Ледовые циклы, возможно, привели к появлению первых клеток на ранней Земле

Исследователи из Института наук о Земле и жизни (ELSI) в Токио обнаружили доказательства того, что ледяная среда могла сыграть решающую роль в возникновении первых клеточных структур. Эксперименты, моделирующие условия ранней Земли, показывают, что повторяющиеся циклы замораживания и оттаивания способствовали слиянию примитивных молекулярных компартментов и сохранению ДНК. Исследование открывает новые перспективы того, как сложная жизнь могла возникнуть из чрезвычайно простых систем.

Исследование было сосредоточено на липидных везикулах — маленьких пузырьках, образованных жировыми мембранами — и на том, как различные химические составы влияют на их поведение при тепловом стрессе. Открытия показывают, что более жидкие мембраны с большей степенью липидной ненасыщенности облегчают слияние отсеков и смешивание основных молекул. Этот процесс создал бы условия, способствующие сложным химическим реакциям на заре существования планеты.

Протоклетки, построенные с различным липидным составом

Команда исследователей создала небольшие сферические отсеки, называемые большими однослойными везикулами (LUV), используя три различных типа фосфолипидов. Каждый тип имел различные структурные характеристики, которые влияли на поведение мембран.

• ПОПК(1-пальмитоил-2-олеоил-глицеро-3-фосфохолин): ненасыщенная ацильная цепь с одинарной двойной связью, образующая более жесткие мембраны.
• ПЛПК(1-пальмитоил-2-линолеоил-sn-глицеро-3-фосфохолин): ненасыщенная ацильная цепь с двумя двойными связями, обеспечивающая большую текучесть.
• ДОПК(1,2-диолеоил-sn-глицеро-3-фосфохолин): две ненасыщенные ацильные цепи, каждая с двойной связью, обеспечивающие максимальную текучесть.

По словам Тацуи Шиноды, аспиранта ELSI и ведущего автора работы, выбор фосфатидилхолина в качестве компонента мембраны был обусловлен его структурной преемственностью с современными клетками, потенциальной доступностью в пребиотических условиях и способностью сохранять необходимое содержимое. Эти молекулы, хотя и похожи внешне, отличаются тонкими, но важными аспектами, определяющими гибкость структур.

Слияние и рост, обусловленные циклами замораживания

Исследователи подвергли везикулы повторяющимся циклам замораживания и оттаивания, имитируя изменения температуры, которые происходили на ранней Земле. Всего после трех циклов между отсеками появились четкие различия. Везикулы, богатые POPC, группируются вместе, не сливаясь полностью, сохраняя свою первоначальную структуру. Напротив, те, которые содержат PLPC или DOPC, сливаются в значительно более крупные отсеки. Чем выше концентрация PLPC, присутствующего в мембране, тем больше вероятность слияния и роста структур.

Такое поведение подчеркивает фундаментальную роль химии мембран в эволюции протоклеток. Липиды с большим количеством ненасыщенных связей делают мембраны менее компактными и структурно более гибкими. Нацуми Нода, исследователь из ELSI, отметила, что под воздействием образования кристаллов льда мембраны могут стать нестабильными или фрагментированными, что требует структурной реорганизации после оттаивания. Менее компактная латеральная организация, возникающая в результате большей степени ненасыщенности, обнажает больше гидрофобных областей во время реконструкции мембраны, облегчая взаимодействие с соседними везикулами и делая слияние энергетически выгодным.

Захват и сохранение генетического материала

Слияние отсеков особенно важно, поскольку оно позволяет содержимому отдельных везикул смешиваться. На примитивной Земле, где органические молекулы были рассеяны в окружающей среде, этот тип смеси мог объединять необходимые ингредиенты для более сложных химических реакций. Команда также проверила способность везикул захватывать и сохранять ДНК, сравнивая структуры, полностью изготовленные из POPC, со структурами, изготовленными из PLPC. Результаты показали, что везикулы PLPC захватывают ДНК с большей эффективностью даже до циклов замораживания и оттаивания. После повторных циклов они продолжали сохранять значительно больше генетического материала, чем везикулы POPC, что позволяет предположить, что липидный состав не только способствует слиянию, но и защищает важные молекулы.

Leia Também

Deep Purple подтверждают единственный концерт в Сан-Паулу в декабре 2026 года прощальным туром

Итальянская суперзвезда накопила джекпот в размере 158,8 млн евро и привлекла игроков онлайн-ставок

Криштиану Роналду забивает головой, а Аль-Наср побеждает в классическом матче над Аль-Ахли со счетом 2:0.

Холодная среда как колыбель жизни

Традиционно ученые сосредотачивали внимание на таких средах, как наземные ледяные бассейны или подводные гидротермальные источники, как возможных местах зарождения жизни. Это исследование добавляет другую точку зрения, предполагая, что крупномасштабная ледяная среда также сыграла значительную роль. На ранней Земле циклы замерзания и оттаивания могли повторяться неоднократно в течение обширных геологических периодов. Когда вода замерзла, расширяющиеся кристаллы льда выталкивали растворенные молекулы в оставшуюся жидкость, концентрируя их в небольших пространствах. Этот процесс увеличит вероятность взаимодействия между молекулами и везикулами, создавая среду, способствующую пребиотической химии.

В то же время мембраны, состоящие из более ненасыщенных фосфолипидов, будут более склонны к слиянию, способствуя смешиванию различного содержимого. Однако есть и важный аналог. Хотя жидкие мембраны способствуют слиянию, они также могут стать нестабильными во время стресса, вызванного замораживанием и оттаиванием, что приводит к утечкам, которые ставят под угрозу удержание необходимых молекул. Для ранних протоклеток поддержание баланса между структурной стабильностью и проницаемостью имело решающее значение для их выживания и продолжения эволюции.

Путь к первым сложным клеткам

Томоаки Мацуура, профессор ELSI и главный исследователь исследования, предполагает, что рекурсивный отбор выращенных везикул, вызванный замораживанием и оттаиванием в течение последовательных поколений, мог быть достигнут путем интеграции механизмов деления, таких как осмотическое давление или механический сдвиг. С ростом молекулярной сложности внутривезикулярная система, то есть функция, кодируемая генами, в конечном итоге может взять под контроль приспособленность протоклеток. Это привело бы к появлению первичной клетки, способной к дарвиновской эволюции. Наиболее успешные мембранные композиции, вероятно, зависели от конкретных условий окружающей среды в каждом месте зарождения жизни.

В совокупности полученные данные позволяют предположить, что простые физические процессы, такие как замораживание и оттаивание, возможно, помогли осуществить переход от основных молекулярных компартментов к первым развивающимся клеткам. Исследование не только дает более четкий ответ на многовековой вопрос о том, как зародилась жизнь, но также демонстрирует, что экстремальные условия окружающей среды могли быть катализатором биологической сложности, открывая новые направления исследований устойчивости примитивных молекулярных структур.