Тайна происхождения жизни: когда дождевая вода стабилизировала первые клетки

Современные клетки и их сложная организация

Клетки, из которых сегодня состоят живые организмы, представляют собой чрезвычайно сложные структуры. Представьте себе маленькие организованные фабрики, заполненные отсеками, называемыми органеллами, каждая из которых выполняет определенную функцию. Например, ядро содержит ДНК — генетическую карту, которая управляет всеми действиями клетки, а митохондрии производят энергию, необходимую для ее функционирования.

Все это заключено в мембрану — своеобразный защитный барьер, контролирующий то, что входит и выходит из клетки. Состоящая из липидов (жиров) и специализированных белков, она позволяет одним веществам входить и выходить из клетки, а другим — блокирует. Благодаря такой организации клетки могут выполнять сложнейшие задачи и поддерживать баланс, необходимый для жизни.

Первые формы жизни: протоклетки и их хрупкость

Прежде чем достичь такой сложности, первые формы жизни были гораздо проще. Ученые считают, что эти первые образования, называемые протоклетками, образовались около 3,8 миллиарда лет назад из органических молекул, присутствовавших на первобытной Земле. Протоклеток можно сравнить с небольшим пузырьком молекул, плавающим в водной среде. Они обеспечивали структурную основу и защиту для важнейших химических реакций, таких как репликация первых генетических молекул, РНК. Однако у этих протоклеток еще не было сложных мембран, свойственных современным клеткам. В результате они были бы гораздо более нестабильными и хрупкими.

Для объяснения того, как выглядели протоклетки, были предложены две модели: везикулы и коацерваты. Везикулы - это структуры из липидов, похожие на мыльные пузыри, которые заключают в себе молекулы. Такие везикулы способны защитить первые молекулы жизни от враждебной внешней среды. Однако, в отличие от современных клеток, в них отсутствовали белки, регулирующие прохождение веществ, что ограничивало их способность взаимодействовать с окружающей средой и эффективно размножаться.

Коацерваты — это капли, образующиеся при накоплении органических молекул, таких как пептиды и нуклеиновые кислоты (РНК). В отличие от везикул, коацерваты не имеют мембраны, что облегчает обмен материалами с внешним миром. Это ускоряет химические реакции, но создает проблему: без мембраны эти капли могут слишком легко перемешаться и потерять свое содержимое, в частности генетический материал, необходимый для эволюции.

Роль дождевой воды в стабилизации первых клеток

Одной из главных задач для ученых было понять, как эти протоклетки, и в частности коацерваты, смогли сохранить свою стабильность достаточно долго, чтобы возникла жизнь. Новое исследование предлагает интересный ответ: ключевую роль в стабилизации коацерватов могла сыграть дождевая вода, которая является деионизированной (то есть лишенной растворенных минералов).

Ученые обнаружили, что когда коацерваты помещают в деионизированную воду, они выбрасывают ионы и образуют на своей поверхности своего рода сетчатую кожу. Эта «кожа» не позволяет каплям сливаться с другими коацерватами, стабилизируя их и позволяя концентрировать генетический материал, такой как РНК.

Таким образом, этот защитный слой позволил бы первым клеткам поддерживать важнейшие химические реакции, не распадаясь слишком быстро. Эксперименты показали, что в деионизированной воде коацерваты могли удерживать РНК внутри в течение нескольких дней, в то время как в богатой ионами воде РНК перетекала из одной капли в другую за считанные секунды. Таким образом, этот механизм мог сыграть важную роль в поддержании стабильности первых клеток.

Это открытие о роли дождевой воды проливает новый свет на условия, необходимые для появления жизни на Земле. Оно также открывает интересные перспективы для поиска жизни в других уголках Вселенной. Если на других планетах будут наблюдаться похожие условия, например океаны чистой воды, это увеличит шансы на обнаружение внеземных форм жизни.