Как исследователь, погружающийся в загадочный мир пребиотической эволюции, я постоянно очарован замысловатым танцем молекул, который привел к возникновению жизни на Земле. Мое путешествие было увлекательным исследованием границ между наукой и философией, биологией и химией, материальным и абстрактным.
За бесчисленные годы развития современные клетки стали чрезвычайно сложными. Внутри этих клеток существуют крошечные специализированные области, известные как органеллы, каждая из которых играет решающую роль в поддержании жизни и функционирования клетки. Возьмем, к примеру, ядро, отвечающее за хранение генетической информации, или митохондрии, генерирующие энергию.
Важнейшим компонентом клетки является окружающая ее мембрана. Белки на поверхности этой мембраны регулируют то, что входит в клетку и покидает ее. Считается, что эта сложная мембранная структура является ключом к развитию жизни, какой мы ее понимаем сегодня. Однако можно задаться вопросом, как самым ранним, самым простым клеткам удавалось оставаться нетронутыми до того, как сложные мембранные структуры стали обычным явлением?
В недавнем исследовании, о котором мы рассказали в журнале Science Advances, я вместе с коллегами из Чикагского университета и Хьюстонского университета углубились в интригующую идею: дождевая вода могла играть важную роль в поддержании стабильности ранних клеток, потенциально способствуя к развитию сложности жизни с течением времени.
Происхождение жизни
Одной из величайших загадок научных исследований является происхождение жизни на нашей планете Земля. Исследователи на протяжении веков размышляли о том, как простые вещества, такие как вода, газы и минералы, могли превратиться в сложные живые существа, обладающие способностью размножаться, поддерживать себя и развиваться с течением времени.
В 1953 году ученые Стэнли Миллер и Гарольд Юри из Чикагского университета провели эксперимент, показавший, что сложные молекулы на основе углерода (органические соединения) могут быть созданы из более простых органических и неорганических аналогов. Объединив воду, метан, аммиак, водород и электрические искры, эти ученые успешно синтезировали аминокислоты.
Как любопытный наблюдатель, я размышляю над идеей о том, что самые ранние живые существа, получившие название «протоклетки», могли возникнуть естественным путем из сложных органических молекул, населявших нашу древнюю Землю. Эти рудиментарные, похожие на живые структуры, вероятно, были построены из двух фундаментальных строительных блоков: структурного материала, служащего их скелетом, и генетического кода, который служил их проектом, направляя эти протоклетки выполнять свои основные функции.
Постепенно эти примитивные клетки в течение длительного периода могли развить такие способности, как самовоспроизведение и метаболические функции. Для того чтобы определенные химические реакции протекали эффективно, необходимы определенные условия, в том числе непрерывное снабжение энергией, необходимыми органическими соединениями и водой. Наличие матрицы и мембраны создает важную стабильную среду, которая облегчает концентрацию реагентов и защищает их от внешних воздействий, позволяя происходить этим важным химическим реакциям.
Следовательно, возникают два важных вопроса: какие вещества составляют структуру примитивных клеток (протоклеток), в частности их матрикс и мембрану? Более того, как эти компоненты поддерживали необходимую стабильность и функциональность для того, чтобы ранние клетки эволюционировали в сложные клетки, встречающиеся сегодня во всех формах жизни?
Пузыри против капель
Исследователи предполагают, что два разных типа примитивных клеток, или протоклеток, а именно везикулы и коацерваты, могли существенно повлиять на начальные фазы развития жизни.
Везикулы представляют собой небольшие сферические структуры, похожие на пузырьки в воде, окруженные слоями жировых молекул, известных как липиды. Когда эти слои изгибаются, они создают сферу, содержащую вещества и защищающую важные химические реакции от суровых условий и возможного разрушения.
Везикулы, подобно крошечным живым отсекам, по структуре и функциям напоминают современные клетки. Однако, в отличие от современных клеток, примитивные везикулярные клетки не имели специфических белков, которые регулируют, какие молекулы входят в клетку или выходят из нее, а также облегчают связь между клетками. Отсутствие этих белков значительно ограничивало бы способность протоклеток везикул эффективно взаимодействовать с окружающей средой, тем самым ограничивая их потенциал для развития жизни.
Альтернативно, коацерваты относятся к крошечным каплям, которые возникают в результате сбора органических веществ, таких как пептиды и нуклеиновые кислоты. Они образуются, когда эти органические вещества соединяются друг с другом благодаря определенным химическим характеристикам, включая электростатические взаимодействия между противоположно заряженными молекулами, подобно тому, как воздушные шары прилипают к волосам из-за аналогичных электрических сил.
С моей точки зрения как энтузиаста, я бы сказал, что коацерваты подобны каплям масла, плавающим в воде, но без оболочки, которую имеет масло. Как и капли масла, коацерватные протоклетки не имеют защитного слоя. Это позволяет воде легко пропускать материалы внутрь и наружу. Эта уникальная структура позволяет коацерватам более эффективно собирать химические вещества и ускорять химические реакции, создавая яркую среду, напоминающую строительную площадку для строительных блоков жизни.
Похоже, что, поскольку коацерваты не имеют мембраны, они могут быть более пригодными в качестве протоклеток, чем везикулы. Тем не менее, отсутствие мембран может стать проблемой, поскольку существует риск утечки генетического материала из них.
Нестабильные и негерметичные протоклетки
Спустя годы после открытия голландскими химиками капель коацервата в 1929 году русский биохимик Александр Опарин предположил, что эти капли служат примитивным прототипом протоклеток. Он предположил, что эти капли представляют собой важную форму компартментализации, полезную для ранней метаболической активности и процессов самовоспроизведения.
Позже исследователи обнаружили, что коацерваты иногда могут состоять из противоположно заряженных полимерных нитей: длинных цепочечных молекул, которые на микроскопическом уровне кажутся похожими на спагетти и обладают противоположными электрическими зарядами. Эти противоположно заряженные полимеры имеют тенденцию притягиваться друг к другу и группироваться при смешивании, образуя капли без окружающей мембраны.
Отсутствие мембраны представляло собой проблему: капли быстро сливались друг с другом, подобно тому, как отдельные капли масла в воде объединяются в большую каплю. Более того, отсутствие мембраны позволило РНК – типу генетического материала, который считается самой ранней формой самовоспроизводящейся молекулы, имеющей решающее значение на ранних стадиях жизни – быстро обмениваться между протоклетками.
В 2017 году мой коллега Джек Шостак продемонстрировал, что быстрое слияние и обмен материалами РНК может привести к нерегулируемому смешиванию, что создает проблему для развития стабильных и различных генетических паттернов. Это препятствие намекало на то, что коацерватам может не хватать компартментализации, необходимой для устойчивости на раннем этапе жизни.
Проще говоря, для естественного отбора и эволюции решающее значение имеет компартментализация. Если бы коацерватные протоклетки продолжали бы сливаться без остановки, их гены постоянно смешивались бы друг с другом. Отсутствие генетического разнообразия означает, что ни одна протоклетка не будет иметь больше шансов на выживание, размножение или передачу своих свойств будущим поколениям, поскольку все они будут по существу одинаковыми.
Сегодняшняя жизнь изобилует разнообразным генетическим составом, а это означает, что природа, возможно, нашла способ решить эту загадку. Поэтому кажется разумным предположить, что решение этой проблемы существовало, возможно, то, которое мы упустили из виду или приняли как должное.
Дождевая вода и РНК
Исследования, проведенные мной в 2022 году, показали, что капли коацервата могут предотвращать слияние при погружении в деионизированную воду, которая не содержит растворенных ионов или минералов. Считается, что эти капли выделяют в воду крошечные ионы, позволяя противоположно заряженным полимерам на их краях приближаться и создавать сетчатое покрытие. Этот сетчатый барьер эффективно препятствует слиянию капель.
Объединив усилия с моей командой и коллегами, такими как Мэтью Тиррелл и Джек Шостак, мы сосредоточились на исследовании передачи генетического материала между доклеточными объектами, известными как протоклетки. Для этого мы разделили две отдельные популяции этих протоклеток, погруженные в деионизированную воду, в пробирки. В одну из этих групп вводили РНК. При смешивании популяций мы заметили, что РНК оставалась заключенной внутри соответствующих протоклеток в течение нескольких дней. Полупроницаемые «барьеры» или стенки этих протоклеток успешно предотвращают утечку РНК.
Вместо этого стоит отметить, что когда мы объединили необработанные протоклетки с обычной водопроводной водой, РНК быстро переместилась из одной клетки в другую за считанные секунды.
Основываясь на этих выводах, Аламгир Карим, один из моих коллег, задумался, могла ли дождевая вода, природный источник безионной воды, выполнять аналогичные функции в эпоху добиотиков. Сотрудничая с другим коллегой, Анушей Вонтедду, мы обнаружили, что дождевая вода действительно предотвращает слияние или слияние протоклеток.
Мы полагаем, что дождь, возможно, проложил путь к появлению первых клеток.
Работа в разных дисциплинах
Исследование зарождения жизни помогает удовлетворить научные удивления относительно процессов, ответственных за жизнь на нашей планете, а также вызывает философские дебаты о нашей роли в космосе и сущности бытия.
В настоящее время мое исследование сосредоточено на отслеживании начальных стадий дупликации генов в примитивных клетках, называемых протоклетками. Поскольку в то время не существовало современных белков, используемых для копирования генов, первобытный мир, вероятно, зависел от простых химических взаимодействий между нуклеотидами – фундаментальными компонентами генетического материала – для создания копий РНК. Выяснение того, как эти нуклеотиды объединялись, образуя удлиненные цепи РНК, является важной частью выяснения эволюционной истории до появления жизни, какой мы ее знаем.
Чтобы углубиться в глубокую тайну возникновения жизни, необходимо понять геологические, химические и экологические условия на Земле около 3,8 миллиардов лет назад. Другими словами, выяснение происхождения жизни – это не просто задача биологов; химики, подобные мне, наряду с исследователями из различных научных дисциплин, также заняты разгадкой этого заставляющего задуматься вопроса о существовании.
Смотрите также
- Смерть Лиама Пейна: о чем были недавние обвинения бывшей невесты Майи Генри в адрес бывшей звезды One Direction? Объяснено
- Чарли Пут, Зедд и другие звезды отреагировали на смерть бывшего участника One Direction Лиама Пейна в 31 год: «Не могу поверить, что он ушел».
- Лучший триллер для просмотра на Netflix, вышедший в октябре 2024 года.
- Лиам Пейн перед трагической смертью приобретал вещества у служащего отеля? ОТЧЕТ
- Себастьян Стэн рассказал, что хотел бы сыграть ЭТУ главную роль во вселенной DC: «Никогда не говори никогда»
- Поклонники Black Ops 6 выражают обеспокоенность по поводу возвращения купленных в магазине жевательных резинок
- Civ 7: Первый взгляд на Ашоку раскрывает 2 персонажа и 1 новую цивилизацию
- Совместная работа Marvel x MAGIC: THE GATHERING начинается с пяти колод Secret Lair Commander: Шторм, Кэп, Росомаха и другие возглавляют путь
- Принимали ли когда-нибудь принцы Гарри и принц Уильям приглашения на вечеринку Шона Дидди Комбса? Узнайте, как представитель рассказал, что рэпер был «одержим» членами королевской семьи
- «Параллели с нашей слабой экономикой»: команда Дональда Трампа нанесла удар по карьере Кэти Перри и Камалы Харрис после того, как поп-звезда поддержала кампанию вице-президента
2024-10-19 18:29