Критика моих подписчиков и жаркий спор в вопросах астрофизики не только манят своей активностью, но побуждают меня двигаться дальше. Стараюсь сдержать данное мною слово, не быть столь предвзятым к моим оппонентам. В конце-концов и я не астроном. В астрономии меня больше интересует вопрос "С чего вообще все началось". Как мог, дал на это ответ.
Но мы уже две главы подряд (минимум) на родной планете Земля и раскрываю вопросы геологии и абиогенеза. В прошлых главах мы говорили об аминокислотах и РНК. В этой главе объясню как появилась первая клетка.
Что такое клетка вообще? По сути это отдельный биологический модуль, физически локализованный набор молекул, которые так или иначе изолированы от внешней среды. И это логично. Ведь нам, как отдельным особям, не хотелось бы распадаться на отдельные части, растворяясь в окружающей среде. То же самое относится и к отдельной клетке, которая пытается удержать свои компоненты внутри себя. Но есть и менее очевидное объяснение важности клетки как биологической единицы: локализация в пространстве необходима для запуска дарвиновской эволюции, а следовательно для эволюции всего биологического разнообразия, которое есть вокруг нас.
Рассмотрим первоначальную молекулу РНК. Представим себе, что у РНК есть способность катализировать какую-то метаболическую реакцию, например синтез нуклеотидов. Добавим к этому проблему, при которой в РНК произошла ошибка в копировании последовательности цепочки и "потомки" данной молекулы имеют мутации. Такой мутант начнет катализировать синтез нуклеотидов быстрее первоначального РНК-фермента. Если это все происходит в свободном плавании, то продукты метаболизма просто растворялись бы в окружающей среде. Этими продуктами пользовались бы иные РНК-молекулы и наша молекула не получала бы никакой пользы от повышенной способности к катализу.
А теперь представьте, что РНК обзавелась своим собственным боксом. В такой ситуации мутировавшая РНК, которая случайно приобрела некие дополнительные супер способности к метаболической активности, будет использовать их. Потому что плоды этих суперспособностей, а в нашем случае нуклеотиды, физически останутся внутри данного бокса.
Первые РНК-молекулы, по сути выполняли функции РНК-репликазы. Т.е. имевшие суперспособность реплицировать собственную последовательность. Именно с нее начинается эволюция жизни.
Т.е. для того, что бы РНК копировала саму себя нам нужны две молекулы РНК с одинаковой последовательностью. Одна должна развернуться, что быть образцом. Другая остаться свернутой, что бы действовать как копирующий фермент. Соответственно наличие замкнутой камеры этот процесс делает более устойчивым и упорядоченным.
Мы можем убедиться теперь, что жизнь не могла зародиться без клеточной структуры. Помимо нуклеотидов, РНК, аминокислот и пептидов, у гипотетической протоклетки был еще один важный компонент, который есть и у современных живых организмов - клеточная оболочка или мембрана.
Клеточные мембраны состоят из разных молекул, но с одной общей особенностью. Молекулы эти амфифильны. Т.е. одна группа молекул гидрофильны и очень любят водичку. Другие же гидрофобны и держаться от воды подальше. По этому оболочка состоит из двух слоев липидов (жирообразных соединений). И конечно, так как жизнь зародилась в воде, внешняя сторона гидрофильна и обращена к окружающей среде, а внутренняя гидрофобна и спрятана внутри клетки.
И вот тут есть камень преткновения в науке. Нам пока не известно происхождение предбиологической высокой концентрации жирных кислот, которые станут частью мембран. Версий много, от возникновении при падении астероидов до синтеза в глубинах недр Земли. Вопрос для науки открытый и труда здесь будет немало.
Главное отличие протоклетки от современной клетки, это наличие в мембране современной клетки огромного количества транспортных механизмов и насосов. Они обеспечивают клетку всем, что ей необходимо. От воды и ионов до питательных веществ и выброса отходов. Т.е. протоклетка этим всем не обладала. Соответсвенно не могла ее мембрана состоять и из фосфолипидов, которые этими механизмами современную клетку обеспечивают. Но стоит отметить, что протоклетка не обладала катализаторами вроде ферментов и рибозимов, которые возникли позже, в ходе эволюции. Видимо мембрана протоклетки пропускала через себя большие, полярные и даже заряженные молекулы - например нуклеотиды. А значит липиды мембран были абсолютно другими.
Если раствор жирных кислот постепенно высушивать, он создает прозрачную пленку. А если к ней добавить щелочной раствор солей жирных кислот, то образуются двухслойные мембраны. Сначала в виде обрывистых лоскутов, а позже они растут и сворачиваются в сферические везикулы. И это уже чем-то напоминает протоклетку.
Стоит отметить, что мембраны из жирных кислот гораздо более проницаемы, чем фосфолипидные. Настолько, что даже нуклеотиды способны проникать через них без помощи эволюционных белковых инструментов.