Skupina ameriških in nemških znanstvenikov je opisala mehanizem, s katerim so protocelice, ki so bile predhodnice prvih živih organizmov na našem planetu, pridobile sposobnost rasti in delitve.
Že od antičnih časov je ljudi zanimalo vprašanje izvora življenja. V zgodovini se je pojavilo več hipotez, od katerih je verjetno le teorija prvotne juhe znanstvene vrednosti. Vsi ostali so se izkazali za nevzdržne. Kreacionizem ali teorija božanskega ustvarjanja, ki izvira iz poznega neolitika, velja za nenaučno; hipoteza o večnem obstoju življenja popolnoma nasprotuje paleontološkim in astronomskim podatkom; hipoteza o prinašanju življenja na naš planet od zunaj (koncept panspermije) načeloma ne rešuje problema in nasprotno, izziva vprašanje, kako bi lahko nastalo življenje v drugem svetu.
Prvič je različico, da bi lahko majhne kapljice v zgodnjih fazah nastanka življenja nastale zaradi ločevanja molekul v kompleksnih mešanicah zaradi fazne ločitve v koacervatu (tako imenovani primarni brozg), izrazil sovjetski biolog Alexander Oparin, nekoliko kasneje - britanski znanstvenik John Haldane. Glede na hipotezo so te kapljice zagotavljale nastanek reaktivnih kemičnih centrov, hkrati pa še vedno ni jasno, kako so rasle in se množile.
V okviru nove študije so znanstveniki opazili obnašanje kapljic v sistemih, ki jih vzdržuje zunanji vir energije v stanju, ki je daleč od termodinamičnega ravnovesja. V takšnih sistemih rast kapljic poteka z dodajanjem kapljic materiala, ki nastane med kemičnimi reakcijami. Ugotovljeno je bilo, da rast kapljice, ki nastane kot posledica kemičnih procesov, povzroči nestabilnost oblike kapljice in izzove njeno delitev na dve manjši kapljici.
Tako so kemično aktivne kapljice pokazale cikle rasti in delitve, ki spominjajo na širjenje tkiva v živem organizmu zaradi množenja celic z delitvijo (razmnoževanje). Raziskovalci domnevajo, da bi delitev aktivnih kapljic lahko služila kot model za prebiotične protocelice, v katerih kemične reakcije v kapljici spodbujajo presnovo prebiotikov.
Tekoče kapljice so samoorganizirajoče se strukture, ki lahko soobstajajo z okoliško tekočino. Površina, ki deli dve sosednji fazi, daje kapljicam določeno obliko, zaradi površinske napetosti - sferične. Poleg tega imajo nekatere snovi sposobnost prodiranja na površino kapljic koacervata. Z delitvijo medija na kapljice se nabira omejena količina materiala in vodi do določenih kemičnih reakcij.
Znanstveniki so ugotovili termodinamiko rojstva kapljice, hkrati pa še vedno ne razumejo, kako raste in se razmnožuje, torej da ima glavne značilnosti, ki so lastne živemu organizmu. Splošno sprejeto je, da rast kapljic nastane zaradi absorpcije materiala iz prenasičenega medija ali procesa ponovne kondenzacije - prenosa topljenca iz majhnih delcev v velike z raztapljanjem (ta proces se imenuje zorenje Ostwalda). V tem primeru majhne kapljice izginejo, ostanejo le velike. Poleg tega znanstveniki priznavajo, da se majhne kapljice lahko kombinirajo in tvorijo velike. Sčasoma vsi ti procesi vodijo do povečanja velikosti kapljic in zmanjšanja njihovega števila, čeprav se mora protocelica, ko doseže določeno velikost, razdeliti na dva.
Raziskovalci domnevajo, da imajo kapljice koacervata, ki se vzdržujejo daleč od termodinamičnega ravnovesja s kemičnim gorivom, lahko nenavadne lastnosti, na primer zorenje Ostwalda v prisotnosti kemičnih reakcij, je mogoče zavreti, pri čemer lahko nekaj kapljic stabilno obstaja z določeno velikostjo, ki jo poda hitrost reakcije. V tem primeru se sferične kapljice, ki so podvržene kemičnim reakcijam, naključno razdelijo na dve manjši kapljici enake velikosti. Znanstveniki predlagajo, da lahko na ta način kemično aktivne kapljice rastejo in se razdelijo in se zato množijo, tako da prihajajoči material uporabljajo kot gorivo. Zato se kapljice ob prisotnosti kemičnih reakcij, ki se sprožijo iz zunanjih virov, obnašajo kot celice. Takšne aktivne kapljice so lahko modeli za rast in delitev protocelic s primitivno presnovo, kar je preprosta kemijska reakcija, podprta z zunanjim gorivom.
Promocijski video:
Te kapljice so nekakšen rezervoar za prostorsko organizacijo nekaterih kemičnih reakcij. Za pojav kapljic je potrebno ločiti faze v dve tekoči fazi različne sestave, ki obstajata drug ob drugem. Faze so razdeljene zaradi molekularnega delovanja, v katerem podobne molekule znižujejo lastno energijo, ki so v neposredni bližini. Tekočina je sposobna stratificirati, če zmanjšanje energije, povezano z molekularnim delovanjem zaradi mešanja, premaga učinek večjega kaosa. Če so takšne interakcije dovolj močne, nastane površina, ki loči soobstoječe faze. Če površinski material nastane in uniči s kemičnimi reakcijami, lahko kapljice postanejo reaktivne.
Če na primer razmislimo o modelu preprostega padca, lahko vidimo, da ima minimalno število potrebnih pogojev za nastanek in množenje kapljice koacervata: fazni vmesnik, dve fazi, pa tudi zunanji vir energije, ki sistem preprečuje stanje termodinamičnega ravnovesja … Nastajanje kapljic je posledica materiala D-kapljic, ki nastane znotraj kapljice iz visoko energijskega materiala N, ki deluje kot hranilo. Kapljicni material se lahko razgradi na nižje energijske komponente W (odpadke), ki zaradi difuzije zapustijo kapljico. Padec lahko preživi, če je neprekinjeno dovajanje N in nenehno odstranjevanje W. To lahko dosežemo z recirkulacijo N z uporabo zunanjega vira energije, zlastisončna svetloba ali določena goriva.
Avtorji študije menijo, da je fizika aktivnih kapljic precej preprosta. Najlažje je razumeti na primeru modela z dvema komponentama A in B. Ko se faza materiala kapljice B loči od topila, jo lahko zaradi kemijske reakcije BA naključno pretvorimo v molekule tipa A, ki so topne v tekočini v ozadju. Kapljica ostane. Povratna reakcija A-B ni več spontana, saj ima B večjo energijo kot A. Nov kapljični material B lahko dobimo z reakcijo A + C-B + C, povezano z gorivom. V tem primeru je C nizkoenergijski produkt reakcije molekul goriva. Gorivo zagotavlja kemično razliko potenciala, kar omogoča doseganje stanja B z visoko energijo iz nižje energijskega stanja A. Razlika v potencialu je lahko konstantna, čeče koncentracije C v njih poda zunanji rezervoar. V tem primeru se sistem ohranja daleč od stanja termodinamičnega ravnovesja.
Znanstveniki so preučevali kombinacijo ločevanja faz in neuravnoteženih kemijskih reakcij tudi v neprekinjenem modelu. Raziskovalci so ugotovili, da so kemično aktivne sferične kapljice lahko nestabilne in jih razdelimo na dve manjši kapljici. Sprva kapljica raste, dokler ne doseže stacionarne velikosti. Po tem se podaljša in tvori obliko dumbbell. Ta palček se nato razdeli na dve manjši kapljici enake velikosti. Na koncu manjše kapljice začnejo znova rasti, dokler ne pride do nove delitve.
Kot ugotavljajo znanstveniki, je mogoče v poskusu neposredno opaziti pojave, ki so jih modelirali. Po mnenju raziskovalcev je nestabilnost kapljic, ki jo sproži zunanji priliv energije in ki vodi do delitve kapljic, primerjati z Mullins-Sekerkijevo nestabilnostjo, o kateri se pogosto govori v okviru rasti kristalov. Vendar se v nasprotju z njo lahko nestabilnost oblike kapljic pojavi tudi v prisotnosti gibljive ne naraščajoče kapljice.
Sodobne celice imajo nekaj kemičnih struktur, ki jih celična citoplazma ne loči z membrano. Nastanejo z ločevanjem faz od citoplazme. Večina jih je tekočih in jih sestavljajo proteini, ki vežejo RNA in molekule RNA. Po hipotezi sveta RNA je bila RNA v zgodnjih obdobjih življenja hkrati nosilec genetskih informacij in je igrala vlogo ribozima. Verjetno je kombinacija RNA s preprostimi peptidi zadostovala za tvorbo kapljic koacervata.
Kot ugotavljajo avtorji študije, je transformacija kemično aktivnih kapljic v celici, ki se prvič deli, velik problem za razumevanje zgodnjega evolucijskega procesa. Za razliko od zunanjih in notranjih kapljic medija je vmesnik med temi mediji amfifilni. Tisti lipidi, ki nimajo afinitete do notranjega in zunanjega okolja kapljice, bi se lahko kopičili na amfifilni površini, pod pogojem, da so prisotni v zunanjem okolju kapljic koacervata. Po mnenju strokovnjakov bi se lahko membrane v koacervatih pojavile veliko prej, kot je prišlo do prve delitve protocelic.