Skupina američkih i njemačkih znanstvenika opisala je mehanizam kojim su protocelije, koje su bile prethodnici prvih živih organizama na našem planetu, stekle sposobnost rasta i dijeljenja.
Od davnina je ljude zanimalo pitanje porijekla života. Tijekom povijesti pojavilo se nekoliko hipoteza, od kojih je vjerojatno samo znanstvena vrijednost teorija iskonske juhe. Svi ostali pokazali su se neizdrživim. Kreacionizam, ili teorija božanskog stvaranja, koja potječe iz kasnog neolitika, smatra se nenaučnom; hipoteza o vječnom postojanju života u potpunosti je u suprotnosti s paleontološkim i astronomskim podacima; hipoteza dovođenja života na naš planet izvana (pojam panspermije) u principu ne rješava problem i, naprotiv, izaziva pitanje kako bi život mogao nastati u drugom svijetu.
Prvi put je verziju da se male kapljice u ranim fazama nastanka života mogu formirati uslijed odvajanja molekula u složenim smjesama zbog faznog odvajanja u koacervatu (takozvani primarni juha), sovjetski biolog Alexander Oparin izrazio je nešto kasnije - britanski znanstvenik John Haldane. Prema hipotezi, te su kapljice osigurale stvaranje reaktivnih kemijskih centara, ali istodobno ostaje nejasno kako su rasle i množile se.
Kao dio nove studije, znanstvenici su promatrali ponašanje kapljica u sustavima koje održava vanjski izvor energije u stanju daleko od termodinamičke ravnoteže. U takvim se sustavima rast kapljica vrši dodavanjem kapljičnog materijala koji nastaje tijekom kemijskih reakcija. Utvrđeno je da rast kapi, koji nastaje kao rezultat kemijskih procesa, unosi nestabilnost oblika kapi i izaziva njegovu podjelu na dvije manje kapljice.
Dakle, kemijski aktivne kapljice pokazale su cikle rasta i dijeljenja nalik proliferaciji tkiva u živom organizmu zbog množenja stanica dijeljenjem (proliferacijom). Istraživači pretpostavljaju da bi dijeljenje aktivnih kapljica moglo poslužiti kao model za prebiotičke protocelije, u kojima kemijske reakcije u kapljicama potiču metabolizam prebiotika.
Kapljice tekućine samoorganiziraju se strukture koje mogu koegzistirati s okolnom tekućinom. Površina koja dijeli dvije susjedne faze daje kapljicama određeni oblik, zbog površinske napetosti - sferne. Osim toga, neke tvari imaju sposobnost prodiranja na površinu kapljica koacervata. Podjelom medija na kapljice akumulira se ograničena količina materijala i dovodi do određenih kemijskih reakcija.
Znanstvenici su utvrdili termodinamiku rađanja kapljica, ali istodobno još uvijek ne razumiju kako raste i množi se, odnosno ima glavna obilježja koja su svojstvena živom organizmu. Općenito je prihvaćeno da rast kapljica nastaje uslijed apsorpcije materijala iz presušenog medija ili procesa rekondenzacije - prijenosa otapala iz sitnih čestica u velike pomoću otapanja (taj se postupak naziva zrenje Ostwalda). U ovom slučaju male kapljice nestaju, ostaju samo velike. Osim toga, znanstvenici priznaju da se male kapljice mogu kombinirati i formirati velike. S vremenom svi ti procesi dovode do povećanja veličine kapljica i smanjenja njihovog broja, iako se protocela, kad dosegne određenu veličinu, mora podijeliti na dvije.
Istraživači pretpostavljaju da kapljice koacervata koje se održavaju daleko od termodinamičke ravnoteže s kemijskim gorivom mogu imati neobična svojstva, na primjer, Ostwald koji sazrijeva u prisustvu kemijskih reakcija može se suzbiti, pri čemu nekoliko kapljica može postojati stabilno s određenom veličinom, koja je dana brzinom reakcije. U ovom slučaju, sferne kapljice, koje su podložne kemijskim reakcijama, nasumično se dijele na dvije manje kapljice iste veličine. Znanstvenici sugeriraju da na taj način kemijski aktivne kapljice mogu rasti i dijeliti se, te se stoga umnožavati, koristeći dolazni materijal kao gorivo. Stoga, u prisutnosti kemijskih reakcija koje se pokreću iz vanjskih izvora, kapljice se ponašaju poput stanica. Takve aktivne kapljice mogu biti modeli za rast i podjelu protocela s primitivnim metabolizmom, što je jednostavna kemijska reakcija podržana vanjskim gorivom.
Promotivni video:
Ove kapljice su svojevrsni rezervoar za prostornu organizaciju određenih kemijskih reakcija. Za pojavu kapi potrebno je odvojiti faze u dvije tekuće faze različitog sastava, koje postoje jedna pored druge. Faze su podijeljene zbog molekularnog djelovanja, u kojima slične molekule snižavaju vlastitu energiju, koje se nalaze u neposrednoj blizini. Tekućina je sposobna stratificirati ako pad energije povezan s molekularnim djelovanjem uslijed miješanja nadvlada učinak povećanja kaosa. Ako su takve interakcije dovoljno jake, formira se površina koja razdvaja faze suživota. Ako se površinski materijal formira i uništi kemijskim reakcijama, kapljice mogu postati reaktivne.
Tako, na primjer, ako razmotrimo model jednostavnog pada, možemo vidjeti da on ima minimalan broj potrebnih uvjeta za stvaranje i umnožavanje koacervata kapi: fazno sučelje, dvije faze, kao i vanjski izvor energije koji sustav drži dalje od stanja termodinamičke ravnoteže … Nastanak kapljica nastaje zbog materijala D-kapljica stvorenog unutar kapljice iz visokoenergetskog materijala N, koji djeluje kao hranjiva tvar. Kapljični materijal može se raspadati na niže energetske komponente W (otpad), koje kao rezultat difuzije napuštaju kapljicu. Kap može preživjeti kada postoji neprekidna opskrba N i konstantno uklanjanje W. To se može postići recirkulacijom N koristeći vanjski izvor energije, posebnosunčevu svjetlost ili određena goriva.
Autori studije vjeruju da je fizika aktivnih kapljica prilično jednostavna. Najlakše je razumjeti na primjeru modela s dvije komponente A i B. Kada se faza materijala kapljice B odvoji od otapala, ona se može kemijskom reakcijom BA nasumično transformirati u molekule tipa A, topive u pozadinskoj tekućini. Ostaje kapljica. Reverzna reakcija A-B više nije spontana, jer B ima veću energiju od A. Novi kapljica B može se dobiti reakcijom A + C-B + C, koja je povezana s gorivom. U ovom slučaju, C je produkt reakcije niske energije gorivnih molekula. Gorivo pruža razliku kemijskih potencijala, što omogućava postizanje stanja B s visokom energijom iz stanja niže energije A. Razlika potencijala može biti konstantna akoako se koncentracije C u njima daju vanjskim rezervoarom. U tom se slučaju sustav održava daleko od stanja termodinamičke ravnoteže.
Znanstvenici su proučavali i kombinaciju razdvajanja faza i neuravnotežene kemijske reakcije također na kontinuiranom modelu. Istraživači su otkrili da kemijski aktivne sferne kapljice mogu biti nestabilne i podijeliti ih u dvije manje kapljice. U početku kap pada dok ne dosegne stacionarnu veličinu. Nakon toga se produljuje, tvoreći oblik bučice. Taj se bučica dijeli na dvije manje kapljice iste veličine. U konačnici, manje kapljice počinju ponovno rasti do nove podjele.
Kao što znanstvenici napominju, pojave koje su modelirali mogu se izravno primijetiti u pokusu. Prema istraživačima, nestabilnost kapljica, koju pokreće vanjski priliv energije i koja dovodi do fisije kapljica, može se uporediti s Mullins-Sekerkijevom nestabilnošću, o kojoj se često govori u kontekstu rasta kristala. Međutim, nasuprot njemu, nestabilnost oblika kapljica može se pojaviti i u prisutnosti nepomične kapljice koja ne raste.
Moderne stanice imaju neke kemijske strukture koje nisu odvojene od stanične citoplazme membranom. Nastaju odvajanjem faza od citoplazme. Većina njih je tekuća i sastoje se od proteina koji vežu RNA i molekula RNA. Prema hipotezi svijeta RNA, RNA je u ranim periodima života bila i nositelj genetskih informacija i igrala je ulogu ribozima. Vjerojatno je da je kombinacija RNA s jednostavnim peptidima bila dovoljna da formira kapljice koacervata.
Kao što autori studije napominju, transformacija kemijski aktivnih kapljica u stanici koja se dijeli prvi put predstavlja veliki problem za razumijevanje ranog evolucijskog procesa. Za razliku od vanjskog i unutarnjeg medija kapljica, sučelje tih medija je amfifilno. Oni lipidi koji nemaju afinitet prema unutarnjem i vanjskom okruženju kapljica mogu se nakupiti na amfifilnoj površini, pod uvjetom da su prisutni u vanjskom okruženju kapljica coacervata. Prema riječima stručnjaka, membrane u koacervatima mogle bi se pojaviti mnogo ranije nego što se dogodilo prvo odjeljenje protocela.