Pesquisadores a Instituto a Ciências a Terra și Vida (ELSI) în Tóquio a descoperit dovezi că mediile înghețate ar fi putut juca un rol crucial în apariția primelor structuri celulare. Experimentos simulând condițiile Terra primitive arată că ciclurile repetate de înghețare și dezghețare au favorizat fuziunea compartimentelor moleculare primitive și reținerea ADN-ului. Studiul deschide noi perspective asupra modului în care viața complexă ar fi putut evolua din sisteme extrem de simple.
Cercetarea s-a concentrat pe veziculele lipidice – bule mici formate din membranele grase – și modul în care diferitele compoziții chimice le-au afectat comportamentul în condiții de stres termic. Descobertas indică faptul că membranele mai fluide, cu un grad mai mare de nesaturare a lipidelor, au facilitat fuziunea compartimentelor și amestecarea moleculelor esențiale. Procesul Esse ar fi creat medii propice reacțiilor chimice complexe în primele zile ale planetei.
Protocélulas construit cu diferite compoziții de lipide
Echipa de cercetători a creat mici compartimente sferice numite vezicule unilamelare mari (LUV) folosind trei tipuri diferite de fosfolipide. Tipul Cada a avut caracteristici structurale distincte care au influențat comportamentul membranelor.
- POPC(1-palmitoil-2-oleoil-glicero-3-fosfocolină): un lanț acil nesaturat cu o singură legătură dublă, producând membrane mai rigide
- PLPC(1-palmitoil-2-linoleoil-sn-glicero-3-fosfocolină): un lanț acil nesaturat cu două legături duble, generând o fluiditate mai mare
- DOPC(1,2-di-oleoil-sn-glicero-3-fosfocolină): două lanțuri acil nesaturate, fiecare cu o legătură dublă, oferind fluiditate maximă
Segundo Tatsuya Shinoda, doctorand la ELSI și autor principal al lucrării, alegerea fosfatidilcolinei ca componentă membranară s-a datorat continuității sale structurale cu celulele moderne, disponibilității potențiale în condiții prebiotice și capacității de a reține conținutul esențial. Moleculele Essas, deși similare ca aspect, diferă prin aspecte subtile, dar semnificative, care determină flexibilitatea structurilor.
Fusão și creșterea determinată de ciclurile de înghețare
Cercetătorii au expus veziculele la cicluri repetate de îngheț și dezgheț, simulând variațiile de temperatură care au avut loc în primitivul Terra. Após doar trei cicluri, diferențe clare au apărut între compartimente. Vesículas bogat în POPC grupate împreună fără a se îmbina complet, păstrându-și structura originală. În schimb, cele care conțin PLPC sau DOPC au fuzionat în compartimente semnificativ mai mari. Quanto, cu cât concentrația de PLPC prezentă în membrană este mai mare, cu atât este mai mare probabilitatea de fuziune și creștere a structurilor.
Comportamentul Esse evidențiază rolul fundamental al chimiei membranei în evoluția protocelulelor. Lipídios cu mai multe legături nesaturate face membranele mai puțin compacte și mai flexibile structural. Natsumi Noda, un cercetător ELSI, a observat că sub stresul formării cristalelor de gheață, membranele pot deveni instabile sau fragmentate, necesitând o reorganizare structurală după dezghețare. Organizarea laterală mai puțin compactă, rezultată din gradul mai mare de nesaturare, expune mai multe regiuni hidrofobe în timpul reconstrucției membranei, facilitând interacțiunile cu veziculele adiacente și făcând fuziunea favorabilă energetic.
Captura și reținerea materialului genetic
Fuziunea compartimentelor este deosebit de importantă deoarece permite amestecarea conținutului veziculelor separate. Na Terra primitiv, în care moleculele organice erau dispersate în mediu, acest tip de amestec ar fi putut reuni ingrediente esențiale pentru reacții chimice mai complexe. Echipa a testat, de asemenea, capacitatea veziculelor de a capta și reține ADN-ul, comparând structurile realizate în întregime din POPC cu cele realizate din PLPC. Rezultatele au arătat că veziculele PLPC au capturat ADN-ul cu o eficiență mai mare, chiar înainte de ciclurile de congelare și dezghețare. Ciclurile repetate Após au continuat să rețină semnificativ mai mult material genetic decât veziculele POPC, sugerând că compoziția lipidică nu numai că a favorizat fuziunea, ci și a protejat moleculele importante.
Ambientes înghețată ca leagăn al vieții
Tradicionalmente, oamenii de știință s-au concentrat pe medii precum bazinele de gheață de pe uscat sau gurile hidrotermale subacvatice ca posibile locuri de origine a vieții. Studiul Este adaugă o perspectivă diferită, sugerând că mediile înghețate la scară largă au jucat și ele un rol semnificativ. În Na Terra primitiv, ciclurile de îngheț-dezgheț ar fi putut avea loc în mod repetat pe perioade geologice extinse. Pe măsură ce apa a înghețat, cristalele de gheață în expansiune au împins moleculele dizolvate în lichidul rămas, concentrându-le în spații mici. Procesul Esse ar crește probabilitatea interacțiunilor dintre molecule și vezicule, creând un mediu propice chimiei prebiotice.
Simultaneamente, membranele compuse din fosfolipide mai nesaturate ar fi mai predispuse la fuziune, favorizând amestecarea diferitelor conținuturi. Existe, totuși, un omolog important. Membranele fluide Embora favorizează fuziunea, ele pot deveni, de asemenea, instabile în timpul stresului indus de îngheț și dezgheț, ducând la scurgeri care compromit reținerea moleculelor esențiale. Para protocelulele primitive, menținerea echilibrului între stabilitatea structurală și permeabilitate ar fi fost absolut crucială pentru supraviețuirea și evoluția lor continuă.
Calea către primele celule complexe
Tomoaki Matsuura, profesor ELSI și cercetător principal al studiului, sugerează că o selecție recursivă a veziculelor crescute induse de îngheț și dezgheț de-a lungul generațiilor succesive ar fi putut fi realizată prin integrarea mecanismelor de fisiune, cum ar fi presiunea osmotică sau forfecarea mecanică. Odată cu creșterea complexității moleculare, sistemul intravezicular – adică funcția codificată de gene – ar putea în cele din urmă să preia controlul asupra aptitudinii protocelulare. Isso ar duce la apariția unei celule primordiale capabile de evoluția darwiniană. Cele mai de succes compoziții ale membranei au depins probabil de condițiile specifice de mediu din fiecare loc de origine a vieții.
Luate împreună, descoperirile sugerează că procese fizice simple, cum ar fi înghețarea și dezghețarea, ar fi putut ajuta la ghidarea tranziției de la compartimentele moleculare de bază la primele celule în evoluție. Cercetarea nu numai că oferă un răspuns mai clar la întrebarea veche de secole despre cum a început viața, dar demonstrează, de asemenea, că mediile extreme ar fi putut fi un catalizator pentru complexitatea biologică, deschizând noi linii de investigație asupra rezistenței structurilor moleculare primitive.