ייתכן שמחזורי קרח הניעו את הופעת התאים הראשונים בכדור הארץ המוקדם

חוקרים במכון למדעי כדור הארץ והחיים (ELSI) בטוקיו גילו עדויות לכך שסביבות קפואות עשויות להיות תפקיד מכריע בהופעתם של המבנים התאיים הראשונים. ניסויים המדמים תנאים על כדור הארץ הקדום מראים שמחזורים חוזרים ונשנים של הקפאה והפשרה העדיפו את היתוך של תאים מולקולריים פרימיטיביים ואת שמירת ה-DNA. המחקר פותח נקודות מבט חדשות על האופן שבו חיים מורכבים התפתחו ממערכות פשוטות ביותר.

המחקר התמקד בשלפוחית ​​שומנים – בועות קטנות שנוצרות על ידי ממברנות שומניות – וכיצד הרכבים כימיים שונים השפיעו על התנהגותם בלחץ חום. גילויים מצביעים על כך שממברנות נוזליות יותר, עם רמה גבוהה יותר של אי רוויה של שומנים, הקלו על איחוי תאים וערבוב של מולקולות חיוניות. תהליך זה היה יוצר סביבות התורמות לתגובות כימיות מורכבות בימיה הראשונים של כדור הארץ.

פרוטו-תאים שנבנו בהרכבי שומנים שונים

צוות החוקרים יצר תאים כדוריים קטנים הנקראים שלפוחיות חד-עליות גדולות (LUVs) תוך שימוש בשלושה סוגים שונים של פוספוליפידים. לכל סוג היו מאפיינים מבניים מובהקים שהשפיעו על התנהגות הממברנות.

• POPC(1-palmitoyl-2-oleoyl-glycero-3-phosphocholine): שרשרת אציל בלתי רוויה עם קשר כפול יחיד, המייצרת ממברנות קשיחות יותר
• PLPC(1-palmitoyl-2-linoleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine): שרשרת אציל בלתי רוויה עם שני קשרים כפולים, היוצרת נזילות רבה יותר
• DOPC(1,2-di-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine): שתי שרשראות אציל בלתי רוויות, כל אחת עם קשר כפול, המספקות נזילות מקסימלית

לדברי Tatsuya Shinoda, דוקטורנט ב-ELSI והמחבר הראשי של העבודה, הבחירה ב-phosphatidylcholine כמרכיב של הממברנה נבעה מהמשכיות המבנית שלו עם תאים מודרניים, זמינות פוטנציאלית בתנאים פרה-ביוטיים והיכולת לשמור על תוכן חיוני. מולקולות אלו, למרות שהן דומות במראהן, שונות בהיבטים עדינים אך משמעותיים הקובעים את גמישות המבנים.

היתוך וצמיחה מונעים על ידי מחזורי הקפאה

החוקרים חשפו את השלפוחיות למחזורים חוזרים ונשנים של הקפאה והפשרה, המדמים שינויים בטמפרטורה שהתרחשו בכדור הארץ הקדום. לאחר שלושה מחזורים בלבד, התגלו הבדלים ברורים בין התאים. שלפוחיות עשירות ב-POPC התקבצו יחד מבלי להתמזג לחלוטין, ושומרות על המבנה המקורי שלהן. לעומת זאת, אלה המכילים PLPC או DOPC התמזגו לתאים גדולים משמעותית. ככל שריכוז ה-PLPC הקיים בממברנה גבוה יותר, כך גדלה ההסתברות לאיחוי ולצמיחה של המבנים.

התנהגות זו מדגישה את התפקיד הבסיסי של כימיה של הממברנה באבולוציה של פרוטו-תאים. ליפידים עם יותר קשרים בלתי רוויים הופכים את הממברנות לפחות קומפקטיות וגמישות יותר מבחינה מבנית. Natsumi Noda, חוקר ב-ELSI, ציין כי תחת הלחץ של היווצרות גבישי קרח, ממברנות עלולות להפוך לא יציבות או מקוטעות, מה שמצריך ארגון מחדש מבני לאחר הפשרה. הארגון הצדדי הפחות קומפקטי, הנובע מהדרגה הגבוהה יותר של חוסר רוויה, חושף אזורים הידרופוביים יותר במהלך שחזור הממברנה, מקל על אינטראקציות עם שלפוחיות סמוכות והופך את ההיתוך לטובה מבחינה אנרגטית.

לכידה ושימור של חומר גנטי

היתוך תאים חשוב במיוחד מכיוון שהוא מאפשר לתוכן של שלפוחיות נפרדות להתערבב. בכדור הארץ הפרימיטיבי, שבו מולקולות אורגניות היו מפוזרות בסביבה, סוג זה של תערובת יכול היה להפגיש מרכיבים חיוניים לתגובות כימיות מורכבות יותר. הצוות גם בדק את יכולתן של השלפוחיות ללכוד ולשמור DNA, תוך השוואה בין מבנים שעשויים לחלוטין מ-POPC לאלה שעשויים מ-PLPC. התוצאות הראו כי שלפוחיות PLPC לכדו DNA ביעילות רבה יותר, אפילו לפני מחזורי הקפאה והפשרה. לאחר מחזורים חוזרים, הם המשיכו לשמור על חומר גנטי משמעותי יותר מאשר שלפוחית ​​POPC, מה שמרמז שהרכב השומנים לא רק העדיף היתוך אלא גם הגן על מולקולות חשובות.

סביבות קרות כערש החיים

באופן מסורתי, מדענים התמקדו בסביבות כמו בריכות קרח מבוססות יבשה או פתחי אוורור הידרותרמיים תת-מימיים כמקומות מוצא אפשריים של חיים. מחקר זה מוסיף פרספקטיבה אחרת, המצביע על כך שגם סביבות קרח בקנה מידה גדול מילאו תפקיד משמעותי. בכדור הארץ המוקדם, מחזורי הקפאה והפשרה יכלו להתרחש שוב ושוב במהלך תקופות גיאולוגיות נרחבות. כשהמים קפאו, גבישי קרח מתרחבים דחפו מולקולות מומסות לתוך הנוזל הנותר, וריכזו אותן בחללים קטנים. תהליך זה יגדיל את ההסתברות לאינטראקציות בין מולקולות ושלפוחיות, וייצור סביבה תורמת לכימיה פרה-ביוטית.

יחד עם זאת, ממברנות המורכבות מפוספוליפידים בלתי רוויים יותר יהיו מועדות יותר להתמזגות, מה שמקדם ערבוב של תכנים שונים. עם זאת, יש מקבילה חשובה. למרות שקרומי נוזלים מקדמים היתוך, הם יכולים גם להפוך לבלתי יציבים במהלך מתח הנגרם על ידי הקפאה והפשרה, מה שמוביל לדליפות הפוגעות בשמירה של מולקולות חיוניות. עבור פרוטו-תאים מוקדמים, שמירה על איזון בין יציבות מבנית לחדירות הייתה חיונית לחלוטין להישרדותם ולהמשך האבולוציה.

הדרך אל התאים המורכבים הראשונים

Tomoaki Matsuura, פרופסור ב-ELSI וחוקר ראשי של המחקר, מציע כי ניתן היה להשיג מבחר רקורסיבי של שלפוחיות גדלות הנגרמות על ידי הקפאה והפשרה במשך דורות עוקבים על ידי שילוב מנגנוני ביקוע כגון לחץ אוסמוטי או גזירה מכנית. עם המורכבות המולקולרית ההולכת וגוברת, המערכת התוך שלפוחית ​​- כלומר התפקוד המקודד על ידי גנים – יכולה בסופו של דבר להשתלט על כושר פרוטו-תאי. זה יוביל להופעתו של תא קדמון המסוגל לאבולוציה דרוויניסטית. הרכבי הממברנות המוצלחים ביותר היו תלויים ככל הנראה בתנאי הסביבה הספציפיים בכל מקום של מוצא החיים.

יחד, הממצאים מצביעים על כך שתהליכים פיזיקליים פשוטים כמו הקפאה והפשרה עשויים לעזור להנחות את המעבר מתאים מולקולריים בסיסיים לתאים המתפתחים הראשונים. המחקר לא רק מספק תשובה ברורה יותר לשאלה בת מאות השנים של איך התחילו החיים, אלא גם מדגים שסביבות קיצוניות היו אולי זרז למורכבות ביולוגית, ופותחים קווי חקירה חדשים לגבי חוסנם של מבנים מולקולריים פרימיטיביים.