Как в ледяной колыбели ранней Земли зародилась жизнь: тайна раскрыта
Современная клетка — это сложная «фабрика» с четкой внутренней архитектурой, тонко настроенной химией и строгой генетической программой. Но когда‑то все начиналось с куда более примитивных структур — простых пузырьков, в которых липидная оболочка окружала смесь органических молекул.
Светлана ЛевченкоАвтор новостей
Новая работа специалистов Института наук о Земле и жизни (ELSI) Токийского института науки наглядно показала, как такие ранние структуры могли вести себя на древней Земле. Ученые не стали пытаться выдвинуть единую «теорию зарождения жизни», а сосредоточились на конкретных экспериментах, которые позволили узнать как состав мембраны влияет на рост протоклеток, их слияние и способность удерживать важные молекулы во время циклов замерзания и оттаивания.
Авторы исследования создали модельные пузырьки — большие однослойные везикулы — из трех похожих по строению фосфолипидов: POPC, PLPC и DOPC. Все они относятся к классу фосфатидилхолинов, которые присутствуют в мембранах современных клеток. «Мы использовали фосфатидилхолины как компоненты мембран из‑за их химической преемственности с современными клетками, возможной доступности в добиотических условиях и способности удерживать важное содержимое», объясняет ведущий автор работы, аспирант Тацуя Синода.
Различия между этими липидами — в числе и расположении двойных связей в их жировых хвостах. POPC образует более жесткие, плотно упакованные мембраны, тогда как PLPC и DOPC делают оболочку более «жидкой» и подвижной.
Везикулы-модели подвергали многократным циклам замораживания и оттаивания, имитируя перепады температур на ранней Земле. Уже после трех циклов стало заметно, что ведут себя они по‑разному: пузырьки с преобладанием POPC лишь сближались и образовывали скопления, но полностью в единое целое не сливались. Везикулы, в которых содержались PLPC или DOPC активно сливались в более крупные структуры, причем чем больше в их мембранах было PLPC, тем охотнее происходило слияние.
Авторы работы связывают это с тем, что менее насыщенные мембраны упакованы не так плотно, как более жесткие и насыщенные. «При формировании кристаллов льда стабильность мембран нарушается, им требуется перестройка при оттаивании. В более рыхлых мембранах легче оголяются гидрофобные области, что облегчает взаимодействие с соседними везикулами и делая слияние с ними энергетически выгодным», отмечает сотрудница ELSI Нацуми Нода.
Слияние позволяет смешивать содержимое разных пузырьков. В условиях древней Земли, где нужные органические соединения были рассеяны в среде, такие события позволяли сводить вместе ключевые ингредиенты и стимулировать химические реакции, которые усложняли строение протоклеток.
Ученые также проверили, насколько хорошо везикулы удерживают ДНК. POPC‑мембраны сравнивали с мембранами из одних лишь PLPC. Оказалось, что PLPC‑пузырьки лучше захватывают ДНК еще до циклов заморозки и оттаивания, и даже после них продолжают удерживать больше ДНК, чем POPC‑структуры.
Работа стала еще одним подтверждением того, что ледяные среды могли быть колыбелью жизни. При замерзании вода выдавливает растворенные молекулы в оставшуюся жидкость между кристаллами льда, локально их концентрируя. В таких условиях пузырьки с более «мягкими» мембранами чаще сливаются и обмениваются содержимым. Но у этого явления есть и оборотная сторона: слишком «рыхлые» оболочки легче повреждаются и протекают.
Для ранних протоклеток критически важным мог быть баланс между устойчивостью и проницаемостью: мембрана должна достаточно хорошо удерживать содержимое, но при этом позволять обмен веществами и усложнение внутренней химии.
Так простые физические процессы, в том числе, многократное замерзание и оттаивание, направляли эволюцию первых клеточных оболочек, делая возможным переход от простых молекулярных пузырьков к первым по‑настоящему живым клеткам.
Ранее ученые выяснили, как зарождению жизни на Земле помогли метеориты.
космосПоделиться
