לפני כ-4 מיליארד שנים, כדור הארץ פיתח 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 באינטרנט ב-29 בפברואר 2024, בכתב העת Chem, מצביעים על כך שתהליך כימי הנקרא פוספורילציה (שבו מוסיפים קבוצות פוספט למולקולה) עשוי התרחש מוקדם מהצפוי בעבר. זה יוביל לפרוטוקולים מורכבים יותר מבחינה מבנית, משורשרים כפולים 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.
בשלב מסוים, כולנו תוהים מאיפה באנו. כעת גילינו דרך מתקבלת על הדעת שפוספטים יכלו להשתלב במבנים דמויי תאים מוקדם מכפי שחשבו בעבר, מה שמציב את אבני הבניין לחיים. ממצא זה עוזר לנו להבין טוב יותר את הסביבות הכימיות של כדור הארץ הקדום, כך שנוכל לחשוף את מקורות החיים וכיצד החיים יכולים להתפתח על כדור הארץ המוקדם."
Ramanarayanan Krishnamurthy, PhD, שותף מתכתב סופר בכיר ופרופסור במחלקה לכימיה ב-Scripps Research
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 יוזמה של נאס"א החוקרת כיצד חיים צצו מסביבות מוקדמות אלו.
במחקר זה, קרישנמורתי וצוותו שיתפו פעולה עם המעבדה של הביו-פיזיקאי של החומר הרך Ashok Deniz, PhD, מחבר בכיר ופרופסור 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.
המדענים רצו לחקות תנאים פרה-ביוטיים סבירים – הסביבות שהיו קיימות לפני הופעת החיים. הם זיהו תחילה 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.
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 הצליחו לעבור מסביבת חומצות שומן לסביבה של פוספוליפידים במהלך הניסויים שלנו, מה שמרמז על כך שסביבה כימית דומה הייתה יכולה להתקיים לפני 4 מיליארד שנים", אומר הסופר הראשון סוניל פולטיקורטי, חוקר פוסט-דוקטורט במעבדתו של קרישנמורתי.
מסתבר שייתכן שחומצות שומן וגליצרול עברו זרחון כדי ליצור את אותו מבנה שרשרת כפול יציב יותר. 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 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 התחלקו כדי להבין טוב יותר את התהליכים הדינמיים של פרוטו-תאים.
