Циклы заморозки и оттаивания запустили эволюцию первых клеток — новое исследование

Учёные из Института наук о жизни на Земле при Институте науки Токио обнаружили механизм, который мог стать двигателем эволюции первых клеток на древней Земле. Исследование, опубликованное 29 апреля в журнале Science Daily, указывает на повторяющиеся температурные колебания — циклы заморозки и оттаивания.

Что сделали учёные

Специалисты создали модели примитивных клеток — липидные везикулы (простейшие пузырьки с оболочкой из жиров) с разным составом мембран. Затем они подвергали их многократной заморозке и оттаиванию.

Результат оказался неожиданным. Мембраны из ненасыщенных липидов под воздействием кристаллов льда становились нестабильными. Но именно эта нестабильность помогала им объединяться.

Как работали циклы

После трёх циклов заморозки везикулы с определённым типом жиров не просто сближались — они сливались в более крупные отсеки. Это позволяло органическим молекулам внутри них перемешиваться. Перемешивание создавало условия для новых химических реакций.

Исследователь Нацуми Нода объясняет механизм: под воздействием стресса от кристаллов льда мембраны дестабилизируются или фрагментируются. При оттаивании начинается структурная реорганизация. Неплотная структура мембран, обусловленная высокой степенью ненасыщенности жиров, обнажает гидрофобные области. Это облегчает взаимодействие с соседними везикулами и делает слияние энергетически выгодным.

Удержание генетического материала

Учёные также проверили способность таких структур удерживать ДНК. Протоклетки с более гибкими мембранами лучше захватывали и сохраняли генетический материал. Даже после многократной смены температур.

От протоклеток к дарвиновской эволюции

Руководитель исследования Томоаки Мацуура формулирует итог: рекурсивный отбор везикул, выращенных под действием заморозки и оттаивания, в последовательных поколениях может быть реализован путём интеграции механизмов деления — например, осмотического давления или механического сдвигового воздействия.

С увеличением молекулярной сложности внутривезикулярная система (функция, закодированная генами) в конечном итоге может взять на себя функцию протоклеточного организма. Это, в свою очередь, приведёт к появлению примитивной клетки, способной к дарвиновской эволюции.

Смена парадигмы

Ранее основными местами зарождения жизни считались гидротермальные источники на дне океана или пересыхающие водоёмы. Новые данные указывают на важную роль ледяной среды. Циклы заморозки и оттаивания, которые на древней Земле могли продолжаться миллионы лет, оказались не препятствием для зарождения жизни, а её двигателем.