Ученые выяснили, как замерзание и оттаивание могли запустить зарождение жизни

Ледяная среда могла сыграть ключевую роль в зарождении жизни. Credit: AI/ScienceDaily.com

Современные клетки — это сложнейшие системы с внутренним каркасом и генетическими инструкциями. В отличие от них, первые клеткоподобные структуры были простейшими пузырьками, где липидные мембраны заключали в себе базовые органические молекулы. Понимание того, как такие протоклетки эволюционировали в сложные формы жизни, остается центральным вопросом науки.

Новое исследование, проведенное учеными из Института науки Токио (ELSI), проливает свет на этот процесс. Вместо поиска единственного объяснения, команда сосредоточилась на экспериментах, моделирующих реальные условия древней Земли. Они изучили, как изменения состава мембран влияют на рост, слияние протоклеток и их способность удерживать важные молекулы во время циклов замерзания и оттаивания.

Исследователи создали сферические компартменты (LUV) из трех типов фосфолипидов: POPC, PLPC и DOPC. «Мы использовали фосфатидилхолин (PC) в качестве компонентов мембраны из-за их химической структурной преемственности с современными клетками, потенциальной доступности в пребиотических условиях и способности удерживать важное содержимое», — пояснил ведущий автор исследования, докторант ELSI Тацуя Синода.

После воздействия циклов замерзания/оттаивания (F/T), имитирующих перепады температур на ранней Земле, проявились четкие различия. Пузырьки, богатые POPC, сгруппировались, но не слились. Те, что содержали PLPC или DOPC, напротив, сливались в более крупные компартменты. «Под воздействием кристаллов льда мембраны могут дестабилизироваться. Рыхлая латеральная организация из-за высокой степени ненасыщенности может обнажать больше гидрофобных областей, облегчая взаимодействие с соседними везикулами и делая слияние энергетически выгодным», — отметила исследователь ELSI Нацуми Нода.

Слияние важно, так как позволяет смешивать содержимое отдельных компартментов. На ранней Земле, где органические молекулы были рассеяны, такое смешивание могло сводить вместе ключевые ингредиенты, запуская химические реакции. Команда также обнаружила, что везикулы из PLPC лучше захватывали и удерживали ДНК, чем везикулы из POPC, даже после многократных циклов замерзания.

Традиционно ученые фокусировались на пересыхающих водоемах или гидротермальных источниках как на «кольбели жизни». Это исследование добавляет еще один вариант — ледяную среду. Циклы замерзания/оттаивания могли концентрировать молекулы в небольших пространствах, увеличивая вероятность взаимодействий. При этом мембраны из ненасыщенных фосфолипидов были более склонны к слиянию.

«Рекурсивный отбор выросших в результате F/T везикул в последующих поколениях может быть реализован путем интеграции механизмов деления, таких как осмотическое давление. С увеличением молекулярной сложности внутривезикулярная система, то есть функция, кодируемая генами, в конечном итоге может взять на себя приспособленность протоклеток, что приведет к появлению примитивной клетки, способной к дарвиновской эволюции», — заключает профессор ELSI и руководитель исследования Томоаки Мацуура.

В совокупности эти результаты показывают, что простые физические процессы, такие как замерзание и оттаивание, могли направлять переход от базовых молекулярных компартментов к первым эволюционирующим клеткам.