Zanim pojawiło się życie na Ziemi, około 3,5 miliarda lat temu, oceany były zupą losowo pomieszanych cząsteczek. W jakiś sposób niektóre z tych cząsteczek ułożyły się w dobrze zorganizowane łańcuchy DNA, ochronne ściany komórkowe i małe struktury przypominające narządy zdolne do utrzymywania komórek przy życiu i funkcjonujących. Ale to, jak osiągnęli tę organizację, od dawna zaskakuje naukowców. Teraz biofizycy z Uniwersytetu Ludwiga Maximiliana w Monachium sądzą, że mają odpowiedź: bąbelki.
Początki życia nie były natychmiastowe. Wczesne cząsteczki prekursorowe w jakiś sposób przekształciły się w podstawowe elementy życia, takie jak RNA, DNA, sole i lipidy. Następnie cząsteczki te zorganizowały się, tworząc pierwsze wczesne wersje komórek, które stały się pierwszymi organizmami jednokomórkowymi.
„Jest to podstawa dla wszystkich żywych gatunków” - powiedział Live Science Dieter Braun z Uniwersytetu Ludwig-Maximilians, główny autor badania.
Braun powiedział, że aby komórki mogły się formować, rozpocząć replikację i żyć własnym życiem na pierwotnej Ziemi, wszystkie części chemiczne musiały się najpierw połączyć.
W głębokim oceanie, gdzie wielu naukowców uważa, że życie ma swoje początki, mogły być obecne cząsteczki takie jak lipidy, RNA i DNA; ale mimo to byłyby zbyt rozłożone, aby mogło się wydarzyć coś interesującego.
„Cząsteczki gubią się. Rozpraszają się” - powiedział Braun. „Reakcje nie zdarzają się same.”
Henderson Cleaves, chemik z Tokyo Institute of Technology, powiedział Live Science, że naukowcy zgadzają się, że pewna siła była konieczna do agregacji i reakcji między cząsteczkami. Badacze po prostu nie zgadzają się, co to za siła.
Tam właśnie pojawiają się bąbelki.
Bąbelki były wszędzie we wczesnym morskim krajobrazie Ziemi. Ciepłe, głębinowe wulkany tryskały gazowanymi pióropuszami. Te zwiewne kule osadzone na porowatej skale wulkanicznej. Takie były warunki, które Braun i jego koledzy próbowali odtworzyć. Stworzyli naczynie z porowatego materiału, który naśladował teksturę skały wulkanicznej, a następnie napełnili je z kolei sześcioma różnymi rozwiązaniami, z których każde modelowało inny etap w procesie tworzenia życia. Jedno rozwiązanie, reprezentujące wczesny etap, zawierało cukier zwany RAO, który byłby niezbędny w konstrukcji nukleotydów, elementów budulcowych RNA i DNA. Inne rozwiązania, reprezentujące późniejsze etapy, zawierały sam RNA, a także tłuszcze niezbędne do budowy ścian komórkowych.
Następnie naukowcy podgrzali roztwór na jednym końcu i ochłodzili go na drugim. Tworzyli coś, co nazywa się „gradientem termicznym”, w którym temperatura stopniowo zmienia się z jednego końca na drugi, podobnie jak woda w pobliżu głębinowych otworów termicznych stopniowo zmienia się z gorącej na zimną.
„To jest jak mikro ocean” - powiedział Braun.
W każdym roztworze zmiana temperatury zmusza cząsteczki do zlepiania się - i grawitują w kierunku pęcherzyków, które naturalnie tworzą się w tych warunkach. Niemal natychmiast zaczęli reagować.
Cukry tworzyły kryształy, rodzaj szkieletu dla nukleotydów RNA i DNA. Kwasy tworzyły dłuższe łańcuchy, robiąc kolejny krok w kierunku tworzenia złożonych cząsteczek podobnych do RNA. Wreszcie cząsteczki ułożyły się w struktury przypominające proste komórki. W podstawowym sensie, Braun powiedział, komórki są cząsteczkami zamkniętymi w workach wykonanych z tłuszczów. Tak właśnie stało się na powierzchni jego bąbelków: tłuszcze ułożyły się w kulki wokół RNA i innych cząsteczek.
Powiedział, że najbardziej zaskakujące dla Brauna i jego współpracowników było to, jak szybko nastąpiły te zmiany w ciągu 30 minut.
„Byłem zdumiony” - powiedział. Chociaż po raz pierwszy on i jego koledzy spojrzeli konkretnie na bąbelki, naukowcy próbowali wcześniej powtórzyć, w jaki sposób te cząsteczki biologiczne podlegają złożonym reakcjom potrzebnym do życia. Zazwyczaj, powiedział, reakcje te trwają godziny.
Niektórzy chemicy są jednak sceptyczni, że bąbelki Brauna są dokładną reprezentacją pierwotnego środowiska. Braun i jego koledzy zaszczepili swoje rozwiązanie wieloma złożonymi cząsteczkami potrzebnymi do życia. Nawet ich najprostsze rozwiązania nadal reprezentowały późniejsze etapy procesu formowania życia, powiedział Ramanarayanan Krishnamurthy, chemik z Scripps Institution of Oceanography, który nie był zaangażowany w badania, powiedział Live Science. To trochę tak, jak upiec ciasto mieszanką pudełkową, zamiast zaczynać od zera.
Przeciwnie, starożytne oceany mogły nie mieć odpowiednich warunków do utworzenia tych początkowych cząsteczek, powiedział Krishnamurthy.
Ponadto eksperyment bąbelkowy odbył się na małą skalę. To ważne, ponieważ oznacza to, że zmiana temperatury z jednego końca testu na drugi była bardzo gwałtowna. W rzeczywistości gradienty termiczne pod oceanem są bardziej stopniowe, powiedział Cleaves.
Mimo to Braun argumentował, że istnieje kilka powodów, dla których bąbelki mogą być idealnym miejscem na początki życia. Po pierwsze, zapewniają doskonały interfejs między powietrzem i wodą. Bez powietrza wiele reakcji niezbędnych do życia nie mogłoby się zdarzyć. Na przykład fosforylacja, reakcja, która umożliwia małym cząsteczkom tworzenie złożonych łańcuchów molekularnych, musi zachodzić w co najmniej częściowo suchych warunkach. Wewnątrz bąbelków to nie problem; mimo że są małe, bąbelki zapewniają idealne środowisko do wyschnięcia tych reakcji, przynajmniej tymczasowo.
Ale istnieje jeszcze jedna ważna rola, jaką mogą odgrywać bąbelki: tworzą porządek. W wodzie niegazowanej cząsteczki zwykle rozprzestrzeniają się bez szczególnego rozmieszczenia. Bąbelki dają jednak cząsteczkom - i być może początkom życia - coś, do czego mogą się przylgnąć w chaotycznym świecie.
