Дождь мог помочь сформировать первые клетки, запустив жизнь в том виде, в каком мы её знаем

Современные клетки невероятно сложны. Внутри них находятся органеллы, выполняющие специфические функции, такие как хранение генетического материала (ядро) и производство энергии (митохондрии). Клеточная мембрана с встроенными белками контролирует движение веществ. Но как самые ранние, простейшие клетки удерживались вместе до появления сложных мембран?

В нашем исследовании, опубликованном в Science Advances, мы с коллегами из Чикагского и Хьюстонского университетов изучили возможность того, что дождевая вода сыграла решающую роль в стабилизации ранних клеток.

Происхождение жизни

Один из самых интригующих вопросов — как неживая материя превратилась в живые клетки, способные к репликации, метаболизму и эволюции. Эксперимент Миллера-Юри в 1953 году показал, что из простых неорганических соединений можно синтезировать аминокислоты.

Ученые полагают, что первые формы жизни, протоклетки, спонтанно возникли из органических молекул. Эти примитивные структуры, вероятно, состояли из двух компонентов: матричного материала (структурный каркас) и генетического материала. Для химических реакций им требовалась стабильная среда, концентрирующая реагенты.

Пузырьки против капель

Ученые предлагают две основные модели протоклеток:

1. Везикулы — крошечные пузырьки из липидов, напоминающие мембрану современных клеток. Однако без специализированных белков их способность взаимодействовать с окружающей средой была ограничена.
2. Коацерваты — капли, образованные скоплением органических молекул (пептидов, нуклеиновых кислот) за счет электростатических сил. Они не имеют мембраны, что облегчает обмен материалами с водой и ускоряет реакции. Это делает их хорошим кандидатом в протоклетки, но создает проблему утечки генетического материала.

Нестабильные и «протекающие» протоклетки

Александр Опарин предположил, что коацерваты были самой ранней моделью протоклеток. Однако отсутствие мембраны приводило к быстрому слиянию капель и быстрому обмену РНК (считается самой ранней формой самовоспроизводящейся молекулы) между ними. Это препятствовало формированию стабильных, уникальных генетических последовательностей и компартментализации, необходимой для естественного отбора и эволюции.

Дождевая вода и РНК

В 2022 году я показал, что капли коацерватов можно стабилизировать, поместив их в деионизированную воду (без растворенных ионов). Капли выбрасывают мелкие ионы в воду, что позволяет противоположно заряженным полимерам на периферии сблизиться и образовать сетчатый «кожух». Эта «стенка» эффективно препятствует слиянию.

В последующих экспериментах с коллегами, включая Джека Шостака, мы смешали две популяции протоклеток, обработанных деионизированной водой, одна из которых содержала РНК. РНК оставалась внутри своих протоклеток в течение дней. В контрольном эксперименте с необработанными протоклетками РНК диффундировала за секунды.

Затем мы с коллегой Анушей Вонтедду проверили дождевую воду — естественный источник воды, свободной от ионов. Оказалось, что она также стабилизирует протоклетки против слияния. Мы полагаем, что дождь мог проложить путь для формирования первых клеток.

Междисциплинарный подход

Изучение истоков жизни требует понимания геологических, химических и экологических условий на ранней Земле около 3,8 миллиарда лет назад. Поэтому в этих исследованиях участвуют не только биологи, но и химики, инженеры и ученые из других областей. Сейчас мои исследования сосредоточены на самом начале репликации генов в протоклетках, в отсутствие современных белков.