Миллиарды лет эволюции сделали современные клетки невероятно сложными. Внутри клеток находятся органеллы — крошечные структуры, выполняющие жизненно важные функции. Например, ядро хранит генетический материал, а митохондрии вырабатывают энергию. Важная часть клетки — окружающая ее мембрана. Белки, встроенные в мембрану, контролируют движение веществ в клетку и из нее. Эта сложная структура сделала возможной сложную жизнь. Но как самые первые клетки держались до появления мембраны? Отвечает новое исследование, вышедшее в Science Advances.
Ученые считают, что ранние формы жизни, так называемые протоклетки, спонтанно возникли из органических молекул, присутствовавших на ранней Земле. Эти примитивные «клетки», вероятно, состояли из двух основных компонентов: структурного материала и генетического, несущего инструкции для их функционирования.
Со временем протоклетки постепенно развивали способность к воспроизведению и метаболическим процессам. Для протекания химических реакций необходимы определенные условия: постоянный источник энергии, органические соединения и вода. Некая оболочка должна была защищать древний протоорганизм.
Ученые предлагают две модели, которые, возможно, сыграли ключевую роль на ранних стадиях развития жизни: везикулы и коацерваты.
Везикулы — это микроскопические пузырьки, подобные мыльной пене в воде, образованные жировыми молекулами, естественным образом формирующими тонкие листы. Везикулы появляются, когда эти листы закручиваются в сферу, которая и защищала важные реакции. В отличие от современных клеток, везикулы протоклетки не имели специализированных белков, которые избирательно пропускают молекулы. Без этих белков везикулам было сложно эффективно взаимодействовать с окружающей средой.
Коацерваты — капли, образованные из органических молекул (например, пептидов и нуклеиновых кислот), за счет их электростатического взаимодействия. Эти капли, лишенные мембраны, легко обмениваются веществами с окружающей водой, что помогает концентрировать химические компоненты и ускорять реакции, создавая условия для зарождения жизни. Однако отсутствие мембраны затрудняет удержание генетического материала внутри — серьезный недостаток этой версии.
Коацерваты иногда состоят из противоположно заряженных полимеров — длинных цепочечных молекул, похожих на спагетти, несущих противоположные заряды. При смешивании они притягиваются и формируют капли без мембраны. Отсутствие мембраны создает проблему: капли быстро сливаются, как капли масла в воде. Быстрое слияние и обмен веществом затрудняют эволюцию устойчивых и различных генетических последовательностей.
В новом исследовании ученые из Университетов Чикаго и Хьюстона показали, что капли коацерватов могут быть стабильны в деонизированной воде — воде, свободной от растворенных ионов и минералов. Капли вытесняют маленькие ионы в воду, что позволяет противоположно заряженным полимерам плотно приближаться друг к другу и образовывать ячеистую оболочку, препятствующую слиянию капель.
Природный источник такой воды — дождь. Авторы выяснили, что дождевая вода действительно стабилизирует протоклетки и мешает слиянию. Так что, именно дождь, предположительно, мог прокладывать путь для появления первых клеток, сообщает Conversation.
Тайна зарождения жизни: химики раскрыли механизм образования пептидов в воде
Как строительные блоки жизни попали на Землю? Цинк в метеоритах дает подсказки
В камне возрастом 2 миллиарда лет обнаружены микробы — и они все еще живы