Miliarde de ani de evoluţie au făcut celule moderne incredibil de complexe. În interiorul celulelor sunt compartimente mici numite organite care îndeplinesc funcții specifice esențiale pentru supraviețuirea și funcționarea celulei. De exemplu, nucleul stochează material genetic, iar mitocondriile produc energie.
O altă parte esențială a unei celule este membrana care o înglobează. Proteinele încorporate pe suprafața membranei controlează mișcarea substanțelor în și în afara celulei. Această structură sofisticată a membranei a permis complexitatea vieții așa cum o cunoaștem. Dar cum au ținut cele mai vechi și mai simple celule toate împreună înainte ca structurile membranare elaborate să evolueze?
În cercetarea noastră recent publicată în revista Science Advances, colegii mei de la Universitatea din Chicago și de la Universitatea din Houston si eu a explorat o posibilitate fascinantă care apa de ploaie a jucat un rol crucial în stabilizarea celulelor timpurii, deschizând calea către complexitatea vieții.
Originea vieții
Una dintre cele mai interesante întrebări din știință este cum a început viața pe Pământ. Oamenii de știință s-au întrebat de mult timp cum materia nevii, cum ar fi apa, gazele și depozitele de minerale, s-a transformat în celule vii capabile de replicare, metabolism și evoluție.
Chimiștii Stanley Miller și Harold Urey la Universitatea din Chicago a efectuat un experiment în 1953 demonstrând că compuși organici complecși – adică molecule pe bază de carbon – ar putea fi sintetizați din cei organici și anorganici mai simpli. Folosind apă, metan, amoniac, hidrogen gazos și scântei electrice, acești chimiști au format aminoacizi.
Oamenii de știință cred că cele mai timpurii forme de viață, numite protocelulea apărut spontan din moleculele organice prezente pe Pământul timpuriu. Aceste structuri primitive, asemănătoare celulelor, erau probabil formate din două componente fundamentale: un material de matrice care a furnizat un cadru structural și un material genetic care conține instrucțiuni pentru funcționarea protocelulelor.
De-a lungul timpului, aceste protocelule ar fi evoluat treptat capacitatea de a replica și executa procese metabolice. Anumite condiții sunt necesare pentru a avea loc reacții chimice esențiale, cum ar fi o sursă de energie constantă, compuși organici și apă. Compartimentele formate dintr-o matrice și o membrană asigură în mod crucial un mediu stabil care poate concentra reactanții și îi poate proteja de mediul extern, permițând reacțiile chimice necesare să aibă loc.
Înrudit: Cât de repede are loc evoluția?
Astfel, se ridică două întrebări cruciale: din ce materiale au fost făcute matricea și membrana protocelulelor? Și cum au permis celulelor timpurii să mențină stabilitatea și funcția de care aveau nevoie pentru a se transforma în celulele sofisticate care constituie toate organismele vii de astăzi?
Bule vs. picături
Oamenii de știință propun că două modele distincte de protocelule – vezicule și coacervate – ar fi putut juca un rol esențial în primele etape ale vieții.
vezicule sunt bule mici, ca săpunul în apă. Sunt formate din molecule grase numite lipide care formează în mod natural foițe subțiri. Veziculele se formează atunci când aceste foi se îndoaie într-o sferă care poate încapsula substanțe chimice și poate proteja reacțiile esențiale de mediul aspru și de degradare potențială.
La fel ca buzunarele miniaturale ale vieții, veziculele seamănă cu structura și funcția celulelor moderne. Cu toate acestea, spre deosebire de membranele celulelor moderne, protocelulelor veziculoase ar fi lipsit proteine specializate care permit selectiv moleculele să intre și să iasă dintr-o celulă și să permită comunicarea între celule. Fără aceste proteine, protocelulele veziculoase ar avea capacitatea limitată de a interacționa eficient cu mediul înconjurător, limitându-le potențialul de viață.
Coacerveazăpe de altă parte, sunt picături formate dintr-o acumulare de molecule organice precum peptidele și acizii nucleici. Ele se formează atunci când moleculele organice se lipesc împreună datorită proprietăților chimice care le atrag unele către altele, cum ar fi forțele electrostatice dintre moleculele încărcate opus. Acestea sunt aceleași forțe care fac ca baloanele să se lipească de păr.
Se pot imagina coacervatele ca picături de ulei de gătit suspendate în apă. Similar cu picăturile de ulei, protocelulelor coacervate le lipsește o membrană. Fără o membrană, apa din jur poate schimba cu ușurință materiale cu protocelule. Această caracteristică structurală ajută la coacervare substanțe chimice concentrate şi accelerarea reacțiilor chimicecreând un mediu plin de viață pentru elementele de bază ale vieții.
Astfel, absența unei membrane pare să facă din coacervate un candidat protocelul mai bun decât veziculele. Cu toate acestea, lipsa unei membrane prezintă și un dezavantaj semnificativ: potențialul materialului genetic de a se scurge.
Protocelule instabile și cu scurgeri
La câțiva ani după chimiștii olandezi a descoperit picături coacervate în 1929biochimist rus Alexandru Oparin a propus că coacervatele au fost cel mai vechi model de protocelule. El a susținut că picăturile coacervate au oferit o formă primitivă de compartimentare crucială pentru procesele metabolice timpurii și auto-replicare.
Ulterior, oamenii de știință au descoperit că coacervatele pot fi uneori compus din polimeri cu încărcare opusă: molecule lungi, asemănătoare lanțurilor, care seamănă cu spaghetele la scară moleculară, purtând sarcini electrice opuse. Atunci când polimerii cu sarcini electrice opuse sunt amestecați, ei tind să se atragă unul pe altul și să se lipească împreună pentru a forma picături fără membrană.
Absența unei membrane a reprezentat o provocare: picăturile fuzionează rapid unele cu altele, asemănătoare cu picăturile individuale de ulei din apă care se unesc într-o pată mare. În plus, lipsa unei membrane permisă ARN — un tip de material genetic considerat a fi cea mai timpurie formă de moleculă autoreplicabilăcrucial pentru etapele incipiente ale vieții – pentru a schimba rapid între protocelule.
Colegul meu Jack Szostak a arătat în 2017 că fuziunea și schimbul rapid de materiale pot duce la amestecarea necontrolată a ARN-uluiceea ce face dificilă evoluția secvențelor genetice stabile și distincte. Această limitare a sugerat că coacervatele ar putea să nu fie capabile să mențină compartimentarea necesară pentru viața timpurie.
Compartimentarea este o cerință strictă pentru selecția naturală și evoluție. Dacă protocelulele coacervate s-ar fuziona necontenit, iar genele lor s-ar amesteca și s-ar schimba continuu între ele, toate s-ar asemăna între ele fără nicio variație genetică. Fără variație genetică, nicio protocelulă nu ar avea o probabilitate mai mare de supraviețuire, reproducere și transmitere a genelor sale la generațiile viitoare.
Dar viața de astăzi prosperă cu o varietate de material genetic, sugerând că natura a rezolvat cumva această problemă. Astfel, trebuia să existe o soluție la această problemă, eventual ascunsă la vedere.
Apa de ploaie și ARN
Un studiu pe care l-am efectuat în 2022 a demonstrat că picăturile coacervate pot fi stabilizate și pot evita fuziunea dacă scufundat în apă deionizată — apă lipsită de ioni și minerale dizolvate. Picăturile ejectează ioni mici în apă, permițând probabil polimeri încărcați opus la periferie să se apropie unul de altul și formează un strat de piele ochis. Acest „perete” măcinat împiedică eficient fuziunea picăturilor.
În continuare, cu colegii și colaboratorii mei, inclusiv Matthew Tirrell și Jack Szostak, am studiat schimbul de material genetic între protocelule. Am plasat două populații separate de protocelule, tratate cu apă deionizată, în eprubete. Una dintre aceste populații conținea ARN. Când cele două populații au fost amestecate, ARN-ul a rămas închis în protocelulele respective timp de zile. „Pereții” mesh ai protocelulelor au împiedicat scurgerea ARN-ului.
În schimb, când am amestecat protocelule care nu au fost tratate cu apă deionizată, ARN-ul a difuzat de la o protocelulă la alta în câteva secunde.
Inspirat de aceste rezultate, colegul meu Alamgir Karim m-am întrebat dacă apa de ploaie, care este o sursă naturală de apă fără ioni, ar fi putut face același lucru în lumea prebiotică. Cu un alt coleg, Anusha Vontedduam descoperit că apa de ploaie stabilizează într-adevăr protocelulele împotriva fuziunii.
Ploaia, credem noi, poate să fi deschis calea pentru primele celule.
Lucrul peste discipline
Studierea originilor vieții se adresează atât curiozității științifice cu privire la mecanismele care au dus la viața pe Pământ, cât și întrebărilor filozofice despre locul nostru în univers și natura existenței.
În prezent, cercetarea mea aprofundează chiar la începutul replicării genelor în protocelule. În absența proteinelor moderne care fac copii ale genelor în interiorul celulelor, lumea prebiotică s-ar fi bazat pe reacții chimice simple între nucleotide – blocurile de construcție ale materialului genetic – pentru a face copii ale ARN-ului. Înțelegerea modului în care nucleotidele s-au unit formarea unui lanț lung de ARN este un pas crucial în descifrarea evoluției prebiotice.
Pentru a aborda problema profundă a originii vieții, este crucial să înțelegem condițiile geologice, chimice și de mediu de pe Pământul timpuriu cu aproximativ 3,8 miliarde de ani în urmă. Astfel, descoperirea începuturilor vieții nu se limitează la biologi. Inginerii chimiști ca mine și cercetători din diverse domenii științifice explorează această întrebare existențială captivantă.
Acest articol editat este republicat din Conversația sub o licență Creative Commons. Citiți articol original.