Жизнь на Земле зародилась без Божьего участия

Группа американских и немецких ученых описала механизм, за счет которого протоклетки, которые были предшественниками первых на нашей планете живых организмов, приобрели способности к росту и делению.

С древности людей интересует вопрос о возникновении жизни. В ходе истории появилось несколько гипотез, научную ценность из которых, вероятно, имеет лишь теория о первичном бульоне. Все остальные, как оказалось, несостоятельны. Креационизм или теория божественного сотворения, которая появилась еще в период позднего неолита, признана ненаучной; гипотеза вечного существования жизни полностью противоречит палеонтологическим и астрономическим данным; гипотеза занесения жизни на нашу планету извне (концепция панспермии) – в принципе не решает проблемы и, наоборот, провоцирует вопрос о том, каким образом жизнь могла возникнуть в другом мире.

Впервые версию о том, что небольшие капельки на ранних этапах зарождения жизни могли сформироваться за счет разделения молекул в составе сложных смесей за счет деления фаз в коацервате (так называемом первичном бульоне) высказал советский биолог Александр Опарин, немного позже – британский ученый Джон Холдейн. Согласно гипотезе, эти капельки обеспечили образование реакционных химических центров, но в то же время, остается непонятным, как они росли и размножались.

В рамках нового исследования ученые наблюдали за поведением капелек в системах, поддерживающихся за счет внешнего источника энергии в состоянии, далеком от термодинамического равновесия. В таких системах рост капель осуществляется за счет добавления капельного материла, который вырабатывается в процессе химических реакций. Как было установлено, рост капли, который происходит вследствие химических процессов, влечет за собой нестабильность формы капли и провоцирует ее деление на две капельки, меньшие по размеру.

Таким образом, химически активные капли показали циклы роста и деления, напоминающие разрастание ткани живого организма за счет размножения клеток путем деления (пролиферация). Исследователи предполагают, что деление активных капель, может служить моделью для пребиотических протоклеток, химические реакции в которых в капле способствуют пребиотическому метаболизму.

Жидкие капли – это самоорганизующиеся структуры, способные сосуществовать с окружающей жидкостью. Та поверхность, которая делит две существующие рядом фазы, придает определенную форму каплям, из-за поверхностного натяжения – сферическую. Помимо этого, некоторые вещества имеют способность проникать через поверхность коацерватных капель. Деление среды в капли накапливает ограниченный объем материала и приводит в протеканию определенных химических реакций.

Ученые установили термодинамика рождения капли, но в то же время они до настоящего времени не понимают, каким образом она растет и размножается, то есть обладает основными особенностями, которые присущи живому организму. Принято считать, что рост капель происходит за счет поглощения из перенасыщенной среды материала или процесса переконденсации – переноса растворенного вещества от малых частиц к большим при помощи растворения (этот процесс носит название созревания Оствальда). В данном случае мелкие капельки исчезают, остаются только большие. Кроме того, ученые допускают, что мелкие капли могут объединяться и образовывать крупные. Все эти процессы с течением времени приводят к увеличению размеров капель и уменьшению их количества, хотя протоклетка, по достижении определенного размера, должна разделиться на две.

Исследователи предполагают, что коацерватные капли, которые поддерживаются далеко от термодинамического равновесия при помощи химического топлива, могут обладать необычными особенностями, к примеру, созревание Оствальда при наличии химических реакций может подавляться, за счет чего несколько капель может существовать стабильно с определенным размером, который задан скоростью реакции. В таком случае капли сферической формы, которые подвержены химическим реакциям, случайным образом разделяются на две более мелкие, одинаковые по размеру капельки. Ученые предполагают, что таким образом химически активные капли могут расти и делиться, а значит – и размножаться, в качестве топлива используя поступающий материал. Следовательно, при наличии химических реакций, которые приводятся в действие из внешних источников, капли ведут себя, как клетки. Такие активные капельки могут быть моделями для роста и деления протоклеток, обладающих примитивным метаболизмом, который представляет собой просты химические реакции, поддерживаемые внешним топливом.

Эти капли являются своего рода резервуаром для пространственной организации определенных химических реакций. Для появления капель необходимо разделение фаз на две жидкие фазы различного состава, которые существуют рядом. Фазы делятся за счет молекулярного воздействия, при котором схожие между собой молекулы понижают собственную энергию, находясь друг от друга в непосредственной близости. Жидкость способна расслоиться в том случае, если уменьшение энергии, которое связано с молекулярным воздействием, за счет смешивания преодолевает эффект увеличения хаоса. В том случае, если такие взаимодействия достаточно сильны, происходит образование поверхности, отделяющей сосуществующие фазы. Если материал поверхности формируется и разрушается под воздействием химических реакций, капли могут стать химически активными.

Так, к примеру, если рассмотреть модель простой капли, можно увидеть, что в ней есть минимальное количество необходимых условий для образования и размножения коацерватной капли: поверхность раздела фаз, две фазы, а также внешний источник энергии, который удерживает систему вдали от состояния термодинамического равновесия. Образование капли происходит за счет материала Dкапли, генерируемого внутри капли из высокоэнергетического материала N, выступающего в качестве питательного вещества. Материал капли способен разлагаться на более низкие энергетические составляющие W (отходы), которые в результате диффузии покидают каплю. Выжить капля может тогда, когда происходит непрерывная подача N и постоянное удаление W. Достичь этого можно за счет процесса рециркуляции N с применением внешнего источника энергии, в частности, солнечного света или определенного топлива.

Авторы исследования полагают, что физика активных капель достаточно проста. Ее проще всего понять на примере модели с двумя компонентами А и В. Когда происходит отделение фазы материала капли В от растворителя, он может случайным образом трансформироваться за счет химической реакции В-А в молекулы типа А, растворимые в фоновой жидкости. Остается капелька. Протекание обратное реакции А-В уже не спонтанно, поскольку В обладает более высокой энергией по сравнению с А. Новый материал капель В можно получить реакцией А+С-В+С, связанной с топливом. В данном случае С – это низкоэнергетический продукт реакции молекул топлива. Топливо обеспечивает разницу химических потенциалов, которая дат возможность достичь состоянии В с высокой энергией из более низкого энергетического состояния А. Разность потенциалов может быть постоянной в том случае, если концентрации С в них заданы внешним резервуаром. В таком случае система удерживается далеко от состояния термодинамического равновесия.

Ученые изучили комбинацию разделения фаз и разновесных химических реакций также и в непрерывной модели. Исследователи установили, что химически активные капли сферической формы, могут быть нестабильными и делиться на две более мелкие капельки. Изначально капля растет до того момента, пока не достигнет стационарного размера. После этого она удлиняется, образуя гантелеобразную форму. Затем эта гантель делится на две меньшие по размеру капли, одинаковые по размеру. В конечном итоге, меньшие капли вновь начинают расти до нового деления.

Как отмечают ученые, те явления, которые они смоделировали, непосредственно можно наблюдать на эксперименте. По словам исследователей, нестабильность капель, которая спровоцирована внешним притоком энергии и которая приводит к делению капли, можно сравнить с неустойчивостью Муллинса-Секерки, которая довольно часто обсуждается в контексте роста кристаллов. Однако в отличие от нее, нестабильность формы капель может возникать и при наличии неподвижной нерастущей капли.

Современные клетки имеют некоторые химические структуры, не отделенные от клеточной цитоплазмы мембраной. Они образуются за счет разделения фаз от цитоплазмы. Большинство их жидкие и состоят из РНК-связующих белков и молекул РНК. Согласно гипотезе мира РНК, в ранние периоды жизни РНК была одновременно и носителем генетической информации, и выполняла роль рибозимы. Вполне вероятно, что объединения РНК с простыми пептидами было достаточно для того, чтобы образовались коацерватные капли.

Как отмечают авторы исследования, трансформация химически активных капель в клетке, которая делится впервые, представляет собой большую проблему для понимания раннего процесса эволюции. В отличие от внешней и внутренней среды капли, поверхность раздела этих сред является амфифильной. Те липиды, которые не имеют сродства к внутренней и внешней среде капли, могли бы накопиться на амфифильной поверхности при условии их наличия во внешней среде коацерватных капель. По мнению специалистов, в коацерватах мембраны могли появиться значительно раньше, чем произошло первое деление протоклеток.