919
У ранніх клітин не було мембран, які захищають від умов довкілля.
Мільярди років еволюції зробили клітини дуже складними. Вони містять невеликі відсіки, які називаються органелами, що виконують особливі функції, необхідні для виживання і функціонування клітини. Наприклад, ядро зберігає генетичний матеріал, а мітохондрії виробляють енергію.
Ще однією важливою частиною клітини є мембрана, що її оточує. Білки, вбудовані в поверхню мембрани, контролюють рух речовин у клітину та з неї. І ця складна мембранна структура дозволила зробити життя таким складним, як ми його знаємо сьогодні. Але як усе разом утримували ранні клітини, у яких мембрани не було?
Наразі вчені припустили, що ключову роль у цьому відіграли дощові краплі.
Вважається, що ранні форми життя, які називаються протоклітинами, спонтанно виникли з органічних молекул, які були на ранній Землі. Це були примітивні, схожі на клітини структури, що складалися з двох компонентів: матричного матеріалу, який забезпечував структурний каркас, та генетичного матеріалу, що ніс інструкції для функціонування протоклітин.
Згодом ці протоклітини поступово розвинули здатність відтворювати та виконувати метаболічні процеси. Для протікання основних хімічних реакцій необхідні певні умови, такі як постійне джерело енергії, органічні сполуки та вода. Відсіки, утворені матрицею та мембраною, вирішальною мірою забезпечують стабільне середовище, яке може концентрувати реагенти та захищати їх від зовнішнього середовища, дозволяючи відбуватися необхідним хімічним реакціям.
Тому виникають запитання. З яких матеріалів складаються матриця та мембрана протоклітин? І як вони дозволяли раннім клітинам зберігати стабільність?
Вчені вважають, що на ранніх етапах розвитку життя ключову роль могли відіграти два типи протоклітин: везикули та коацервати.
Везикули — це крихітні бульбашки, які складаються з жирних молекул, званих ліпідами, які природно утворюють тонкі шари. Везикули утворюються, коли ці шари згортаються у сферу, яка може інкапсулювати хімічні речовини та захищати важливі реакції від суворих умов та потенційної деградації.
Везикули нагадують структуру та функцію сучасних клітин. Але на відміну від мембран сучасних клітин, везикулярні протокліни не мали б спеціалізованих білків, які вибірково пропускають молекули в клітину та з неї та забезпечують зв’язок між клітинами. Без цих білків везикулярні протоклітини мали б обмежену здатність ефективно взаємодіяти з навколишнім середовищем, що обмежувало їх потенціал для життя.
Коацервати – це краплі, утворені зі скупчення органічних молекул, таких як пептиди та нуклеїнові кислоти. Вони утворюються, коли органічні молекули злипаються через хімічні властивості, які притягують їх один до одного, наприклад, електростатичних сил між протилежно зарядженими молекулами.
Коацервати можна подати як краплі кулінарної олії, зважені у воді. Подібно до крапель олії, у коацерватних протоклітин немає мембрани. Без мембрани оточуюча вода може легко обмінюватися матеріалами із протоклітинами. Ця структурна особливість допомагає коацерватам концентрувати хімікати та прискорювати хімічні реакції, створюючи жваве середовище для будівельних блоків життя.
Тобто відсутність мембрани робить коацервати кращим кандидатом на роль протоклітини, ніж везикули. Однак відсутність мембрани також має суттєву нестачу: потенційну можливість витоку генетичного матеріалу.
Дослідження 2022 року показало, що коацерватні краплі можна стабілізувати та уникнути злиття, якщо занурити їх у деіонізовану воду — воду, вільну від розчинених іонів та мінералів. Краплі викидають невеликі іони у воду, ймовірно, дозволяючи протилежно зарядженим полімерам на периферії зближуватись один з одним та утворювати сітчастий шар шкіри. Ця сітчаста «стінка» ефективно перешкоджає злиттю крапель.
Пізніше вчені припустили, що дощові краплі, які є природним джерелом води, вільної від іонів, могли б зробити те саме в пребіотичному світі. Експерименти показали, що дощова вода справді стабілізує протоклітини проти злиття.
