Un gruppo di scienziati americani e tedeschi ha descritto il meccanismo mediante il quale le protocellule, che erano i predecessori dei primi organismi viventi sul nostro pianeta, hanno acquisito la capacità di crescere e dividersi.
Sin dai tempi antichi, le persone si sono interessate alla questione dell'origine della vita. Nel corso della storia sono emerse diverse ipotesi, di cui probabilmente ha valore scientifico solo la teoria del brodo primordiale. Tutti gli altri si sono rivelati insostenibili. Il creazionismo, o la teoria della creazione divina, che risale al tardo periodo neolitico, è considerato non scientifico; l'ipotesi dell'esistenza eterna della vita contraddice completamente i dati paleontologici e astronomici; l'ipotesi di portare la vita sul nostro pianeta dall'esterno (il concetto di panspermia), in linea di principio, non risolve il problema e, al contrario, provoca la domanda su come potrebbe sorgere la vita in un altro mondo.
Per la prima volta, la versione secondo cui si potevano formare piccole goccioline nelle prime fasi dell'origine della vita a causa della separazione di molecole in miscele complesse a causa della divisione di fase in un coacervato (il cosiddetto brodo primario) è stata espressa dal biologo sovietico Alexander Oparin, un po 'più tardi - dallo scienziato britannico John Haldane. Secondo l'ipotesi, queste goccioline hanno fornito la formazione di centri chimici reattivi, ma allo stesso tempo non è chiaro come siano cresciute e moltiplicate.
Come parte del nuovo studio, gli scienziati hanno osservato il comportamento delle goccioline in sistemi mantenuti da una fonte di energia esterna in uno stato lontano dall'equilibrio termodinamico. In tali sistemi, la crescita delle goccioline viene effettuata aggiungendo goccioline di materiale prodotto durante le reazioni chimiche. Si è riscontrato che la crescita di una goccia, che si verifica a seguito di processi chimici, comporta un'instabilità della forma della goccia e provoca la sua divisione in due goccioline più piccole.
Pertanto, le goccioline chimicamente attive hanno mostrato cicli di crescita e divisione simili alla proliferazione del tessuto in un organismo vivente a causa della moltiplicazione cellulare per divisione (proliferazione). I ricercatori ipotizzano che la divisione delle goccioline attive potrebbe servire da modello per le protocellule prebiotiche, in cui le reazioni chimiche nella gocciolina promuovono il metabolismo prebiotico.
Le goccioline di liquido sono strutture auto-organizzanti che possono coesistere con il liquido circostante. La superficie che divide due fasi adiacenti conferisce alle goccioline una certa forma, a causa della tensione superficiale - sferica. Inoltre, alcune sostanze hanno la capacità di penetrare nella superficie delle goccioline coacervate. La divisione del mezzo in goccioline accumula un volume limitato di materiale e porta a determinate reazioni chimiche.
Gli scienziati hanno stabilito la termodinamica della nascita di una goccia, ma allo stesso tempo ancora non capiscono come cresce e si moltiplica, cioè ha le caratteristiche principali inerenti a un organismo vivente. È generalmente accettato che la crescita delle goccioline si verifichi a causa dell'assorbimento di un materiale da un mezzo sovrasaturo o dal processo di ricondensazione - il trasferimento di un soluto da particelle piccole a particelle grandi mediante dissoluzione (questo processo è chiamato maturazione di Ostwald). In questo caso, le goccioline piccole scompaiono, rimangono solo quelle grandi. Inoltre, gli scienziati ammettono che piccole goccioline possono combinarsi e formarne di grandi. Tutti questi processi portano nel tempo ad un aumento delle dimensioni delle goccioline e ad una diminuzione del loro numero, sebbene la protocella, al raggiungimento di una certa dimensione, debba dividersi in due.
I ricercatori ipotizzano che le goccioline coacervate che vengono mantenute lontano dall'equilibrio termodinamico con un combustibile chimico possano avere caratteristiche insolite, ad esempio la maturazione di Ostwald in presenza di reazioni chimiche può essere soppressa, per cui possono esistere più goccioline stabilmente con una certa dimensione, data dalla velocità reazioni. In questo caso, le goccioline sferiche, che sono soggette a reazioni chimiche, vengono divise casualmente in due goccioline più piccole della stessa dimensione. Gli scienziati suggeriscono che in questo modo le goccioline chimicamente attive possono crescere e dividersi, e quindi moltiplicarsi, utilizzando il materiale in arrivo come combustibile. Pertanto, in presenza di reazioni chimiche che vengono innescate da fonti esterne, le goccioline si comportano come cellule. Tali goccioline attive possono essere modelli per la crescita e la divisione di protocellule con metabolismo primitivo, che è una semplice reazione chimica supportata da combustibile esterno.
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Queste goccioline sono una sorta di serbatoio per l'organizzazione spaziale di alcune reazioni chimiche. Per la comparsa delle gocce, è necessario separare le fasi in due fasi liquide di diversa composizione, che coesistono fianco a fianco. Le fasi sono suddivise per azione molecolare, in cui molecole simili abbassano la propria energia, essendo in stretta vicinanza l'una all'altra. Un liquido è capace di stratificazione se la diminuzione di energia associata all'azione molecolare dovuta alla miscelazione supera l'effetto del caos crescente. Se tali interazioni sono abbastanza forti, si forma una superficie che separa le fasi coesistenti. Se il materiale superficiale si forma e viene distrutto da reazioni chimiche, le goccioline possono diventare reattive.
Quindi, ad esempio, se consideriamo il modello di una goccia semplice, possiamo vedere che ha un numero minimo di condizioni necessarie per la formazione e la moltiplicazione di una goccia coacervata: un'interfaccia di fase, due fasi, oltre a una fonte di energia esterna che tiene il sistema lontano dallo stato di equilibrio termodinamico … La formazione di goccioline è dovuta al materiale della gocciolina D generato all'interno della gocciolina da un materiale ad alta energia N, che funge da nutriente. Il materiale della gocciolina è in grado di decomporsi in componenti a bassa energia W (rifiuto) che, per diffusione, lasciano la gocciolina. Una goccia può sopravvivere quando c'è una fornitura continua di N e una rimozione costante di W. Ciò può essere ottenuto attraverso il ricircolo di N utilizzando una fonte di energia esterna, in particolare,luce solare o determinati combustibili.
Gli autori dello studio ritengono che la fisica delle goccioline attive sia abbastanza semplice. È più facile da capire con l'esempio di un modello con due componenti A e B. Quando la fase del materiale della gocciolina B si separa dal solvente, può essere trasformata casualmente a causa della reazione chimica BA in molecole di tipo A, che sono solubili nel liquido di fondo. Rimane una goccia. La reazione inversa A-B non è più spontanea, poiché B ha un'energia maggiore di A. Il nuovo materiale gocciolina B può essere ottenuto dalla reazione A + C-B + C associata al carburante. In questo caso, C è un prodotto di reazione a bassa energia di molecole di carburante. Il carburante fornisce una differenza di potenziale chimico, che consente di raggiungere lo stato B con alta energia da uno stato di energia inferiore A. La differenza di potenziale può essere costante sese le concentrazioni di C in esse sono date da un giacimento esterno. In questo caso il sistema viene mantenuto lontano dallo stato di equilibrio termodinamico.
Gli scienziati hanno studiato la combinazione di separazione di fase e reazioni chimiche sbilanciate anche in un modello continuo. I ricercatori hanno scoperto che le goccioline sferiche chimicamente attive possono essere instabili e dividersi in due goccioline più piccole. Inizialmente, la goccia cresce fino a raggiungere una dimensione stazionaria. Successivamente, si allunga, formando una forma a manubrio. Questo manubrio viene quindi diviso in due goccioline più piccole della stessa dimensione. Alla fine, le goccioline più piccole iniziano a crescere di nuovo fino a una nuova divisione.
Come notano gli scienziati, i fenomeni che hanno modellato possono essere osservati direttamente nell'esperimento. Secondo i ricercatori, l'instabilità delle goccioline, che è innescata da un afflusso esterno di energia e che porta alla fissione delle goccioline, può essere paragonata all'instabilità di Mullins-Sekerki, spesso discussa nel contesto della crescita dei cristalli. Tuttavia, al contrario, l'instabilità della forma delle goccioline può anche verificarsi in presenza di una gocciolina immobile non in crescita.
Le cellule moderne hanno alcune strutture chimiche che non sono separate dal citoplasma cellulare da una membrana. Sono formati dalla separazione di fase dal citoplasma. La maggior parte di essi è liquida e consiste di proteine leganti l'RNA e molecole di RNA. Secondo l'ipotesi del mondo RNA, nei primi periodi di vita, l'RNA era sia portatore di informazioni genetiche che svolgeva il ruolo di ribozima. È probabile che la combinazione di RNA con peptidi semplici fosse sufficiente per formare goccioline coacervate.
Come notano gli autori dello studio, la trasformazione di goccioline chimicamente attive in una cellula che si sta dividendo per la prima volta è un grosso problema per la comprensione del processo evolutivo iniziale. A differenza dei media droplet esterno e interno, l'interfaccia tra questi media è anfifilica. Quei lipidi che non hanno affinità per l'ambiente interno ed esterno della gocciolina potrebbero accumularsi sulla superficie anfifilica, purché presenti nell'ambiente esterno delle goccioline coacervate. Secondo gli esperti, le membrane nei coacervati potrebbero apparire molto prima della prima divisione delle protocellule.
