Um grupo de cientistas americanos e alemães descreveu o mecanismo pelo qual as protocélulas, que foram as predecessoras dos primeiros organismos vivos em nosso planeta, adquiriram a capacidade de crescer e se dividir.
Desde os tempos antigos, as pessoas se interessam pela questão da origem da vida. Ao longo da história, várias hipóteses surgiram, das quais apenas a teoria da sopa primordial tem provavelmente valor científico. Todos os outros se revelaram insustentáveis. O criacionismo, ou a teoria da criação divina, que remonta ao final do período Neolítico, é considerado não científico; a hipótese da existência eterna de vida contradiz completamente os dados paleontológicos e astronômicos; a hipótese de trazer vida de fora para o nosso planeta (conceito de panspermia), em princípio, não resolve o problema e, ao contrário, suscita a questão de como a vida poderia surgir em outro mundo.
Pela primeira vez, a versão de que pequenas gotículas nos estágios iniciais da origem da vida poderiam ser formadas devido à separação de moléculas em misturas complexas devido à separação de fases em um coacervado (o chamado caldo primário) foi expressa pelo biólogo soviético Alexander Oparin, um pouco depois - pelo cientista britânico John Haldane. Segundo a hipótese, essas gotículas proporcionaram a formação de centros químicos reativos, mas, ao mesmo tempo, não está claro como elas cresceram e se multiplicaram.
Como parte do novo estudo, os cientistas observaram o comportamento de gotículas em sistemas mantidos por uma fonte externa de energia em um estado distante do equilíbrio termodinâmico. Em tais sistemas, o crescimento das gotículas é realizado pela adição de material de gotículas que é produzido durante as reações químicas. Verificou-se que o crescimento de uma gota, que ocorre como resultado de processos químicos, acarreta uma instabilidade do formato da gota e provoca sua divisão em duas gotas menores.
Assim, as gotículas quimicamente ativas apresentaram ciclos de crescimento e divisão semelhantes à proliferação de tecido em um organismo vivo devido à multiplicação celular por divisão (proliferação). Os pesquisadores levantam a hipótese de que a divisão das gotículas ativas pode servir como um modelo para protocélulas prebióticas, nas quais as reações químicas na gotícula promovem o metabolismo prebiótico.
As gotículas líquidas são estruturas auto-organizadas que podem coexistir com o líquido circundante. A superfície que divide duas fases adjacentes dá às gotas uma certa forma, devido à tensão superficial - esférica. Além disso, algumas substâncias têm a capacidade de penetrar na superfície das gotículas de coacervato. Dividir o meio em gotículas acumula um volume limitado de material e leva a certas reações químicas.
Os cientistas estabeleceram a termodinâmica do nascimento de uma gota, mas ao mesmo tempo ainda não entendem como ela cresce e se multiplica, ou seja, tem as principais características inerentes a um organismo vivo. É geralmente aceito que o crescimento de gotículas ocorre devido à absorção de um material de um meio supersaturado ou ao processo de recondensação - a transferência de um soluto de partículas pequenas para grandes por meio de dissolução (este processo é chamado de maturação de Ostwald). Neste caso, pequenas gotas desaparecem, apenas as grandes permanecem. Além disso, os cientistas admitem que pequenas gotas podem se combinar e formar gotas grandes. Com o tempo, todos esses processos levam ao aumento do tamanho das gotas e à diminuição do seu número, embora a protocélula, ao atingir determinado tamanho, deva se dividir em duas.
Os pesquisadores levantam a hipótese de que as gotículas de coacervato que são mantidas longe do equilíbrio termodinâmico com um combustível químico podem ter características incomuns, por exemplo, o amadurecimento de Ostwald na presença de reações químicas pode ser suprimido, pelo que várias gotículas podem existir de forma estável com um certo tamanho, que é dado pela velocidade reações. Nesse caso, gotículas esféricas, sujeitas a reações químicas, são divididas aleatoriamente em duas gotículas menores do mesmo tamanho. Os cientistas sugerem que, dessa forma, as gotículas quimicamente ativas podem crescer e se dividir e, portanto, se multiplicar, usando o material que entra como combustível. Portanto, na presença de reações químicas desencadeadas por fontes externas, as gotículas se comportam como células. Essas gotículas ativas podem ser modelos para o crescimento e divisão de protocélulas com metabolismo primitivo, que é uma reação química simples suportada por combustível externo.
Vídeo promocional:
Essas gotículas são uma espécie de reservatório para a organização espacial de certas reações químicas. Para o aparecimento de gotas, é necessário separar as fases em duas fases líquidas de composição diferente, que coexistem. As fases são divididas devido à ação molecular, na qual moléculas semelhantes baixam sua própria energia, estando próximas umas das outras. Um líquido é capaz de estratificação se a diminuição da energia associada à ação molecular devido à mistura superar o efeito do caos crescente. Se tais interações forem fortes o suficiente, uma superfície é formada que separa as fases coexistentes. Se o material da superfície for formado e destruído por reações químicas, as gotículas podem se tornar reativas.
Assim, por exemplo, se considerarmos o modelo de uma gota simples, podemos ver que ele possui um número mínimo de condições necessárias para a formação e multiplicação de uma gota de coacervato: uma interface de fase, duas fases, bem como uma fonte de energia externa que mantém o sistema longe do estado de equilíbrio termodinâmico … A formação de gotículas é devida ao material da gota D gerado dentro da gota a partir de um material de alta energia N, que atua como um nutriente. O material da gota é capaz de se decompor em componentes W (resíduos) de menor energia, que, como resultado da difusão, deixam a gota. Uma queda pode sobreviver quando há um fornecimento contínuo de N e uma remoção constante de W. Isso pode ser conseguido através da recirculação de N usando uma fonte de energia externa, em particular,luz solar ou certos combustíveis.
Os autores do estudo acreditam que a física das gotículas ativas é bastante simples. É mais fácil de entender pelo exemplo de um modelo com dois componentes A e B. Quando a fase do material da gota B se separa do solvente, ela pode ser transformada aleatoriamente devido à reação química BA em moléculas do tipo A, que são solúveis no líquido de fundo. Uma gota permanece. A reação reversa A-B não é mais espontânea, uma vez que B possui uma energia maior que A. Novo material de gotícula B pode ser obtido pela reação A + C-B + C associada ao combustível. Nesse caso, C é um produto de reação de baixa energia de moléculas de combustível. O combustível fornece uma diferença de potencial químico, que permite atingir o estado B com alta energia a partir de um estado de menor energia A. A diferença de potencial pode ser constante sese as concentrações de C neles são fornecidas por um reservatório externo. Nesse caso, o sistema é mantido longe do estado de equilíbrio termodinâmico.
Os cientistas estudaram a combinação de separação de fases e reações químicas desequilibradas também em um modelo contínuo. Os pesquisadores descobriram que as gotículas esféricas quimicamente ativas podem ser instáveis e se dividir em duas gotículas menores. Inicialmente, a gota cresce até atingir um tamanho estacionário. Depois disso, ele se alonga, formando um haltere. Este haltere é então dividido em duas gotas menores do mesmo tamanho. No final das contas, as gotas menores começam a crescer novamente até uma nova divisão.
Como os cientistas notaram, os fenômenos que modelaram podem ser observados diretamente no experimento. Segundo os pesquisadores, a instabilidade das gotículas, desencadeada por um influxo externo de energia e que leva à fissão das gotículas, pode ser comparada à instabilidade de Mullins-Sekerki, frequentemente discutida no contexto do crescimento de cristais. No entanto, ao contrário disso, a instabilidade do formato da gota também pode ocorrer na presença de uma gota imóvel não crescendo.
As células modernas possuem algumas estruturas químicas que não são separadas do citoplasma celular por uma membrana. Eles são formados por separação de fases do citoplasma. A maioria deles é líquida e consiste em proteínas de ligação a RNA e moléculas de RNA. De acordo com a hipótese do mundo do RNA, nos primeiros períodos da vida, o RNA era ao mesmo tempo portador de informação genética e desempenhava o papel de ribozima. É provável que a combinação de RNA com peptídeos simples fosse suficiente para formar gotículas de coacervato.
Como observam os autores do estudo, a transformação de gotículas quimicamente ativas em uma célula que está se dividindo pela primeira vez é um grande problema para a compreensão do processo evolutivo inicial. Ao contrário da mídia de gota externa e interna, a interface entre essas mídias é anfifílica. Aqueles lipídios que não possuem afinidade com o ambiente interno e externo da gota podem se acumular na superfície anfifílica, desde que estejam presentes no ambiente externo das gotas de coacervato. De acordo com especialistas, as membranas em coacervados podem aparecer muito antes de ocorrer a primeira divisão das protocélulas.
