JEDNO od najvećih pitanja u znanosti je kako je život na Zemlji započeo. Evoluciju nakon nastanka prvih oblika života dobro razumijemo, međutim, abiogeneza - nastanak života iz neživih sastojaka - još uvijek je nedovoljno razjašnjena. Novo istraživanje, objavljeno u prestižnom znanstvenom časopisu Science Advances, sugerira da su ključnu ulogu u nastanku protostanica mogle odigrati kišne kapi.

Prvi život vjerojatno se temeljio na RNA

RNA ili ribonukleinsku kiselinu uglavnom se smatra molekulom koja je bila temelj razvoja prvih živih organizama. Ona je mogla prethoditi današnjoj DNA i stvaranju proteina.

Za razliku od DNA, koja je dvolančana i stabilna, RNA je jednolančana i sposobna je preuzeti različite uloge, uključujući pohranu genetske informacije i kataliziranje kemijskih reakcija. Ove osobine čine ju potencijalno idealnim kandidatom za molekulu za nastanak prvih oblika života.

Međutim, jedna od glavnih prepreka u razumijevanju nastanka života je pitanje kako su te prve molekule RNA mogle ostati stabilne i kako su mogle stvoriti prve protostanice - jednostavne strukture s membranama koje su mogle obavljati osnovne životne funkcije.

Kišne kapi i stvaranje koacervata

Novo istraživanje donosi važan uvid u moguće rješenje ovog problema.

Znanstvenici su u eksperimentima pokazali da su u prebiotičkim uvjetima, kakvi su vladali na ranoj Zemlji, kapi kiše mogle igrati ključnu ulogu u stvaranju stabilnih molekularnih struktura. Ove strukture, poznate kao koacervati, u biti su jednostavne mikrokapljice koje sadrže različite organske molekule, uključujući RNA.

Kada je kišna kap pala na površinu prekrivenu molekulama RNA i drugih organskih spojeva, mogla je uzrokovati stvaranje koacervata.

Problem u modelu koacervata

Mikrokapljice koacervata bez membrana već se dugo smatra mogućim modelom protostanica jer mogu rasti te koncentrirati i dijeliti RNA.

Međutim, brzo stapanje koacervata bez membrana te brza izmjena RNA između njih, u rokovima od nekoliko minuta, značili bi da pojedinačne kapljice ne bi mogle održati svoje zasebne genetske identitete.

Nepostojanje različitosti onemogućilo bi kompeticiju i Darwinovu evoluciju, a populacija bi bila podložna kolapsu zbog brzog širenja parazitskih RNA.

U novoj studiji znanstvenici su pokazali da destilirana voda, koja oponaša kišu, dovodi do stvaranja elektrostatskih poprečnih veza među molekulama na površinama koacervatnih kapljica, koje ne samo da onemogućavaju njihovo stapanje na neodređeno vrijeme već i omogućavaju prostorno-vremensku kompartmentalizaciju RNA na vremenskoj skali od više dana.

Autori sugeriraju da bi takve nestopljene kapljice bez membrane mogle djelovati kao protostanice.

Uloga membrane u stabilizaciji protostanica

No, najzanimljivije u novom istraživanju je otkriće da kapi kiše nisu imale samo mogućnost stvaranja koacervata nego su također mogle pomoći u stvaranju stabilnih membrana oko njih.

Naime, studija je pokazala da su prirodni procesi, poput padanja kiše, mogli spontano stvoriti takve membrane i tako ostvariti ključan korak u nastanku protostanica.

Membrane koacervata mogle su nastati zbog privlačnih sila između molekula. Primjer su tzv. amfifilne molekule koje imaju dva dijela: jedan dio je hidrofoban (odbija vodu), a drugi je hidrofilan (privlači vodu). Zbog ove dvostruke prirode amfifilne molekule mogu se spontano organizirati u strukture poput lipidnih dvoslojeva kada su u kontaktu s vodom. Ove molekule ključne su za formiranje bioloških membrana, pri čemu se njihov hidrofilni dio okreće prema vodi, a hidrofobni prema unutrašnjosti membrane. Primjeri uključuju amfifilne fosfolipide koji čine dvoslojne membrane u današnjim stanicama i organelama.

Takve membrane omogućile bi da se organske molekule grupiraju i formiraju dvoslojeve slične membranama stanica. Ove membrane omogućile bi koacervatima da zadrže određene molekule poput RNA unutar sebe, čime bi se stvorilo stabilno mikrookruženje za biokemijske reakcije, što je ključno za razvoj ranih oblika života.

Evolucija u kapima kiše

Još jedan zanimljiv aspekt novog istraživanja je ideja da su kišne kapi mogle igrati ulogu u ubrzavanju evolucije molekule RNA. Naime, unutar kapljica molekule RNA bile bi koncentrirane i izložene stalnim promjenama uvjeta, kao što su pH vrijednost, temperatura i dostupnost hranjivih tvari.

Ove promjene mogle su potaknuti mutacije u RNA, od kojih bi neke bile korisne za preživljavanje u specifičnom mikrookruženju. Postupno, kroz niz ciklusa padanja kiše i sušenja, ove molekule RNA mogle su evoluirati u složenije strukture koje su sve više nalikovale onima u živim organizmima.

Taj proces, koji bi se moglo nazvati "evolucijom u kapima kiše", predstavlja zanimljivu perspektivu moguće rane faze razvoja života na Zemlji.

Implikacije za istraživanje života izvan Zemlje

Ovo otkriće ima važne implikacije za istraživanje života izvan našeg planeta.

Naime, ako su jednostavni prirodni procesi, poput padanja kiše, mogli pokrenuti stvaranje života, slični procesi mogli bi dovesti do nastanka života na drugim planetima.

Planeti ili mjeseci sa sličnim atmosferskim uvjetima kao što su Zemljini mogli bi imati kapljice tekućine (bilo da se radi o vodi, metanu ili nekoj drugoj tvari) koje bi mogle stvarati koacervate i protostanice.

Primjerice, Saturnov mjesec Titan ima rijeke, jezera i kiše metana, koji bi mogli djelovati na sličan način kao kiše na ranoj Zemlji.

Potvrda hipoteze iz 1930-ih

Molekularni biolog Kristian Vlahoviček s PMF-a u Zagrebu kaže da je sovjetski biokemičar Aleksandar Oparin još 1930-ih postavio tzv. koacervatnu hipotezu i pretpostavio da je za postojanje života nužno odvajanje stanice kao sustava od okoliša.

"Ideje o nastajanju takve separacije uglavnom su išle u smjeru formiranja stanica unutar poroznih stijena, međutim, u ovom zanimljivom članku istraživači iz SAD-a uspjeli su pokazati da je koacervate moguće dobiti miješanjem dvaju kemijskih spojeva i čiste vode", rekao je za Index Vlahoviček.

"Zanimljivo je da je jedan od tih kemijskih spojeva upravo neophodan u današnjem živom svijetu i služi za pohranu energije, a to je adenozin trifosfat ili ATP, što bi dodatno moglo objasniti ne samo stvaranje stanica nego i mehanizam kojim se takvim stanicama osigurava energija za kemijske i metaboličke procese", dodao je.

Novo istraživanje, nova pitanja

Vlahoviček kaže da je jedno od otvorenih pitanja koja proizlaze iz novog istraživanja uvjet da voda koja uzrokuje stvaranje koacervatnih kapljica ne sadrži velike količine soli jer one dovode do njihove brze razgradnje.

"Međutim, količina soli unutar današnjih stanica veća je nego u okolini, uz hipotezu da je takav sastav stanica preslikao sastav pramora u kojima je život nastao. Stoga ovaj rad otvara niz dodatnih i izuzetno zanimljivih pitanja, koja će nam pomoći da spoznamo i što bolje objasnimo sve mehanizme koji su doveli do stvaranja i evolucije života tijekom skoro četiri milijarde godina na našem planetu", poručio je Indexov znanstveni kolumnist.