Rühm Ameerika ja Saksa teadlasi kirjeldas mehhanismi, mille abil algloomad, kes olid meie planeedi esimeste elusorganismide eelkäijad, omandasid võime kasvada ja jaguneda.
Juba iidsetest aegadest on inimesed olnud huvitatud elu päritolu küsimusest. Ajaloo jooksul on tekkinud mitu hüpoteesi, millest teadusliku väärtusega on tõenäoliselt vaid ürgse supi teooria. Kõik ülejäänud osutusid talumatuks. Kreatsionismi ehk jumaliku loomise teooriat, mis pärineb hilisneoliitikumi perioodist, peetakse ebateaduslikuks; elu igavese olemasolu hüpotees on täielikult vastuolus paleontoloogiliste ja astronoomiliste andmetega; elu meie planeedile väljastpoolt toomise hüpotees (panspermia mõiste) põhimõtteliselt probleemi ei lahenda ja vastupidi tekitab küsimuse, kuidas võiks elu tekkida teises maailmas.
Esmakordselt avaldas Nõukogude bioloog Alexander Oparin, pisut hiljem - Briti teadlase John Haldane versiooni, et elu päritolu varases staadiumis võivad väikesed tilgad moodustuda molekulide eraldamise tõttu komplekssegudes faaside eraldamise tõttu koacervaadis (nn primaarne puljong), pisut hiljem - Briti teadlane John Haldane. Hüpoteesi kohaselt moodustasid need tilgad reaktiivsete keemiliste keskuste moodustumise, kuid samal ajal jääb ebaselgeks, kuidas need kasvasid ja paljunevad.
Uue uuringu osana on teadlased täheldanud tilkade käitumist süsteemides, mida hoiab väline energiaallikas termodünaamilisest tasakaalust kaugel. Sellistes süsteemides teostatakse tilkade kasvu keemiliste reaktsioonide käigus tekkiva tilga lisamisega. Leiti, et tilga suurenemine, mis toimub keemiliste protsesside tagajärjel, põhjustab tilga kuju ebastabiilsust ja provotseerib selle jaotumist kaheks väiksemaks tilgaks.
Seega näitasid keemiliselt aktiivsed tilgad kasvu- ja jagunemistsüklit, mis sarnanevad elusorganismis koe proliferatsioonile rakkude paljunemise tõttu jagunemisega (proliferatsioon). Teadlased püstitasid hüpoteesi, et aktiivsete tilkade jagamine võiks olla eeskuju prebiootilistele algloomadele, mille tilgas olevad keemilised reaktsioonid soodustavad prebiootiliste ainete metabolismi.
Vedelad tilgad on iseorganiseeruvad struktuurid, mis võivad eksisteerida koos ümbritseva vedelikuga. Pind, mis jagab kaks külgnevat faasi, annab tilkadele pindpinevuse tõttu teatud kuju - sfääriline. Lisaks on mõnel ainel võime tungida läbi koacervatiivsete tilkade pinna. Söötme tilkadeks jagades koguneb piiratud kogus materjali ja see põhjustab teatud keemilisi reaktsioone.
Teadlased on kehtestanud tilga sünni termodünaamika, kuid samal ajal ei mõista nad endiselt, kuidas see kasvab ja paljuneb, see tähendab, et sellel on peamised omadused, mis on elusorganismile omased. On üldtunnustatud seisukoht, et tilkade kasv toimub tänu materjali imendumisele üleküllastunud keskkonnast või taaskondenseerimise protsessist - lahustunud aine ülekandmisest väikestest osakestest suurteks osakesteks lahustamise teel (seda protsessi nimetatakse Ostwaldi küpsemiseks). Sel juhul kaovad väikesed tilgad, alles jäävad ainult suured. Lisaks tunnistavad teadlased, et väikesed tilgad võivad ühendada ja moodustada suuri. Aja jooksul põhjustavad kõik need protsessid tilkade suuruse suurenemise ja nende arvu vähenemise, ehkki protorakud peavad teatud suuruse saavutamisel jagunema kaheks.
Teadlaste hüpotees seisneb selles, et keemilise kütusega termodünaamilisest tasakaalust kaugel hoitavatel tilkadel võivad olla ebaharilikud omadused, näiteks keemiliste reaktsioonide juuresolekul valmiv Ostwald võib pärssida, kusjuures stabiilselt võib eksisteerida mitu tilka kindla suurusega, mille annab kiirus reaktsioonid. Sellisel juhul jagatakse keemiliste reaktsioonide all olevad sfäärilised tilgad juhuslikult kaheks väiksemaks sama suuruseks tilgaks. Teadlased väidavad, et sel viisil võivad keemiliselt aktiivsed tilgad kasvada ja jaguneda ning seetõttu paljuneda, kasutades sissetulevat materjali kütusena. Seetõttu käituvad tilgad välistest allikatest vallanduvate keemiliste reaktsioonide juuresolekul nagu rakud. Sellised aktiivsed tilgad võivad olla primitiivse metabolismiga protorakkude kasvu ja jagunemise mudelid, mis on lihtne keemiline reaktsioon, mida toetab väline kütus.
Reklaamvideo:
Need tilgad on teatud tüüpi reservuaarid teatud keemiliste reaktsioonide ruumiliseks korraldamiseks. Tilkade väljanägemiseks on vaja faasid jagada kaheks erineva koostisega vedelaks faasiks, mis eksisteerivad kõrvuti. Faasid jagunevad tänu molekulaarsele toimele, milles sarnased molekulid alandavad omaenda energiat, olles üksteisega vahetus läheduses. Vedelik on võimeline kihistuma, kui segunemisest tingitud molekulaarse toimega seotud energia vähenemine ületab suureneva kaose mõju. Kui sellised vastasmõjud on piisavalt tugevad, moodustub pind, mis eraldab samaaegselt eksisteerivad faasid. Kui pinnamaterjal moodustub ja hävitatakse keemiliste reaktsioonide kaudu, võivad tilgad muutuda reaktiivseteks.
Näiteks kui vaadelda lihtsa languse mudelit, näeme, et sellel on minimaalselt vajalik arv tingimusi koatservaadi languse moodustamiseks ja korrutamiseks: faasiliides, kaks faasi, aga ka väline energiaallikas, mis hoiab süsteemi eemal termodünaamilise tasakaalu olukorrast. … Tilkade moodustumine on tingitud D-tilkade materjalist, mis on tilga sees tekkinud kõrge energiasisaldusega materjalist N, mis toimib toitainena. Tilgamaterjal on võimeline lagunema madalamateks energiakomponentideks W (jäätmed), mis difusiooni tagajärjel jätavad tilga maha. Tilk võib püsima jääda, kui pidevalt toimub N varustamine ja pidev W eemaldamine. Seda on võimalik saavutada N ringluse kaudu, eriti välise energiaallika abil,päikesevalgus või teatud kütused.
Uuringu autorite arvates on aktiivsete tilkade füüsika üsna lihtne. Kõige lihtsam on seda mõista kahe komponendiga A ja B. Mudeli näitel. Kui tilga B materjali faas eraldub lahustist, saab selle keemilise reaktsiooni tõttu juhuslikult muuta A-tüüpi molekulideks, mis lahustuvad taustvedelikus. Tilk jääb. Pöördreaktsioon A-B ei ole enam spontaanne, kuna B-l on suurem energia kui A. Uut tilgamaterjali B võib saada reaktsioonil A + C-B + C, mis on seotud kütusega. Sel juhul on C kütuse molekulide madala energiatarbimisega reaktsioonisaadus. Kütus annab keemilise potentsiaali erinevuse, mis võimaldab madala energiatarbega olekust A kõrge energiaga jõuda olekusse B. Potentsiaalierinevus võib olla püsiv, kuikui C kontsentratsiooni neis annab väline reservuaar. Sel juhul hoitakse süsteemi termodünaamilise tasakaalu olukorrast kaugel.
Teadlased on faaside eraldamise ja tasakaalustamata keemiliste reaktsioonide kombinatsiooni uurinud ka pidevas mudelis. Teadlased leidsid, et keemiliselt aktiivsed sfäärilised tilgad võivad olla ebastabiilsed ja jaguneda kaheks väiksemaks tilgaks. Esialgu kasvab tilk, kuni see saavutab statsionaarse suuruse. Pärast seda pikeneb, moodustades hantli kuju. Seejärel jagatakse see hantel kaheks väiksemaks sama suuruseks tilgaks. Lõppkokkuvõttes hakkavad väiksemad tilgad uuesti kasvama kuni uue jagunemiseni.
Nagu teadlased märgivad, saab nende modelleeritud nähtusi katses otseselt jälgida. Teadlaste sõnul võib tilkade ebastabiilsust, mille käivitab väline energia sissevool ja mis põhjustab tilkade lõhustumist, võrrelda Mullins-Sekerki ebastabiilsusega, mida sageli arutatakse kristallide kasvu kontekstis. Vastupidiselt sellele võib tilgakuju ebastabiilsus ilmneda ka liikumatu, mittekasvava tilga juuresolekul.
Kaasaegsetel rakkudel on mõned keemilised struktuurid, mida raku tsütoplasmast membraan ei eralda. Need moodustuvad faaside eraldamise teel tsütoplasmast. Enamik neist on vedelad ja koosnevad RNA-d siduvatest valkudest ja RNA molekulidest. RNA-maailma hüpoteesi kohaselt oli RNA varastel eluperioodidel nii geneetilise teabe kandja kui ka ribosüümi roll. On tõenäoline, et RNA kombineerimine lihtsate peptiididega oli piisav koacervatiivsete tilkade moodustamiseks.
Nagu uuringu autorid märgivad, on keemiliselt aktiivsete tilkade muutumine rakus, mis esimest korda jaguneb, varajase evolutsiooniprotsessi mõistmiseks suureks probleemiks. Erinevalt välimisest ja sisemisest tilkade kandjast on nende kandjate vaheline liides amfifiilne. Need lipiidid, millel puudub afiinsus tilga sise- ja väliskeskkonna suhtes, võivad koguneda amfifiilsele pinnale, kui nad esinevad koacervatiivsete tilkade väliskeskkonnas. Asjatundjate sõnul võisid koacervatiivide membraanid ilmuda palju varem, kui toimus algloomade esimene jagunemine.
