Un grupo de científicos estadounidenses y alemanes describió el mecanismo por el cual las protocélulas, que fueron las predecesoras de los primeros organismos vivos de nuestro planeta, adquirieron la capacidad de crecer y dividirse.
Desde la antigüedad, la gente se ha interesado por la cuestión del origen de la vida. A lo largo de la historia han surgido varias hipótesis, de las cuales probablemente sólo la teoría de la sopa primordial tiene valor científico. Todos los demás resultaron insostenibles. El creacionismo, o la teoría de la creación divina, que se remonta al período neolítico tardío, se considera no científico; la hipótesis de la existencia eterna de la vida contradice completamente los datos paleontológicos y astronómicos; La hipótesis de traer vida a nuestro planeta desde el exterior (el concepto de panspermia), en principio, no resuelve el problema y, por el contrario, suscita la pregunta de cómo podría surgir la vida en otro mundo.
Por primera vez, la versión de que pequeñas gotas en las primeras etapas del origen de la vida podrían formarse debido a la separación de moléculas en mezclas complejas debido a la separación de fases en un coacervado (el llamado caldo primario) fue expresada por el biólogo soviético Alexander Oparin, un poco más tarde, por el científico británico John Haldane. Según la hipótesis, estas gotitas proporcionaron la formación de centros químicos reactivos, pero al mismo tiempo, no está claro cómo crecieron y se multiplicaron.
Como parte del nuevo estudio, los científicos han observado el comportamiento de las gotitas en sistemas mantenidos por una fuente externa de energía en un estado alejado del equilibrio termodinámico. En tales sistemas, el crecimiento de las gotas se lleva a cabo agregando el material de las gotas que se produce durante las reacciones químicas. Se encontró que el crecimiento de una gota, que ocurre como resultado de procesos químicos, conlleva una inestabilidad de la forma de la gota y provoca su división en dos gotas más pequeñas.
norte
Así, las gotitas químicamente activas mostraron ciclos de crecimiento y división que se asemejan a la proliferación de tejido en un organismo vivo debido a la multiplicación celular por división (proliferación). Los investigadores plantean la hipótesis de que dividir las gotas activas podría servir como modelo para las protocélulas prebióticas, en las que las reacciones químicas en la gota promueven el metabolismo prebiótico.
Las gotas de líquido son estructuras autoorganizadas que pueden coexistir con el líquido circundante. La superficie que divide dos fases adyacentes da a las gotas una cierta forma, debido a la tensión superficial - esférica. Además, algunas sustancias tienen la capacidad de penetrar la superficie de las gotas de coacervado. La división del medio en gotitas acumula un volumen limitado de material y da lugar a ciertas reacciones químicas.
Los científicos han establecido la termodinámica del nacimiento de una gota, pero al mismo tiempo aún no entienden cómo crece y se multiplica, es decir, tiene las principales características que son inherentes a un organismo vivo. En general, se acepta que el crecimiento de gotitas se produce debido a la absorción de un material de un medio sobresaturado o al proceso de recondensación: la transferencia de un soluto de partículas pequeñas a grandes mediante disolución (este proceso se denomina maduración de Ostwald). En este caso, las gotas pequeñas desaparecen, solo quedan las grandes. Además, los científicos admiten que las pequeñas gotas pueden combinarse y formar grandes. Con el tiempo, todos estos procesos conllevan un aumento del tamaño de las gotas y una disminución de su número, aunque la protocélula, al alcanzar un determinado tamaño, debe dividirse en dos.
Los investigadores plantean la hipótesis de que las gotitas coacervadas que se mantienen lejos del equilibrio termodinámico con un combustible químico pueden tener características inusuales, como que se puede suprimir la maduración de Ostwald en presencia de reacciones químicas, por lo que unas pocas gotitas pueden existir de forma estable con un cierto tamaño, que viene dado por la velocidad reacciones. En este caso, las gotas esféricas, que están sujetas a reacciones químicas, se dividen aleatoriamente en dos gotas más pequeñas del mismo tamaño. Los científicos sugieren que de esta manera, las gotitas químicamente activas pueden crecer y dividirse, y por lo tanto multiplicarse, utilizando el material entrante como combustible. Por lo tanto, en presencia de reacciones químicas desencadenadas por fuentes externas, las gotas se comportan como células. Estas gotas activas pueden ser modelos para el crecimiento y división de protocélulas con metabolismo primitivo, que es una reacción química simple apoyada por combustible externo.
Video promocional:
Estas gotitas son una especie de depósito para la organización espacial de determinadas reacciones químicas. Para la aparición de gotas, es necesario separar las fases en dos fases líquidas de diferente composición, que coexisten. Las fases se dividen debido a la acción molecular, en la que moléculas similares reducen su propia energía, estando muy cerca unas de otras. Un líquido es capaz de estratificación si la disminución de energía asociada con la acción molecular debido a la mezcla supera el efecto del caos creciente. Si tales interacciones son lo suficientemente fuertes, se forma una superficie que separa las fases coexistentes. Si el material de la superficie se forma y se destruye por reacciones químicas, las gotas pueden volverse reactivas.
norte
Entonces, por ejemplo, si consideramos el modelo de una gota simple, podemos ver que tiene un número mínimo de condiciones necesarias para la formación y multiplicación de una gota coacervada: una interfaz de fase, dos fases, así como una fuente de energía externa que mantiene al sistema alejado del estado de equilibrio termodinámico. … La formación de gotas se debe al material de la gota D generado dentro de la gota a partir de un material N de alta energía, que actúa como un nutriente. El material de la gota es capaz de descomponerse en componentes W (residuos) de menor energía, que, como resultado de la difusión, dejan la gota. Una gota puede sobrevivir cuando hay un suministro continuo de N y una eliminación constante de W. Esto se puede lograr mediante la recirculación de N utilizando una fuente de energía externa, en particular,la luz del sol o ciertos combustibles.
Los autores del estudio creen que la física de las gotas activas es bastante simple. Es más fácil de entender con el ejemplo de un modelo con dos componentes A y B. Cuando la fase del material de la gota B se separa del solvente, se puede transformar aleatoriamente debido a la reacción química BA en moléculas de tipo A, que son solubles en el líquido de fondo. Queda una gota. La reacción inversa A-B ya no es espontánea, ya que B tiene una energía más alta que A. Se puede obtener un nuevo material de gotitas B mediante la reacción A + C-B + C asociada con el combustible. En este caso, C es un producto de reacción de baja energía de moléculas de combustible. El combustible proporciona una diferencia de potencial químico, lo que hace posible alcanzar el estado B con alta energía desde un estado de menor energía A. La diferencia de potencial puede ser constante sisi las concentraciones de C en ellos vienen dadas por un reservorio externo. En este caso, el sistema se mantiene lejos del estado de equilibrio termodinámico.
Los científicos han estudiado la combinación de separación de fases y reacciones químicas desequilibradas también en un modelo continuo. Los investigadores han descubierto que las gotas esféricas químicamente activas pueden ser inestables y dividirse en dos gotas más pequeñas. Inicialmente, la gota crece hasta alcanzar un tamaño estacionario. Después de eso, se alarga, formando una mancuerna. Esta mancuerna luego se divide en dos gotas más pequeñas del mismo tamaño. Finalmente, las gotas más pequeñas comienzan a crecer nuevamente hasta una nueva división.
Como señalan los científicos, los fenómenos que modelaron se pueden observar directamente en el experimento. Según los investigadores, la inestabilidad de las gotas, que se desencadena por un influjo externo de energía y que conduce a la fisión de las gotas, se puede comparar con la inestabilidad de Mullins-Sekerki, que a menudo se discute en el contexto del crecimiento de cristales. Sin embargo, en contraste con esto, la inestabilidad de la forma de la gota también puede ocurrir en presencia de una gota inmóvil que no crece.
Las células modernas tienen algunas estructuras químicas que no están separadas del citoplasma celular por una membrana. Están formados por separación de fases del citoplasma. La mayoría de ellos son líquidos y consisten en proteínas y moléculas de ARN que se unen al ARN. Según la hipótesis del mundo del ARN, en los primeros períodos de la vida, el ARN era portador de información genética y desempeñaba el papel de ribozima. Es probable que la combinación de ARN con péptidos simples fuera suficiente para formar gotitas coacervadas.
Como señalan los autores del estudio, la transformación de gotitas químicamente activas en una célula que se está dividiendo por primera vez es un gran problema para comprender el proceso evolutivo temprano. A diferencia de los medios de gotitas externos e internos, la interfaz entre estos medios es anfifílica. Los lípidos que no tienen afinidad por el entorno interno y externo de la gota podrían acumularse en la superficie anfifílica, siempre que estén presentes en el entorno externo de las gotas coacervadas. Según los expertos, las membranas de los coacervados podrían aparecer mucho antes de que tuviera lugar la primera división de las protoceldas.
