduchého poklesu, vidíme, že má minimálny počet nevyhnutných podmienok na vytvorenie a znásobenie koacervátového poklesu: fázové rozhranie, dve fázy, ako aj vonkajší zdroj energie, ktorý udržuje systém mimo stavu termodynamickej rovnováhy. … Tvorba kvapôčok je spôsobená materiálom D-kvapôčok generovaným vo vnútri kvapôčky z vysokoenergetického materiálu N, ktorý pôsobí ako živina. Kvapôčkový materiál je schopný sa rozložiť na zložky s nízkou energiou W (odpad), ktoré v dôsledku difúzie opúšťajú kvapku. Kvapka môže prežiť pri nepretržitom prísunu N a konštantnom odstraňovaní W. To sa dá dosiahnuť recirkuláciou N pomocou externého zdroja energie, najmäslnečnému žiareniu alebo určitým palivám.
Autori štúdie sa domnievajú, že fyzika aktívnych kvapôčok je pomerne jednoduchá. Najjednoduchšie je to pochopiť na príklade modelu s dvoma zložkami A a B. Keď sa fáza materiálu kvapôčky B oddelí od rozpúšťadla, môže byť náhodne transformovaná v dôsledku chemickej reakcie BA na molekuly typu A, ktoré sú rozpustné v kvapaline pozadia. Kvapka zostáva. Reverzná reakcia A-B už nie je spontánna, pretože B má vyššiu energiu ako A. Nový kvapôčkový materiál B sa môže získať reakciou A + C-B + C spojenou s palivom. V tomto prípade C je reakčný produkt s nízkou spotrebou energie molekúl paliva. Palivo poskytuje rozdiel chemického potenciálu, ktorý umožňuje dosiahnuť stav B vysokou energiou z nižšieho energetického stavu A. Rozdiel potenciálu môže byť konštantný, akak sú koncentrácie C v nich dané vonkajšou nádržou. V tomto prípade je systém udržiavaný ďaleko od stavu termodynamickej rovnováhy.
Vedci študovali kombináciu fázovej separácie a nevyvážených chemických reakcií aj na kontinuálnom modeli. Vedci zistili, že chemicky aktívne sférické kvapôčky môžu byť nestabilné a môžu sa rozdeliť na dve menšie kvapôčky. Na začiatku kvapka rastie, až kým nedosiahne stacionárnu veľkosť. Potom sa predlžuje a vytvára tvar činky. Táto činka sa potom rozdelí na dve menšie kvapôčky rovnakej veľkosti. Nakoniec menšie kvapky začnú opäť rásť až do nového rozdelenia.
Ako vedci podotýkajú, javy, ktoré modelovali, sa môžu priamo pozorovať v experimente. Podľa vedcov je nestabilita kvapôčok, ktorá je vyvolaná vonkajším prílivom energie a ktorá vedie k štiepeniu kvapiek, porovnateľná s nestabilitou Mullins-Sekerki, o ktorej sa často diskutuje v súvislosti s rastom kryštálov. Na rozdiel od toho sa však nestabilita tvaru kvapiek môže vyskytnúť aj v prítomnosti nehybných nerastúcich kvapiek.
Moderné bunky majú niektoré chemické štruktúry, ktoré nie sú oddelené od bunkovej cytoplazmy pomocou membrány. Tvoria sa fázovou separáciou z cytoplazmy. Väčšina z nich je kvapalná a pozostáva z proteínov viažucich sa na RNA a molekúl RNA. Podľa hypotézy sveta RNA bola RNA v počiatočných obdobiach života nosičom genetickej informácie a zohrávala úlohu ribozýmu. Je pravdepodobné, že kombinácia RNA s jednoduchými peptidmi bola dostatočná na vytvorenie koacervátových kvapiek.
Ako poznamenávajú autori štúdie, transformácia chemicky aktívnych kvapôčok v bunke, ktorá sa prvýkrát delí, je veľkým problémom pre pochopenie včasného evolučného procesu. Na rozdiel od externých a vnútorných kvapôčkových médií je rozhranie medzi týmito médiami amfifilné. Tie lipidy, ktoré nemajú žiadnu afinitu k vnútornému a vonkajšiemu prostrediu kvapôčky, by sa mohli akumulovať na amfifilnom povrchu za predpokladu, že sú prítomné vo vonkajšom prostredí koacervátových kvapôčok. Podľa odborníkov sa membrány v koacervátoch môžu objaviť oveľa skôr, ako sa uskutočnilo prvé rozdelenie protocells.