การศึกษาพบว่าวัฏจักรน้ำแข็งบนโลกยุคแรกเริ่มทำให้เกิดการก่อตัวของเซลล์แรก

นักวิทยาศาสตร์จากสถาบันโลกและวิทยาศาสตร์ชีวภาพซึ่งตั้งอยู่ในกรุงโตเกียว ค้นพบว่าการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่รุนแรงมีบทบาทสำคัญในการเกิดขึ้นของสิ่งมีชีวิตชนิดแรก การศึกษาชี้ให้เห็นว่าวงจรการแช่แข็งและการละลายของน้ำมีความสำคัญต่อการสร้างและวิวัฒนาการของเยื่อหุ้มเซลล์ในยุคแรกเริ่ม งานวิจัยนี้ได้จำลองสภาพแวดล้อมเมื่อหลายพันล้านปีก่อนเพื่อทำความเข้าใจพฤติกรรมของโมเลกุลพื้นฐาน ผลการวิจัยแสดงให้เห็นมุมมองใหม่เกี่ยวกับชีววิทยาวิวัฒนาการ

การตรวจสอบแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนผ่านความร้อนซ้ำๆ ทำให้ช่องโมเลกุลธรรมดาสามารถหลอมรวมและจับสารพันธุกรรมได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น กระบวนการทางกายภาพในการเปลี่ยนสถานะของน้ำส่งผลให้มีการจัดโครงสร้างไขมันใหม่ ทำให้เกิดโครงสร้างที่ซับซ้อนและมีเสถียรภาพมากขึ้น การประกอบและการแยกชิ้นส่วนแบบไดนามิกนี้ช่วยให้สามารถเก็บรักษาสายโซ่ DNA ภายในถุงได้ ความก้าวหน้านี้ช่วยอธิบายสะพานเชื่อมระหว่างเคมีอนินทรีย์กับระบบชีวภาพระบบแรกที่สามารถสืบพันธุ์ได้

บทบาทของการแช่แข็งในการก่อตัวของเยื่อหุ้มชั้นแรก

โลกยุคแรกนำเสนอสภาพแวดล้อมที่ไม่เป็นมิตรและไม่มั่นคงอย่างมากสำหรับเคมีอินทรีย์ การก่อตัวของช่องแยกเป็นข้อกำหนดพื้นฐานเพื่อให้ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นในลักษณะที่มีการควบคุมและต่อเนื่อง นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าการมีอยู่ของโมเลกุลในน้ำไม่เพียงพอที่จะสร้างเซลล์ที่ใช้งานได้ การประยุกต์ใช้วัฏจักรความร้อนสูงได้เปลี่ยนแปลงสถานการณ์นี้ ความเย็นจัดจะเปลี่ยนโครงสร้างทางกายภาพของน้ำและทำให้สารที่ละลายเข้มข้นรวมตัวอยู่ในพื้นที่ที่ไม่แช่แข็ง

ในระหว่างกระบวนการแช่แข็ง การก่อตัวของผลึกน้ำแข็งจะบีบอัดถุงไขมันให้กลายเป็นช่องว่างที่เล็กลงมากขึ้น แรงกดดันทางกลนี้บังคับให้เมมเบรนแตกออกชั่วคราวและผสมกับโครงสร้างอื่นๆ ในบริเวณใกล้เคียง เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นและน้ำแข็งละลาย เยื่อหุ้มเซลล์จะถูกสร้างขึ้นใหม่อย่างรวดเร็ว วงจรซ้ำๆ ส่งผลให้ช่องต่างๆ มีขนาดใหญ่ขึ้นและซับซ้อนมากขึ้นในแต่ละขั้นตอนการละลายใหม่ พลวัตทางกายภาพทำหน้าที่เป็นกลไกธรรมชาติสำหรับการเติบโตของเซลล์

ไขมันประเภทต่างๆ และพฤติกรรมของเซลล์

ทีมวิจัยใช้ไขมันสามรูปแบบเพื่อทำความเข้าใจว่าองค์ประกอบทางเคมีต่างๆ มีปฏิกิริยาอย่างไรต่อความเครียดจากความร้อน การเลือกใช้วัสดุพยายามจำลองโมเลกุลที่อาจเกิดขึ้นในมหาสมุทรดึกดำบรรพ์ การวิเคราะห์ให้รายละเอียดเกี่ยวกับความสามารถของสารแต่ละชนิดในการสร้างถุงฟองเดี่ยวขนาดใหญ่ภายใต้สภาวะที่มีอุณหภูมิแตกต่างกัน พฤติกรรมของสารประกอบแต่ละชนิดเผยให้เห็นลักษณะการหลอมละลายและความเสถียรของโครงสร้างที่แตกต่างกัน

• POPC: ลิพิดที่มีพันธะคู่เดี่ยวในสายโซ่อะซิลทำให้เกิดเมมเบรนแข็งที่คงโครงสร้างเดิมไว้โดยไม่มีอัตราการหลอมรวมสูง
• PLPC: โมเลกุลที่มีพันธะคู่ 2 พันธะมีความลื่นไหลสูงและแสดงให้เห็นความสามารถในการเติบโตสูงสุดในระหว่างการทดสอบทางความร้อน
• DOPC: สารประกอบที่มีพันธะคู่ในสายโซ่ทั้งสองให้ระดับการไหลสูงสุดในบรรดาตัวอย่างทั้งหมดที่วิเคราะห์ในห้องปฏิบัติการ

ผลการวิจัยชี้ให้เห็นว่าการมีอยู่ของไขมัน PLPC เป็นตัวชี้ขาดต่อความสำเร็จของการหลอมรวมเซลล์ ความลื่นไหลสูงของโมเลกุลนี้ทำให้เมมเบรนสามารถจัดระเบียบใหม่ได้ง่ายหลังจากการแตกร้าวที่เกิดจากผลึกน้ำแข็ง ความยืดหยุ่นของโครงสร้างเป็นปัจจัยสำคัญต่อการอยู่รอดของระบบชีวภาพเริ่มแรก เมมเบรนที่มีความแข็งมากไม่สามารถรวมวัสดุใหม่เข้าด้วยกันได้ และยังคงนิ่งอยู่ที่ขนาดดั้งเดิม ซึ่งเป็นการจำกัดการพัฒนา

การดักจับสารพันธุกรรมภายในถุงน้ำ

การก่อตัวอย่างง่ายของฟองไขมันไม่ได้ก่อให้เกิดเซลล์ที่มีชีวิตโดยไม่มีคำแนะนำทางพันธุกรรม การทดลองนี้ทดสอบความสามารถของถุงปฐมภูมิเหล่านี้ในการกลืนและปกป้องโมเลกุล DNA ในระหว่างรอบอุณหภูมิ ระยะเยือกแข็งจะทำให้สิ่งกีดขวางไขมันไม่เสถียร และสร้างช่องเปิดชั่วคราวในโครงสร้าง สารพันธุกรรมที่กระจายตัวอยู่ในสภาพแวดล้อมที่เป็นน้ำสามารถทะลุผ่านช่องเหล่านี้ได้ก่อนที่เมมเบรนจะปิดอีกครั้งเมื่อละลาย

ถุงที่ประกอบด้วย PLPC แสดงให้เห็นประสิทธิภาพที่โดดเด่นในการรักษา DNA หลังจากผ่านไปหลายรอบ การวิจัยได้วัดปริมาณสารพันธุกรรมที่ถูกห่อหุ้ม และยืนยันว่าการเปลี่ยนแปลงทางความร้อนทำหน้าที่เป็นกลไกการฉีดตามธรรมชาติ หากไม่มีกระบวนการทางกายภาพนี้ โมเลกุล DNA จะมีปัญหาอย่างมากในการข้ามสิ่งกีดขวางไขมันตามธรรมชาติ การรวมกันของช่องป้องกันและโมเลกุลข้อมูลถือเป็นจุดเริ่มต้นของความซับซ้อนทางชีวภาพบนโลก

การห่อหุ้มที่ประสบความสำเร็จจะเปลี่ยนถุงเฉื่อยให้เป็นโปรโตเซลล์ที่มีศักยภาพในการวิวัฒนาการ การปกป้องสารพันธุกรรมจากการเสื่อมสลายของสิ่งแวดล้อมทำให้โมเลกุลสามารถทำซ้ำได้อย่างปลอดภัย เมมเบรนทำหน้าที่เป็นตัวกรองแบบคัดเลือกที่ช่วยให้ส่วนประกอบสำคัญอยู่ใกล้กัน ความใกล้ชิดทางกายภาพช่วยเร่งปฏิกิริยาเคมีภายในและสร้างสภาพแวดล้อมจุลภาคที่เป็นประโยชน์ต่อการพัฒนาฟังก์ชันพื้นฐานของเซลล์

การตั้งค่าทางธรณีวิทยาของโลกยุคแรกและวิวัฒนาการทางชีววิทยา

ชุมชนวิทยาศาสตร์ได้ถกเถียงกันมานานหลายทศวรรษเกี่ยวกับสถานที่ที่แน่นอนที่สิ่งมีชีวิตสามารถเกิดขึ้นได้ ปล่องไฮโดรเทอร์มอลที่ก้นมหาสมุทรถือเป็นช่องระบายอากาศที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดมาโดยตลอดเนื่องจากมีพลังงานและแร่ธาตุมากมาย การศึกษาครั้งใหม่นี้นำเสนอสภาพแวดล้อมที่หนาวเย็นและพื้นผิวน้ำแข็งซึ่งเป็นสถานการณ์ที่เป็นไปได้เท่าเทียมกันและอาจเหนือกว่าในบางช่วงของวิวัฒนาการ การสลับระหว่างการแช่แข็งในเวลากลางคืนหรือตามฤดูกาลและการละลายในเวลากลางวันทำให้เกิดพลังงานกลที่จำเป็นสำหรับการประกอบเซลล์

การรวมโมเลกุลอินทรีย์อย่างง่ายเข้ากับโครงสร้างที่ซับซ้อนจำเป็นต้องมีเงื่อนไขเฉพาะที่ป้องกันการแพร่กระจายของสารประกอบในทันที น้ำแข็งทำหน้าที่เป็นเมทริกซ์ทึบที่จำกัดสารและเพิ่มโอกาสที่จะเผชิญกับสารเคมีที่มีประสิทธิผล การเปลี่ยนผ่านสู่ชีวิตขึ้นอยู่กับความสามารถของโปรโตเซลล์เหล่านี้ในการรักษาความสมบูรณ์ของมันในขณะที่ได้รับฟังก์ชันใหม่ การคัดเลือกโดยธรรมชาติเริ่มดำเนินการในช่องเหล่านี้มานานก่อนการเกิดขึ้นของสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวสมัยใหม่กลุ่มแรก

การพัฒนาระบบภายในที่สามารถกำหนดพฤติกรรมของเมมเบรนได้ถือเป็นก้าวสุดท้ายสู่วิวัฒนาการของดาร์วิน โปรโตเซลล์ที่สามารถรักษา DNA และเติบโตได้อย่างมีประสิทธิภาพครอบงำสภาพแวดล้อมดั้งเดิม การวิจัยตอกย้ำแนวคิดที่ว่ากระบวนการทางกายภาพและทางกลล้วนเป็นแนวทางในการใช้เคมีพรีไบโอติกในระยะเริ่มแรก การทำความเข้าใจพลวัตเหล่านี้จะขยายความรู้เกี่ยวกับข้อกำหนดพื้นฐานสำหรับการดำรงอยู่ของสิ่งมีชีวิตที่มีคาร์บอนเป็นหลัก