Amerikāņu un vācu zinātnieku grupa aprakstīja mehānismu, kā vienšūņi, kas bija pirmie dzīvo planētu priekšteči uz mūsu planētas, ieguva spēju augt un šķelties.
Kopš seniem laikiem cilvēkus interesē jautājums par dzīves izcelsmi. Vēstures gaitā ir parādījušās vairākas hipotēzes, no kurām zinātniskā vērtība, iespējams, ir tikai pirmatnējās zupas teorijai. Visi pārējie izrādījās neizturami. Kreacionisms jeb dievišķās radīšanas teorija, kas aizsākusies vēlīnā neolīta laikmetā, tiek uzskatīta par nezinātnisku; dzīves mūžīgās esamības hipotēze ir pilnīgi pretrunā ar paleontoloģiskiem un astronomiskiem datiem; hipotēze par dzīvības atnākšanu uz mūsu planētas no ārpuses (panspermijas jēdziens) principā neatrisina problēmu un tieši pretēji provocē jautājumu par to, kā dzīvība varētu rasties citā pasaulē.
Pirmoreiz versiju, ka mazas pilītes dzīves sākuma stadijās varētu veidoties, pateicoties molekulu atdalīšanai sarežģītos maisījumos fāzu atdalīšanas dēļ koacervātā (tā sauktajā primārajā buljonā), pauda padomju biologs Aleksandrs Oparins, nedaudz vēlāk - britu zinātnieks Džons Haldāns. Saskaņā ar hipotēzi šie pilieni nodrošināja reaktīvo ķīmisko centru veidošanos, bet tajā pašā laikā joprojām nav skaidrs, kā tie pieauga un vairojās.
Jaunā pētījuma ietvaros zinātnieki ir novērojuši pilienu izturēšanos sistēmās, kuras uztur ārējs enerģijas avots stāvoklī, kas atrodas tālu no termodinamiskā līdzsvara. Šādās sistēmās pilienu augšanu veic, pievienojot pilienu materiālu, kas rodas ķīmisko reakciju laikā. Tika konstatēts, ka piliena palielināšanās, kas rodas ķīmisku procesu rezultātā, rada piliena formas nestabilitāti un provocē tā sadalīšanos divās mazākās pilieniņās.
Tādējādi ķīmiski aktīvajām pilieniņām parādījās augšanas un dalīšanās cikli, kas atgādina audu izplatīšanos dzīvā organismā, pateicoties šūnu pavairošanai dalīšanās ceļā (proliferācija). Pētnieki izvirza hipotēzi, ka aktīvo pilienu sadalīšana varētu kalpot par paraugu prebiotisko vienšūnu izveidošanai, kurā pilienu ķīmiskās reakcijas veicina prebiotisko metabolismu.
Šķidruma pilieni ir pašorganizējošas struktūras, kas var pastāvēt līdzās apkārtējam šķidrumam. Virsma, kas sadala divas blakus esošās fāzes, pilieniem piešķir noteiktu formu, pateicoties virsmas spraigumam - sfēriskai. Turklāt dažām vielām piemīt spēja iekļūt koacerētu pilienu virsmā. Sadalot barību pilienos, tiek uzkrāts ierobežots materiāla daudzums un rodas noteiktas ķīmiskas reakcijas.
Zinātnieki ir noteikuši piliena dzimšanas termodinamiku, taču tajā pašā laikā viņi joprojām nesaprot, kā tas aug un vairojas, tas ir, tam ir galvenās iezīmes, kas raksturīgas dzīvam organismam. Ir vispāratzīts, ka pilienu augšana notiek materiāla absorbcijas dēļ no piesātinātas barotnes vai atkārtotas kondensācijas procesa - izšķīdināta viela tiek pārnesta no mazām daļiņām uz lielām (šo procesu sauc par Ostvalda nogatavināšanu). Šajā gadījumā mazie pilieni izzūd, paliek tikai lielie. Turklāt zinātnieki atzīst, ka mazie pilieni var apvienot un veidot lielus. Laika gaitā visi šie procesi izraisa pilienu lieluma palielināšanos un to skaita samazināšanos, lai gan protocelulim, sasniedzot noteiktu lielumu, jāsadala divās daļās.
Pētnieki izvirza hipotēzi, ka koacerētiem pilieniem, kas tiek uzturēti tālu no termodinamiskā līdzsvara ar ķīmisko degvielu, var būt neparastas pazīmes, piemēram, Ostvalda nogatavošanās ķīmisko reakciju klātbūtnē var tikt apslāpēta, un tādējādi dažas pilītes var stabili pastāvēt ar noteiktu lielumu, ko piešķir ātrums reakcijas. Šajā gadījumā sfēriskas pilītes, kuras tiek pakļautas ķīmiskām reakcijām, pēc nejaušības principa tiek sadalītas divās mazākās tāda paša izmēra pilieniņās. Zinātnieki ierosina, ka šādā veidā ķīmiski aktīvi pilieni var augt un sadalīties, un tāpēc pavairot, izmantojot ienākošo materiālu kā degvielu. Tāpēc ķīmisku reakciju klātbūtnē, ko izraisa ārēji avoti, pilieni uzvedas kā šūnas. Šādi aktīvi pilieni var būt modeļi vienšūnu augšanai un sadalīšanai ar primitīvu metabolismu, kas ir vienkārša ķīmiska reakcija, ko atbalsta ārēja degviela.
Reklāmas video:
Šie pilieni ir sava veida rezervuārs noteiktu ķīmisko reakciju telpiskai organizēšanai. Pilienu parādīšanai ir nepieciešams sadalīt fāzes divās dažādu sastāvu šķidruma fāzēs, kas pastāv viena otrai blakus. Fāzes tiek sadalītas molekulārās darbības dēļ, kurā līdzīgas molekulas pazemina savu enerģiju, atrodoties tiešā tuvumā viena otrai. Šķidrums ir spējīgs noslāņoties, ja enerģijas samazināšanās, kas saistīta ar molekulāro darbību sajaukšanās dēļ, novērš pieaugošā haosa efektu. Ja šāda mijiedarbība ir pietiekami spēcīga, veidojas virsma, kas atdala līdzās pastāvošās fāzes. Ja virsmas materiāls tiek izveidots un iznīcināts ķīmisku reakciju rezultātā, pilieni var kļūt reaģējoši.
Tā, piemēram, ja mēs apsveram vienkārša kritiena modeli, mēs redzam, ka tam ir minimāls nepieciešamo nosacījumu skaits koacervāta kritiena veidošanai un reizināšanai: fāzes saskarne, divas fāzes, kā arī ārējs enerģijas avots, kas uztur sistēmu prom no termodinamiskā līdzsvara stāvokļa. … Pilienu veidošanās ir saistīta ar D-pilienu materiālu, kas piliena iekšienē izveidojies no augstas enerģijas N materiāla, kas darbojas kā barības viela. Pilienu materiāls spēj sadalīties zemākas enerģijas komponentos W (atkritumos), kas difūzijas rezultātā atstāj pilienu. Piliens var izdzīvot, ja pastāvīgi tiek piegādāts N un pastāvīgi tiek noņemts W. To var panākt, cirkulējot N, jo īpaši izmantojot ārēju enerģijas avotu,saules gaisma vai noteiktas degvielas.
Pētījuma autori uzskata, ka aktīvo pilienu fizika ir diezgan vienkārša. Visvieglāk to saprast ar modeļa piemēru ar diviem komponentiem A un B. Kad piliena B materiāla fāze atdalās no šķīdinātāja, ķīmiskās reakcijas dēļ to BA var nejauši pārveidot A tipa molekulās, kuras šķīst fona šķidrumā. Paliek piliens. Apgrieztā reakcija A-B vairs nav spontāna, jo B enerģija ir augstāka nekā A. Jaunu pilienu materiālu B var iegūt, izmantojot reakciju A + C-B + C, kas saistīta ar degvielu. Šajā gadījumā C ir degvielas molekulu zemas enerģijas reakcijas produkts. Degviela nodrošina ķīmisko potenciālu starpību, kas ļauj sasniegt B stāvokli ar lielu enerģiju no zemākas enerģijas stāvokļa A. Potenciālu starpība var būt nemainīga, jaja C koncentrācijas tajās dod ārējs rezervuārs. Šajā gadījumā sistēma tiek turēta tālu no termodinamiskā līdzsvara stāvokļa.
Zinātnieki ir pētījuši arī fāzu atdalīšanas un nesabalansētu ķīmisko reakciju apvienojumu pastāvīgā modelī. Pētnieki ir noskaidrojuši, ka ķīmiski aktīvi sfēriski pilieni var būt nestabili un sadalīties divās mazākās pilieniņās. Sākumā piliens aug, līdz tas sasniedz nekustīgu lielumu. Pēc tam tas pagarinās, veidojot hanteles formu. Pēc tam šo hanteli sadala divās mazākās tāda paša izmēra pilieniņās. Galu galā mazākie pilieni atkal sāk augt, līdz izveidojas jauns sadalījums.
Kā atzīmē zinātnieki, parādības, kuras viņi modelēja, var tieši novērot eksperimentā. Pēc pētnieku domām, pilienu nestabilitāti, ko izraisa ārējs enerģijas pieplūdums un kas izraisa pilienu dalīšanos, var salīdzināt ar Mullins-Sekerki nestabilitāti, kas bieži tiek apspriesta kristālu augšanas kontekstā. Tomēr atšķirībā no tā piliena formas nestabilitāte var rasties arī nekustīgas neaugošas pilītes klātbūtnē.
Mūsdienu šūnām ir dažas ķīmiskas struktūras, kuras no šūnas citoplazmas neatdala membrāna. Tos veido fāzu atdalīšana no citoplazmas. Lielākā daļa no tām ir šķidras un sastāv no RNS saistošiem proteīniem un RNS molekulām. Saskaņā ar RNS pasaules hipotēzi, agrīnajos dzīves periodos RNS bija gan ģenētiskās informācijas nesējs, gan arī spēlēja ribozīmu. Iespējams, ka RNS kombinācija ar vienkāršiem peptīdiem bija pietiekama, lai veidotu koacerētiskas pilītes.
Kā atzīmē pētījuma autori, ķīmiski aktīvo pilienu pārveidošana šūnā, kas dalās pirmo reizi, ir liela problēma agrīnā evolūcijas procesa izpratnei. Atšķirībā no ārējā un iekšējā pilienu nesēja, šo barotņu saskarne ir amfifiliska. Tie lipīdi, kuriem nav afinitātes pret piliena iekšējo un ārējo vidi, varētu uzkrāties uz amfifiliskās virsmas, ja vien tie atrodas koacerizētu pilienu ārējā vidē. Pēc ekspertu domām, membrānas koacervātās varētu parādīties daudz agrāk, nekā notika pirmā vienšūņu dalīšana.