Ватные капли

Немецкие и американские ученые описали механизм, благодаря которому протоклетки, предшественники первых живых организмов, начали расти и делиться. Соответствующее исследование опубликовано в журнале Nature Physics, кратко о нем сообщает издание Quanta Magazine.

Вопрос о том, как возникла жизнь, волнует людей с давних времен. Исторически было предложено несколько концепций, из которых научную ценность, по всей видимости, представляет лишь гипотеза о первичном бульоне. Остальные оказались несостоятельными. Гипотеза божественного сотворения (креационизм), возникшая еще во времена позднего неолита, ненаучна; теория вечного существования жизни противоречит астрономическим и палеонтологическим данным; концепция панспермии — занесения жизни на Землю извне, принципиально не решает проблемы и приводит к вопросу о том, как жизнь возникла в другом мире.

Предположение, что на ранних этапах возникновения жизни небольшие капельки могли образоваться посредством сегрегации молекул в сложных смесях путем разделения фаз в так называемом первичном бульоне (коацервате), было высказано советским биологом Александром Опариным, а позднее — британским ученым Джоном Холдейном. Эти коацерватные капельки, согласно гипотезе, обеспечили возникновение химических реакционных центров, однако неясно, каким образом они росли и размножались.

В новом исследовании ученые рассмотрели поведение капель в системах, которые при помощи внешнего источника энергии поддерживаются в далеком от термодинамического равновесия состоянии. В этих системах капли растут за счет добавления капельного материала, вырабатываемого в ходе химических реакций. Оказалось, что рост капли, происходящий из-за химических процессов, приводит к нестабильности ее формы и вызывает деление на две меньшие капельки.

Это означает, что химически активные капли демонстрируют циклы роста и деления, которые напоминают пролиферацию — разрастание ткани организма путем размножения клеток делением. Разделение активных капель, как полагают авторы, служит моделью для пребиотических протоклеток, в которых химические реакции в капельке играют роль пребиотического метаболизма.

Жидкие капли представляют собой самоорганизующиеся структуры, которые сосуществуют с окружающей жидкостью. Поверхность, разделяющая две сосуществующие фазы, придает каплям определенную форму (сферическую из-за поверхностного натяжения). Кроме того, многие вещества могут диффундировать через поверхность коацерватной капли. Сегрегация среды в капельки концентрирует материал в ограниченном объеме и способствует протеканию специфических химических реакций.

Ученые понимают термодинамику зарождения капли, однако им до сих пор неясно, как она может расти и размножаться, то есть обладать ключевыми особенностями, присущими живому организму. Обычно считают, что капельки растут за счет поглощения материала из перенасыщенной среды или переконденсации (созревания Оствальда) — переносе растворенного вещества от мелких частиц к крупным с помощью растворения. В последнем случае мелкие капли исчезают, остаются лишь крупные; также допускается, что мелкие капли могут непосредственно объединяться в более крупные. Описанные процессы приводят к росту размеров капель и уменьшению их числа с течением времени, тогда как протоклетка должна, достигнув характерного размера, разделиться на две. Так как же коацерватным каплям это удается?

Авторы полагают, что капельки, которые химическим топливом поддерживаются вдали от термодинамического равновесия, могут иметь необычные свойства — в частности, при наличии химических реакций созревание Оствальда может быть подавлено, в результате чего несколько капель могут стабильно сосуществовать с характерным размером, заданным скоростью реакции. В этом случае сферические капельки, подверженные химическим реакциям, спонтанно расщепляются на две более мелкие дочерние капли одинакового размера. Таким образом, полагают ученые, химически активные капли растут, а затем делятся и, следовательно, размножаются, используя в качестве топлива поступающий материал. Это означает, что в присутствии химических реакций, приводимых в действие из внешнего источника, капельки ведут себя подобно клеткам. Такие активные капли могут представлять собой модели для выращивания и деления протоклеток с примитивным метаболизмом, представляющем собой простые химические реакции, поддерживающиеся внешним топливом.

Капельки служат небольшими резервуарами для пространственной организации специфических химических реакций. Появление капель требует разделения фаз на две сосуществующие жидкие фазы различного состава. Разделение фаз обусловлено молекулярным взаимодействием, в котором молекулы, имеющие сродство друг к другу, понижают свою энергию, если они находятся близко друг к другу. Жидкость может расслоиться, если уменьшение энергии, связанное с молекулярными взаимодействиями, преодолевает эффекты увеличения энтропии путем смешивания. Если эти взаимодействия сильны, формируется поверхность, отделяющая сосуществующие фазы. Капли могут стать химически активными, если материал поверхности образуется и разрушается химическими реакциями.

Рассмотрим, например, модель простой капли (рисунок а). В ней присутствует минимальное число необходимых условий для формирования и размножения коацерватной капли: две фазы, поверхность раздела фаз и внешний источник энергии, удерживающий систему от состояния термодинамического равновесия. Капля образована материалом D капельки, который генерируется внутри капли из высокоэнергетического предшественника N, который играет роль питательного вещества. Капельный материал может разлагаться на более низкую энергетическую составляющую W (отходы), которые покидают капельку в результате диффузии. Капля может выжить, если N непрерывно подается, а W — постоянно удаляется. Это может быть достигнуто путем рециркуляции N с использованием внешнего источника энергии, например, некоторого топлива или солнечного света.

Физика таких активных капель, согласно авторам, не сложна. Проще всего ее понять на примере простой модели с двумя компонентами A и B (рисунок b). Фаза материала капли B отделяется от растворителя. Он может спонтанно преобразоваться химической реакцией B → A в молекулы типа A, которые растворимы в фоновой жидкости и оставляют капельку. Обратная реакция A → B не протекает спонтанно, потому что B имеет более высокую энергию, чем A. Новый материал капель B может быть получен второй реакцией A + C → B + C`, которая связана с топливом C. Здесь C` представляет собой низкоэнергетический продукт реакции молекул топлива. Разница химических потенциалов µ(C) − µ(C`)>0, обеспечиваемая топливом, позволяет достичь высокоэнергетического состояния B из менее энергетического A. Разность µ(C) − µ(C`) может поддерживаться постоянной, если концентрации C и C` задаются внешним резервуаром. В этом случае система удерживается вдали от состояния термодинамического равновесия.

Комбинация разделения фаз и неравновесных химических реакций изучена учеными и в непрерывной модели. Используя эту модель, авторы обнаружили, что сферические капли, которые являются химически активными, могут испытывать нестабильность формы и разделиться на две более мелкие капли (рисунок с). Капля сначала растет до тех пор, пока она не достигнет своего стационарного размера. Затем капля начинает удлиняться и образует гантелеобразную форму. Эта гантель разделяется на две меньшие капли одинакового размера. В результате меньшие капельки снова начинают расти до тех пор, пока не произойдет новое деление.

Ученые отмечают, что смоделированные ими явления возможно наблюдать непосредственно на эксперименте (размеры капель имеют порядки микрометра). Авторы отмечают, что нестабильность капель, обусловленная внешним притоком энергии и приводящая к делению капли, может быть сравнена с неустойчивостью Муллинса-Секерки, часто обсуждаемой в контексте роста кристаллов. В отличие от последней, нестабильность формы (фактически — деление) смоделированных капель может возникнуть и в случае неподвижной нерастущей капли.

Какие типы молекул могли образовывать такие капли? Современные клетки обладают рядом химических структур, которые не отделены мембраной от клеточной цитоплазмы, а образуются путем разделения фаз от цитоплазмы. Многие из них являются жидкими и состоят из молекул РНК и РНК-связывающих белков. Гипотеза мира РНК предполагает, что на ранних этапах жизни РНК одновременно была носителем генетической информации и выступала в качестве фермента (рибозимы). Объединение РНК с простыми пептидами, возможно, было достаточным для организации коацерватных каплей.

Авторы отмечают, что трансформация химически активных капель в первые делящиеся клетки с мембранами представляют собой большую проблему для понимания ранней эволюции. В отличие от внутренней и внешней среды капли, поверхность раздела этих сред амфифильна. Липиды, не имеющие сродства к внешней и внутренней среде капли, при их наличии во внешней среде коацерватов могли бы накопиться как раз на такой амфифильной поверхности. Специалисты полагают, что коацерваты могли получить мембраны задолго до того, как первые протоклетки научились делиться.

Андрей Борисов