Капли дождя могли сыграть ключевую роль в развитии жизни на Земле

Ученые из Чикагского университета и Хьюстонского университета заявили о том, что дождевая вода могла сыграть важную роль в стабилизации ранних клеток на Земле. Тем, самым, она помогла развиться сложной жизни на нашей планете, сообщает Live Science.

Миллиарды лет эволюции сделали клетки очень сложными. В них находятся небольшие отсеки, которые называются органеллами, выполняющие особые функции, необходимые для выживания и функционирования клетки. Например, ядро ​​хранит генетический материал, а митохондрии вырабатывают энергию.

Еще одной важной частью клетки является мембрана, которая ее окружает. Белки, встроенные в поверхность мембраны, контролируют движение веществ в клетку и из нее. И эта сложная мембранная структура позволила сделать жизнь такой сложной, как мы ее знаем сегодня. Но как все вместе удерживали ранние клетки, у которых мембраны не было?

Теперь ученые предположили, что ключевую роль в этом сыграли дождевые капли.

Считается, что самые ранние формы жизни, которые называются протоклетками, спонтанно возникли из органических молекул, которые присутствовали на ранней Земле. Это были примитивные, похожие на клетки структуры, которые состояли из двух компонентов: матричного материала, который обеспечивал структурный каркас, и генетического материала, который нес инструкции для функционирования протоклеток.

Со временем эти протоклетки постепенно развили способность воспроизводить и выполнять метаболические процессы. Для протекания основных химических реакций необходимы определенные условия, такие как постоянный источник энергии, органические соединения и вода. Отсеки, образованные матрицей и мембраной, в решающей степени обеспечивают стабильную среду, которая может концентрировать реагенты и защищать их от внешней среды, позволяя происходить необходимым химическим реакциям.

Поэтому возникают вопросы. Из каких материалов состоят матрица и мембрана протоклеток? И как они позволяли ранним клеткам сохранять стабильность?

Ученые считают, что на ранних этапах развития жизни ключевую роль могли сыграть два типа протоклеток: везикулы и коацерваты.

Везикулы — это крошечные пузырьки, которые состоят из жирных молекул, называемых липидами, естественным образом образующих тонкие слои. Везикулы образуются, когда эти слои сворачиваются в сферу, которая может инкапсулировать химические вещества и защищать важные реакции от суровых условий и потенциальной деградации.

Везикулы напоминают структуру и функцию современных клеток. Но в отличие от мембран современных клеток, везикулярные протоклетки не имели бы специализированных белков, которые избирательно пропускают молекулы в клетку и из нее и обеспечивают связь между клетками. Без этих белков везикулярные протоклетки имели бы ограниченную способность эффективно взаимодействовать с окружающей средой, что ограничивало бы их потенциал для жизни.

Коацерваты – это капли, образованные из скопления органических молекул, таких как пептиды и нуклеиновые кислоты. Они образуются, когда органические молекулы слипаются из-за химических свойств, которые притягивают их друг к другу, например, электростатических сил между противоположно заряженными молекулами.

Коацерваты можно представить как капли кулинарного масла, взвешенные в воде. Подобно каплям масла, у коацерватных протоклеток нет мембраны. Без мембраны окружающая вода может легко обмениваться материалами с протоклетками. Эта структурная особенность помогает коацерватам концентрировать химикаты и ускорять химические реакции, создавая оживленную среду для строительных блоков жизни.

То есть, отсутствие мембраны делает коацерваты лучшим кандидатом на роль протоклетки, чем везикулы. Однако отсутствие мембраны также имеет существенный недостаток: потенциальную возможность утечки генетического материала.

Исследование 2022 года показало, что коацерватные капли можно стабилизировать и избежать слияния, если погрузить их в деионизированную воду — воду, свободную от растворенных ионов и минералов. Капли выбрасывают небольшие ионы в воду, вероятно, позволяя противоположно заряженным полимерам на периферии сближаться друг с другом и образовывать сетчатый слой кожи. Эта сетчатая «стенка» эффективно препятствует слиянию капель.

Позже ученые предположили, что дождевые капли, которые являются естественным источником воды, свободной от ионов, могли бы сделать то же в пребиотическом мире. Эксперименты показали, что дождевая вода действительно стабилизирует протоклетки против слияния.

Ранее ученые заявили о том, что взрыв сверхновой, который произошел недалеко от Земли, мог навсегда изменить планету. По словам исследователей, этот взрыв мог стимулировать бум биоразнообразия.