Ryhmä amerikkalaisia ja saksalaisia tutkijoita kuvasi mekanismin, jolla protosolut, jotka olivat planeettamme ensimmäisten elävien organismien edeltäjiä, saivat kyvyn kasvaa ja jakaa.
Muinaisista ajoista lähtien ihmiset ovat olleet kiinnostuneita elämän alkuperästä. Historiassa on noussut esiin useita hypoteeseja, joista vain alkuteoksen teorialla on todennäköisesti tieteellinen arvo. Kaikki muut osoittautuivat kestämättömiksi. Kreationismia tai jumalallisen luomisen teoriaa, joka juontaa myöhäisneoliittiseen ajanjaksoon, pidetään epätieteellisenä; elämän iankaikkisen olemassaolon hypoteesi on täysin ristiriidassa paleontologisten ja tähtitieteellisten tietojen kanssa; hypoteesi elämän tuomiseksi planeetallemme ulkopuolelta (käsite panspermia) ei periaatteessa ratkaise ongelmaa ja päinvastoin provosoi kysymystä siitä, kuinka elämä voisi syntyä toisessa maailmassa.
Neuvostoliiton biologi Alexander Oparin ilmaisi hieman ensimmäistä kertaa version siitä, että pieniä pisaroita elämän alkuvaiheen varhaisvaiheissa voitiin muodostaa, koska molekyylit erottuivat monimutkaisissa seoksissa, koska faasierottelu tapahtui koacervaatissa (ns. Primaariliemi), vähän myöhemmin - brittiläisen tutkijan John Haldane. Hypoteesin mukaan nämä pisarat mahdollistivat reaktiivisten kemiallisten keskusten muodostumisen, mutta samalla on edelleen epäselvää, kuinka ne kasvoivat ja lisääntyivät.
Osana uutta tutkimusta tutkijat ovat havainneet pisaroiden käyttäytymistä järjestelmissä, joita ulkoinen energialähde ylläpitää tilassa, joka on kaukana termodynaamisesta tasapainosta. Tällaisissa järjestelmissä pisaran kasvu tapahtuu lisäämällä pisaran materiaalia, jota syntyy kemiallisten reaktioiden aikana. Todettiin, että pisaran kasvu, joka tapahtuu kemiallisten prosessien seurauksena, aiheuttaa pisaran muodon epävakauden ja provosoi sen jakautumisen kahteen pienempään pisaraan.
Siten kemiallisesti aktiivisilla pisaroilla oli kasvu- ja jakautumissyklejä, jotka muistuttivat kudoksen lisääntymistä elävässä organismissa johtuen solujen lisääntymisestä jakautumalla (lisääntyminen). Tutkijat olettavat, että aktiivisten pisaroiden jakaminen voi toimia mallina prebioottisille alkueläimille, joissa pisaran kemialliset reaktiot edistävät prebioottista aineenvaihduntaa.
Nestepisarat ovat itseorganisoituvia rakenteita, jotka voivat esiintyä samanaikaisesti ympäröivän nesteen kanssa. Pinta, joka jakaa kaksi vierekkäistä vaihetta, antaa pisaroille pinnan kireyden takia tietyn muodon - pallomainen. Lisäksi joillakin aineilla on kyky tunkeutua koacervoituneiden pisaroiden pintaan. Väliaineen jakaminen pisaroiksi kerää rajoitetun määrän ainetta ja johtaa tiettyihin kemiallisiin reaktioihin.
Tutkijat ovat vahvistaneet pisaroiden syntymisen termodynamiikan, mutta samalla he eivät vieläkään ymmärrä kuinka se kasvaa ja kasvaa, ts. Sillä on tärkeimmät piirteet, jotka ovat luontaisia elävälle organismille. On yleisesti hyväksyttyä, että pisaroiden kasvu tapahtuu johtuen materiaalin imeytymisestä ylikyllästetystä väliaineesta tai uudelleenkondensointiprosessista - liuenneen aineen siirtymisestä pienistä hiukkasista suuriin partikkeleihin liuottamalla (tätä prosessia kutsutaan Ostwaldin kypsytykseksi). Tässä tapauksessa pienet pisarat katoavat, vain suuret jäävät. Lisäksi tutkijat myöntävät, että pienet pisarat voivat yhdistää ja muodostaa suuria. Ajan myötä kaikki nämä prosessit johtavat pisaroiden koon lisääntymiseen ja niiden lukumäärän pienenemiseen, vaikkakin protokennon, kun se on saavuttanut tietyn koon, täytyy jakaa kahteen osaan.
Tutkijoiden hypoteesina on, että kemiallisella polttoaineella, joka pidetään kaukana termodynaamisesta tasapainosta kemiallisella polttoaineella, voi olla epätavallisia piirteitä, esimerkiksi Ostwaldin kypsyminen kemiallisten reaktioiden läsnä ollessa voidaan estää, jolloin useita pisaroita voi esiintyä stabiilisti tietyn koon kanssa, jonka nopeus antaa reaktioita. Tässä tapauksessa pallopisarat, jotka ovat alttiina kemiallisille reaktioille, jaetaan satunnaisesti kahteen pienempään, samankokoiseen pisarokseen. Tutkijoiden mukaan tällä tavoin kemiallisesti aktiiviset pisarokset voivat kasvaa ja jakaa ja siten moninkertaistua käyttämällä tulevaa materiaalia polttoaineena. Siksi, kun läsnä on kemiallisia reaktioita, jotka laukaistaan ulkoisista lähteistä, pisarat käyttäytyvät kuin solut. Tällaiset aktiiviset pisarat voivat olla malleja protosolujen kasvulle ja jakautumiselle primitiivisella aineenvaihdunnalla, mikä on yksinkertainen kemiallinen reaktio, jota tukee ulkoinen polttoaine.
Mainosvideo:
Nämä pisarat ovat eräänlainen säiliö tiettyjen kemiallisten reaktioiden alueelliseen organisointiin. Pisaroiden esiintyminen on tarpeen jakaa faasit kahteen eri koostumuksen nestemäiseen faasiin, joita esiintyy vierekkäin. Faasit jakautuvat johtuen molekyylisestä vaikutuksesta, jossa samanlaiset molekyylit alentavat omaa energiaa oleessaan lähellä toisiaan. Neste kykenee stratifioitumaan, jos sekoittumisesta johtuva molekyylivaikutukseen liittyvä energian väheneminen voittaa kasvavan kaaoksen vaikutuksen. Jos sellaiset vuorovaikutukset ovat tarpeeksi vahvoja, muodostuu pinta, joka erottaa rinnakkaiselossa olevat vaiheet. Jos pinta-aine muodostuu ja tuhoutuu kemiallisilla reaktioilla, pisarat voivat muuttua reaktiivisiksi.
Joten esimerkiksi jos tarkastellaan yksinkertaisen pudotuksen mallia, voidaan nähdä, että siinä on minimaalinen määrä välttämättömiä olosuhteita koacervaatin pudotuksen muodostumiseksi ja kertoamiseksi: vaiherajapinta, kaksi vaihetta, sekä ulkoinen energialähde, joka pitää järjestelmän poissa termodynaamisen tasapainotilan tilasta. … Pisaran muodostuminen johtuu D-pisaran materiaalista, joka muodostuu pisaran sisällä korkeaenergisesta materiaalista N, joka toimii ravinteena. Pisaran materiaali kykenee hajoamaan pienemmiksi energiakomponenteiksi W (jätteeksi), jotka diffuusion seurauksena jättävät pisaran. Pudotus voi selviytyä, kun N: n tarjonta on jatkuvaa ja W: n jatkuva poisto tapahtuu. Tämä voidaan saavuttaa kiertämällä N uudelleen erityisesti ulkoista energialähdettä käyttämällä,auringonvalo tai tietyt polttoaineet.
Tutkimuksen tekijät uskovat, että aktiivisten pisaroiden fysiikka on melko yksinkertaista. Se on helpointa ymmärtää mallilla, jolla on kaksi komponenttia A ja B. Kun pisaran B materiaalifaasi erottuu liuottimesta, se voidaan muuttaa kemiallisen reaktion vuoksi satunnaisesti tyypin A molekyyleiksi, jotka liukenevat taustanesteeseen. Pisara jää. Käänteinen reaktio A-B ei ole enää spontaani, koska B: llä on suurempi energia kuin A. Uusi pisaramateriaali B voidaan saada reaktiolla A + C-B + C, joka liittyy polttoaineeseen. Tässä tapauksessa C on polttoaineen molekyylien vähäenerginen reaktiotuotte. Polttoaine tarjoaa kemiallisen potentiaalieron, joka mahdollistaa tilan B saavuttamisen suurella energialla alhaisemman energian tilasta A. Potentiaaliero voi olla vakio, josjos C-pitoisuudet niissä annetaan ulkoisella säiliöllä. Tässä tapauksessa järjestelmä pidetään kaukana termodynaamisen tasapainotilasta.
Tutkijat ovat tutkineet faasierottelun ja epätasapainoisten kemiallisten reaktioiden yhdistelmää myös jatkuvassa mallissa. Tutkijat ovat havainneet, että kemiallisesti aktiiviset pallomaiset pisarokset voivat olla epävakaita ja jakaa kahteen pienempään pisarokseen. Aluksi tippa kasvaa, kunnes se saavuttaa kiinteän koon. Sen jälkeen se pidentyy muodostaen käsipainon muodon. Tämä käsipaino jaetaan sitten kahteen samankokoiseen pieneen pisaroihin. Viime kädessä pienemmät pisarat alkavat kasvaa uudelleen, kunnes muodostuu uusi jako.
Kuten tutkijat huomauttavat, heidän mallintamansa ilmiöt voidaan havaita suoraan kokeessa. Tutkijoiden mukaan pisaran epävakautta, jonka laukaisee ulkoinen energiavirta ja joka johtaa pisaran halkeamiseen, voidaan verrata Mullins-Sekerkin epävakauteen, josta keskustellaan usein kiteiden kasvun yhteydessä. Pisaroiden muodon epävakautta voi kuitenkin toisin kuin sen suhteen esiintyä myös liikkumattoman, ei kasvavan pisaran läsnä ollessa.
Nykyaikaisilla soluilla on joitain kemiallisia rakenteita, joita membraani ei erota solun sytoplasmasta. Ne muodostuvat faasierottelulla sytoplasmasta. Suurin osa niistä on nestemäisiä ja koostuvat RNA: ta sitovista proteiineista ja RNA-molekyyleistä. RNA-maailman hypoteesin mukaan RNA oli varhaisina elämänvaiheina sekä geneettisen tiedon kantaja että roboentsyymin rooli. On todennäköistä, että RNA: n yhdistelmä yksinkertaisten peptidien kanssa oli riittävä koacervoituneiden pisaroiden muodostamiseksi.
Kuten tutkimuksen kirjoittajat huomauttavat, kemiallisesti aktiivisten pisaroiden muutos solussa, joka jakautuu ensimmäistä kertaa, on iso ongelma varhaisen evoluutioprosessin ymmärtämiseksi. Toisin kuin ulkoinen ja sisäinen pisaraväliaine, näiden väliaineiden välinen rajapinta on amfifiilinen. Ne lipidit, joilla ei ole affiniteettia pisaroiden sisäiseen ja ulkoiseen ympäristöön, voisivat kertyä amfifiiliseen pintaan, mikäli ne ovat läsnä koacervoituneiden pisaroiden ulkoisessa ympäristössä. Asiantuntijoiden mukaan koacervaattien kalvot saattavat ilmestyä paljon aikaisemmin kuin protokennojen ensimmäinen jakautuminen tapahtui.