โปรโตเซลล์
A โปรโตเซลล์ (หรือ protobiont ) คือ a คอลเลกชัน ลิพิด ที่จัดเรียงในตัวเองและได้รับการจัดเรียงจากภายนอกซึ่งเสนอให้เป็นหินก้าวไปสู่ ต้นกำเนิดของชีวิต คำถามหลักใน วิวัฒนาการ คือโปรโตเซลล์เกิดขึ้นครั้งแรกได้อย่างไรและมีความแตกต่างกันอย่างไรในผลผลิตของการสืบพันธุ์ดังนั้นจึงทำให้สามารถสะสมสิ่งที่เกิดขึ้นใหม่ทางชีววิทยาได้ตลอดเวลานั่นคือ วิวัฒนาการทางชีววิทยา แม้ว่าโปรโตเซลล์ที่ใช้งานได้จะยังไม่สามารถบรรลุได้ในการตั้งค่าห้องปฏิบัติการ แต่เป้าหมายในการทำความเข้าใจกระบวนการนี้ก็ปรากฏอยู่ใกล้ ๆ
ภาพรวม
การแบ่งส่วนเป็นสิ่งสำคัญใน ต้นกำเนิดของชีวิต เมมเบรนสร้างช่องปิดที่แยกออกจากสภาพแวดล้อมภายนอกดังนั้นจึงทำให้เซลล์มีช่องว่างเฉพาะทางน้ำ เนื่องจาก lipid bilayer ของเมมเบรนไม่สามารถซึมผ่านได้กับโมเลกุล ที่ชอบน้ำ ส่วนใหญ่ (ละลายด้วยน้ำ) เซลล์จึงมีระบบการขนส่งเมมเบรนที่นำเข้าโมเลกุลที่มีคุณค่าทางโภชนาการและการส่งออกของเสีย เป็นเรื่องที่ท้าทายมากในการสร้างโปรโตเซลล์จากส่วนประกอบของโมเลกุล ขั้นตอนที่สำคัญในความท้าทายนี้คือความสำเร็จของพลวัตของถุงที่เกี่ยวข้องกับการทำงานของเซลล์เช่นการค้าเมมเบรนและการสืบพันธุ์ด้วยตนเองโดยใช้โมเลกุลแอมฟิฟิลิก บนโลกดึกดำบรรพ์ปฏิกิริยาทางเคมีจำนวนมากของสารประกอบอินทรีย์ก่อให้เกิดส่วนผสมของชีวิต ในบรรดาสารเหล่านี้โมเลกุลของแอมฟิฟิลิกอาจเป็นผู้เล่นกลุ่มแรกในวิวัฒนาการจากการประกอบโมเลกุลไปจนถึงชีวิตของเซลล์ ขั้นตอนจากถุงไปสู่โปรโตเซลล์อาจเป็นการพัฒนาถุงที่สร้างขึ้นใหม่ควบคู่ไปกับระบบเมตาบอลิซึม
การคัดเลือกสำหรับการแบ่งส่วน
โครงสร้างหลักทั้งสามรูปแบบฟอสโฟลิปิดในสารละลาย ไลโปโซม (bilayer ปิด) ไมเซลล์และบิลิเลเยอร์
ถุงที่ประกอบขึ้นเองเป็นส่วนประกอบสำคัญของเซลล์ดั้งเดิม กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ กำหนดให้เอกภพเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่ความผิดปกติ (หรือ เอนโทรปี ) เพิ่มขึ้น แต่ชีวิตก็แตกต่างกันไปตามระดับการจัดระเบียบที่ยอดเยี่ยม ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีขอบเขตเพื่อแยก กระบวนการชีวิต ออกจากสสารที่ไม่มีชีวิต เยื่อหุ้มเซลล์ เป็นโครงสร้างเซลล์เดียวที่พบในเซลล์ทั้งหมดของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดบนโลก
นักวิจัย Irene A. Chen และ Jack W. Szostak (รางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ปี 2009) แสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์อย่างง่ายของโปรโตเซลล์เบื้องต้นสามารถก่อให้เกิดการเปรียบเทียบเชิงแนวคิดที่ง่ายกว่าของพฤติกรรมเซลล์ที่จำเป็นรวมถึงรูปแบบดั้งเดิมของการแข่งขันดาร์วินและการกักเก็บพลังงาน ปฏิสัมพันธ์แบบร่วมมือระหว่างเมมเบรนและเนื้อหาที่ห่อหุ้มสามารถลดความซับซ้อนของการเปลี่ยนจากการจำลองโมเลกุลเป็นเซลล์จริงได้อย่างมาก การแข่งขันสำหรับโมเลกุลของเมมเบรนจะสนับสนุนเยื่อที่มีความเสถียรซึ่งบ่งบอกถึงข้อได้เปรียบที่เลือกได้สำหรับวิวัฒนาการของกรดไขมันที่เชื่อมโยงกันและแม้แต่ ฟอสโฟลิปิด ในปัจจุบัน micro-encapsulation นี้อนุญาตให้ เมแทบอลิซึม ภายในเมมเบรนการแลกเปลี่ยนโมเลกุลขนาดเล็กและการป้องกันการผ่านของสารขนาดใหญ่ ข้อดีหลักของการห่อหุ้ม ได้แก่ ความสามารถในการละลาย ที่เพิ่มขึ้น ของสินค้าและการสร้าง พลังงาน ในรูปแบบของการไล่ระดับสี ดังนั้นจึงมักกล่าวกันว่าพลังงานถูกเก็บไว้โดย เซลล์ ในโครงสร้างของโมเลกุลของสารต่างๆเช่น คาร์โบไฮเดรต (รวมน้ำตาล) ลิพิด และ โปรตีน ซึ่งปล่อยพลังงานเมื่อรวมทางเคมีกับ ออกซิเจน ระหว่าง การหายใจระดับเซลล์ .
การไล่ระดับพลังงาน
การศึกษาโดย Jet Propulsion Laboratory ของ NASA ในเดือนมีนาคม 2014 แสดงให้เห็นถึงวิธีการศึกษาที่ไม่เหมือนใคร ต้นกำเนิดของชีวิต: เซลล์เชื้อเพลิง เซลล์เชื้อเพลิงคล้ายกับเซลล์ชีวภาพตรงที่อิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนไปยังและจากโมเลกุลด้วย ในทั้งสองกรณีนี้ส่งผลให้เกิดไฟฟ้าและพลังงาน การศึกษาระบุว่าปัจจัยสำคัญอย่างหนึ่งคือโลกให้พลังงานไฟฟ้าที่พื้นทะเล “พลังงานนี้อาจมีจุดเริ่มต้นชีวิตและสามารถดำรงชีวิตได้หลังจากเกิดขึ้นตอนนี้เรามีวิธีการทดสอบวัสดุและสภาพแวดล้อมต่างๆที่สามารถช่วยให้สิ่งมีชีวิตเกิดขึ้นได้ไม่เพียง แต่บนโลก แต่อาจเกิดขึ้นบน ดาวอังคาร , Europa และที่อื่น ๆ ใน ระบบสุริยะ .”
Vesicles, micelles และ membraneless droplets
Scheme of a micelle ที่เกิดขึ้นเองโดย phospholipids ใน สารละลาย ในน้ำ
เมื่อ ฟอสโฟลิปิด อยู่ในน้ำโมเลกุลจะจัดเรียงตามธรรมชาติเพื่อให้หางถูกป้องกันจากน้ำส่งผลให้เกิดโครงสร้างเมมเบรนเช่น bilayers, vesicles และ micelles ในเซลล์สมัยใหม่ vesicles มีส่วนเกี่ยวข้องกับการเผาผลาญ การขนส่งการควบคุมการลอยตัวและการกักเก็บ เอนไซม์ นอกจากนี้ยังสามารถทำหน้าที่เป็นธรรมชาติ ห้องปฏิกิริยาเคมี vesicle ทั่วไปหรือ micelle ใน สารละลายในน้ำ รวมตัวกับ regio hydrophilic “head” ns สัมผัสกับ ตัวทำละลาย โดยรอบโดยแยกส่วนหางเดี่ยว ที่ไม่ชอบน้ำ ในศูนย์ micelle ระยะนี้เกิดจาก ลักษณะการบรรจุ ของไขมันหางเดียว ใน bilayer แม้ว่ากระบวนการประกอบตัวเองของโปรโตเซลล์ที่สร้างขึ้นเองตามธรรมชาติของถุงและไมเซลลิชั้นเดียวของไขมันในธรรมชาติจะมีลักษณะคล้ายกับถุงหรือโปรโตเซลล์ในยุคแรกเริ่มที่อาจมีอยู่ในช่วงเริ่มต้นของวิวัฒนาการ แต่ก็ไม่ได้มีความซับซ้อนเท่ากับเยื่อ bilayer ของสิ่งมีชีวิตในปัจจุบัน 98>
แทนที่จะสร้างขึ้นจากฟอสโฟลิปิดอย่างไรก็ตามเมมเบรนในช่วงต้นอาจเกิดจากโมโนเลย์หรือบิไลเยอร์ของกรดไขมัน ซึ่งอาจก่อตัวได้ง่ายกว่าในสภาพแวดล้อมพรีไบโอติก กรดไขมันได้รับการสังเคราะห์ในห้องปฏิบัติการภายใต้เงื่อนไขพรีไบโอติกที่หลากหลายและพบได้บนอุกกาบาตซึ่งบ่งบอกถึงการสังเคราะห์ตามธรรมชาติในธรรมชาติถุง
กรดโอเลอิก เป็นตัวแทนของโปรโตเซลล์แบบเมมเบรนที่ดีซึ่งอาจมีอยู่ในยุคพรีไบโอติก
ปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตที่เกิดจากเปปไทด์สั้น ๆ ที่มีประจุบวกและไม่ชอบน้ำที่มีกรดอะมิโน 7 ชนิดที่มีความยาวหรือน้อยกว่าสามารถเชื่อมต่อ RNA กับเยื่อหุ้มเซลล์ซึ่งเป็นเยื่อหุ้มเซลล์พื้นฐานได้
บ่อใต้พิภพและดินเหนียว
ของเหลว lipid bilayer cross section ทั้งหมดประกอบด้วย phosphatidylcholine .
นักวิทยาศาสตร์แนะนำว่าสิ่งมีชีวิตเริ่มต้นใน ช่องระบายความร้อนใต้พิภพ ในทะเลลึก แต่จากการศึกษาในปี 2012 แสดงให้เห็นว่าแอ่งน้ำภายในของไอใต้พิภพที่ควบแน่นและเย็นลงมีลักษณะที่เหมาะสำหรับการกำเนิดสิ่งมีชีวิต ข้อสรุปส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับเคมีของเซลล์สมัยใหม่โดยที่ไซโตพลาสซึมอุดมไปด้วยโพแทสเซียมสังกะสีแมงกานีสและฟอสเฟตไอออนซึ่งไม่แพร่หลายในสภาพแวดล้อมทางทะเล นักวิจัยให้เหตุผลว่าเงื่อนไขดังกล่าวพบได้เฉพาะในกรณีที่ของเหลวไฮโดรเทอร์มอลร้อนนำไอออนขึ้นสู่พื้นผิว – สถานที่ต่างๆเช่น กีย์เซอร์ หม้อโคลน fumaroles และ ความร้อนใต้พิภพ คุณสมบัติ ภายในอ่างที่มีการรมควันและฟองเหล่านี้น้ำที่เต็มไปด้วยสังกะสีและแมงกานีสไอออนสามารถสะสมระบายความร้อนและควบแน่นในแอ่งน้ำตื้น
การศึกษาอื่นในปี 1990 แสดงให้เห็นว่าดิน มอนต์โมริลโลไนต์ สามารถช่วยสร้าง RNA ได้ โซ่ที่มีนิวคลีโอไทด์มากถึง 50 ตัวรวมเข้าด้วยกันโดยธรรมชาติเป็นโมเลกุล RNA เดียว ต่อมาในปี 2002 มีการค้นพบว่าการเพิ่มมอนต์โมริลโลไนต์ลงในสารละลายกรดไขมัน ไมเซลส์ (ทรงกลมไขมัน) ทำให้ดินมีอัตราการก่อตัวของ เวซิเคิล เพิ่มขึ้น 100 เท่า 98>
การวิจัยพบว่าแร่ธาตุบางชนิดสามารถเร่งการสร้างหางไฮโดรคาร์บอนของกรดไขมัน จากก๊าซไฮโดรเจนและคาร์บอนมอนอกไซด์ซึ่งเป็นก๊าซที่อาจถูกปล่อยออกมาจาก ช่องระบายความร้อนใต้พิภพ หรือ กีย์เซอร์ ในที่สุดกรดไขมันที่มีความยาวต่างๆจะถูกปล่อยลงสู่น้ำโดยรอบ แต่การสร้างถุงต้องใช้กรดไขมันที่มีความเข้มข้นสูงกว่าดังนั้นจึงแนะนำว่าการสร้างโปรโตเซลล์เริ่มต้นที่ช่องระบายความร้อนใต้พิภพที่มีพื้นดินเช่น กีย์เซอร์ หม้อโคลน , fumaroles และคุณสมบัติ ใต้พิภพ อื่น ๆ ที่น้ำระเหยและเข้มข้นตัวถูกละลาย
ฟอง Montmorillonite
อีกกลุ่มหนึ่งชี้ให้เห็นว่าเซลล์ดั้งเดิมอาจก่อตัวขึ้นภายใน ไมโครอนินทรีย์ดินเหนียวซึ่งสามารถเป็นภาชนะที่เหมาะสำหรับการสังเคราะห์และการแบ่งส่วนของโมเลกุลอินทรีย์ที่ซับซ้อน ฟองอากาศหุ้มเกราะก่อตัวขึ้นตามธรรมชาติเมื่ออนุภาคของ มอนต์โมริลโลไนต์ ดินเหนียวสะสมบนพื้นผิวด้านนอกของฟองอากาศใต้น้ำ สิ่งนี้จะสร้างถุงกึ่งซึมผ่านจากวัสดุที่หาได้ง่ายในสิ่งแวดล้อม ผู้เขียนตั้งข้อสังเกตว่ามอนต์โมริลโลไนต์เป็นที่ทราบกันดีว่าทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทางเคมีกระตุ้นให้ลิพิดสร้างเยื่อหุ้มและนิวคลีโอไทด์เดี่ยวเพื่อรวมกันเป็นเกลียวของ RNA การสืบพันธุ์แบบดึกดำบรรพ์สามารถจินตนาการได้เมื่อฟองดินแตกออกปล่อยผลิตภัณฑ์ที่มีเยื่อหุ้มไขมันเข้าไปในตัวกลางโดยรอบ
หยดน้ำที่ไม่มีเยื่อหุ้ม
อีกวิธีหนึ่งในการสร้างช่องแบบดั้งเดิมที่อาจนำไปสู่การก่อตัวของ โปรโตเซลล์เป็นโครงสร้างที่ไม่มีเยื่อหุ้มโพลีเอสเทอร์ที่มีความสามารถในการเป็นเจ้าภาพทางชีวเคมี (โปรตีนและอาร์เอ็นเอ) และ / หรือนั่งร้านส่วนประกอบของไขมันรอบตัว ในขณะที่หยดเหล่านี้รั่วไหลไปสู่สารพันธุกรรม แต่การรั่วไหลนี้อาจช่วยให้สมมติฐานของลูกหลานได้ง่ายขึ้น
