Войти
A протоклетка (или протобионт ), представляет собой самоорганизованный, эндогенно упорядоченный сферический набор липидов, предложенный в качестве ступеньки к происхождению жизни. Центральный вопрос в эволюции заключается в том, как впервые возникли простые протоклетки и как они могут отличаться по репродуктивному продукту, что позволяет с течением времени накапливать новые биологические явления, то есть биологическая эволюция. Хотя функциональная протоклетка еще не была достигнута в лабораторных условиях, цель понимания процесса кажется вполне достижимой.
Компартментализация была важна в истоки жизни. Мембраны образуют замкнутые отсеки, которые отделены от внешней среды, обеспечивая клетку функционально специализированными водными пространствами. Поскольку липидный бислой мембран непроницаем для большинства гидрофильных молекул (растворенных водой), клетки имеют мембранные транспортные системы, которые обеспечивают импорт питательных молекул, а также вывоз отходов. Построить протоклетки из молекулярных ансамблей очень сложно. Важным шагом в решении этой проблемы является достижение динамики везикул, которая имеет отношение к клеточным функциям, таким как мембранный перенос и самовоспроизведение, с использованием амфифильных молекул. На примитивной Земле в результате многочисленных химических реакций органических соединений образовывались ингредиенты жизни. Из этих веществ амфифильные молекулы могут быть первыми участниками эволюции от молекулярной сборки к клеточной жизни. Шаг от везикулы к протоклетке может заключаться в развитии самовоспроизводящихся везикул, связанных с метаболической системой.
Три основные структуры фосфолипидов образуются в растворе; липосома (закрытый бислой), мицелла и бислой. Самособирающиеся везикулы являются важными компонентами примитивных клеток. Второй закон термодинамики требует, чтобы Вселенная двигалась в направлении, в котором беспорядок (или энтропия ) увеличивается, но при этом жизнь отличается высокой степенью организации. Следовательно, необходима граница, чтобы отделить жизненные процессы от неживой материи. клеточная мембрана - единственная клеточная структура, которая обнаружена во всех клетках всех организмов на Земле.
Исследователи Ирен А. Чен и Джек В. Шостак (Нобелевская премия по физиологии и медицине 2009 г.) среди прочего продемонстрировали, что простые физико-химические свойства элементарных протоклеток могут дать начало более простым концептуальным аналогам существенного клеточного поведения, включая примитивные формы дарвиновской конкуренции и накопления энергии. Такие совместные взаимодействия между мембраной и инкапсулированным содержимым могут значительно упростить переход от реплицирующихся молекул к истинным клеткам. Конкуренция за мембранные молекулы будет благоприятствовать стабилизированным мембранам, что предполагает селективное преимущество для эволюции сшитых жирных кислот и даже фосфолипидов сегодня. Эта микрокапсуляция обеспечивает метаболизм внутри мембраны, обмен небольшими молекулами и предотвращение прохождения через нее крупных веществ. Основные преимущества инкапсуляции включают повышенную растворимость груза и создание энергии в форме химического градиента. Таким образом, часто говорят, что энергия хранится клетками в структурах молекул таких веществ, как углеводы (включая сахара), липиды и белки., которые выделяют энергию при химическом соединении с кислородом во время клеточного дыхания.
Исследование, проведенное в марте 2014 года Лабораторией реактивного движения НАСА, продемонстрировало уникальный способ изучения истоки жизни: топливные элементы. Топливные элементы похожи на биологические в том, что электроны также передаются к молекулам и от них. В обоих случаях это приводит к электричеству и мощности. В исследовании говорится, что одним из важных факторов было то, что Земля вырабатывает электроэнергию на морском дне. «Эта энергия могла дать толчок жизни и поддерживать жизнь после того, как она возникла. Теперь у нас есть способ тестирования различных материалов и окружающей среды, которые могли бы помочь появлению жизни не только на Земле, но, возможно, и на Марсе, Европа и другие места в Солнечной системе."
Схема мицеллы, спонтанно образованной фосфолипидами в водном растворе Когда фосфолипиды помещаются в воду, молекулы самопроизвольно располагаются так, что хвосты экранируются от воды, что приводит к образованию мембранных структур, таких как бислоев, везикул и мицелл. В современных клетках везикулы участвуют в метаболизме, транспорте, контроле плавучести и хранении ферментов. Они также могут действовать как естественные камеры химической реакции. Типичная везикула или мицелла в водном растворе образует агрегат с гидрофильной областью «головы». нс в контакте с окружающим растворителем, изолируя гидрофобные однохвостовые области в центре мицеллы. Эта фаза вызвана упаковкой одинарных хвостов липидов в бислое. Хотя процесс самосборки протоклеток, которые спонтанно образуют липидные монослойные везикулы и мицеллы в природе, напоминают виды первичных пузырьков или протоклеток, которые могли существовать в начале эволюции, они не так сложны, как двухслойные мембраны современных живых организмов. 98>
Однако ранние мембраны могли образовываться не из фосфолипидов, а из монослоев или бислоев жирных кислот, которые, возможно, легче формировались в пребиотической среде. Жирные кислоты были синтезированы в лабораториях в различных пребиотических условиях и были обнаружены на метеоритах, что свидетельствует об их естественном синтезе в природе.
Везикулы олеиновой кислоты представляют собой хорошие модели мембранных протоклеток, которые могли существовать в пребиотические времена.
Электростатические взаимодействия, вызванные короткими, положительно заряженными, гидрофобными пептидами, содержащими 7 аминокислот в длину или меньше, могут прикреплять РНК к мембране везикул, основной клеточной мембране.
Это жидкое липидное двухслойное поперечное сечение полностью состоит из фосфатидилхолина.. Ученые предположили, что жизнь зародилась в гидротермальных источниках в глубоком море, но исследование 2012 г. предполагает, что внутренние бассейны с конденсированным и охлажденным геотермальным паром обладают идеальными характеристиками для происхождения жизни. Этот вывод основан в основном на химии современных клеток, цитоплазма которых богата ионами калия, цинка, марганца и фосфата, которые не так широко распространены в морской среде. Исследователи утверждают, что такие условия встречаются только там, где горячая гидротермальная жидкость выносит ионы на поверхность - в таких местах, как гейзеры, грязевые котлы, фумаролы и другие геотермальные особенности. В этих дымящихся и пузырящихся бассейнах вода, насыщенная ионами цинка и марганца, могла собираться, охлаждаться и конденсироваться в неглубоких бассейнах.
Другое исследование 1990-х годов показало, что монтмориллонит глина может способствовать созданию РНК. цепи из 50 нуклеотидов спонтанно соединяются в единую молекулу РНК. Позже, в 2002 году, было обнаружено, что при добавлении монтмориллонита к раствору жирных кислот мицелл (липидных сфер) глина ускоряла скорость образования везикул в 100 раз. 98>
Исследования показали, что некоторые минералы могут катализировать ступенчатое образование углеводородных хвостов жирных кислот из водорода и монооксида углерода - газов, которые могли выделяться из гидротермальных источников или гейзеры. Жирные кислоты различной длины со временем высвобождаются в окружающую воду, но для образования пузырьков требуется более высокая концентрация жирных кислот, поэтому предполагается, что формирование протоклеток началось в гидротермальных источниках, связанных с сушей, таких как гейзеры, грязевые котлы, фумаролы и другие геотермальные объекты, где вода испаряется и концентрирует растворенные вещества.
Другая группа предполагает, что внутри могли образоваться примитивные клетки микрокомпартменты неорганической глины, которые могут стать идеальным контейнером для синтеза и разделения сложных органических молекул. Армированные глиной пузырьки образуются естественным образом, когда частицы монтмориллонит глины собираются на внешней поверхности пузырьков воздуха под водой. Это создает полупроницаемую везикулу из материалов, легко доступных в окружающей среде. Авторы отмечают, что монтмориллонит, как известно, служит химическим катализатором, побуждая липиды образовывать мембраны, а отдельные нуклеотиды соединяться в цепи РНК. Примитивное воспроизводство можно представить, когда пузырьки глины лопаются, высвобождая липидный мембраносвязанный продукт в окружающую среду.
Другой способ образования примитивных компартментов, которые могут привести к образованию Протоклетка представляет собой полиэфирные безмембранные структуры, которые обладают способностью принимать биохимические вещества (белки и РНК) и / или поддерживать ансамбли липидов вокруг них. Хотя эти капли проницаемы по отношению к генетическим материалам, эта проницаемость могла способствовать гипотезе о прогенотах.
Схема, показывающая две возможные конформации липидов на краю поры. На верхнем изображении липиды не перегруппировались, поэтому стенка поры гидрофобна. На нижнем изображении некоторые из липидных головок наклонены, поэтому стенка пор гидрофильна. Для клеточных организмов транспорт определенных молекул через разделительные мембранные барьеры важен для обмена содержимым с окружающей средой и с другими людьми. Например, обмен контентом между людьми обеспечивает горизонтальный перенос генов, важный фактор в эволюции клеточной жизни. В то время как современные клетки могут полагаться на сложные белковые механизмы, чтобы катализировать эти важные процессы, протоклетки, должно быть, достигли этого, используя более простые механизмы.
Протоклетки, состоящие из жирных кислот, могли бы легко обмениваться небольшими молекулами и ионами со своим окружением. Мембраны, состоящие из жирных кислот, имеют относительно высокую проницаемость для молекул, таких как нуклеозидмонофосфат (NMP), нуклеозиддифосфат (NDP) и нуклеозидтрифосфат (NTP)., и может выдерживать миллимолярные концентрации Mg. Осмотическое давление также может играть значительную роль в этом пассивном мембранном переносе.
Было высказано предположение, что воздействие окружающей среды запускает условия, при которых перенос больших молекул, например, ДНК и РНК, через мембраны протоклеток. Например, было предложено, что электропорация, возникающая в результате ударов молнии, может сделать возможным такой перенос. Электропорация - это быстрое увеличение проницаемости бислоя, вызванное приложением большого искусственного электрического поля через мембрану. Во время электропорации молекулы липидов в мембранном положении смещаются, открывая поры (отверстия), которые действуют как проводящий путь, по которому гидрофобные молекулы, такие как нуклеиновые кислоты, могут проходить через липидный бислой. Подобный перенос содержимого через протоклетки и с окружающим раствором может быть вызван замораживанием и последующим оттаиванием. Это может происходить, например, в среде, в которой дневной и ночной циклы вызывают периодические замерзания. Лабораторные эксперименты показали, что такие условия позволяют обмениваться генетической информацией между популяциями протоклеток. Это можно объяснить тем, что мембраны обладают высокой проницаемостью при температурах несколько ниже температуры их фазового перехода. Если эта точка достигается во время цикла замораживания-оттаивания, даже большие и сильно заряженные молекулы могут временно проходить через мембрану протоклетки.
Некоторые молекулы или частицы слишком велики или слишком гидрофильны для прохождения через липидный бислой даже в этих условиях, но могут перемещаться через мембрану посредством слияния или образования везикул, события, которые также наблюдались для циклов замораживания-оттаивания. Это могло в конечном итоге привести к механизмам, которые способствуют перемещению молекул внутрь протоклетки (эндоцитоз ) или высвобождению его содержимого во внеклеточное пространство (экзоцитоз ).
Начиная с техники, обычно используемой для осаждения молекул на твердую поверхность, осаждения Ленгмюра-Блоджетт, ученые могут собирать фосфолипидные мембраны произвольной сложности слой за слоем. Эти искусственные фосфолипидные мембраны поддерживают функциональная вставка очищенных и экспрессируемых in situ мембранных белков. Этот метод может помочь астробиологам понять, как возникли первые живые клетки.
Поверхностно-активное вещество молекулы, расположенные на границе раздела воздух-вода Дживану протоклетки - это синтетические химические частицы, которые обладают клеточной -подобной структурой и, по-видимому, обладают некоторыми функциональными живыми свойствами. минералы и основные органические вещества при воздействии солнечного света, по-прежнему сообщается о некоторых метаболических возможностях, наличии полупроницаемой мембраны, аминокислот, фосфолипидов, углеводы и РНК-подобные молекулы. Однако природа и свойства Jeewanu еще предстоит выяснить.
В аналогичном эксперименте по синтезу была заморожена смесь воды, метанола, аммиака и окиси углерода. подвергается воздействию ультрафиолетового (УФ) излучения. Эта комбинация давала большое количество органического материала, который самоорганизовывался с образованием глобул или пузырьков при погружении в воду. Ученый-исследователь считал, что эти глобулы напоминают клеточные мембраны, которые заключают и концентрируют химию жизни, отделяя их внутреннюю часть от внешнего мира. Глобулы имели размер от 10 до 40 микрометров (от 0,00039 до 0,00157 дюйма), или примерно равны размеру эритроцитов. Примечательно, что глобулы флуоресцируют или светятся при воздействии УФ-света. Поглощение ультрафиолетового излучения и преобразование его в видимый свет таким образом считалось одним из возможных способов обеспечения энергией примитивной клетки. Если бы такие глобулы играли роль в возникновении жизни, флуоресценция могла быть предшественником примитивного фотосинтеза. Такая флуоресценция также дает преимущество, действуя как солнцезащитный крем, рассеивая любые повреждения, которые в противном случае были бы нанесены УФ-излучением. Такая защитная функция была бы жизненно важной для жизни на ранней Земле, поскольку озоновый слой, который блокирует самые разрушительные ультрафиолетовые лучи Солнца, не формировался до тех пор, пока фотосинтезирующая жизнь не начала производить кислород..
Сообщалось о синтезе трех видов «дживану»; два из них были органическими, а другой - неорганическими. Также были произведены другие подобные неорганические структуры. Ученый-исследователь (В. О. Калиненко) называл их «биоподобными структурами» и «искусственными клетками». Образующиеся в дистиллированной воде (а также на агаровом геле) под действием электрического поля, они лишены белка, аминокислот, пуриновых или пиримидиновых оснований и некоторых ферментативных активностей. По мнению исследователей НАСА, «известные в настоящее время научные принципы биологии и биохимии не могут объяснить наличие живых неорганических единиц» и «постулируемое существование этих живых единиц не было доказано».
Исследование Protocell вызвало споры и противоположные мнения, в том числе критику расплывчатого определения «искусственной жизни». Создание базовой единицы жизни является наиболее насущной этической проблемой, хотя наиболее распространенным беспокойством по поводу протоклеток является их потенциальная угроза здоровью человека и окружающей среде из-за неконтролируемой репликации.
