Современная живая клетка – это сложнейшая система с внутренним скелетом и строгой регуляцией химических процессов. Первые клеточные структуры, возникшие на Земле миллиарды лет назад, были устроены значительно проще. Они представляли собой микроскопические пузырьки, в которых липидные мембраны отделяли базовые органические молекулы от внешней среды. Исследователи из Института наук о жизни на Земле при Токийском технологическом институте изучили, как эти примитивные образования смогли пройти путь до сложных биологических систем.
В центре исследования оказались физические процессы, происходившие в условиях ранней планеты. Ученые сосредоточились не на поиске конкретной локации зарождения жизни, а на том, как окружающая среда влияла на поведение мембран. Для этого в лабораторных условиях были созданы модели протоклеток из различных типов фосфолипидов. Как выяснилось, ключевым фактором эволюции могли стать регулярные циклы замораживания и оттаивания воды.
Эксперименты показали, что реакция протоклеток на холод напрямую зависит от химического состава их оболочек. Липиды с разной степенью насыщенности жирных кислот формируют мембраны разной плотности. При замерзании воды растущие кристаллы льда деформируют эти оболочки. Последующее оттаивание заставляет поврежденные фрагменты искать стабильности, что приводит к слиянию соседних пузырьков в более крупные структуры. Такой процесс способствует перемешиванию органических соединений, создавая условия для новых химических реакций внутри протоклеток.
Помимо роста и слияния, ученые проверили способность протоклеток удерживать внутри себя генетический материал. Выяснилось, что определенные типы мембран лучше сохраняют ДНК при резких температурных колебаниях. Это дает преимущество одним структурам перед другими, формируя прообраз механизма естественного отбора. Пузырьки, способные пережить воздействие льда и сохранить содержимое, получали больше шансов на дальнейшее развитие и усложнение.
Долгое время основными претендентами на роль колыбели жизни считались гидротермальные источники и пересыхающие мелководные бассейны. Новые данные указывают на то, что ледяные массивы были не менее важным фактором. Замерзание воды не только концентрировало молекулы в ограниченном пространстве, но и стимулировало структурные изменения мембран. По мнению авторов работы, именно такие простые физические воздействия могли запустить переход от элементарных липидных пузырьков к первым клеткам, способным к полноценной дарвиновской эволюции.
