Kropla, która ma swoje miejsce w słupie wody

Koacerwat to kropla bogatej w substancje fazy powstającej w wodzie po rozdzieleniu mieszaniny na obszary o różnym składzie. Taka kropla nie ma błony oddzielającej ją od otoczenia, a mimo to może gromadzić wybrane cząsteczki i tworzyć lokalne środowisko chemiczne.

W badaniu opisanym w Nature Communications sprawdzano, czy bardzo małe różnice w budowie składników wystarczą, aby podobne krople zajmowały różne miejsca w słupie wody. Chodziło o efekt fizyczny. „Programowanie” położenia oznaczało tu możliwość przewidywania i zmieniania zachowania kropli za pomocą składu chemicznego lub bodźca środowiskowego. Nie odnosiło się do kodu genetycznego ani programu cyfrowego.

Wynik był prosty w obserwacji, choć jego przyczyna tkwiła w mikrostrukturze. Jedne populacje kropli opadały, inne unosiły się. Po zmianie warunków mogły przemieścić się w przeciwną stronę, a następnie spotkać z populacją znajdującą się wcześniej na innym poziomie.

Trzy podobne cząsteczki, trzy różne zachowania

Badacze przygotowali koacerwaty z alkilotrimetyloamoniowych bromków, oznaczanych jako CnTAB, gdzie n przyjmowało wartości 10, 12, 14 lub 16, oraz z trzema izomerami MSA oznaczanymi jako 3-MSA, 4-MSA i 5-MSA. Izomery mają ten sam wzór sumaryczny, ale różnią się położeniem grup w cząsteczce. Taka zmiana może wpływać na sposób, w jaki cząsteczki układają się obok siebie.

O ruchu kropli decydowała jej średnia gęstość w porównaniu z gęstością otaczającej wody. Faza gęstsza od otoczenia opadała, a faza lżejsza unosiła się. W podobnych warunkach koacerwaty z 3-MSA i C12TAB przemieszczały się w dół. Układy z 4-MSA/C12TAB oraz 5-MSA/C12TAB unosiły się ku górnej części naczynia.

Zmiana długości łańcucha alkilowego również przesuwała koacerwat w stronę górnej warstwy. Oznacza to, że położenie kropli zależało od kilku cech składu, a nie od jednej etykiety przypisanej całej klasie koacerwatów. Średnica rozproszonych kropli wynosiła około 30 mikrometrów, przy obserwowanym zakresie od około 4 do 80 mikrometrów. Były więc wystarczająco duże, aby śledzić ich ruch i łączenie pod mikroskopem.

Jak układ cząsteczek zmienia gęstość kropli

Sama obserwacja, że jedna kropla opada, a druga się unosi, nie wyjaśnia jeszcze mechanizmu. Dlatego strukturę układu badano za pomocą mikroskopii, obrazowania kriogenicznego, pomiarów małokątowego rozpraszania promieniowania rentgenowskiego, czyli SAXS, oraz symulacji.

Obrazy wskazywały na gąbczastą, wielowarstwową organizację koacerwatów. W takiej strukturze znaczenie ma ilość wody związanej z cząsteczkami, grubość warstw uwodnionych oraz stosunek obszarów hydrofobowych do uwodnionych. Obszar hydrofobowy słabiej oddziałuje z wodą, natomiast obszar uwodniony przyciąga i porządkuje cząsteczki wody wokół siebie.

Interpretacja autorów łączyła zachowanie 3-MSA z mniejszym uwodnieniem i mniejszym odstępem między warstwami. Taki układ mógł mieć większą średnią gęstość. W przypadku 5-MSA proponowano większe uwodnienie oraz większą objętość wody międzyfazowej, co obniżało średnią gęstość kropli i sprzyjało jej unoszeniu.

Pomiary SAXS dawały podobne położenia charakterystycznych maksimów: 1,79 nm⁻¹ dla 3-MSA/C12TAB, 1,73 nm⁻¹ dla 4-MSA/C12TAB i 1,72 nm⁻¹ dla 5-MSA/C12TAB. Podobieństwo tych wartości nie oznaczało identycznej mikrostruktury. Pokazywało raczej, że różnice odpowiadające za wyporność mogły dotyczyć uwodnienia i szczegółów organizacji warstw, których jeden parametr strukturalny nie opisuje w całości.

Temperatura może przestawić krople między warstwami

Położenie kropli nie było ustalone raz na zawsze. Zmiana temperatury, stężenia lub rodzaju przeciwjonu, czyli jonu równoważącego ładunek składników, mogła zmienić gęstość fazy koacerwatowej i wywołać jej migrację.

W układzie n-MSA/C12TAB temperatury związane z odwracalną zmianą położenia wynosiły w przybliżeniu 25°C dla 3-MSA, 18°C dla 4-MSA i 12°C dla 5-MSA. Poniżej lub powyżej tych wartości kropla mogła znaleźć się w innej części naczynia, zależnie od konkretnego składu. Obserwacje migracji prowadzono przy zmianach temperatury między 4°C a 25°C. W osobnym doświadczeniu układ ogrzewano do 37°C, aby doprowadzić do kontaktu dwóch populacji.

Taki mechanizm przypomina przełącznik zależny od warunków fizycznych. Bodziec zmienia właściwości kropli, a zmienione właściwości wpływają na jej wyporność. W tym modelu temperatury były parametrami laboratoryjnego układu. Nie stanowiły rekonstrukcji temperatur panujących w oceanie archaicznym ani dowodu, że podobne przełączanie zachodziło w środowisku naturalnym.

Po co organizować krople przestrzennie?

Rozdzielenie kropli może zmieniać częstość kontaktu między reagentami. Dwie populacje znajdujące się na różnych poziomach naczynia pozostają od siebie oddzielone, dopóki zmiana warunków nie sprowadzi ich do wspólnego obszaru.

W jednym doświadczeniu dolna populacja zawierała błękit metylenowy, a górna rodamino-6G. Ogrzewanie układu od 25°C do 37°C powodowało migrację kropli, ich zderzenia i fuzję. Po połączeniu zawartość mogła wymieniać się między wcześniej oddzielonymi populacjami.

Badacze pokazali także przemianę fotochromową spiropyranu oraz fotokatalizę uruchamianą po połączeniu faz. Przygotowane wcześniej składniki znalazły się wtedy w jednym przedziale i mogły uczestniczyć w reakcji pod wpływem światła lub odpowiedniego katalizatora. To demonstracja kontroli kontaktu między reagentami. Samo zderzenie i fuzja nie tworzą autonomicznego metabolizmu, ponieważ układ wymagał przygotowanych składników oraz zewnętrznego bodźca.

Przedział chemiczny to jeszcze nie komórka

Koacerwaty nie pełniły wyłącznie funkcji pływających kropli. Pobierały i koncentrowały różne barwniki oraz większe cząsteczki, w tym FITC-dextran, znakowane jednoniciowe DNA i GFP, czyli zielone białko fluorescencyjne. Ich wnętrze miało więc inny skład niż otaczająca faza wodna.

Taka koncentracja może zwiększać lokalne stężenie reagentów i rozdzielać procesy zachodzące w różnych częściach mieszaniny. Przestrzeń staje się wtedy jednym z czynników organizujących chemię. Cząsteczki mogą trafiać do określonego przedziału, pozostawać w nim przez pewien czas, a później zostać przeniesione do innej kropli podczas fuzji.

To nadal organizacja fizykochemiczna. Wynik nie pokazuje selektywności biologicznej, samoreplikacji ani kontroli szlaku metabolicznego. Nie pokazuje też dziedziczenia informacji. Jego znaczenie dla hipotez o protocellach polega na wskazaniu możliwego wcześniejszego etapu: przed pojawieniem się stabilnych błon proste przedziały mogły już skupiać materię i różnicować dostęp do reagentów.

Co ten model mówi o początkach życia i czego nie rozstrzyga

Układ CnTAB/n-MSA był sztucznym, uproszczonym modelem. CnTAB i MSA wybrano po to, aby odizolować wpływ izomerii, długości łańcucha i składu jonowego. Nie są one realistycznym odwzorowaniem pełnego środowiska prebiotycznego ani autentycznym składem oceanu wczesnej Ziemi.

Badanie wykazało, że w tej konkretnej chemii małe różnice molekularne mogą zmieniać uwodnienie, gęstość i położenie kropli. Pokazało też, że kontrolowana zmiana temperatury może zwiększyć prawdopodobieństwo kontaktu rozdzielonych populacji. Nie ustaliło, jak długo taki rozdział utrzymywałby się w układzie przepływowym lub turbulentnym, w obecności minerałów albo w bardziej złożonej mieszaninie organicznej. Dostępny materiał nie obejmuje również niezależnej reprodukcji dokładnie tego układu.

Reakcje fotochemiczne wymagały wcześniej przygotowanych składników i zewnętrznych bodźców. W doświadczeniu nie pojawił się autonomiczny metabolizm, dziedziczenie ani trwała ewolucja. Naturalna skłonność koacerwatów do łączenia się utrudnia ponadto długotrwałe śledzenie pojedynczych kropli i populacji.

Wniosek dotyczy więc mechanizmu, który można dalej testować. Fizyczne właściwości prostych kropli mogą wystarczyć do przestrzennego rozmieszczania przedziałów chemicznych i okresowego sprowadzania ich do wspólnego miejsca. Kolejny etap wymagałby sprawdzenia, czy podobna organizacja działa w szerszym zakresie chemii oraz w mieszaninach zawierających minerały i składniki bliższe proponowanym środowiskom prebiotycznym.