מחקר שנערך לאחרונה על ידי Scripps Research מציע מסלול אמין להיווצרות ואבולוציה מוקדמת של פרוטו-תאים, המצביע על כך שייתכן שהזרחון היה חיוני בפיתוח מבשרים מורכבים ופונקציונליים לחיים על פני כדור הארץ לפני כ-4 מיליארד שנים. גילוי זה משפר את הבנתנו את מקורות החיים ואת הסביבה הכימית המוקדמת של כדור הארץ. קרדיט: twoday.co.il.com
גילוי אחרון של פוספוליפיד חדש מצמצם את הפער בהבנה כיצד הופיעו תאים ראשוניים במהלך מוצא החיים.
לפני כ-4 מיליארד שנים, כדור הארץ היה בתהליך של יצירת תנאים מתאימים לחיים. מדעני מקור החיים תוהים לעתים קרובות אם סוג הכימיה שנמצא על כדור הארץ המוקדם היה דומה למה שהחיים דורשים היום. הם יודעים שאוספים כדוריים של שומנים, הנקראים פרוטו-תאים, היו המבשר לתאים במהלך הופעת החיים הזו. אבל איך פרוטו-תאים פשוטים התעוררו לראשונה והתגוונו כדי להוביל בסופו של דבר לחיים על פני כדור הארץ?
כעת, מדעני מחקר של Scripps גילו מסלול אחד מתקבל על הדעת כיצד ייתכן שפרוטו-תאים נוצרו לראשונה והתקדמו מבחינה כימית כדי לאפשר מגוון פונקציות.
הממצאים, שפורסמו לאחרונה בכתב העת Chem, מצביעים על כך שתהליך כימי הנקרא פוספורילציה (שבו מוסיפים קבוצות פוספט למולקולה) עשוי התרחש מוקדם מהצפוי בעבר. זה יוביל לפרוטו-תאים מורכבים יותר מבחינה מבנית, בעלי שרשרת כפולה המסוגלים להכיל תגובות כימיות ולהתחלק עם מגוון מגוון של פונקציות. על ידי גילוי כיצד נוצרו פרוטו-תאים, מדענים יכולים להבין טוב יותר כיצד אבולוציה מוקדמת הייתה יכולה להתרחש.
אבני הבניין לחיים
"בשלב מסוים, כולנו תוהים מאיפה באנו. כעת גילינו דרך מתקבלת על הדעת שאפשר היה לשלב פוספטים במבנים דמויי תאים מוקדם מכפי שחשבו בעבר, מה שמציב את אבני הבניין לחיים", אומר רמאנראינן קרישנמורתי, Ph.D., מתכתב שותף בכיר ופרופסור ב- המחלקה לכימיה במחקר סקריפס. "ממצא זה עוזר לנו להבין טוב יותר את הסביבות הכימיות של כדור הארץ הקדום כדי שנוכל לחשוף את מקורות החיים וכיצד החיים יכולים להתפתח על כדור הארץ המוקדם."
קרישנמורתי וצוותו חוקרים כיצד התרחשו תהליכים כימיים וגרמו לכימיקלים הפשוטים והתצורות שהיו לפני הופעת החיים בכדור הארץ הפרה-ביוטי. קרישנמורתי הוא גם מנהיג שותף של א נאס"א יוזמה שחוקרת כיצד חיים צצו מסביבות מוקדמות אלו.
שלפוחיות בתוך המבנה דמוי הפרוטוק. קרדיט: Scripps Research
במחקר זה, קרישנמורתי וצוותו שיתפו פעולה עם המעבדה של ביו-פיזיקאי החומר הרך, אשוק דניז, דוקטורט, מחבר בכיר ופרופסור משותף במחלקה לביולוגיה אינטגרטיבית מבנית וחישובית במחקר Scripps. הם ביקשו לבחון אם ייתכן שהיו מעורבים פוספטים במהלך היווצרותם של פרוטו-תאים. פוספטים נמצאים כמעט בכל תגובה כימית בגוף, ולכן קרישנמורתי חשד שהם היו נוכחים מוקדם מכפי שסברו בעבר.
מדענים חשבו שפרוטו-תאים נוצרים מחומצות שומן, אך לא היה ברור כיצד פרוטו-תאים עברו משרשרת בודדת לשרשרת כפולה של פוספטים, וזה מה שמאפשר להם להיות יציבים יותר ולהכיל תגובות כימיות.
תובנות ניסיוניות על אבולוציה של פרוטוסל
המדענים רצו לחקות תנאים פרה-ביוטיים סבירים – הסביבות שהיו קיימות לפני הופעת החיים. תחילה הם זיהו שלוש תערובות סבירות של כימיקלים שעלולות ליצור שלפוחיות, מבנים כדוריים של שומנים הדומים לפרוטוקולים. הכימיקלים בהם נעשה שימוש כללו חומצות שומן וגליצרול (תוצר לוואי נפוץ של ייצור סבון שאולי היה קיים במהלך כדור הארץ הקדום). לאחר מכן, הם צפו בתגובות של תערובות אלה והוסיפו כימיקלים נוספים כדי ליצור תערובות חדשות. תמיסות אלה צוננו וחוממו על חזרה למשך הלילה עם קצת ניעור כדי לקדם תגובות כימיות.
וינה קולרי, דוקטורט; אשוק דניז, דוקטור; ו-Sunil Pulletikurti, PhD. קרדיט: Scripps Research
לאחר מכן הם השתמשו בצבעי פלורסנט כדי לבדוק את התערובות ולשפוט אם התרחשה היווצרות שלפוחית. במקרים מסוימים, החוקרים גם שינו את ה-pH ואת היחסים של הרכיבים כדי להבין טוב יותר כיצד גורמים אלה השפיעו על היווצרות שלפוחית. הם גם בחנו את השפעת יוני המתכת והטמפרטורה על יציבות השלפוחיות.
"השלפוחיות היו מסוגלות לעבור משומן חוּמצָה הסביבה לסביבה של פוספוליפידים במהלך הניסויים שלנו, מה שמרמז על כך שסביבה כימית דומה הייתה יכולה להתקיים לפני 4 מיליארד שנים", אומר הסופר הראשון Sunil Pulletikurti, חוקר פוסט-דוקטורט במעבדתו של קרישנמורתי.
מסתבר שאולי חומצות שומן וגליצרול עברו זרחון כדי ליצור את אותו מבנה יציב יותר, כפול שרשרת. בפרט, ייתכן שאסטרים של חומצות שומן שמקורן בגליצרול הובילו לשלפוחיות עם סובלנות שונה ליוני מתכת, לטמפרטורות ו-pH – שלב קריטי בגיוון האבולוציה.
"גילינו מסלול אחד סביר לאופן שבו פוספוליפידים יכלו להופיע במהלך תהליך האבולוציה הכימי הזה", אומר דניז. "זה מרגש לחשוף כיצד הכימיה המוקדמת עשויה לעבור מעבר כדי לאפשר חיים על פני כדור הארץ. הממצאים שלנו מרמזים גם על שפע של פיזיקה מסקרנת שאולי מילאה תפקידים תפקודיים מרכזיים בדרך לתאים מודרניים."
לאחר מכן, המדענים מתכננים לבחון מדוע חלק מהשלפוחיות התמזגו בעוד שאחרות חולקו כדי להבין טוב יותר את התהליכים הדינמיים של פרוטו-תאים.
העבודה נתמכה על ידי נאס"א אסטרוביולוגיה-אקסוביולוגיה (מענק 80NSSC20K0625) וקרן סימונס (מענק 327124FY19).
