Eine Gruppe amerikanischer und deutscher Wissenschaftler beschrieb den Mechanismus, durch den die Protozellen, die die Vorgänger der ersten lebenden Organismen auf unserem Planeten waren, die Fähigkeit erlangten, zu wachsen und sich zu teilen.
Seit jeher interessieren sich die Menschen für die Frage nach dem Ursprung des Lebens. Im Laufe der Geschichte sind mehrere Hypothesen aufgetaucht, von denen wahrscheinlich nur die Theorie der Ursuppe von wissenschaftlichem Wert ist. Alle anderen erwiesen sich als unhaltbar. Der Kreationismus oder die Theorie der göttlichen Schöpfung, die bis in die späte Jungsteinzeit zurückreicht, wird als unwissenschaftlich angesehen. Die Hypothese der ewigen Existenz des Lebens widerspricht völlig den paläontologischen und astronomischen Daten. Die Hypothese, Leben von außen auf unseren Planeten zu bringen (das Konzept der Panspermie), löst das Problem im Prinzip nicht und wirft im Gegenteil die Frage auf, wie Leben in einer anderen Welt entstehen könnte.
Die Version, dass kleine Tröpfchen in den frühen Stadien des Ursprungs des Lebens aufgrund der Trennung von Molekülen in komplexen Gemischen aufgrund der Phasenteilung in einem Koazervat (der sogenannten Primärbrühe) gebildet werden könnten, wurde vom sowjetischen Biologen Alexander Oparin wenig später vom britischen Wissenschaftler John Haldane zum Ausdruck gebracht. Nach der Hypothese bildeten diese Tröpfchen die Bildung reaktiver chemischer Zentren, gleichzeitig bleibt jedoch unklar, wie sie wuchsen und sich vermehrten.
Im Rahmen der neuen Studie haben Wissenschaftler das Verhalten von Tröpfchen in Systemen beobachtet, die von einer externen Energiequelle in einem Zustand gehalten werden, der weit vom thermodynamischen Gleichgewicht entfernt ist. In solchen Systemen wird das Tröpfchenwachstum durch Zugabe von Tröpfchenmaterial durchgeführt, das während chemischer Reaktionen erzeugt wird. Es wurde gefunden, dass das Wachstum eines Tropfens, das als Ergebnis chemischer Prozesse auftritt, eine Instabilität der Tropfenform mit sich bringt und seine Teilung in zwei kleinere Tröpfchen hervorruft.
Somit zeigten die chemisch aktiven Tropfen Wachstums- und Teilungszyklen, die der Proliferation von Gewebe in einem lebenden Organismus aufgrund der Zellvermehrung durch Teilung (Proliferation) ähnelten. Die Forscher nehmen an, dass die Teilung aktiver Tröpfchen als Modell für präbiotische Protozellen dienen kann, bei denen chemische Reaktionen im Tröpfchen den präbiotischen Metabolismus fördern.
Flüssigkeitströpfchen sind selbstorganisierende Strukturen, die mit der umgebenden Flüssigkeit koexistieren können. Die Oberfläche, die zwei benachbarte Phasen teilt, verleiht den Tröpfchen aufgrund der Oberflächenspannung eine bestimmte Form - sphärisch. Darüber hinaus können einige Substanzen die Oberfläche von Koazervattröpfchen durchdringen. Das Teilen des Mediums in Tröpfchen akkumuliert ein begrenztes Materialvolumen und führt zu bestimmten chemischen Reaktionen.
Wissenschaftler haben die Thermodynamik der Geburt eines Tropfens festgestellt, aber gleichzeitig verstehen sie immer noch nicht, wie er wächst und sich vermehrt, dh er hat die Hauptmerkmale, die einem lebenden Organismus innewohnen. Es ist allgemein anerkannt, dass das Wachstum von Tröpfchen aufgrund der Absorption eines Materials aus einem übersättigten Medium oder des Rekondensationsprozesses erfolgt - der Übertragung eines gelösten Stoffes von kleinen auf große Partikel durch Auflösung (dieser Prozess wird als Ostwald-Reifung bezeichnet). In diesem Fall verschwinden kleine Tröpfchen, nur große bleiben übrig. Darüber hinaus geben Wissenschaftler zu, dass kleine Tröpfchen große kombinieren und bilden können. Im Laufe der Zeit führen all diese Prozesse zu einer Zunahme der Tröpfchengröße und einer Abnahme ihrer Anzahl, obwohl sich die Protozelle bei Erreichen einer bestimmten Größe in zwei Teile teilen muss.
Die Forscher nehmen an, dass Koazervattröpfchen, die weit vom thermodynamischen Gleichgewicht mit einem chemischen Brennstoff entfernt gehalten werden, ungewöhnliche Merkmale aufweisen können, beispielsweise kann die Ostwald-Reifung in Gegenwart chemischer Reaktionen unterdrückt werden, wobei mehrere Tröpfchen mit einer bestimmten Größe stabil existieren können, die durch die Geschwindigkeit gegeben ist Reaktionen. In diesem Fall werden kugelförmige Tröpfchen, die chemischen Reaktionen unterliegen, zufällig in zwei kleinere Tröpfchen gleicher Größe aufgeteilt. Wissenschaftler schlagen vor, dass auf diese Weise chemisch aktive Tröpfchen wachsen und sich teilen und sich daher vermehren können, wobei das ankommende Material als Brennstoff verwendet wird. Daher verhalten sich die Tröpfchen bei chemischen Reaktionen, die von externen Quellen ausgelöst werden, wie Zellen. Solche aktiven Tröpfchen können Modelle für das Wachstum und die Teilung von Protozellen mit primitivem Metabolismus sein, bei dem es sich um eine einfache chemische Reaktion handelt, die von externem Kraftstoff unterstützt wird.
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Diese Tröpfchen sind eine Art Reservoir für die räumliche Organisation bestimmter chemischer Reaktionen. Für das Auftreten von Tropfen ist es notwendig, die Phasen in zwei flüssige Phasen unterschiedlicher Zusammensetzung zu trennen, die nebeneinander existieren. Die Phasen sind aufgrund der molekularen Wirkung unterteilt, bei der ähnliche Moleküle ihre eigene Energie senken und sich in unmittelbarer Nähe zueinander befinden. Eine Flüssigkeit kann sich schichten, wenn die Abnahme der Energie, die mit der molekularen Wirkung aufgrund des Mischens verbunden ist, den Effekt des zunehmenden Chaos überwindet. Wenn solche Wechselwirkungen stark genug sind, wird eine Oberfläche gebildet, die die koexistierenden Phasen trennt. Wenn das Oberflächenmaterial durch chemische Reaktionen gebildet und zerstört wird, können die Tröpfchen reaktiv werden.
Wenn wir zum Beispiel das Modell eines einfachen Tropfens betrachten, können wir sehen, dass es eine minimale Anzahl notwendiger Bedingungen für die Bildung und Multiplikation eines Koazervat-Tropfens hat: eine Phasengrenzfläche, zwei Phasen sowie eine externe Energiequelle, die das System vom Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts fernhält … Die Tröpfchenbildung ist auf das D-Tröpfchenmaterial zurückzuführen, das im Inneren des Tröpfchens aus einem hochenergetischen Material N erzeugt wird, das als Nährstoff fungiert. Das Tröpfchenmaterial kann sich in niederenergetische Komponenten W (Abfall) zersetzen, die infolge der Diffusion das Tröpfchen verlassen. Ein Tropfen kann überleben, wenn eine kontinuierliche Zufuhr von N und eine konstante Entfernung von W vorliegt. Dies kann insbesondere durch die Rückführung von N unter Verwendung einer externen Energiequelle erreicht werden. Sonnenlicht oder bestimmte Brennstoffe.
Die Autoren der Studie glauben, dass die Physik aktiver Tröpfchen recht einfach ist. Am einfachsten ist dies am Beispiel eines Modells mit zwei Komponenten A und B zu verstehen. Wenn sich die Phase des Materials des Tröpfchens B vom Lösungsmittel trennt, kann es aufgrund der chemischen Reaktion BA zufällig in Typ A-Moleküle umgewandelt werden, die in der Hintergrundflüssigkeit löslich sind. Ein Tropfen bleibt. Die Rückreaktion A-B ist nicht mehr spontan, da B eine höhere Energie als A hat. Durch die mit Kraftstoff verbundene Reaktion A + C-B + C kann neues Tröpfchenmaterial B erhalten werden. In diesem Fall ist C ein energiearmes Reaktionsprodukt von Kraftstoffmolekülen. Der Kraftstoff liefert eine chemische Potentialdifferenz, die es ermöglicht, den Zustand B mit hoher Energie aus einem Zustand mit niedrigerer Energie A zu erreichen. Die Potentialdifferenz kann konstant sein, wennwenn die Konzentrationen von C in ihnen durch ein externes Reservoir gegeben sind. In diesem Fall wird das System vom thermodynamischen Gleichgewichtszustand ferngehalten.
Wissenschaftler haben die Kombination von Phasentrennung und unausgeglichenen chemischen Reaktionen auch in einem kontinuierlichen Modell untersucht. Forscher haben herausgefunden, dass chemisch aktive kugelförmige Tröpfchen instabil sein und sich in zwei kleinere Tröpfchen teilen können. Anfangs wächst der Tropfen, bis er eine stationäre Größe erreicht. Danach verlängert es sich und bildet eine Hantelform. Diese Hantel wird dann in zwei kleinere Tröpfchen gleicher Größe geteilt. Letztendlich beginnen die kleineren Tröpfchen bis zu einer neuen Teilung wieder zu wachsen.
Wie die Wissenschaftler feststellen, können die von ihnen modellierten Phänomene direkt im Experiment beobachtet werden. Den Forschern zufolge kann die Instabilität von Tröpfchen, die durch einen externen Energiezufluss ausgelöst wird und zur Tröpfchenspaltung führt, mit der Mullins-Sekerki-Instabilität verglichen werden, die häufig im Zusammenhang mit dem Kristallwachstum diskutiert wird. Im Gegensatz dazu kann eine Instabilität der Tröpfchenform jedoch auch in Gegenwart eines bewegungslosen, nicht wachsenden Tröpfchens auftreten.
Moderne Zellen haben einige chemische Strukturen, die nicht durch eine Membran vom zellulären Zytoplasma getrennt sind. Sie werden durch Phasentrennung vom Zytoplasma gebildet. Die meisten von ihnen sind flüssig und bestehen aus RNA-bindenden Proteinen und RNA-Molekülen. Nach der Hypothese der RNA-Welt war RNA in den frühen Lebensphasen sowohl Träger genetischer Information als auch die Rolle eines Ribozyms. Es ist wahrscheinlich, dass die Kombination von RNA mit einfachen Peptiden ausreichend war, um koazervierte Tröpfchen zu bilden.
Wie die Autoren der Studie bemerken, ist die Transformation chemisch aktiver Tröpfchen in einer Zelle, die sich zum ersten Mal teilt, ein großes Problem für das Verständnis des frühen Evolutionsprozesses. Im Gegensatz zu den externen und internen Tröpfchenmedien ist die Schnittstelle zwischen diesen Medien amphiphil. Diejenigen Lipide, die keine Affinität zur inneren und äußeren Umgebung des Tröpfchens haben, könnten sich auf der amphiphilen Oberfläche ansammeln, vorausgesetzt, sie sind in der äußeren Umgebung von Koazervattröpfchen vorhanden. Experten zufolge könnten Membranen in Koazervaten viel früher auftreten als die erste Teilung von Protozellen.
