Een groep Amerikaanse en Duitse wetenschappers beschreef het mechanisme waarmee de protocellen, die de voorlopers waren van de eerste levende organismen op onze planeet, het vermogen verwierven om te groeien en zich te delen.
Sinds de oudheid zijn mensen geïnteresseerd in de vraag naar de oorsprong van het leven. In de loop van de geschiedenis zijn verschillende hypothesen naar voren gekomen, waarvan waarschijnlijk alleen de theorie van de oersoep van wetenschappelijke waarde is. Alle anderen bleken onhoudbaar. Creationisme, of de theorie van goddelijke schepping, die teruggaat tot het late Neolithicum, wordt als onwetenschappelijk beschouwd; de hypothese van het eeuwige bestaan van het leven is volledig in tegenspraak met paleontologische en astronomische gegevens; de hypothese om van buitenaf leven naar onze planeet te brengen (het concept van panspermie) lost in principe het probleem niet op en roept integendeel de vraag op hoe leven in een andere wereld zou kunnen ontstaan.
Voor het eerst werd de versie dat kleine druppeltjes in de vroege stadia van het ontstaan van leven gevormd zouden kunnen worden door de scheiding van moleculen in complexe mengsels door fasescheiding in een coacervaat (de zogenaamde primaire bouillon) uitgedrukt door de Sovjetbioloog Alexander Oparin, even later - door de Britse wetenschapper John Haldane. Volgens de hypothese zorgden deze druppeltjes voor de vorming van reactieve chemische centra, maar tegelijkertijd blijft het onduidelijk hoe ze groeiden en vermenigvuldigden.
Als onderdeel van de nieuwe studie hebben wetenschappers het gedrag van druppeltjes waargenomen in systemen die worden onderhouden door een externe energiebron in een toestand die ver verwijderd is van thermodynamisch evenwicht. In dergelijke systemen wordt druppelgroei uitgevoerd door druppelmateriaal toe te voegen dat wordt geproduceerd tijdens chemische reacties. Het bleek dat de groei van een druppel, die optreedt als gevolg van chemische processen, een instabiliteit van de druppelvorm met zich meebrengt en de opdeling ervan in twee kleinere druppels veroorzaakt.
De chemisch actieve druppeltjes vertoonden dus groei- en delingscycli die leken op de proliferatie van weefsel in een levend organisme als gevolg van celvermenigvuldiging door deling (proliferatie). De onderzoekers veronderstellen dat het delen van actieve druppels zou kunnen dienen als model voor prebiotische protocellen, waarin chemische reacties in de druppel het prebiotische metabolisme bevorderen.
Vloeistofdruppels zijn zelforganiserende structuren die naast de omringende vloeistof kunnen bestaan. Het oppervlak dat twee aangrenzende fasen verdeelt, geeft de druppeltjes een bepaalde vorm vanwege oppervlaktespanning - bolvormig. Bovendien hebben sommige stoffen het vermogen om het oppervlak van coacervaatdruppels te penetreren. Door het medium in druppeltjes te verdelen, wordt een beperkt volume aan materiaal verzameld en dit leidt tot bepaalde chemische reacties.
Wetenschappers hebben de thermodynamica van de geboorte van een druppel vastgesteld, maar tegelijkertijd begrijpen ze nog steeds niet hoe het groeit en vermenigvuldigt, dat wil zeggen, het heeft de belangrijkste kenmerken die inherent zijn aan een levend organisme. Het is algemeen aanvaard dat de groei van druppeltjes optreedt als gevolg van de opname van een materiaal uit een oververzadigd medium of het proces van hercondensatie - de overdracht van een opgeloste stof van kleine deeltjes naar grote door middel van oplossen (dit proces wordt Ostwald-rijping genoemd). In dit geval verdwijnen kleine druppeltjes, alleen grote blijven over. Bovendien geven wetenschappers toe dat kleine druppeltjes kunnen worden gecombineerd en grote kunnen vormen. Na verloop van tijd leiden al deze processen tot een toename van de grootte van de druppeltjes en een afname van hun aantal, hoewel de protocel, wanneer hij een bepaalde grootte heeft bereikt, in tweeën moet delen.
De onderzoekers veronderstellen dat coacervaatdruppels die ver van thermodynamisch evenwicht worden gehouden met een chemische brandstof ongebruikelijke kenmerken kunnen hebben, zoals het rijpen van Ostwald in aanwezigheid van chemische reacties kan worden onderdrukt, waardoor een paar druppeltjes stabiel kunnen bestaan met een bepaalde grootte, die wordt bepaald door de snelheid. reacties. In dit geval worden bolvormige druppeltjes, die onderhevig zijn aan chemische reacties, willekeurig verdeeld in twee kleinere druppeltjes van dezelfde grootte. Wetenschappers suggereren dat op deze manier chemisch actieve druppeltjes kunnen groeien en delen, en dus zich vermenigvuldigen, waarbij het binnenkomende materiaal als brandstof wordt gebruikt. Daarom gedragen de druppels zich als cellen in de aanwezigheid van chemische reacties die worden veroorzaakt door externe bronnen. Dergelijke actieve druppeltjes kunnen modellen zijn voor de groei en deling van protocellen met primitief metabolisme, wat een eenvoudige chemische reactie is die wordt ondersteund door externe brandstof.
Promotie video:
Deze druppeltjes zijn een soort reservoir voor de ruimtelijke organisatie van bepaalde chemische reacties. Voor het verschijnen van druppels is het noodzakelijk om de fasen te scheiden in twee vloeibare fasen van verschillende samenstelling, die naast elkaar bestaan. De fasen zijn verdeeld vanwege moleculaire werking, waarbij vergelijkbare moleculen hun eigen energie verlagen, omdat ze dicht bij elkaar zijn. Een vloeistof is in staat tot stratificatie als de afname van energie die gepaard gaat met moleculaire werking als gevolg van menging het effect van toenemende chaos overwint. Als dergelijke interacties sterk genoeg zijn, wordt een oppervlak gevormd dat de naast elkaar bestaande fasen scheidt. Als het oppervlaktemateriaal wordt gevormd en vernietigd door chemische reacties, kunnen de druppels reactief worden.
Als we bijvoorbeeld het model van een eenvoudige druppel beschouwen, kunnen we zien dat het een minimum aantal noodzakelijke voorwaarden heeft voor de vorming en vermenigvuldiging van een druppel coacervaat: een fase-interface, twee fasen, evenals een externe energiebron die het systeem weghoudt van de toestand van thermodynamisch evenwicht. … Druppelvorming is te wijten aan het D-druppelmateriaal dat in de druppel wordt gegenereerd uit een hoogenergetisch materiaal N, dat als voedingsstof fungeert. Het druppelmateriaal is in staat om uiteen te vallen in componenten met een lagere energie W (afval), die als gevolg van diffusie de druppel verlaten. Een druppel kan overleven wanneer er een continue aanvoer van N en een constante afvoer van W is. Dit kan worden bereikt door de recirculatie van N met behulp van een externe energiebron, in het bijzonder,zonlicht of bepaalde brandstoffen.
De auteurs van het onderzoek zijn van mening dat de fysica van actieve druppeltjes vrij eenvoudig is. Het is het gemakkelijkst te begrijpen aan de hand van het voorbeeld van een model met twee componenten A en B. Wanneer de fase van het materiaal van druppel B zich scheidt van het oplosmiddel, kan deze door de chemische reactie BA willekeurig worden omgezet in moleculen van het type A, die oplosbaar zijn in de achtergrondvloeistof. Er blijft een druppel achter. De omgekeerde reactie A-B is niet langer spontaan, aangezien B een hogere energie heeft dan A. Nieuw druppelmateriaal B kan worden verkregen door de reactie A + C-B + C geassocieerd met brandstof. In dit geval is C een energiezuinig reactieproduct van brandstofmoleculen. De brandstof zorgt voor een chemisch potentiaalverschil, waardoor het mogelijk wordt om toestand B te bereiken met hoge energie vanuit een lagere energietoestand A. Het potentiaalverschil kan constant zijn alsals de concentraties van C daarin worden gegeven door een extern reservoir. In dit geval wordt het systeem ver verwijderd van de toestand van thermodynamisch evenwicht.
Wetenschappers hebben de combinatie van fasescheiding en ongebalanceerde chemische reacties ook in een continu model bestudeerd. Onderzoekers hebben ontdekt dat chemisch actieve bolvormige druppeltjes onstabiel kunnen zijn en zich in twee kleinere druppels kunnen verdelen. Aanvankelijk groeit de druppel totdat deze een stationaire grootte bereikt. Daarna wordt het langer en vormt het een haltervorm. Deze halter wordt vervolgens verdeeld in twee kleinere druppels van dezelfde grootte. Uiteindelijk beginnen de kleinere druppeltjes weer te groeien tot een nieuwe verdeling.
Zoals de wetenschappers opmerken, kunnen de verschijnselen die ze hebben gemodelleerd direct in het experiment worden waargenomen. Volgens de onderzoekers is de instabiliteit van druppeltjes, die wordt veroorzaakt door een externe instroom van energie en die leidt tot druppelsplijting, te vergelijken met de Mullins-Sekerki-instabiliteit, die vaak wordt besproken in de context van kristalgroei. In tegenstelling hiermee kan instabiliteit van de druppelvorm echter ook optreden in aanwezigheid van een bewegingloze niet-groeiende druppel.
Moderne cellen hebben een aantal chemische structuren die niet door een membraan van het cellulaire cytoplasma zijn gescheiden. Ze worden gevormd door fasescheiding van het cytoplasma. De meeste zijn vloeibaar en bestaan uit RNA-bindende eiwitten en RNA-moleculen. Volgens de hypothese van de RNA-wereld was RNA in de vroege levensperioden zowel een drager van genetische informatie als de rol van een ribozym. Het is waarschijnlijk dat de combinatie van RNA met eenvoudige peptiden voldoende was om coacervaatdruppeltjes te vormen.
Zoals de auteurs van de studie aantonen, is de transformatie van chemisch actieve druppeltjes in een cel die voor het eerst deelt een groot probleem voor het begrijpen van het vroege evolutieproces. In tegenstelling tot de externe en interne druppelmedia is de interface tussen deze media amfifiel. Die lipiden die geen affiniteit hebben voor de interne en externe omgeving van de druppel, kunnen zich ophopen op het amfifiele oppervlak, op voorwaarde dat ze aanwezig zijn in de externe omgeving van coacervaatdruppeltjes. Volgens experts konden membranen in coacervaten veel eerder verschijnen dan de eerste deling van protocellen.
