Sekelompok ilmuwan Amerika dan Jerman menggambarkan mekanisme di mana sel proto, yang merupakan pendahulu dari organisme hidup pertama di planet kita, memperoleh kemampuan untuk tumbuh dan membelah.
Sejak zaman kuno, orang telah tertarik dengan pertanyaan tentang asal usul kehidupan. Dalam perjalanan sejarah, beberapa hipotesis telah muncul, yang mungkin hanya teori sup purba yang memiliki nilai ilmiah. Semua yang lainnya ternyata tidak bisa dipertahankan. Kreasionisme, atau teori penciptaan ilahi, yang berasal dari akhir periode Neolitikum, dianggap tidak ilmiah; hipotesis tentang keberadaan kehidupan yang kekal sepenuhnya bertentangan dengan data paleontologis dan astronomi; hipotesis membawa kehidupan ke planet kita dari luar (konsep panspermia), pada prinsipnya, tidak menyelesaikan masalah dan, sebaliknya, menimbulkan pertanyaan tentang bagaimana kehidupan dapat muncul di dunia lain.
Untuk pertama kalinya, versi tetesan kecil pada tahap awal asal mula kehidupan dapat terbentuk karena pemisahan molekul dalam campuran kompleks karena pembagian fasa dalam coacervate (yang disebut kaldu primer) diungkapkan oleh ahli biologi Soviet Alexander Oparin, beberapa saat kemudian - oleh ilmuwan Inggris John Haldane. Menurut hipotesis, tetesan ini memberikan pembentukan pusat kimia reaktif, tetapi pada saat yang sama, masih belum jelas bagaimana mereka tumbuh dan berkembang biak.
Sebagai bagian dari studi baru, para ilmuwan telah mengamati perilaku tetesan dalam sistem yang dipertahankan oleh sumber energi eksternal dalam keadaan yang jauh dari kesetimbangan termodinamika. Dalam sistem seperti itu, pertumbuhan tetesan dilakukan dengan menambahkan bahan tetesan yang dihasilkan selama reaksi kimia. Ditemukan bahwa pertumbuhan tetesan, yang terjadi sebagai hasil dari proses kimiawi, menyebabkan ketidakstabilan bentuk tetesan dan memprovokasi pembagiannya menjadi dua tetesan yang lebih kecil.
Dengan demikian, tetesan yang aktif secara kimiawi menunjukkan siklus pertumbuhan dan pembelahan yang menyerupai perkembangbiakan jaringan pada organisme hidup akibat perbanyakan sel dengan pembelahan (proliferasi). Para peneliti berhipotesis bahwa membagi tetesan aktif dapat berfungsi sebagai model untuk sel prebiotik, di mana reaksi kimia dalam tetesan tersebut meningkatkan metabolisme prebiotik.
Tetesan cairan adalah struktur yang mengatur dirinya sendiri yang dapat hidup berdampingan dengan cairan di sekitarnya. Permukaan yang membagi dua fase yang berdekatan memberi tetesan bentuk tertentu, karena tegangan permukaan - bola. Selain itu, beberapa zat memiliki kemampuan untuk menembus permukaan tetesan coacervate. Membagi media menjadi tetesan mengakumulasi volume material yang terbatas dan menyebabkan reaksi kimia tertentu.
Para ilmuwan telah menetapkan termodinamika kelahiran setetes, tetapi pada saat yang sama mereka masih tidak memahami bagaimana ia tumbuh dan berkembang biak, yaitu, ia memiliki ciri-ciri utama yang melekat pada organisme hidup. Secara umum diterima bahwa pertumbuhan tetesan terjadi karena penyerapan bahan dari media jenuh atau proses rekondensasi - transfer zat terlarut dari partikel kecil ke partikel besar melalui pelarutan (proses ini disebut pematangan Ostwald). Dalam hal ini, tetesan kecil menghilang, hanya tetesan besar yang tersisa. Selain itu, para ilmuwan mengakui bahwa tetesan kecil dapat bergabung dan membentuk tetesan besar. Seiring waktu, semua proses ini menyebabkan peningkatan ukuran tetesan dan penurunan jumlahnya, meskipun sel proto, setelah mencapai ukuran tertentu, harus membelah menjadi dua.
Para peneliti berhipotesis bahwa tetesan coacervate yang dipertahankan jauh dari kesetimbangan termodinamika dengan bahan bakar kimia mungkin memiliki fitur yang tidak biasa, misalnya, pematangan Ostwald dengan adanya reaksi kimia dapat ditekan, dimana beberapa tetesan dapat eksis secara stabil dengan ukuran tertentu, yang diberikan oleh kecepatan. reaksi. Dalam hal ini, tetesan bola, yang mengalami reaksi kimia, secara acak dibagi menjadi dua tetesan kecil dengan ukuran yang sama. Para ilmuwan menyarankan bahwa dengan cara ini, tetesan yang aktif secara kimiawi dapat tumbuh dan membelah, dan karenanya berkembang biak, menggunakan bahan yang masuk sebagai bahan bakar. Oleh karena itu, dengan adanya reaksi kimia yang dipicu dari sumber luar, tetesan tersebut berperilaku seperti sel. Tetesan aktif semacam itu dapat menjadi model untuk pertumbuhan dan pembagian sel proto dengan metabolisme primitif, yang merupakan reaksi kimia sederhana yang didukung oleh bahan bakar eksternal.
Video promosi:
Tetesan ini adalah sejenis reservoir untuk organisasi spasial reaksi kimia tertentu. Untuk penampilan tetesan, perlu untuk memisahkan fase menjadi dua fase cair dengan komposisi berbeda, yang ada berdampingan. Fase terbagi karena aksi molekuler, di mana molekul serupa menurunkan energinya sendiri, berada di dekat satu sama lain. Cairan mampu melakukan stratifikasi jika penurunan energi yang terkait dengan aksi molekuler akibat pencampuran mengatasi efek peningkatan kekacauan. Jika interaksi semacam itu cukup kuat, maka akan terbentuk permukaan yang memisahkan fase yang hidup berdampingan. Jika bahan permukaan terbentuk dan dihancurkan oleh reaksi kimia, tetesan dapat menjadi reaktif.
Jadi, misalnya, jika kita mempertimbangkan model tetesan sederhana, kita dapat melihat bahwa model tersebut memiliki jumlah minimum kondisi yang diperlukan untuk pembentukan dan perkalian tetesan coacervate: antarmuka fase, dua fase, serta sumber energi eksternal yang menjauhkan sistem dari keadaan kesetimbangan termodinamika … Pembentukan tetesan disebabkan oleh bahan D-tetesan yang dihasilkan di dalam tetesan dari bahan N berenergi tinggi, yang bertindak sebagai nutrisi. Bahan tetesan mampu terurai menjadi komponen energi W yang lebih rendah (limbah), yang, sebagai hasil dari difusi, meninggalkan tetesan. Penurunan dapat bertahan jika ada suplai N yang kontinyu dan penghilangan W. yang konstan. Hal ini dapat dicapai melalui resirkulasi N menggunakan sumber energi eksternal, khususnya,sinar matahari atau bahan bakar tertentu.
Penulis penelitian percaya bahwa fisika tetesan aktif cukup sederhana. Paling mudah untuk dipahami dengan contoh model dengan dua komponen A dan B. Ketika fase bahan tetesan B terpisah dari pelarut, dapat berubah secara acak karena reaksi kimia BA menjadi molekul tipe A, yang larut dalam cairan latar. Setetes tersisa. Reaksi balik A-B tidak lagi spontan, karena B memiliki energi yang lebih tinggi dari A. Bahan tetesan baru B dapat diperoleh dengan reaksi A + C-B + C yang terkait dengan bahan bakar. Dalam hal ini, C adalah produk reaksi berenergi rendah dari molekul bahan bakar. Bahan bakar memberikan beda potensial kimiawi, yang memungkinkan untuk mencapai keadaan B dengan energi tinggi dari keadaan energi lebih rendah A. Beda potensial dapat konstan jikajika konsentrasi C di dalamnya diberikan oleh reservoir eksternal. Dalam hal ini, sistem dijaga jauh dari keadaan kesetimbangan termodinamika.
Ilmuwan telah mempelajari kombinasi pemisahan fasa dan reaksi kimia tidak seimbang juga dalam model kontinu. Para peneliti telah menemukan bahwa tetesan bola yang aktif secara kimiawi dapat menjadi tidak stabil dan membelah menjadi dua tetesan yang lebih kecil. Awalnya, tetesan itu tumbuh hingga mencapai ukuran stasioner. Setelah itu memanjang, membentuk bentuk halter. Halter ini kemudian dibagi menjadi dua tetesan kecil dengan ukuran yang sama. Akhirnya, tetesan yang lebih kecil mulai tumbuh lagi sampai terbentuknya divisi baru.
Sebagai catatan para ilmuwan, fenomena yang mereka modelkan dapat diamati secara langsung dalam percobaan. Menurut para peneliti, ketidakstabilan tetesan, yang dipicu oleh aliran energi eksternal dan yang mengarah ke fisi tetesan, dapat dibandingkan dengan ketidakstabilan Mullins-Sekerki, yang sering didiskusikan dalam konteks pertumbuhan kristal. Namun, berbeda dengan itu, ketidakstabilan bentuk tetesan juga dapat terjadi dengan adanya tetesan tidak tumbuh yang tidak bergerak.
Sel modern memiliki beberapa struktur kimiawi yang tidak lepas dari sitoplasma seluler oleh sebuah membran. Mereka dibentuk oleh pemisahan fase dari sitoplasma. Kebanyakan dari mereka adalah cairan dan terdiri dari protein pengikat RNA dan molekul RNA. Menurut hipotesis dunia RNA, pada periode awal kehidupan, RNA adalah pembawa informasi genetik dan berperan sebagai ribozim. Kemungkinan kombinasi RNA dengan peptida sederhana cukup untuk membentuk tetesan coacervate.
Seperti yang dicatat oleh penulis studi tersebut, transformasi tetesan yang aktif secara kimiawi dalam sel yang membelah untuk pertama kalinya adalah masalah besar untuk memahami proses evolusi awal. Berbeda dengan media tetesan eksternal dan internal, antarmuka antara media ini adalah amphiphilic. Lipid yang tidak memiliki afinitas terhadap lingkungan internal dan eksternal tetesan dapat terakumulasi di permukaan amfifilik, asalkan ada di lingkungan eksternal tetesan coacervate. Menurut para ahli, membran dalam coacervate bisa muncul jauh lebih awal dari pembelahan pertama sel protocell.
