Un grup de oameni de știință americani și germani au descris mecanismul prin care protocoalele, care au fost predecesorii primelor organisme vii de pe planeta noastră, au dobândit capacitatea de a crește și a se diviza.
Încă din cele mai vechi timpuri, oamenii s-au interesat de problema originii vieții. În decursul istoriei, au apărut mai multe ipoteze, dintre care doar teoria ciorbei primordiale este probabil de valoare științifică. Toate celelalte s-au dovedit a fi de nejustificat. Creationismul, sau teoria creației divine, care datează din perioada neolitică târzie, este considerată neștiințifică; ipoteza existenței eterne a vieții contrazice complet datele paleontologice și astronomice; ipoteza de a aduce viața pe planeta noastră din exterior (conceptul de panspermie), în principiu, nu rezolvă problema și, dimpotrivă, provoacă întrebarea modului în care viața ar putea apărea într-o altă lume.
Pentru prima dată, versiunea conform căreia picăturile mici din primele etape ale originii vieții ar putea fi formate datorită separării moleculelor în amestecuri complexe datorate separării fazelor într-un coacervat (așa-numitul bulion primar) a fost exprimată de biologul sovietic Alexander Oparin, puțin mai târziu - de savantul britanic John Haldane. Conform ipotezei, aceste picături au furnizat formarea de centre chimice reactive, dar, în același timp, rămâne neclar modul în care acestea au crescut și s-au înmulțit.
Ca parte a noului studiu, oamenii de știință au observat comportamentul picăturilor în sistemele menținute de o sursă externă de energie într-o stare departe de echilibrul termodinamic. În astfel de sisteme, creșterea picăturilor se realizează prin adăugarea materialului picăturii care este produs în timpul reacțiilor chimice. S-a constatat că creșterea unei picături, care apare ca urmare a proceselor chimice, implică o instabilitate a formei de picătură și provoacă divizarea acesteia în două picături mai mici.
Astfel, picăturile active din punct de vedere chimic au arătat cicluri de creștere și divizare asemănătoare cu proliferarea țesutului într-un organism viu datorită înmulțirii celulare prin divizare (proliferare). Cercetătorii consideră că împărțirea picăturilor active ar putea servi drept model pentru protopelele prebiotice, în care reacțiile chimice din picături promovează metabolismul prebiotic.
Picăturile de lichid sunt structuri de autoorganizare care pot coexista cu lichidul din jur. Suprafața care împarte două faze adiacente conferă picăturilor o anumită formă, datorită tensiunii superficiale - sferice. În plus, unele substanțe au capacitatea de a pătrunde pe suprafața picăturilor coacervate. Împărțirea mediului în picături acumulează un volum limitat de material și duce la anumite reacții chimice.
Oamenii de știință au stabilit termodinamica nașterii unei picături, dar, în același timp, încă nu înțeleg cum crește și se înmulțește, adică are principalele caracteristici care sunt inerente unui organism viu. În general, se acceptă că creșterea picăturilor are loc datorită absorbției unui material dintr-un mediu suprasaturat sau a procesului de recondensare - transferul unui solut de la particule mici la altele mari prin intermediul dizolvării (acest proces se numește maturare Ostwald). În acest caz, picăturile mici dispar, rămân doar cele mari. În plus, oamenii de știință recunosc că picăturile mici pot combina și forma altele mari. În timp, toate aceste procese conduc la o creștere a dimensiunii picăturilor și la o scădere a numărului acestora, deși protocolul, la atingerea unei anumite dimensiuni, trebuie să se împartă în două.
Cercetătorii consideră că picăturile coacervate care sunt menținute departe de echilibrul termodinamic cu un combustibil chimic pot avea caracteristici neobișnuite, de exemplu, maturizarea Ostwald în prezența reacțiilor chimice poate fi suprimată, prin care mai multe picături pot exista stabil cu o anumită dimensiune, care este dată de viteza reacții. În acest caz, picăturile sferice, care sunt supuse reacțiilor chimice, sunt împărțite la întâmplare în două picături mai mici de aceeași dimensiune. Oamenii de știință sugerează că, în acest fel, picăturile active din punct de vedere chimic pot crește și se pot împărți și, prin urmare, se înmulțesc, folosind materialul de intrare ca combustibil. Prin urmare, în prezența reacțiilor chimice care sunt declanșate din surse externe, picăturile se comportă ca niște celule. Astfel de picături active pot fi modele pentru creșterea și divizarea protocoelelor cu metabolism primitiv, care este o reacție chimică simplă susținută de combustibilul extern.
Video promotional:
Aceste picături sunt un fel de rezervor pentru organizarea spațială a anumitor reacții chimice. Pentru apariția picăturilor, este necesară separarea fazelor în două faze lichide cu compoziție diferită, care există una lângă alta. Fazele sunt împărțite datorită acțiunii moleculare, în care molecule similare își scad energia proprie, fiind în imediata apropiere între ele. Un lichid este capabil de stratificare dacă scăderea energiei asociate cu acțiunea moleculară datorată amestecării depășește efectul creșterii haosului. Dacă astfel de interacțiuni sunt suficient de puternice, se formează o suprafață care separă fazele coexistente. Dacă materialul de suprafață este format și distrus prin reacții chimice, picăturile pot deveni reactive.
Astfel, de exemplu, dacă luăm în considerare modelul unei picături simple, putem observa că acesta are un număr minim de condiții necesare pentru formarea și înmulțirea unei căderi coacervate: o interfață de fază, două faze, precum și o sursă de energie externă care ține sistemul departe de starea de echilibru termodinamic. … Formarea picăturilor se datorează materialului picăturii D generat în interiorul picăturii dintr-un material cu energie mare N, care acționează ca un nutrient. Materialul cu picături este capabil să se descompună în componente energetice W (deșeuri), care, ca rezultat al difuziei, lasă picăturile. O picătură poate supraviețui atunci când există o alimentare continuă de N și o îndepărtare constantă a W. Aceasta poate fi obținută prin recircularea N folosind o sursă de energie externă, în special,lumina soarelui sau anumiți combustibili.
Autorii studiului consideră că fizica picăturilor active este destul de simplă. Este cel mai ușor de înțeles prin exemplul unui model cu două componente A și B. Când faza materialului picăturii B se separă de solvent, acesta poate fi transformat la întâmplare datorită reacției chimice BA în molecule de tip A, care sunt solubile în lichidul de fundal. O picătură rămâne. Reacția inversă A-B nu mai este spontană, deoarece B are o energie mai mare decât A. Un nou material picăt B poate fi obținut prin reacția A + C-B + C asociată cu combustibilul. În acest caz, C este un produs de reacție cu energie scăzută al moleculelor de combustibil. Combustibilul oferă o diferență de potențial chimic, ceea ce face posibilă atingerea stării B cu energie mare dintr-o stare energetică mai mică A. Diferența de potențial poate fi constantă dacădacă concentrațiile de C din ele sunt date de un rezervor extern. În acest caz, sistemul este păstrat departe de starea de echilibru termodinamic.
Oamenii de știință au studiat combinația de separare a fazelor și reacții chimice dezechilibrate, de asemenea, într-un model continuu. Cercetătorii au descoperit că picăturile sferice active din punct de vedere chimic pot fi instabile și se pot împărți în două picături mai mici. Initial, picatura creste pana ajunge la o dimensiune stationara. După aceea, se întinde, formând o formă de gantere. Această gantera este apoi împărțită în două picături mai mici de aceeași dimensiune. În cele din urmă, picăturile mai mici încep să crească din nou până la o nouă diviziune.
După cum observă oamenii de știință, fenomenele pe care le-au modelat pot fi observate direct în experiment. Potrivit cercetătorilor, instabilitatea picăturilor, care este declanșată de un flux extern de energie și care duce la fisiunea picăturilor, poate fi comparată cu instabilitatea Mullins-Sekerki, care este adesea discutată în contextul creșterii cristalelor. Cu toate acestea, spre deosebire de aceasta, instabilitatea formei picăturii poate apărea și în prezența unei picături care nu crește nemiscat.
Celulele moderne au unele structuri chimice care nu sunt separate de citoplasma celulară printr-o membrană. Se formează prin separarea fazelor de citoplasmă. Cele mai multe dintre ele sunt lichide și constau din proteine care leagă ARN și molecule de ARN. Conform ipotezei lumii ARN, în primele perioade ale vieții, ARN a fost atât un purtător al informațiilor genetice și a jucat rolul unei ribozime. Este probabil ca combinația de ARN cu peptide simple să fie suficientă pentru a forma picături coacervate.
După cum notează autorii studiului, transformarea picăturilor active din punct de vedere chimic într-o celulă care se divide pentru prima dată este o mare problemă pentru înțelegerea procesului evolutiv timpuriu. Spre deosebire de mediul extern și extern, interfața dintre aceste medii este amfifilă. Acele lipide care nu au afinitate pentru mediul intern și extern al picăturii s-ar putea acumula pe suprafața amfifilă, cu condiția să fie prezente în mediul extern al picăturilor coacervate. Potrivit experților, membranele din coacervate ar putea apărea mult mai devreme decât a avut loc prima divizare a protocoților.
