Життя на землі зародилася без божого участі

Г

З давнини людей цікавить питання про виникнення життя. В ході історії з`явилося кілька гіпотез, наукову цінність з яких, ймовірно, має лише теорія про первинному бульйоні. Всі інші, як виявилося, неспроможні. Креаціонізм чи теорія божественного створення, яка з`явилася ще в період пізнього неоліту, визнана ненаучной- гіпотеза вічного існування життя повністю суперечить палеонтологічними і астрономічним данним- гіпотеза занесення життя на нашу планету ззовні (концепція панспермії) - в принципі не вирішує проблеми і, навпаки, провокує питання про те, яким чином життя могла виникнути в іншому світі.

Вперше версію про те, що невеликі крапельки на ранніх етапах зародження життя могли сформуватися за рахунок поділу молекул в складі складних сумішей за рахунок поділу фаз в коацервати (так званому первинному бульйоні) висловив радянський біолог Олександр Опарін, трохи пізніше - британський вчений Джон Холдейн. Відповідно до гіпотези, ці крапельки забезпечили освіту реакційних хімічних центрів, але в той же час, залишається незрозумілим, як вони росли і розмножувалися.

В рамках нового дослідження вчені спостерігали за поведінкою крапельок в системах, що підтримуються за рахунок зовнішнього джерела енергії в стані, далекому від термодинамічної рівноваги. У таких системах зростання крапель здійснюється за рахунок додавання крапельного матеріалу, який виробляється в процесі хімічних реакцій. Як було встановлено, зростання краплі, який відбувається внаслідок хімічних процесів, тягне за собою нестабільність форми краплі і провокує її поділ на дві крапельки, менші за розміром.

Таким чином, хімічно активні краплі показали цикли зростання і ділення, що нагадують розростання тканини живого організму за рахунок розмноження клітин шляхом поділу (проліферація). Дослідники припускають, що поділ активних крапель, може служити моделлю для пребіотіческіх протоклеток, хімічні реакції в яких в краплі сприяють пребіотіческіх метаболізму.

Відео: Як на Землі зародилося життя? - Научпок

Рідкі краплі - це структури, що самоорганізуються, здатні співіснувати з навколишнім рідиною. Та поверхню, яка ділить дві існуючі поруч фази, надає певну форму краплях, через поверхневого натягу - сферичну. Крім цього, деякі речовини мають здатність проникати через поверхню коацерватних крапель. Розподіл середовища в краплі накопичує обмежений обсяг матеріалу і призводить в протіканню певних хімічних реакцій.

Вчені встановили термодинаміка народження краплі, але в той же час вони до теперішнього часу не розуміють, яким чином вона росте і розмножується, тобто володіє основними особливостями, які притаманні живому організму. Прийнято вважати, що зростання крапель відбувається за рахунок поглинання з перенасиченої середовища матеріалу або процесу переконденсаціі - перенесення розчиненої речовини від малих часток до великих за допомогою розчинення (цей процес носить назву дозрівання Оствальда). В даному випадку дрібні крапельки зникають, залишаються тільки великі. Крім того, вчені припускають, що дрібні краплі можуть об`єднуватися і утворювати великі. Всі ці процеси з плином часу призводять до збільшення розмірів крапель і зменшення їх кількості, хоча протоклетка, після досягнення певного розміру, повинна розділитися на дві.

Дослідники припускають, що коацерватние краплі, які підтримуються далеко від термодинамічної рівноваги за допомогою хімічного палива, можуть володіти незвичайними особливостями, наприклад, дозрівання Оствальда при наявності хімічних реакцій може придушуватися, за рахунок чого кілька крапель може існувати стабільно з певним розміром, який заданий швидкістю реакції. В такому випадку краплі сферичної форми, які схильні до хімічних реакцій, випадковим чином поділяються на дві більш дрібні, однакові за розміром крапельки. Вчені припускають, що таким чином хімічно активні краплі можуть рости і ділитися, а значить - і розмножуватися, як паливо використовуючи надходить матеріал. Отже, при наявності хімічних реакцій, які приводяться в дію з зовнішніх джерел, краплі поводяться, як клітини. Такі активні крапельки можуть бути моделями для зростання і ділення протоклеток, що володіють примітивним метаболізмом, який являє собою прості хімічні реакції, які підтримуються зовнішнім паливом.

Відео: Михайло Нікітін: "Зародження життя на Землі та інших планетах"

Ці краплі є свого роду резервуаром для просторової організації певних хімічних реакцій. Для появи крапель необхідно поділ фаз на дві рідкі фази різного складу, які існують поруч. Фази діляться за рахунок молекулярного впливу, при якому схожі між собою молекули знижують власну енергію, перебуваючи один від одного в безпосередній близькості. Рідина здатна расслоиться в тому випадку, якщо зменшення енергії, яке пов`язане з молекулярним впливом, за рахунок змішування долає ефект збільшення хаосу. У тому випадку, якщо такі взаємодії досить сильні, відбувається утворення поверхні, яка відділяє співіснують фази. Якщо матеріал поверхні формується і руйнується під впливом хімічних реакцій, краплі можуть стати хімічно активними.

Так, наприклад, якщо розглянути модель простий краплі, можна побачити, що в ній є мінімальна кількість необхідних умов для освіти і розмноження коацерватной краплі: поверхня розділу фаз, дві фази, а також зовнішнє джерело енергії, який утримує систему далеко від стану термодинамічної рівноваги . Освіта краплі відбувається за рахунок матеріалу Dкаплі, що генерується всередині краплі з високоенергетичного матеріалу N, який виступає в якості поживної речовини. Матеріал краплі здатний розкладатися на більш низькі енергетичні складові W (відходи), які в результаті дифузії залишають краплю. Вижити крапля може тоді, коли відбувається безперервна подача N і постійне видалення W. Досягти цього можна за рахунок процесу рециркуляції N із застосуванням зовнішнього джерела енергії, зокрема, сонячного світла або певного палива.

Автори дослідження вважають, що фізика активних крапель достатньо проста. Її найпростіше зрозуміти на прикладі моделі з двома компонентами А і В. Коли відбувається відділення фази матеріалу краплі В від розчинника, він може випадковим чином трансформуватися за рахунок хімічної реакції По-А в молекули типу А, розчинні в фонової рідини. Залишається крапелька. Перебіг зворотне реакції А-В уже не спонтанно, оскільки В володіє більш високою енергією в порівнянні з А. Новий матеріал крапель В можна отримати реакцією А + С-В + С, пов`язаної з паливом. В даному випадку С - це низькоенергетичний продукт реакції молекул палива. Паливо забезпечує різницю хімічних потенціалів, яка дат можливість досягти стані В з високою енергією з більш низького енергетичного стану А. Різниця потенціалів може бути постійною в тому випадку, якщо концентрації С в них задані зовнішнім резервуаром. У такому випадку система утримується далеко від стану термодинамічної рівноваги.

Вчені вивчили комбінацію поділу фаз і разновесних хімічних реакцій також і в безперервній моделі. Дослідники встановили, що хімічно активні краплі сферичної форми, можуть бути нестабільними і ділитися на дві більш дрібні крапельки. Спочатку крапля зростає до того моменту, поки не досягне стаціонарного розміру. Після цього вона подовжується, утворюючи гантелеобразную форму. Потім ця гантель ділиться на дві менші за розміром краплі, однакові за розміром. В кінцевому підсумку, менші краплі знову починають зростати до нового поділу.

Як відзначають вчені, ті явища, які вони змоделювали, безпосередньо можна спостерігати на експерименті. За словами дослідників, нестабільність крапель, яка спровокована зовнішнім припливом енергії і яка призводить до поділу краплі, можна порівняти з нестійкістю Муллінс-Секеркі, яка досить часто обговорюється в контексті зростання кристалів. Однак на відміну від неї, нестабільність форми крапель може виникати і при наявності нерухомої нерастущей краплі.

Сучасні клітини мають деякі хімічні структури, які не відокремлені від клітинної цитоплазми мембраною. Вони утворюються за рахунок поділу фаз від цитоплазми. Більшість їх рідкі і складаються з РНК-зв`язуючих білків і молекул РНК. Відповідно до гіпотези світу РНК, в ранні періоди життя РНК була одночасно і носієм генетичної інформації, і виконувала роль рибозими. Цілком ймовірно, що об`єднання РНК з простими пептидами було досить для того, щоб утворилися коацерватние краплі.

Як відзначають автори дослідження, трансформація хімічно активних крапель в клітці, яка ділиться вперше, являє собою велику проблему для розуміння раннього процесу еволюції. На відміну від зовнішнього і внутрішнього середовища краплі, поверхня розділу цих середовищ є амфіфільних. Ті ліпіди, які не мають спорідненості до внутрішньої і зовнішньої середовищі краплі, могли б накопичитися на амфіфільних поверхні за умови їх наявності в зовнішньому середовищі коацерватних крапель. На думку фахівців, в коацерватах мембрани могли з`явитися значно раніше, ніж відбулося перше дроблення протоклеток.