En gruppe amerikanske og tyske forskere beskrev den mekanisme, hvormed protocellerne, som var forgængerne for de første levende organismer på vores planet, fik evnen til at vokse og opdele.
Siden oldtiden har folk været interesseret i spørgsmålet om livets oprindelse. I løbet af historien er der fremkommet adskillige hypoteser, hvoraf kun teorien om den oprindelige suppe sandsynligvis er af videnskabelig værdi. Alle de andre viste sig at være uholdbare. Kreationisme eller teorien om guddommelig skabelse, der går tilbage til den sene neolitiske periode, betragtes som uvidenskabelig; hypotesen om livets evige eksistens er i modstrid med paleontologiske og astronomiske data; hypotesen om at bringe liv til vores planet udefra (begrebet panspermia) løser i princippet ikke problemet, og tværtimod provoserer spørgsmålet om, hvordan livet kunne opstå i en anden verden.
For første gang blev den version af, at små dråber i de tidlige stadier af livets oprindelse kunne dannes på grund af adskillelsen af molekyler i komplekse blandinger på grund af faseseparation i et koacervat (den såkaldte primære bouillon), udtrykt af den sovjetiske biolog Alexander Oparin, lidt senere - af den britiske videnskabsmand John Haldane. I henhold til hypotesen tilvejebragte disse dråber dannelse af reaktive kemiske centre, men på samme tid er det stadig uklart, hvordan de voksede og multipliceres.
Som en del af den nye undersøgelse har forskere observeret opførsel af dråber i systemer, der opretholdes af en ekstern energikilde i en tilstand langt fra termodynamisk ligevægt. I sådanne systemer udføres dråbevækst ved at tilsætte dråbe-materiale, der produceres under kemiske reaktioner. Det blev fundet, at væksten af en dråbe, der forekommer som et resultat af kemiske processer, medfører en ustabilitet af dråbeformen og provokerer dens opdeling i to mindre dråber.
De kemisk aktive dråber viste således vækst- og opdelingscyklusser, der lignede proliferationen af væv i en levende organisme på grund af cellemultiplikation ved opdeling (proliferation). Forskerne antager, at opdeling af aktive dråber kunne tjene som en model for prebiotiske protokoller, hvor kemiske reaktioner i dråben fremmer den prebiotiske metabolisme.
Væskedråber er selvorganiserende strukturer, der kan eksistere sammen med den omgivende væske. Overfladen, der deler to tilstødende faser, giver dråberne en bestemt form på grund af overfladespænding - sfærisk. Derudover har nogle stoffer evnen til at trænge igennem overfladen af coacervatdråber. Opdelingen af mediet i dråber akkumulerer et begrænset volumen af materiale og fører til visse kemiske reaktioner.
Videnskabsfolk har etableret termodynamikken ved fødslen af et dråbe, men på samme tid forstår de stadig ikke, hvordan det vokser og multipliceres, det vil sige, det har de vigtigste træk, der er forbundet med en levende organisme. Det accepteres generelt, at væksten af dråber forekommer på grund af absorptionen af et materiale fra et overmættet medium eller processen med rekondensering - overførsel af et opløst stof fra små partikler til store ved hjælp af opløsning (denne proces kaldes Ostwald-modning). I dette tilfælde forsvinder små dråber, kun de store er tilbage. Derudover indrømmer forskere, at små dråber kan kombinere og danne store. Over tid fører alle disse processer til en stigning i dråbernes størrelse og et fald i antallet, selv om protocellen, når den når en bestemt størrelse, skal opdeles i to.
Forskerne antager, at koacervatdråber, der holdes langt fra termodynamisk ligevægt med et kemisk brændstof, kan have usædvanlige træk, for eksempel kan Ostwald modning i nærvær af kemiske reaktioner undertrykkes, hvorved flere dråber kan eksistere stabilt med en bestemt størrelse, hvilket er givet ved hastigheden reaktioner. I dette tilfælde er sfæriske dråber, der er udsat for kemiske reaktioner, tilfældigt opdelt i to mindre dråber af samme størrelse. Forskere antyder, at kemisk aktive dråber på denne måde kan vokse og opdele og derfor formere sig ved at bruge det indkommende materiale som brændstof. I nærvær af kemiske reaktioner, der udløses fra eksterne kilder, opfører dråberne sig som celler. Sådanne aktive dråber kan være modeller til vækst og opdeling af protoceller med primitiv metabolisme, hvilket er en simpel kemisk reaktion understøttet af eksternt brændstof.
Salgsfremmende video:
Disse dråber er et slags reservoir til den rumlige organisering af visse kemiske reaktioner. For udseendet af dråber er det nødvendigt at opdele faser i to flydende faser med forskellig sammensætning, som findes side om side. Faserne er opdelt på grund af molekylær virkning, hvor lignende molekyler sænker deres egen energi, når de er i nærheden af hinanden. En væske er i stand til stratificering, hvis reduktionen i energi forbundet med molekylær virkning på grund af blanding overvinder effekten af stigende kaos. Hvis sådanne interaktioner er stærke nok, dannes en overflade, der adskiller de sameksisterende faser. Hvis overfladematerialet dannes og ødelægges ved kemiske reaktioner, kan dråberne blive reaktive.
Så hvis vi f.eks. Overvejer modellen til et simpelt dråbe, kan vi se, at det har et minimum antal nødvendige betingelser for dannelse og multiplikation af et koacervatdråbe: et faseinterface, to faser, samt en ekstern energikilde, der holder systemet væk fra tilstanden af termodynamisk ligevægt … Drupledannelse skyldes D-dråbermaterialet genereret inde i dråben fra et højenergi N-materiale, der tjener som et næringsstof. Dropletmaterialet er i stand til at nedbrydes til komponenter med lavere energi W (affald), som som et resultat af diffusion forlader dråben. Et dråbe kan overleve, når der er en kontinuerlig forsyning af N og en konstant fjernelse af W. Dette kan opnås gennem recirkulation af N ved hjælp af en ekstern energikilde, isærsollys eller visse brændstoffer.
Undersøgelsesforfatterne mener, at fysiske dråber med aktive dråber er ganske enkle. Det er nemmest at forstå ved eksemplet med en model med to komponenter A og B. Når fasen af materialet i dråbe B adskiller sig fra opløsningsmidlet, kan den tilfældigt omdannes på grund af den kemiske reaktion BA til molekyler af type A, der er opløselige i baggrundsvæsken. Der er et dråbe tilbage. Den omvendte reaktion A-B er ikke længere spontan, da B har en højere energi end A. Nyt dråbe-materiale B kan opnås ved reaktionen A + C-B + C, der er forbundet med brændstof. I dette tilfælde er C et lavenergi-reaktionsprodukt af brændstofmolekyler. Brændstoffet tilvejebringer en kemisk potentialforskel, som gør det muligt at nå tilstand B med høj energi fra en lavere energitilstand A. Potentialeforskellen kan være konstant, hvishvis koncentrationerne af C i dem gives af et eksternt reservoir. I dette tilfælde holdes systemet langt fra tilstanden af termodynamisk ligevægt.
Forskere har undersøgt kombinationen af faseseparation og ubalancerede kemiske reaktioner også i en kontinuerlig model. Forskere har fundet, at kemisk aktive sfæriske dråber kan være ustabile og opdele i to mindre dråber. Oprindeligt vokser dråben, indtil den når en stationær størrelse. Derefter forlænges det og danner en håndvægtsform. Denne håndvægt er derefter opdelt i to mindre dråber af samme størrelse. I sidste ende begynder de mindre dråber at vokse igen indtil en ny opdeling.
Som forskerne bemærker, kan de fænomener, de modellerede, direkte observeres i eksperimentet. Ifølge forskerne kan ustabiliteten af dråber, der udløses af en ekstern tilstrømning af energi, og som fører til dråbe-fission, sammenlignes med Mullins-Sekerki-ustabiliteten, som ofte diskuteres i sammenhæng med krystalvækst. I modsætning hertil kan ustabilitet af dråbeformen imidlertid også forekomme i nærværelse af en bevægelsesfri, ikke-voksende dråbe.
Moderne celler har nogle kemiske strukturer, der ikke er adskilt fra den cellulære cytoplasma med en membran. De dannes ved faseseparation fra cytoplasmaet. De fleste af dem er flydende og består af RNA-bindende proteiner og RNA-molekyler. I henhold til hypotesen om RNA-verdenen var RNA i de tidlige perioder af livet både en bærer af genetisk information og spillede rollen som et ribozym. Det er sandsynligt, at kombinationen af RNA med enkle peptider var tilstrækkelig til at danne coacervatdråber.
Som forfatterne af undersøgelsen bemærker, er transformationen af kemisk aktive dråber i en celle, der deler sig for første gang, et stort problem for at forstå den tidlige evolutionære proces. I modsætning til de eksterne og interne dråberemedier er grænsefladen mellem disse medier amfifil. De lipider, der ikke har nogen affinitet for det indre og ydre miljø af dråben, kunne akkumuleres på den amfifile overflade, forudsat at de er til stede i det ydre miljø af coacervate dråber. Ifølge eksperter kunne membraner i koacervater forekomme meget tidligere, end den første opdeling af protoceller fandt sted.