En gruppe amerikanske og tyske forskere beskrev mekanismen som protokollene, som var forgjengerne til de første levende organismer på planeten vår, fikk evnen til å vokse og dele seg.
Siden eldgamle tider har folk vært interessert i spørsmålet om livets opprinnelse. I løpet av historien har det kommet flere hypoteser, hvorav bare teorien om den primordiale suppen sannsynligvis er av vitenskapelig verdi. Alle de andre viste seg å være uholdbare. Kreasjonisme, eller teorien om guddommelig skapelse, som går tilbake til den sene neolitiske perioden, regnes som uvitenskapelig; hypotesen om livets evige eksistens er i strid med paleontologiske og astronomiske data; Hypotesen om å bringe liv til planeten vår utenfra (begrepet panspermia) løser i prinsippet ikke problemet, og tvert imot provoserer spørsmålet om hvordan livet kan oppstå i en annen verden.
For første gang ble den versjonen om at små dråper i de tidlige stadiene av livets opprinnelse kunne dannes på grunn av separasjon av molekyler i komplekse blandinger på grunn av fasesdeling i et coacervate (den såkalte primærbuljongen), uttrykt av den sovjetiske biologen Alexander Oparin, litt senere - av den britiske forskeren John Haldane. I følge hypotesen ga disse dråpene dannelse av reaktive kjemiske sentre, men samtidig er det fortsatt uklart hvordan de vokste og mangedoblet seg.
Som en del av den nye studien har forskere observert atferden til dråper i systemer som opprettholdes av en ekstern energikilde i en tilstand langt fra termodynamisk likevekt. I slike systemer utføres droppvekst ved å tilsette dråpemateriale som produseres under kjemiske reaksjoner. Det ble funnet at veksten av en dråpe, som oppstår som et resultat av kjemiske prosesser, medfører en ustabilitet av dråpeformen og provoserer dens inndeling i to mindre dråper.
Dermed viste de kjemisk aktive dråpene vekst- og delingssykluser som lignet spredning av vev i en levende organisme på grunn av cellemultiplikasjon ved divisjon (spredning). Forskerne antar at deling av aktive dråper kan tjene som en modell for prebiotiske protokoller, der kjemiske reaksjoner i dråpen fremmer prebiotisk metabolisme.
Væskedråper er selvorganiserende strukturer som kan sameksistere med den omkringliggende væsken. Overflaten som deler to tilstøtende faser gir dråpene en viss form, på grunn av overflatespenning - sfærisk. I tillegg har noen stoffer evnen til å trenge gjennom overflaten til koacervatdråper. Ved å dele mediet i dråper akkumuleres et begrenset volum av materiale og fører til visse kjemiske reaksjoner.
Forskere har etablert termodynamikken ved fødselen av en dråpe, men samtidig forstår de fortsatt ikke hvordan den vokser og multipliserer seg, det vil si at den har hovedtrekkene som ligger i en levende organisme. Det er generelt akseptert at veksten av dråper skjer på grunn av absorpsjon av et materiale fra et overmettet medium eller prosessen med rekondensering - overføring av et oppløst stoff fra små partikler til store ved hjelp av oppløsning (denne prosessen kalles Ostwald modning). I dette tilfellet forsvinner små dråper, bare store gjenstår. I tillegg innrømmer forskere at små dråper kan kombinere og danne store. Over tid fører alle disse prosessene til en økning i størrelsen på dråper og en reduksjon i antall, selv om protokollen, når den når en viss størrelse, må dele seg i to.
Forskerne antar at coacervate dråper som opprettholdes langt fra termodynamisk likevekt med et kjemisk brensel kan ha uvanlige trekk, slik som Ostwald modning i nærvær av kjemiske reaksjoner kan undertrykkes, hvorved noen få dråper kan eksistere stabilt med en viss størrelse, som er gitt av hastigheten reaksjoner. I dette tilfellet er sfæriske dråper, som er utsatt for kjemiske reaksjoner, tilfeldig delt inn i to mindre dråper av samme størrelse. Forskere antyder at på denne måten kan kjemisk aktive dråper vokse og dele seg, og derfor formere seg ved å bruke det innkommende materialet som drivstoff. Derfor, i nærvær av kjemiske reaksjoner som utløses fra eksterne kilder, oppfører dråpene seg som celler. Slike aktive dråper kan være modeller for vekst og deling av protoceller med primitiv metabolisme, som er en enkel kjemisk reaksjon støttet av eksternt brensel.
Salgsfremmende video:
Disse dråpene er et slags reservoar for den romlige organisasjonen av visse kjemiske reaksjoner. For utseendet til dråper er det nødvendig å skille fasene i to flytende faser med forskjellig sammensetning, som eksisterer side om side. Fasene er delt på grunn av molekylær virkning, der lignende molekyler senker sin egen energi, ved å være i nærheten av hverandre. En væske kan stratifiseres hvis reduksjonen i energi assosiert med molekylær virkning på grunn av blanding overvinner effekten av økende kaos. Hvis slike interaksjoner er sterke nok, dannes en overflate som skiller de sameksisterende faser. Hvis overflatematerialet blir dannet og ødelagt av kjemiske reaksjoner, kan dråpene bli reaktive.
Så hvis vi for eksempel vurderer modellen til en enkel dråpe, kan vi se at den har et minimum antall nødvendige betingelser for dannelse og multiplikasjon av et koacervatdråpe: et fasegrensesnitt, to faser, samt en ekstern energikilde som holder systemet borte fra tilstanden til termodynamisk likevekt … Dråpedannelse skyldes D-dråpematerialet som genereres inne i dråpen fra et høyt energi-materiale N, som fungerer som et næringsstoff. Dråpematerialet er i stand til å nedbrytes til lavere energikomponenter W (avfall), som som et resultat av diffusjon forlater dråpen. En dråpe kan overleve når det er en kontinuerlig tilførsel av N og en konstant fjerning av W. Dette kan oppnås gjennom resirkulering av N ved bruk av en ekstern energikilde, spesieltsollys eller visse brensler.
Studieforfatterne mener at fysikken til aktive dråper er ganske enkel. Det er enklest å forstå ved eksempelet på en modell med to komponenter A og B. Når fasen til materialet i dråpen B skiller seg fra løsningsmidlet, kan den tilfeldig omdannes på grunn av den kjemiske reaksjonen BA til molekyler av type A, som er løselig i bakgrunnsvæsken. En dråpe gjenstår. Omvendt reaksjon A-B er ikke lenger spontan, siden B har en høyere energi enn A. Nytt dråpemateriale B kan oppnås ved reaksjonen A + C-B + C assosiert med drivstoff. I dette tilfellet er C et lavenergi-reaksjonsprodukt av drivstoffmolekyler. Drivstoffet gir en kjemisk potensialforskjell, som gjør det mulig å nå tilstand B med høy energi fra en lavere energitilstand A. Potensialforskjellen kan være konstant hvishvis konsentrasjonene av C i dem er gitt av et eksternt reservoar. I dette tilfellet holdes systemet langt fra tilstanden til termodynamisk likevekt.
Forskere har studert kombinasjonen av faseseparasjon og ubalanserte kjemiske reaksjoner også i en kontinuerlig modell. Forskere har funnet at kjemisk aktive sfæriske dråper kan være ustabile og dele opp i to mindre dråper. Opprinnelig vokser dråpen til den når en stasjonær størrelse. Etter det forlenges det og danner en hantelform. Denne hantelen deles deretter i to mindre dråper i samme størrelse. Til slutt begynner de mindre dråpene å vokse frem til en ny divisjon.
Som forskerne bemerker, kan fenomenene de modellerte observeres direkte i eksperimentet. I følge forskerne kan ustabiliteten til dråper, som utløses av en ekstern tilstrømning av energi og som fører til dråpe-fisjon, sammenlignes med Mullins-Sekerki-ustabiliteten, som ofte diskuteres i sammenheng med krystallvekst. I motsetning til det kan ustabilitet av dråpeformen imidlertid også forekomme i nærvær av en bevegelsesfri ikke-voksende dråpe.
Moderne celler har noen kjemiske strukturer som ikke er atskilt fra den cellulære cytoplasma av en membran. De dannes ved faseseparasjon fra cytoplasma. De fleste av dem er flytende og består av RNA-bindende proteiner og RNA-molekyler. I henhold til hypotesen om RNA-verdenen var RNA i de tidlige livstidene både en bærer av genetisk informasjon og spilte rollen som et ribozym. Det er sannsynlig at kombinasjonen av RNA med enkle peptider var tilstrekkelig til å danne coacervate dråper.
Som forfatterne av studien bemerker, er transformasjonen av kjemisk aktive dråper i en celle som deler seg for første gang, et stort problem for å forstå den tidlige evolusjonsprosessen. I motsetning til de eksterne og interne dråpemediene, er grensesnittet mellom disse mediene amfifilt. De lipidene som ikke har noen tilknytning til det indre og ytre miljøet til dråpen, kunne samle seg på den amfifile overflaten, forutsatt at de er til stede i det ytre miljøet til koacervatdråper. Ifølge eksperter kunne membraner i coacervates vises mye tidligere enn den første divisjonen av protoceller fant sted.
