Названа неожиданная причина усложнения первых форм жизни

Один из ключевых вопросов происхождения жизни — как простейшие химические структуры могли начать расти, отбираться и передавать свои свойства без сложной биологии. Новые эксперименты показывают, что даже примитивные мембранные пузырьки способны к таким процессам под действием обычных природных циклов. Роль "двигателя эволюции" в этом случае могли играть чередования замерзания и оттаивания на ранней Земле. Об этом сообщают исследователи Института наук о Земле и жизни Токийского института науки.

Протоклетки до появления клеток

Современные клетки — это результат миллиардов лет эволюции, включающей сложные мембраны, внутренние структуры и генетические механизмы. Однако самые ранние протоклетки были куда проще: липидная оболочка и заключённые внутри органические молекулы. Понимание того, как такие системы могли расти и усложняться, остаётся одной из центральных задач науки о происхождении жизни.

Новое исследование сосредоточено не на поиске "места рождения" жизни, а на изучении физических механизмов, которые могли способствовать естественному отбору ещё до появления настоящих клеток, — в русле идей о том, что жизнь на Земле могла возникнуть на Марсе и быть перенесённой в уже пригодной форме.

Эксперимент с мембранными везикулами

Учёные создали большие однослойные везикулы (LUV), используя три типа фосфолипидов: POPC, PLPC и DOPC. Эти молекулы отличаются строением ацильных цепей и, как следствие, физическими свойствами мембран. POPC формирует более жёсткие оболочки, тогда как PLPC и DOPC — более текучие. Везикулы инкапсулировали ДНК и затем подвергались многократным циклам замораживания и оттаивания, имитируя естественные температурные колебания, характерные для ранней Земли.

"Мы использовали фосфатидилхолин (ФХ) в качестве компонентов мембраны, благодаря его химической структурной преемственности с современными клетками, потенциальной доступности в пребиотических условиях и способности сохранять необходимые компоненты", — сказал соавтор исследования Тацуя Синода из ELSI.

Рост, слияние и отбор

Эксперименты показали, что липидный состав напрямую влияет на поведение протоклеток. После нескольких циклов замораживания-оттаивания везикулы, богатые POPC, в основном образовывали плотные скопления, тогда как системы с высоким содержанием PLPC и DOPC активно сливались и увеличивались в размерах.

При этом наблюдалось смещение состава в пользу PLPC — липида, более склонного к росту и слиянию. Аналогичный отбор происходил и на уровне генетического материала: ДНК, изначально находившаяся в PLPC-везикулах, сохранялась лучше и накапливалась с каждым циклом.

Под воздействием стресса, вызванного образованием кристаллов льда, мембраны могут дестабилизироваться или фрагментироваться, что требует структурной реорганизации при оттаивании. Неплотно упакованная латеральная организация, обусловленная более высокой степенью ненасыщенности, может обнажать больше гидрофобных областей во время реконструкции мембраны, облегчая взаимодействие с соседними везикулами и делая слияние энергетически выгодным.

Почему ледяная среда важна

Чаще всего происхождение жизни связывают с гидротермальными источниками или циклами высыхания и увлажнения. Однако исследование показывает, что ледяные условия также могли быть крайне значимыми. При замерзании вода вытесняла растворённые вещества, повышая их локальную концентрацию.

Это создавало благоприятную среду для слияния везикул и взаимодействия молекул. Подобные сценарии рассматриваются и при анализе потенциально обитаемых миров, где важную роль играет энергия и химия подповерхностной воды, как, например, в случае океана подо льдом Европы.

Рекурсивный отбор везикул, выращенных под действием F/T, в последовательных поколениях может быть реализован путем интеграции механизмов деления, таких как осмотическое давление или механическое сдвиговое воздействие. С увеличением молекулярной сложности внутривезикулярная система, то есть функция, закодированная генами, в конечном итоге может взять на себя функцию протоклеточного организма, что, следовательно, приведет к появлению примитивной клетки, способной к дарвиновской эволюции.

В целом работа показывает, что даже простые физические процессы могли запускать рост, отбор и зачатки наследственности задолго до появления настоящей биологии. Это делает происхождение жизни не единичным чудом, а закономерным следствием взаимодействия химии и окружающей среды.