Un groupe de scientifiques américains et allemands a décrit le mécanisme par lequel les protocellules, qui étaient les prédécesseurs des premiers organismes vivants de notre planète, ont acquis la capacité de croître et de se diviser.
Depuis l'Antiquité, les gens s'intéressent à la question de l'origine de la vie. Au cours de l'histoire, plusieurs hypothèses ont émergé, dont seule la théorie de la soupe primordiale a probablement une valeur scientifique. Tous les autres se sont avérés intenables. Le créationnisme, ou la théorie de la création divine, qui remonte à la fin de la période néolithique, est considéré comme non scientifique; l'hypothèse de l'existence éternelle de la vie contredit complètement les données paléontologiques et astronomiques; l'hypothèse d'apporter la vie à notre planète de l'extérieur (le concept de panspermie), en principe, ne résout pas le problème et, au contraire, provoque la question de savoir comment la vie pourrait surgir dans un autre monde.
Pour la première fois, la version selon laquelle de petites gouttelettes aux premiers stades de l'origine de la vie pourraient être formées en raison de la séparation de molécules dans des mélanges complexes en raison de la séparation de phase dans un coacervat (le soi-disant bouillon primaire) a été exprimée par le biologiste soviétique Alexander Oparin, un peu plus tard - par le scientifique britannique John Haldane. Selon l'hypothèse, ces gouttelettes ont fourni la formation de centres chimiques réactifs, mais en même temps, on ne sait pas comment elles ont grandi et se sont multipliées.
Dans le cadre de la nouvelle étude, les scientifiques ont observé le comportement des gouttelettes dans des systèmes maintenus par une source d'énergie externe dans un état éloigné de l'équilibre thermodynamique. Dans de tels systèmes, la croissance des gouttelettes est réalisée en ajoutant un matériau de gouttelettes qui est produit pendant les réactions chimiques. Il a été constaté que la croissance d'une goutte, qui se produit à la suite de processus chimiques, entraîne une instabilité de la forme de la goutte et provoque sa division en deux gouttelettes plus petites.
Ainsi, les gouttelettes chimiquement actives ont montré des cycles de croissance et de division ressemblant à la prolifération de tissu dans un organisme vivant en raison de la multiplication cellulaire par division (prolifération). Les chercheurs émettent l'hypothèse que la division des gouttelettes actives pourrait servir de modèle pour les protocellules prébiotiques, dans lesquelles les réactions chimiques dans la gouttelette favorisent le métabolisme prébiotique.
Les gouttelettes de liquide sont des structures auto-organisées qui peuvent coexister avec le liquide environnant. La surface qui divise deux phases adjacentes donne aux gouttelettes une certaine forme, due à la tension superficielle - sphérique. De plus, certaines substances ont la capacité de pénétrer la surface des gouttelettes de coacervat. La division du milieu en gouttelettes accumule un volume limité de matière et conduit à certaines réactions chimiques.
Les scientifiques ont établi la thermodynamique de la naissance d'une goutte, mais en même temps, ils ne comprennent toujours pas comment elle se développe et se multiplie, c'est-à-dire qu'elle présente les principales caractéristiques inhérentes à un organisme vivant. Il est généralement admis que la croissance des gouttelettes se produit en raison de l'absorption d'un matériau à partir d'un milieu sursaturé ou du processus de recondensation - le transfert d'un soluté de petites particules vers de grandes par dissolution (ce processus est appelé maturation d'Ostwald). Dans ce cas, les petites gouttelettes disparaissent, seules les grosses restent. De plus, les scientifiques admettent que de petites gouttelettes peuvent se combiner et en former de grandes. Au fil du temps, tous ces processus conduisent à une augmentation de la taille des gouttelettes et à une diminution de leur nombre, bien que la protocellule, lorsqu'elle atteint une certaine taille, doit se diviser en deux.
Les chercheurs émettent l'hypothèse que les gouttelettes de coacervat qui sont maintenues loin de l'équilibre thermodynamique avec un carburant chimique peuvent avoir des caractéristiques inhabituelles, par exemple, la maturation d'Ostwald en présence de réactions chimiques peut être supprimée, de sorte que plusieurs gouttelettes peuvent exister de manière stable avec une certaine taille, qui est donnée par la vitesse réactions. Dans ce cas, les gouttelettes sphériques, soumises à des réactions chimiques, sont divisées au hasard en deux gouttelettes plus petites de même taille. Les scientifiques suggèrent que de cette manière, les gouttelettes chimiquement actives peuvent se développer et se diviser, et donc se multiplier, en utilisant le matériau entrant comme carburant. Par conséquent, en présence de réactions chimiques déclenchées par des sources externes, les gouttelettes se comportent comme des cellules. Ces gouttelettes actives peuvent être des modèles pour la croissance et la division de protocellules avec un métabolisme primitif, qui est une simple réaction chimique soutenue par un carburant externe.
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Ces gouttelettes sont une sorte de réservoir pour l'organisation spatiale de certaines réactions chimiques. Pour l'apparition de gouttes, il est nécessaire de séparer les phases en deux phases liquides de composition différente, qui existent côte à côte. Les phases sont divisées en raison de l'action moléculaire, dans laquelle des molécules similaires abaissent leur propre énergie, étant à proximité les unes des autres. Un liquide est capable de stratification si la diminution d'énergie associée à l'action moléculaire due au mélange surmonte l'effet du chaos croissant. Si de telles interactions sont suffisamment fortes, il se forme une surface qui sépare les phases coexistantes. Si le matériau de surface est formé et détruit par des réactions chimiques, les gouttelettes peuvent devenir réactives.
Ainsi, par exemple, si l'on considère le modèle d'une goutte simple, on peut voir qu'il a un nombre minimum de conditions nécessaires pour la formation et la multiplication d'une goutte de coacervat: une interface de phase, deux phases, ainsi qu'une source d'énergie externe qui éloigne le système de l'état d'équilibre thermodynamique … La formation de gouttelettes est due au matériau de gouttelettes D généré à l'intérieur de la gouttelette à partir d'un matériau N à haute énergie, qui agit comme un nutriment. Le matériau des gouttelettes est capable de se décomposer en composants W (déchets) à plus faible énergie qui, par diffusion, quittent la gouttelette. Une goutte peut survivre lorsqu'il y a un apport continu de N et une élimination constante de W. Cela peut être réalisé par la recirculation de N à l'aide d'une source d'énergie externe, en particulier,la lumière du soleil ou certains carburants.
Les auteurs de l'étude pensent que la physique des gouttelettes actives est assez simple. Il est plus facile à comprendre par l'exemple d'un modèle à deux composants A et B. Lorsque la phase du matériau de la gouttelette B se sépare du solvant, elle peut être transformée au hasard en raison de la réaction chimique BA en molécules de type A, solubles dans le liquide de fond. Une goutte reste. La réaction inverse A-B n'est plus spontanée, puisque B a une énergie plus élevée que A. Le nouveau matériau de gouttelettes B peut être obtenu par la réaction A + C-B + C associée au carburant. Dans ce cas, C est un produit de réaction à faible énergie des molécules de carburant. Le carburant fournit une différence de potentiel chimique, ce qui permet d'atteindre l'état B avec une énergie élevée à partir d'un état d'énergie inférieure A. La différence de potentiel peut être constante sisi les concentrations de C en eux sont données par un réservoir externe. Dans ce cas, le système est maintenu loin de l'état d'équilibre thermodynamique.
Les scientifiques ont étudié la combinaison de la séparation de phase et des réactions chimiques déséquilibrées également dans un modèle continu. Les chercheurs ont découvert que les gouttelettes sphériques chimiquement actives peuvent être instables et se diviser en deux gouttelettes plus petites. Au départ, la goutte grandit jusqu'à atteindre une taille stationnaire. Après cela, il s'allonge, formant une forme d'haltère. Cet haltère est ensuite divisé en deux petites gouttelettes de même taille. En fin de compte, les petites gouttelettes recommencent à croître jusqu'à une nouvelle division.
Comme le notent les scientifiques, les phénomènes qu'ils ont modélisés peuvent être directement observés dans l'expérience. Selon les chercheurs, l'instabilité des gouttelettes, qui est déclenchée par un afflux extérieur d'énergie et qui conduit à la fission des gouttelettes, peut être comparée à l'instabilité de Mullins-Sekerki, souvent discutée dans le contexte de la croissance cristalline. Cependant, contrairement à cela, une instabilité de la forme des gouttelettes peut également se produire en présence d'une gouttelette immobile et non croissante.
Les cellules modernes ont des structures chimiques qui ne sont pas séparées du cytoplasme cellulaire par une membrane. Ils sont formés par séparation de phase du cytoplasme. La plupart d'entre eux sont liquides et sont constitués de protéines de liaison à l'ARN et de molécules d'ARN. Selon l'hypothèse du monde de l'ARN, dans les premières périodes de la vie, l'ARN était à la fois porteur d'informations génétiques et jouait le rôle d'un ribozyme. Il est probable que la combinaison d'ARN avec des peptides simples était suffisante pour former des gouttelettes de coacervat.
Comme le notent les auteurs de l'étude, la transformation de gouttelettes chimiquement actives dans une cellule qui se divise pour la première fois est un gros problème pour comprendre le processus évolutif précoce. Contrairement aux supports de gouttelettes externes et internes, l'interface entre ces supports est amphiphile. Les lipides qui n'ont aucune affinité pour l'environnement interne et externe de la gouttelette pourraient s'accumuler sur la surface amphiphile, à condition qu'ils soient présents dans l'environnement externe des gouttelettes de coacervat. Selon les experts, les membranes des coacervats pourraient apparaître beaucoup plus tôt que la première division des protocellules.
