Происхождение жизни: первые клетки могли использовать температуру для деления

Простой механизм мог лежать в основе роста и самовоспроизведения протоклеток — предполагаемых предков современных живых клеток — предполагает исследование, опубликованное в Biophysical Journal. Протоклетки представляют собой везикулы, ограниченные мембранным бислоем, и потенциально подобны первому одноклеточному общему предку (first unicellular common ancestor, FUCA).

На основе относительно простых математических принципов предложенная модель предполагает, что основной движущей силой роста и размножения протоклеток является разница температур между внутренней и внешней частью цилиндрической протоклетки в результате внутренней химической активности.

«Первоначальной мотивацией нашего исследования было выявить основные силы, движущие клеточным делением», — говорит автор исследования Ромен Аттал. «Это важно, потому что рак характеризуется неконтролируемым делением клеток. Это также важно для понимания происхождения жизни».

Деление клетки с образованием двух дочерних клеток требует синхронизации многочисленных биохимических и механических процессов с участием цитоскелетных структур внутри клетки. Но в истории жизни такие сложные конструкции считались высокотехнологичной роскошью и, должно быть, появились намного позже, чем способность к делению.

Протоклетки должны были использовать простой механизм деления для обеспечения своего воспроизводства до появления генов, РНК, ферментов и всех сложных органелл, присутствующих сегодня, даже в самых рудиментарных формах автономной жизни.

В новом исследовании ученые предложили модель, основанную на идее, что ранние формы жизни были простыми пузырьками, содержащими определенную сеть химических реакций — предшественником современного клеточного метаболизма. Основная гипотеза состоит в том, что молекулы, составляющие бислой мембраны, синтезируются внутри протоклетки посредством глобальных экзотермических или высвобождающих энергию химических реакций.

 Смотрите также: Жизнь на Земле исчезнет через миллиард лет

Медленное повышение внутренней температуры заставляет самые горячие молекулы перемещаться от внутреннего слоя к внешнему. Это асимметричное движение заставляет внешний слой расти быстрее, чем внутренний. Этот дифференциальный рост увеличивает среднюю кривизну и усиливает любое локальное сжатие протоклетки до тех пор, пока она не разделится на две части. Раздел происходит около самой горячей зоны, примерно посередине.

«Описанный сценарий можно рассматривать как предшественника митоза», — говорит Ромен Аттал. «Не имея биологических архивов возрастом более 4 миллиардов лет, мы не знаем точно, что содержится в FUCA, но, вероятно, это была везикула, ограниченная липидным бислоем, инкапсулирующим некоторые экзотермические химические реакции».

Хотя эта модель носит чисто теоретический характер, ее можно проверить экспериментально. Например, можно использовать флуоресцентные молекулы для измерения изменений температуры внутри эукариотических клеток, в которых митохондрии являются основным источником тепла. Эти колебания могут быть коррелированы с началом митоза и формой митохондриальной сети.

По словам Аттала, если это будет подтверждено будущими исследованиями, эта модель будет иметь несколько важных выводов. «Важный посыл заключается в том, что движущие силы развития жизни фундаментально просты», — объясняет он. «Второй урок заключается в том, что градиенты температуры имеют значение в биохимических процессах, а клетки могут функционировать как тепловые машины».

Исследование было опубликовано в Biophysical Journal.