Η κρατούσα θεωρία καθιστά απαραίτητο ένα θερμό περιβάλλον.
Για την παρουσία της ζωής στη Γη υπάρχουν διάφορες θεωρίες όσον αφορά την προέλευση των δομικών υλικών της ζωής αλλά σε κάθε περίπτωση οι ειδικοί συμφωνούν ότι η αλληλεπίδραση και εξέλιξη των δομικών υλικών απαιτεί ζεστό θερμοκρασιακά περιβάλλον. Μια νέα μελέτη καταρρίπτει αυτή την πεποίθηση αναφέροντας ότι η ζωή μπορεί να αναπτύχθηκε σε παγωμένες συνθήκες.
Η ερευνητική ομάδα πραγματοποίησε πειράματα που αποκαλύπτουν ότι οι ακόρεστες λιπιδικές μεμβράνες προάγουν τη σύντηξη κυστιδίων και τη διατήρηση DNA κατά τη διάρκεια κύκλων ψύξης και απόψυξης κάτι που αναδεικνύει παγωμένα περιβάλλοντα ως πιθανούς παράγοντες της εξέλιξης των πρωτοκυττάρων.
Τα σημερινά κύτταρα είναι εξαιρετικά πολύπλοκα. Περιέχουν εσωτερικό σκελετό γνωστό ως κυτταροσκελετό, προσεκτικά ρυθμιζόμενες χημικές αντιδράσεις εντός και εκτός του κυττάρου και γενετικό υλικό που καθορίζει σχεδόν όλες τις πτυχές της συμπεριφοράς τους.
Αυτή η πολυπλοκότητα επιτρέπει στα κύτταρα να προσαρμόζονται σε πολλά περιβάλλοντα και να ανταγωνίζονται επιτυχώς με βάση την καταλληλότητα τους. Αντίθετα οι πρώιμες δομές που έμοιαζαν με κύτταρα ήταν πιθανότατα πολύ απλούστερες αποτελούμενες από μικρές λιπιδικές φυσαλίδες που παγίδευαν βασικά οργανικά μόρια. Η κατανόηση του πώς τέτοια πρωτόγονες δομές μετατράπηκαν σε πλήρως ανεπτυγμένα σύγχρονα κύτταρα παραμένει μία από τις κεντρικές προκλήσεις στην έρευνα για την προέλευση της ζωής.
Τα μοντέλα
Οι ερευνητές διερεύνησαν πώς απλά μοντέλα πρωτοκυττάρων ανταποκρίνονται σε ρεαλιστικές, μη ισορροπιακές συνθήκες που θεωρείται ότι έμοιαζαν με εκείνες της πρώιμης Γης.
Αντί να προωθήσει μια ενιαία θεωρία για το πώς ξεκίνησε η ζωή η ερευνητική ομάδα επικεντρώθηκε στη δοκιμή του πώς οι μεταβολές στη χημεία της μεμβράνης επηρεάζουν την ανάπτυξη των πρωτοκυττάρων, τη σύντηξη και την ικανότητα διατήρησης βιομορίων κατά τη διάρκεια κύκλων ψύξης και απόψυξης.
Για να το διερευνήσουν οι επιστήμονες μελέτησαν πώς η σύσταση μιας μεμβράνης επηρεάζει την ανάπτυξη και τη συμπεριφορά των πρωτοκυττάρων. Δημιούργησαν μικροσκοπικές σφαιρικές δομές που μοιάζουν με φυσαλίδες, γνωστές ως μεγάλα μονοστιβάδικα κυστίδια, χρησιμοποιώντας τρεις τύπους φωσφολιπιδίων: POPC, PLPC και DOPC, μόρια παρόμοια με εκείνα που βρίσκονται στις σύγχρονες κυτταρικές μεμβράνες.
«Χρησιμοποιήσαμε φωσφατιδυλοχολίνη ως συστατικό μεμβράνης, λόγω της χημικής της συνέχειας με τα σύγχρονα κύτταρα, της πιθανής διαθεσιμότητάς της σε προβιοτικές συνθήκες και της ικανότητάς της να συγκρατεί βασικά περιεχόμενα» δήλωσε ο Τατσούα Σινόντα υποψήφιος διδάκτορας στο Earth Life Science Institute του Ινστιτούτου Επιστήμης του Τόκιο κύριος συγγραφέας της μελέτης.
Τα πειράματα
Αν και αυτά τα μόρια είναι στενά συγγενικά οι δομές τους διαφέρουν με σημαντικούς τρόπους. Το POPC περιέχει μία ακόρεστη αλκυλοαλυσίδα με έναν διπλό δεσμό. Το PLPC έχει επίσης μία ακόρεστη αλκυλοαλυσίδα, αλλά με δύο διπλούς δεσμούς. Το DOPC διαθέτει δύο ακόρεστες αλκυλοαλυσίδες, καθεμία με έναν διπλό δεσμό. Αυτές οι λεπτές διαφορές επηρεάζουν τη συμπεριφορά της μεμβράνης. Το POPC τείνει να δημιουργεί σχετικά άκαμπτες μεμβράνες, ενώ τα PLPC και DOPC σχηματίζουν πιο ρευστές μεμβράνες.
Στη συνέχεια η ομάδα υπέβαλε τα κυστίδια σε επαναλαμβανόμενους κύκλους ψύξης και απόψυξης, ώστε να προσομοιώσει τις διακυμάνσεις θερμοκρασίας που ενδέχεται να βίωναν τα πρώιμα πρωτοκύτταρα. Μετά από τρεις τέτοιους κύκλους, τα κυστίδια πλούσια σε POPC συσσωματώθηκαν σε πυκνά συμπλέγματα. Αντίθετα, τα κυστίδια που περιείχαν PLPC ή DOPC συγχωνεύτηκαν σε πολύ μεγαλύτερα διαμερίσματα. Η πιθανότητα σύντηξης και ανάπτυξης αυξανόταν όσο αυξανόταν το ποσοστό του PLPC. Συνολικά, τα λιπίδια με περισσότερους ακόρεστους δεσμούς εμφάνισαν μεγαλύτερη τάση για σύντηξη και επέκταση.
«Υπό την καταπόνηση που προκαλεί ο σχηματισμός κρυστάλλων πάγου, οι μεμβράνες μπορεί να αποσταθεροποιηθούν ή να κατακερματιστούν, απαιτώντας δομική αναδιοργάνωση κατά την απόψυξη. Η πιο χαλαρή πλευρική οργάνωση λόγω υψηλότερου βαθμού ακόρεστου χαρακτήρα μπορεί να εκθέτει περισσότερες υδρόφοβες περιοχές κατά την αναδόμηση της μεμβράνης, διευκολύνοντας τις αλληλεπιδράσεις με γειτονικά κυστίδια και καθιστώντας τη σύντηξη ενεργειακά ευνοϊκή» αναφέρει η Νατσούμι Νόντα ερευνήτρια στο ELSI.
Τα ευρήματα
Τα αποτελέσματα αυτά έχουν σημαντικές συνέπειες για την πρώιμη εξέλιξη. Όταν τα κυστίδια συγχωνεύονται, τα μόρια που παγιδεύονται στο εσωτερικό τους μπορούν να αναμειχθούν και ενδεχομένως να αντιδράσουν. Στο χημικά πλούσιο περιβάλλον της πρώιμης Γης τέτοια γεγονότα συγχώνευσης μπορεί να έφεραν σε επαφή βασικά συστατικά απαραίτητα για ολοένα και πιο «ζωόμορφα» συστήματα.
Για να δοκιμάσουν αυτή την ιδέα, οι ερευνητές συνέκριναν πόσο αποτελεσματικά τα κυστίδια από 100% POPC και 100% PLPC διατηρούσαν DNA. Τα κυστίδια PLPC όχι μόνο παγίδευσαν περισσότερο DNA πριν από την επεξεργασία με κύκλους ψύξης και απόψυξης, αλλά διατήρησαν και μεγαλύτερες ποσότητες DNA από τα κυστίδια POPC μετά από κάθε κύκλο.
Τα περισσότερα σενάρια για την προέλευση της ζωής εστιάζουν σε περιβάλλοντα όπως επιφάνειες ξήρανσης και επαναύγρανσης στην ξηρά ή υδροθερμικές πηγές στον πυθμένα των ωκεανών. Η μελέτη αυτή υποδηλώνει ότι και οι παγωμένες περιοχές θα μπορούσαν να έχουν διαδραματίσει σημαντικό ρόλο. Στην πρώιμη Γη, κύκλοι ψύξης και απόψυξης πιθανότατα συνέβαιναν επανειλημμένα σε μεγάλα χρονικά διαστήματα.
Καθώς σχηματιζόταν ο πάγος απωθούσε τις διαλυμένες ουσίες από τους αναπτυσσόμενους κρυστάλλους, συγκεντρώνοντας οργανικά μόρια και κυστίδια στο εναπομείναν υγρό. Μεμβράνες αποτελούμενες από πιο ακόρεστα φωσφολιπίδια είναι πιο χαλαρά συσκευασμένες, γεγονός που ενθαρρύνει τη σύντηξη των κυστιδίων και την ανάμειξη του περιεχομένου τους. Ταυτόχρονα, οι ιδιαίτερα ρευστές μεμβράνες μπορεί να είναι ευάλωτες υπό την καταπόνηση που προκαλούν οι κύκλοι ψύξης και απόψυξης, αυξάνοντας τον κίνδυνο διαρροής του εσωτερικού περιεχομένου.
Έτσι δημιουργείται ένας συμβιβασμός μεταξύ διαπερατότητας και σταθερότητας. Η σύσταση της μεμβράνης που αποδίδει καλύτερα εξαρτάται από τις περιβαλλοντικές συνθήκες.
«Μια αναδρομική επιλογή κυστιδίων που αναπτύχθηκαν μέσω κύκλων ψύξης και απόψυξης σε διαδοχικές γενιές θα μπορούσε να επιτευχθεί με την ενσωμάτωση μηχανισμών διαίρεσης, όπως η ωσμωτική πίεση ή η μηχανική διάτμηση. Με την αύξηση της μοριακής πολυπλοκότητας, το ενδοκυστιδιακό σύστημα, δηλαδή οι λειτουργίες που κωδικοποιούνται από γονίδια, ενδέχεται τελικά να καθορίσει την καταλληλότητα των πρωτοκυττάρων, οδηγώντας έτσι στην εμφάνιση ενός πρωταρχικού κυττάρου ικανού για δαρβινική εξέλιξη», εξηγεί ο Τομαόκι Ματσούρα καθηγητής στο ELSI και επικεφαλής ερευνητής της μελέτης.
