ватяні краплі

Зародження життя пояснили без участі бога

Питання про те, як виникло життя, хвилює людей з давніх часів. Історично було запропоновано кілька концепцій, з яких наукову цінність, по всій видимості, представляє лише гіпотеза про первинному бульйоні. Решта виявилися неспроможними. Гіпотеза божественного створення (креаціонізм), що виникла ще за часів пізнього неоліту, ненаукова; теорія вічного існування життя суперечить астрономічним і палеонтологічними даними; концепція панспермії - занесення життя на Землю ззовні, принципово не вирішує проблеми і призводить до питання про те, як життя виникло в іншому світі.

Припущення, що на ранніх етапах виникнення життя невеликі крапельки могли утворитися за допомогою сегрегації молекул в складних сумішах шляхом поділу фаз в так званому первинному бульйоні (коацервати), було висловлено радянським біологом Олександром Опаріним, а пізніше - британським вченим Джоном Холдейном. Ці коацерватние крапельки, відповідно до гіпотези, забезпечили виникнення хімічних реакційних центрів, проте неясно, яким чином вони росли і розмножувалися.

У новому дослідженні вчені розглянули поведінку крапель в системах, які за допомогою зовнішнього джерела енергії підтримуються в далекому від термодинамічної рівноваги стані. У цих системах краплі ростуть за рахунок додавання крапельного матеріалу, вироблюваного в ході хімічних реакцій. Виявилося, що зростання краплі, що відбувається через хімічних процесів, призводить до нестабільності її форми і викликає поділ на дві менші крапельки.

Рідкі краплі являють собою структури, що самоорганізуються, які співіснують з навколишнім рідиною. Поверхня, що розділяє дві співіснуючі фази, надає краплях певну форму (сферичну через поверхневого натягу). Крім того, багато речовини можуть дифундувати через поверхню коацерватной краплі. Сегрегація середовища в крапельки концентрує матеріал в обмеженому обсязі і сприяє протіканню специфічних хімічних реакцій.

Вчені розуміють термодинаміку зародження краплі, проте їм досі неясно, як вона може рости і розмножуватися, тобто володіти ключовими особливостями, притаманними живому організму. Зазвичай вважають, що крапельки ростуть за рахунок поглинання матеріалу з перенасиченої середовища або переконденсаціі (дозрівання Оствальда) - перенесення розчиненої речовини від дрібних частинок до великих за допомогою розчинення. В останньому випадку дрібні краплі зникають, залишаються лише великі; також допускається, що дрібні краплі можуть безпосередньо об'єднуватися в більші. Описані процеси призводять до зростання розмірів крапель і зменшення їх числа з плином часу, тоді як протоклетка повинна, досягнувши характерного розміру, розділитися на дві. Так як же коацерватнимікраплями це вдається?

Крапельки служать невеликими резервуарами для просторової організації специфічних хімічних реакцій. Поява крапель вимагає поділу фаз на дві співіснуючі рідкі фази різного складу. Поділ фаз обумовлено молекулярним взаємодією, в якому молекули, що мають спорідненість один до одного, знижують свою енергію, якщо вони знаходяться близько один до одного. Рідина може расслоиться, якщо зменшення енергії, пов'язане з молекулярними взаємодіями, долає ефекти збільшення ентропії шляхом змішування. Якщо ці взаємодії сильні, формується поверхня, що відокремлює співіснують фази. Краплі можуть стати хімічно активними, якщо матеріал поверхні утворюється і руйнується хімічними реакціями.

Розглянемо, наприклад, модель простий краплі (рисунок а). У ній присутній мінімальне число необхідних умов для формування і розмноження коацерватной краплі: дві фази, поверхня розділу фаз і зовнішнє джерело енергії, що утримує систему від стану термодинамічної рівноваги. Крапля утворена матеріалом D крапельки, який генерується всередині краплі з високоенергетичного попередника N, який грає роль поживної речовини. Крапельний матеріал може розкладатися на більш низьку енергетичну складову W (відходи), які залишають крапельку в результаті дифузії. Крапля може вижити, якщо N безперервно подається, а W - постійно віддаляється. Це може бути досягнуто шляхом рециркуляції N з використанням зовнішнього джерела енергії, наприклад, деякого палива або сонячного світла.

Малюнки a, b і c

Які типи молекул могли утворювати такі краплі? Сучасні клітини мають ряд хімічних структур, які не відокремлені мембраною від клітинної цитоплазми, а утворюються шляхом поділу фаз від цитоплазми. Багато з них є рідкими і складаються з молекул РНК і РНК-зв'язуючих білків. Гіпотеза світу РНК передбачає, що на ранніх етапах життя РНК одночасно була носієм генетичної інформації і виступала в якості ферменту (рибозими). Об'єднання РНК з простими пептидами, можливо, було достатнім для організації коацерватних краплею.