Біохіміки вирішують загадку: як трималися перші клітини до появи мембран.
Мільярди років еволюції зробили сучасні клітини неймовірно складними. Усередині клітин знаходяться органели – крихітні структури, що виконують життєво важливі функції. Наприклад, ядро зберігає генетичний матеріал, а мітохондрії виробляють енергію. Важлива частина клітини – мембрана, що її оточує. Білки, вбудовані в мембрану, контролюють рух речовин у клітину та з неї. Ця складна структура зробила можливим складне життя. Але як найперші клітини трималися до появи мембрани? Відповідь дає нове дослідження, що вийшло в Science Advances.
Учені вважають, що ранні форми життя, так звані протоклітини, спонтанно виникли з органічних молекул, присутніх на ранній Землі. Ці примітивні «клітини», ймовірно, складалися з двох основних компонентів: структурного матеріалу і генетичного, що несе інструкції для їхнього функціонування.
З часом протоклітини поступово розвивали здатність до відтворення та метаболічних процесів. Для протікання хімічних реакцій необхідні певні умови: постійне джерело енергії, органічні сполуки та вода. Якась оболонка мала захищати стародавній протоорганізм.
Як зазначає видання Conversation, вчені пропонують дві моделі, які, можливо, зіграли ключову роль на ранніх стадіях розвитку життя: везикули й коацервати.
Везикули – це мікроскопічні бульбашки, подібні до мильної піни у воді, утворені жировими молекулами, які природним чином формують тонкі листи. Везикули з’являються, коли ці аркуші закручуються у сферу, яка й захищала важливі реакції. На відміну від сучасних клітин, везикули протоклітини не мали спеціалізованих білків, які вибірково пропускають молекули. Без цих білків везикулам було складно ефективно взаємодіяти з навколишнім середовищем.
Коацервати – краплі, утворені з органічних молекул (наприклад, пептидів і нуклеїнових кислот), внаслідок їхньої електростатичної взаємодії. Ці краплі, позбавлені мембрани, легко обмінюються речовинами з навколишньою водою, що допомагає концентрувати хімічні компоненти та прискорювати реакції, створюючи умови для зародження життя. Однак відсутність мембрани ускладнює утримання генетичного матеріалу всередині – серйозний недолік цієї версії.
Коацервати іноді складаються з протилежно заряджених полімерів – довгих ланцюжкових молекул, схожих на спагеті, що несуть протилежні заряди. При змішуванні вони притягуються і формують краплі без мембрани. Відсутність мембрани створює проблему: краплі швидко зливаються, як краплі олії у воді. Швидке злиття та обмін речовиною ускладнюють еволюцію стійких і різних генетичних послідовностей.
У новому дослідженні вчені з Університетів Чикаго і Г’юстона показали, що краплі коацерватів можуть бути стабільні в деонізованій воді – воді, вільній від розчинених іонів і мінералів. Краплі витісняють маленькі іони у воду, що дає змогу протилежно зарядженим полімерам щільно наближатися один до одного й утворювати комірчасту оболонку, яка перешкоджає злиттю крапель.
Природне джерело такої води – дощ. Автори з’ясували, що дощова вода дійсно стабілізує протоклітини й заважає злиттю. Тож, саме дощ, ймовірно, міг прокладати шлях для появи перших клітин.