Prvi oblik života nastao iz kapljica kiše? Naučnici došli do neverovatnih zaključaka

Novo istraživanje, objavljeno u prestižnom naučnom časopisu Science Advances, sugeriše da su ključnu ulogu u nastanku protoćelije mogle da odigraju kišne kapi.

Prvi život verovatno temeljio na RNA

RNA ili ribonukleinska kiselina uglavnom se smatra molekulom koji je bio temelj razvoja prvih živih organizama. Ona je mogla prethoditi današnjoj DNA i stvaranju proteina.

Za razliku od DNA, koja je dvolančana i stabilna, RNA je jednolančana i sposobna je da preuzme različite uloge, uključujući skladištenje genetske informacije i kataliziranje hemijskih reakcija. Ove osobine čine je potencijalno idealnim kandidatom za molekul za nastanak prvih oblika života.

• Astronaut zaglavljen u svemiru prijavio misteriozan zvuk: NASA se oglasila
• Novi način merenja vremena može promeniti utemeljene ideje o svemiru
• Milioni svemirskog kamenja mogli bi da se sudare sa Zemljom: Evo šta nas onda očekuje

Međutim, jedna od glavnih prepreka u razumevanju nastanka života je pitanje kako su te prve molekule RNA mogle da ostanu stabilne i kako su mogle da stvore prve protoćelije - jednostavne strukture s membranama koje su mogle da obavljaju osnovne životne funkcije.

Kišne kapi i stvaranje koacervata

Novo istraživanje donosi važan uvid u moguće rešenje ovog problema.

Naučnici su u eksperimentima pokazali da su u prebiotičkim uslovima, kakvi su vladali na ranoj Zemlji, kapi kiše mogle da igraju ključnu ulogu u stvaranju stabilnih molekularnih struktura. Ove strukture, poznate kao koacervati, u biti su jednostavne mikrokapljice koje sadrže različite organske molekule, uključujući RNA.

Kada je kišna kap pala na površinu prekrivenu molekulama RNA i drugih organskih jedinjenja, mogla je uzrokovati stvaranje koacervata.

Problem u modelu koacervata

Mikrokapljice koacervata bez membrana već se dugo smatraju mogućim modelom protoćelija jer mogu rasti te koncentrisati i deliti RNA.

Međutim, brzo stapanje koacervata bez membrana te brza izmena RNA između njih, u rokovima od nekoliko minuta, značilo bi da pojedinačne kapljice ne bi mogle da održe svoje zasebne genetske identitete.

Nepostojanje različitosti onemogućilo bi kompeticiju i Darvinovu evoluciju, a populacija bi bila podložna kolapsu zbog brzog širenja parazitskih RNA.

U novoj studiji naučnici su pokazali da destilovana voda, koja oponaša kišu, dovodi do stvaranja elektrostatskih poprečnih veza među molekulima na površinama koacervatnih kapljica, koje ne samo da onemogućavaju njihovo stapanje na neodređeno vreme već i omogućavaju prostorno-vremensku kompartmentalizaciju RNA na vremenskoj skali od više dana.

Autori sugerišu da bi takve nestopljene kapljice bez membrane mogle delovati kao protoćelije.

Uloga membrane u stabilizaciji protoćelija

Međutim, najzanimljivije u novom istraživanju je otkriće da kapi kiše nisu imale samo mogućnost stvaranja koacervata nego su takođe mogle da pomognu u stvaranju stabilnih membrana oko njih.

Naime, studija je pokazala da su prirodni procesi, poput padanja kiše, mogli spontano da stvore takve membrane i tako ostvare ključan korak u nastanku protoćelija.

Membrane koacervata mogle su nastati zbog privlačnih sila između molekula. Primer su tzv. amfifilne molekule koje imaju dva dela: jedan deo je hidrofoban (odbija vodu), a drugi je hidrofilan (privlači vodu). Zbog ove dvostruke prirode amfifilne molekuli mogu se spontano organizovati u strukture poput lipidnih dvoslojeva kada su u kontaktu s vodom.

Ovi molekuli ključni su za formiranje bioloških membrana, pri čemu se njihov hidrofilni deo okreće prema vodi, a hidrofobni prema unutrašnjosti membrane.

Primeri uključuju amfifilne fosfolipide koji čine dva sloja membrane u današnjim ćelijama i organelama.

Takve membrane omogućile bi da se organske molekule grupišu i formiraju dva sloja slične membranama ćelija. Ove membrane omogućile bi koacervatima da zadrže određene molekule poput RNA unutar sebe, čime bi se stvorilo stabilno mikrookruženje za biohemijske reakcije, što je ključno za razvoj ranih oblika života.

Evolucija u kapima kiše

Još jedan zanimljiv aspekt novog istraživanja je ideja da su kišne kapi mogle da igraju ulogu u ubrzavanju evolucije molekule RNA.

Naime, unutar kapljica molekule RNA bile bi koncentrisane i izložene stalnim promenama uslova, kao što su pH vrednost, temperatura i dostupnost hranjivih materija.

Ove promene mogle su podstaknu mutacije u RNA, od kojih bi neke bile korisne za preživljavanje u specifičnom mikrookruženju.

Postupno, kroz niz ciklusa padanja kiše i sušenja, ove molekule RNA mogle su evoluirati u složenije strukture koje su sve više nalikovale onima u živim organizmima.

Taj proces, koji bi se mogao nazvati "evolucijom u kapima kiše", predstavlja zanimljivu perspektivu moguće rane faze razvoja života na Zemlji.

Implikacije za istraživanje života izvan Zemlje

Ovo otkriće ima važne implikacije za istraživanje života van naše planete.

Naime, ako su jednostavni prirodni procesi, poput padanja kiše, mogli da pokrenu stvaranje života, slični procesi mogli bi dovesti do nastanka života na drugim planetama.

Planete ili meseci sa sličnim atmosferskim uslovima kao što su Zemljini mogli bi da imaju kapljice tečnosti (bilo da se radi o vodi, metanu ili nekoj drugoj materiji) koje bi mogle stvarati koacervate i protoćelije.

Primera radi, Saturnov mesec Titan ima reke, jezera i kiše metana, koji bi mogli da deluju na sličan način kao kiše na ranoj Zemlji.

Potvrda hipoteze iz 1930-ih

Molekularni biolog Kristian Vlahoviček s PMF-a u Zagrebu kaže da je sovjetski biohemičar Aleksandar Oparin još tridesetih godina prošlog veka postavio tzv. koacervatnu hipotezu i pretpostavio da je za postojanje života nužno odvajanje ćelije kao sistema od okoline.

"Ideje o nastajanju takve separacije uglavnom su išle u smeru formiranja ćelija unutar poroznih stena, međutim, u ovom zanimljivom članku istraživači iz SAD-a uspeli su da pokažu da je koacervate moguće dobiti mešanjem dvaju hemijskih jedinjenja i čiste vode", rekao je za Index Vlahoviček.

"Zanimljivo je da je jedno od tih hemijskih jedinjenja upravo neophodno u današnjem živom svetu i služi za pohranu energije, a to je adenozin trifosfat ili ATP, što bi dodatno moglo objasniti ne samo stvaranje ćelija nego i mehanizam kojim se takvim ćelijama osigurava energija za hemijske i metaboličke procese", dodao je.

Novo istraživanje, nova pitanja

Vlahoviček kaže da je jedno od otvorenih pitanja koja proizlaze iz novog istraživanja uslov da voda koja uzrokuje stvaranje koacervatnih kapljica ne sadrži velike količine soli jer one dovode do njihove brze razgradnje.

"Međutim, količina soli unutar današnjih ćelija veća je nego u okolini, uz hipotezu da je takav sastav ćelija preslikao sastav pramora u kojima je život nastao.

Stoga ovaj rad otvara niz dodatnih i izuzetno zanimljivih pitanja, koja će nam pomoći da spoznamo i što bolje objasnimo sve mehanizme koji su doveli do stvaranja i evolucije života tokom skoro četiri milijarde godina na našoj planeti", poručio je Indexov naučni kolumnista.