Μάλλον καταλάβαμε τι έκανε τα πρώτα κύτταρα να εξελιχθούν

Το 1924, ο Ρώσος βιοχημικός Alexander Oparin πρότεινε μια θεωρία ότι τα πρώτα ζωντανά κύτταρα εξελίχθηκαν από πρωτοκύτταρα που ήταν υγρά σταγονίδια (droplet protocells). Αυτά τα σταγονίδια συγκρατούσαν χημικές ενώσεις και επέτρεπαν τις αντιδράσεις μεταξύ τους αλλά δεν είχαν μεμβράνη.

Σήμερα, φυσικοί από το Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems και βιολόγοι από το Institute of Molecular Cell Biology and Genetics, στη Δρέσδη της Γερμανίας, βασίζονται στην ιδέα του Oparin και προτείνουν μια θεωρία για το πώς εξελίχθηκαν τα πρωτοκύτταρα, όταν η Γη ήταν μία σούπα.

Τα σταγονίδια δεν ήταν παθητικά, όπως μια σταγόνα λαδιού που όσο λάδι και να προσθέσεις ενσωματώνεται στο υπόλοιπο. Οι επιστήμονες με βάση της φυσική των χημικά ενεργών σταγονιδίων πιστεύουν ότι αναπτύσσονταν ως ένα μέγεθος και μετά διαιρούνταν. 

Αυτή η συμπεριφορά είναι παρόμοια με τα τωρινά κύτταρα και θα μπορούσε να είναι το ενδιάμεσο στάδιο από όταν τα χημικά στοιχεία απλώς υπήρχαν στον πλανήτη μέχρι την ανάπτυξη της ζωής.

Για να στηρίξουν την υπόθεσή τους οι ερευνητές μελέτησαν τη φυσική των κεντρομερών (centrosomes), οργανίδια ενεργά κατά την κυτταρική διαίρεση στα ζωικά κύτταρα, που συμπεριφέρονται σαν σταγονίδια.

Μοντελοποίησαν το σύστημα ενός κεντρομερούς εκτός ισορροπίας που ήταν χημικά ενεργό και αντάλλασσε συνεχώς πρωτεΐνες με το περιβάλλον υγρό κυτταρόπλασμα.

Στο σύστημα οι πρωτεΐνες συμπεριφέρονταν είτε σαν διαλυτές (κατάσταση A) είτε σαν αδιάλυτες (κατάσταση B). Και μια πηγή ενέργειας μπορούσε να πυροδοτήσει την αντιστροφή της κατάστασή τους, κάνοντας μια πρωτεΐνη σε κατάσταση Α να μεταμορφωθεί σε κατάσταση Β ξεπερνώντας ένα χημικό φράγμα. Όσο υπήρχε αυτή η πηγή ενέργειας γινόταν και η χημική αντίδραση.

Στην περίπτωση των πρωτοκυττάρων αυτή η πηγή ενέργειας ήταν το φως του Ήλιου.

Ο Oparin πίστευε ότι οι αστραπές και η γεωθερμική δραστηριότητα στα πρώτα χρόνια της Γης πυροδότησαν τέτοιες χημικές αντιδράσεις στα υγρά πρωτοκύτταρα.

Αυτή η συνεχής εισροή-εκροή χημικών ενώσεων θα είχε ισορροπία αν είχε ένα συγκεκριμένο μέγεθος, και αφού το πρωτοκύτταρο το έφτανε θα σταματούσε να αναπτύσσεται. Σύμφωνα με την προσομοίωση, τα σταγονίδια θα μπορούσαν να φτάσουν από δεκάδες έως εκατοντάδες μικρόμετρα, παρόμοια κλίμακα έχουν και τα κύτταρα.

Το επόμενο στάδιο είναι να βρεθεί πότε τα πρωτοκύτταρα ανέπτυξαν την ικανότητα να μεταφέρουν γενετική πληροφορία.

Ανέπτυξαν μεμβράνες ίσως από τις κρούστες που δημιουργούσαν τα λιπίδια που προτιμούν να στοιχίζονται στο σύνορο του σταγονίδιου με το περιβάλλον υγρό.

Το πώς άρχισαν να δημιουργούνται τα πρώτα γονίδια παραμένει επίσης μυστήριο. Ίσως για να προστατέψουν το εσωτερικό του σταγονιδίου τα γονίδια άρχισαν να κωδικοποιούν τις μεμβράνες.

Δεν είναι γνωστό πόση ενέργεια και χρόνο χρειάστηκε το πρωτοκύτταρο να αναπτυχθεί σε ζωντανό κύτταρο και τα κύτταρα σε πολύπλοκους οργανισμούς.

Δισεκατομμύρια χρόνια μας χωρίζουν από τότε που συνέβησαν όλα αυτά τα κρίσιμα γεγονότα και για αυτό είναι λογικό να δυσκολευόμαστε να τα κατανοήσουμε.

--

Πηγές:

1. ALEXANDER OPARIN (1894 - 1980) physicsoftheuniverse.com
2. Zwicker, D., Seyboldt, R., Weber, C. A., Hyman, A. A., & Jülicher, F. (2017). Growth and division of active droplets provides a model for protocells. Nature Physics, 13(4), 408-413.
3. Hyman, T., & Brangwynne, C. (2012). In retrospect: the origin of life. Nature, 491(7425), 524-525.