Több milliárd éves titokra derült fény, a megoldás végig a szemünk előtt volt
Kövesse az Indexet Facebookon is!
Követem!További Tudomány cikkek
A Science Advances című folyóiratban közzétett friss kutatásban a Chicagói Egyetem és a Houstoni Egyetem munkatársai kiderítették, hogy az esővíz döntő szerepet játszott a korai sejtek stabilizálásában, utat nyitva ezzel az élet komplexitása felé.
A több milliárd éves evolúció hihetetlenül összetetté tette a modern sejteket. A sejtek belsejében kis, sejtszervecskének nevezett részek találhatók, amelyek a sejt túléléséhez és működéséhez elengedhetetlenül szükséges speciális funkciókat látnak el. A sejtmag például a kromoszómákat tárolja, a mitokondriumok pedig energiát termelnek és raktároznak.
A sejt másik lényeges része a sejtet körülvevő membrán. A membrán felszínére beágyazódott fehérjék szabályozzák az anyagok mozgását a sejtben és a sejtből kifelé. Ez a kifinomult membránszerkezet tette lehetővé az általunk ismert élet összetettségét. Felvetődött viszont a kérdés, hogy hogyan maradhattak stabilak a legkorábbi, legegyszerűbb sejtek, mielőtt a bonyolult membránszerkezetek kialakultak volna – írja a The Conversation.
Az élet eredete
A tudomány egyik legizgalmasabb kérdése, hogy hogyan kezdődött az élet a Földön. A kutatók régóta töprengenek azon, hogy az élettelen anyagok hogyan alakultak át élő sejtekké, amelyek képesek a szaporodásra, az anyagcserére és az evolúcióra.
Stanley Miller és Harold Urey vegyészek a Chicagói Egyetemen 1953-ban kísérletet végeztek annak bizonyítására, hogy egyszerűbb szerves és szervetlen vegyületekből összetett szerves vegyületek, vagyis szénalapú molekulák szintetizálhatók. Víz, metán, ammónia, hidrogéngázok és elektromos szikrák felhasználásával a vegyészek aminosavakat alkottak.
A kutatók úgy vélik, hogy az élet legkorábbi formái, az úgynevezett protosejtek spontán módon alakultak ki a korai Földön jelen lévő szerves molekulákból.
Ezek a kezdetleges, sejtszerű struktúrák valószínűleg két alapvető összetevőből álltak: egy szerkezeti vázból és egy genetikai anyagból, amely a protosejtek működéséhez szükséges utasításokat hordozta.
Idővel ezek a protosejtek fokozatosan kifejlesztették a szaporodás és az anyagcsere-folyamatok működtetésének képességét. Az alapvető kémiai reakciók lejátszódásához bizonyos feltételek szükségesek, mint például egy állandó energiaforrás, szerves vegyületek és víz. A szerkezeti váz és a membrán döntő fontosságúan stabil környezetet biztosítanak, amely képes koncentrálni a reaktánsokat, és megvédeni őket a külső környezettől, lehetővé téve a szükséges kémiai reakciók lezajlását.
Így két alapvető kérdés merül fel: milyen anyagokból épült fel a protosejtek szerkezeti váza és membránja, és hogyan tették lehetővé, hogy a korai sejtek megőrizzék a stabilitást és a funkciót, amelyre szükségük volt ahhoz, hogy átalakulhassanak azokká a kifinomult sejtekké, amelyek ma minden élő szervezetet alkotnak.
Két modell
A tudósok két modellben gondolkoztak, a vezikulákban és a koacervátumokban. A vezikulák apró hólyagocskák, melyek lipideknek nevezett molekulákból állnak. A vezikulák hasonlítanak a modern sejtek szerkezetére és működésére, de ezek membránjaival ellentétben ezekből a protosejtekből hiányozhattak a speciális fehérjék, amelyek szelektíven engedik be és ki a molekulákat a sejtbe, és lehetővé teszik a sejtek közötti kommunikációt.
E fehérjék nélkül a protosejtek csak korlátozottan lennének képesek hatékonyan kölcsönhatásba lépni a környezetükkel, ami korlátozná az életre való képességüket.
A koacervátumok viszont olyan cseppek, amelyek szerves molekulák, például peptidek és nukleinsavak felhalmozódásából jönnek létre. Akkor alakulnak ki, amikor a szerves molekulák egymáshoz tapadnak olyan kémiai tulajdonságok következtében, amelyek vonzzák őket egymáshoz, mint például az ellentétes töltésű molekulák közötti elektrosztatikus erők.
A koacervátumcseppek vízben szuszpendált olajra hasonlítanak
Fotó: Aman Agrawal
A koacervátumokat úgy képzelhetjük el, mint vízben az étolajcseppeket. Az olajcseppekhez hasonlóan ezeknek a protosejteknek nincs membránjuk. Membrán nélkül a környező víz könnyen kicserélheti az anyagokat a protosejtekkel. Ez a szerkezeti sajátosság segít koncentrálni a vegyi anyagokat és felgyorsítani a kémiai reakciókat, megfelelő környezetet teremtve az élet építőkövei számára.
Úgy tűnik tehát, hogy a membrán hiánya miatt a koacervátumok jobb protosejtjelöltek, mint a vezikulák, ez azonban jelentős hátrányt is jelent:
- Egyrészt a genetikai anyag kiszivárgásának lehetőségét,
- másrészt a membrán hiánya lehetővé tette, hogy az RNS gyorsan cserélődjön a protosejtek között.
2017-ben kimutatták, hogy a gyors fúzió és anyagcsere az RNS kontrollálatlan keveredéséhez vezethet, ami megnehezíti a stabil és elkülönülő genetikai szekvenciák kialakulását. Ez azt sugallta, hogy a koacervátumok talán nem képesek fenntartani a korai élethez szükséges kompartmentalizációt, ami a sejten belüli folyamatok fizikai elválasztását, különböző térrészekbe való elhelyezését jelenti.
A kompartmentalizáció a természetes szelekció és az evolúció szigorú követelménye. Ha a koacervátum-protosejtek szüntelenül fuzionálnának, és génjeik folyamatosan keverednének és cserélődnének egymással, akkor mindegyikük genetikai variáció nélkül hasonlítana egymásra. Genetikai variáció nélkül egyetlen protosejt sem rendelkezne nagyobb valószínűséggel a túlélés, a szaporodás és a génjei továbbadásának esélyével a következő generációk számára. Azonban a természet valahogy megoldotta ezt a problémát, tehát léteznie kellett egy megoldásnak.
Esővíz és RNS
Egy 2022-ben elkészített tanulmány kimutatta, hogy amennyiben ionmentesített vízbe merítik a koacervátumcseppeket, akkor azok stabilizálhatók. A cseppek kis ionokat löknek ki a vízbe, ami valószínűleg lehetővé teszi, hogy a periférián lévő ellentétes töltésű polimerek közelebb kerüljenek egymáshoz, és egy hálós réteget képezzenek. Ez a hálós „fal” hatékonyan akadályozza a cseppek összeolvadását.
Ezután a kutatók ionmentesített vízzel kezelt és kezeletlen protosejteket vizsgáltak. Kiderült, hogy azoknál, amelyeket nem merítettek ionmentesített vízbe, az RNS pillanatok alatt átdiffundált egyik sejtből a másikba. Ezeken az eredményeken felbuzdulva az egyik kutató azon tűnődött, hogy az esővíz, amely az ionmentes víz természetes forrása, védené-e a sejteket. Végül a kísérletekből kiderült, hogy az esővíz valóban megvédte a protosejteket a fúziótól. A kutatók tehát kimondhatták, nagy a valószínűsége annak, hogy az esővíz döntő szerepet játszhatott a korai sejtek stabilizálásában, ezzel pedig az összetett élet felé is megnyitotta az utat.
Kövesse az Indexet Facebookon is!
Követem!
