Amerikai és német tudósok egy csoportja ismertette azt a mechanizmust, amellyel a protocellák, amelyek a bolygónk első élő szervezeteinek elődei voltak, megszerezték a képességüket a szaporodásra és megosztásra.
Az ókorban az embereket érdekli az élet eredete. A történelem folyamán számos hipotézis merült fel, amelyek közül valószínűleg tudományos értéket képvisel csak az ősi leves elmélete. A többiek tarthatatlannak bizonyultak. A kreacionizmust vagy az isteni teremtés elméletét, amely a késő neolitikumban nyúlik vissza, tudománytalannak tekintik; az élet örök létezésének hipotézise teljesen ellentmond a paleontológiai és csillagászati adatoknak; az a hipotézis, miszerint az életet kívülről hozzuk a bolygónkra (a panspermia fogalma), elvben nem oldja meg a problémát, és éppen ellenkezőleg, felteszi a kérdést, hogy az élet hogyan alakulhatna ki egy másik világban.
Első alkalommal azt a verziót, hogy az élet korai szakaszában kis cseppek képződhetnek a koacervátban (az úgynevezett elsődleges táptalajban) zajló fázisok megoszlása miatt a komplex keverékekben levő molekulák elválasztása miatt, a szovjet biológus, Alexander Oparin fejezte ki, kissé később - John Haldane brit tudós. A hipotézis szerint ezek a cseppek képezték a reaktív kémiai központok kialakulását, ám ugyanakkor továbbra sem tisztázott, hogyan növekedtek és szaporodtak.
Az új tanulmány részeként a tudósok megfigyelték a cseppek viselkedését olyan rendszerekben, amelyeket egy külső energiaforrás tart fenn a termodinamikai egyensúlytól távol eső állapotban. Az ilyen rendszerekben a cseppek növekedését csepp anyag hozzáadásával hajtják végre, amely a kémiai reakciók során keletkezik. Megállapítottuk, hogy a csepp növekedése, amely a kémiai folyamatok eredményeként következik be, a csepp alakjának instabilitását eredményezi, és provokálja annak megosztását két kisebb cseppecskére.
Így a kémiailag aktív cseppek növekedési és megosztási ciklusokat mutattak, amelyek hasonlítanak az élő szervezetben a szövet proliferációjára a sejtek osztódásos szaporodása (proliferáció) következtében. A kutatók arra utalnak, hogy az aktív cseppek megosztása modellként szolgálhat a prebiotikus protocellák számára, amelyekben a cseppek kémiai reakciói elősegítik a prebiotikus anyagcserét.
A folyékony cseppek önszerveződő struktúrák, amelyek fennmaradhatnak a környező folyadékkal. A két szomszédos fázist elválasztó felület a cseppeknek bizonyos formát ad a gömb alakú felületi feszültség miatt. Ezenkívül egyes anyagok képesek áthatolni a koacervált cseppek felületére. A közeget cseppekre osztva korlátozott mennyiségű anyag halmozódik fel, és bizonyos kémiai reakciókhoz vezet.
A tudósok megállapították a csepp születésének termodinamikáját, ugyanakkor még mindig nem értik, hogyan növekszik és szaporodik, vagyis a főbb jellemzői az élő szervezetben rejlő tulajdonságok. Általánosan elfogadott tény, hogy a cseppek növekedése az anyag felszívódott közegből történő abszorpciója vagy a kondenzációs folyamat következtében alakul ki - az oldott anyag kis részecskékből nagy részecskékre történő átvitele révén oldódik (ezt a folyamatot Ostwald érésnek nevezik). Ebben az esetben a kis cseppek eltűnnek, csak a nagyok maradnak. A tudósok emellett elismerik, hogy a kis cseppek kombinálhatják és képezhetik nagyokat. Az idő múlásával ezek a folyamatok növelik a cseppek méretét és számuk csökkenését, bár a protocell egy bizonyos méret elérésekor ketté kell osztódnia.
A kutatók arra utalnak, hogy a vegyi üzemanyaggal termodinamikai egyensúlytól távol tartott koacervált cseppek szokatlan tulajdonságokkal rendelkeznek, például az Ostwald kémiai reakciók esetén történő érése elfojtható, amikor néhány csepp stabilan létezhet egy bizonyos mérettel, amelyet egy adott sebesség ad reakciókat. Ebben az esetben a gömb alakú cseppek, amelyek kémiai reakcióknak vannak kitéve, véletlenszerűen oszlanak meg két kisebb, azonos méretű cseppecskére. A tudósok azt sugallják, hogy ily módon a kémiailag aktív cseppek növekedhetnek és megosztódhatnak, és így szaporodhatnak a bejövő anyagot üzemanyagként felhasználva. Ezért a külső forrásokból kiváltott kémiai reakciók jelenlétében a cseppek sejtekként viselkednek. Az ilyen aktív cseppek modellezhetik a protocellák növekedését és megoszlását primitív anyagcserével, amely egy egyszerű kémiai reakció, amelyet külső tüzelőanyag támogat.
Promóciós videó:
Ezek a cseppek egyfajta rezervoár bizonyos kémiai reakciók térbeli szervezéséhez. A cseppek megjelenéséhez a fázisokat el kell különíteni két különböző összetételű folyadék fázisra, amelyek egymás mellett léteznek. A fázisok megoszlanak a molekuláris hatás következtében, amelyben a hasonló molekulák csökkentik saját energiájukat, egymáshoz közel helyezkedve el. Egy folyadék képes rétegződni, ha a keverés miatti molekuláris hatáshoz kapcsolódó energiacsökkenés legyőzi a növekvő káosz hatását. Ha az ilyen kölcsönhatások elég erősek, felület alakul ki, amely elválasztja a párhuzamosan létező fázisokat. Ha a felszíni anyag kémiai reakciók során képződik és megsemmisül, a cseppek reaktívvá válhatnak.
Tehát például ha figyelembe vesszük az egyszerű csepp modelljét, akkor láthatjuk, hogy minimálisan szükséges feltételekkel rendelkezik a koacervatív csepp kialakulásához és szorzásához: fázis interfész, két fázis, valamint egy külső energiaforrás, amely tartja a rendszert a termodinamikai egyensúly állapotától távol. … A cseppek képződése annak köszönhető, hogy a cseppek belsejében a nagy energiájú N anyagból tápanyagként előállított D-cseppek alakulnak ki. A cseppek képesek bomlani alacsonyabb W (hulladék) energiakomponensekké, amelyek diffúzió eredményeként elhagyják a cseppet. Egy csepp túlélhet, ha folyamatos N-ellátás és állandó W-eltávolítás érhető el. Ez az N-keringés révén érhető el, különösen külső energiaforrás felhasználásával,napfény vagy bizonyos üzemanyagok.
A tanulmány szerzői úgy vélik, hogy az aktív cseppek fizikája meglehetősen egyszerű. A legkönnyebb megérteni egy olyan modell példáján, amelynek két A és B komponense van. Amikor a B cseppek fázisa elválasztódik az oldószertől, a BA kémiai reakciója következtében véletlenszerűen átalakítható A típusú molekulákká, amelyek a háttérfolyadékban oldódnak. Egy csepp marad. Az A-B fordított reakció már nem spontán, mivel B energiája nagyobb, mint A. Az új B cseppecske anyag az A + C-B + C reakcióval nyerhető meg, amely az üzemanyaghoz kapcsolódik. Ebben az esetben a C az üzemanyagmolekulák alacsony energiájú reakcióterméke. Az üzemanyag kémiai potenciálkülönbséget biztosít, amely lehetővé teszi, hogy alacsonyabb A energiájú állapotból nagy energiával érje el a B állapotot. A potenciálkülönbség állandó lehet, haha a C koncentrációkat egy külső tartály adja meg. Ebben az esetben a rendszert távol tartják a termodinamikai egyensúly állapotától.
A tudósok folyamatos modellben is megvizsgálták a fázisszétválasztás és a kiegyensúlyozatlan kémiai reakciók kombinációját. A kutatók azt találták, hogy a kémiailag aktív gömb alakú cseppek instabilok lehetnek, és két kisebb cseppecskére oszthatók. A csepp kezdetben növekszik, amíg el nem éri az álló méretét. Ezután meghosszabbodik, és súlyzó alakúvá válik. Ezt a súlyzót ezután két azonos méretű cseppecskére osztják. Végül a kisebb cseppek újra növekedni kezdenek, amíg új részleget nem kapnak.
Mint a tudósok megjegyzik, a modellezett jelenségek közvetlenül megfigyelhetők a kísérletben. A kutatók szerint a cseppek instabilitása, amelyet külső energiabeáramlás vált ki, és amely cseppek hasadásához vezet, összehasonlítható a Mullins-Sekerki instabilitással, amelyet gyakran tárgyalnak a kristálynövekedés összefüggésében. Ezzel szemben a cseppek alakjának instabilitása előfordulhat egy mozdulatlan nem növekvő cseppek jelenlétében is.
A modern sejtek olyan kémiai szerkezettel rendelkeznek, amelyeket membrán nem választ el a celluláris citoplazmától. A citoplazmától fázisszétválasztással képződnek. Legtöbbjük folyékony, RNS-kötő fehérjékből és RNS-molekulákból áll. Az RNS világ hipotézise szerint az élet korai szakaszában az RNS egyaránt hordozta a genetikai információkat, és egy ribozim szerepet játszott. Valószínű, hogy az RNS és az egyszerű peptidek kombinációja elegendő volt koacerváló cseppek kialakításához.
Mint a tanulmány szerzői megjegyzik, a kémiailag aktív cseppek átalakulása egy sejtben, amely először osztódik, nagy probléma a korai evolúciós folyamat megértése szempontjából. A külső és a belső cseppekkel szemben, e közegek közötti felület amfifil. Azok a lipidek, amelyeknek nincs affinitása a cseppek belső és külső környezetéhez, felhalmozódhatnak az amfifil felületen, feltéve, hogy jelen vannak a koacervált cseppek külső környezetében. A szakértők szerint a koacervátumok membránjai sokkal korábban jelentkezhetnek, mint amikor a protocellák első osztása megtörtént.
