Σταγονίδια που «ζωντανεύουν»

Καθώς τα βαριεστημένα παιδιά λυγίζουν στα πίσω καθίσματα, εξοικειωνόμαστε με τον τρόπο με τον οποίο οι σταγόνες της βροχής στο γυαλί γλιστρούν μεταξύ τους και συνενώνονται. Στην ηλικία του μαγειρέματος των ζυμαρικών, μαθαίνουμε ότι τα σταγονίδια λαδιού στο νερό γυαλίζουν επίσης, σχηματίζοντας μεγαλύτερα σταγονίδια μέχρι να γίνουν όλα ένα ενιαίο σφαιρίδιο στη μέση της κατσαρόλας. Η διαίσθηση μας λέει ότι στα σταγονίδια αρέσει να συνδυάζονται, ακόμα κι αν δεν ξέρουμε γιατί. (Το κάνουν για να ελαχιστοποιήσουν την επιφάνεια, καθώς τα συστατικά τους μόρια προτιμούν το ένα τη χημική εταιρεία του άλλου από το περιβάλλον υγρό.)

Πρόσφατα, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι αυτές οι γνώριμες δυναμικές σταγονιδίων είναι μόνο ένα μέρος της ιστορίας. Όπως περιγράφω σε ένα Quanta Το άρθρο αυτή την εβδομάδα, σταγονίδια που είναι «χημικά ενεργά», χρησιμοποιώντας το ηλιακό φως ή κάποια άλλη πηγή ενέργειας για να ανακυκλώνουν συνεχώς μόρια μέσα και έξω από το περιβάλλον υγρό, συμπεριφέρονται με απροσδόκητους τρόπους που μπορεί να έπαιξαν κρίσιμο ρόλο στη γένεση της ζωής στη Γη.

Σε αντίθεση με τα γνωστά σταγονίδια της νιότης μας, τα ενεργά σταγονίδια μεγαλώνουν περίπου στο μέγεθος ενός κυττάρου και σταματούν να αναπτύσσονται. χωρίζονται επίσης αυθόρμητα, παράγοντας σταγονίδια κόρης. Τα ευρήματα, από μια ομάδα βιολόγων και φυσικών στη Δρέσδη της Γερμανίας, αναβίωσαν μια υπόθεση, που προτάθηκε για πρώτη φορά το 1924, ότι τα υγρά σταγονίδια στην αρχέγονη σούπα της Γης ήταν οι πρωτόγονοι πρόδρομοι των πρώτων κυττάρων. Καθώς αυτά τα «πρωτοκύτταρα» ενεργών σταγονιδίων διαιρούνταν και πολλαπλασιάζονταν, η εξέλιξη θα μπορούσε να είχε δράσει πάνω τους, καθιστώντας τα σταδιακά πιο περίπλοκα και οδηγώντας στην άνοδο των ζωντανών κυττάρων.

Η φυσική της διαίρεσης ενεργών σταγονιδίων έχει μέχρι στιγμής μελετηθεί μόνο σε χαρτί και σε προσομοιώσεις, αν και βρίσκονται σε εξέλιξη πειράματα. Ωστόσο, κάτι παρόμοιο με το προβλεπόμενο αποτέλεσμα μπορεί να έχει ήδη παρατηρηθεί πριν από δεκαετίες - μια τρελή σύνδεση που ήρθε στο φως καθώς έλεγα την ιστορία. Αναζητώντας εξωτερικά σχόλια για το έργο της ομάδας της Δρέσδης, επικοινώνησα με τον βιοχημικό David Deamer του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στη Σάντα Κρουζ, έναν εξέχοντα υποστηρικτή της ανταγωνιστικής υπόθεσης «πρώτα η μεμβράνη» σχετικά με την προέλευση της ζωής. Ο Deamer υποστηρίζει ότι τα πρωτοκύτταρα θα απαιτούσαν μεμβράνες λιπαρών οξέων όπως αυτές που περικλείουν τα σύγχρονα κύτταρα - δομές πιο περίπλοκες από τα σταγονίδια και που δεν έχουν προφανή μέθοδο πολλαπλασιασμού. Αλλά όταν ο Deamer διάβασε για τις προβλέψεις της ομάδας της Δρέσδης σχετικά με τα ενεργά σταγονίδια και την υπόθεση του πρωτοκυττάρου τους, θυμήθηκε «κάτι αξιοσημείωτο» που είχε δει κάποτε σε σταγονίδια που εξήγαγε από τον μετεωρίτη Murchison, ο οποίος κατέπεσε στην Αυστραλία το 1969.

Στη δεκαετία του 1980, ο Deamer ανακάλυψε μόρια που σχηματίζουν μεμβράνη σε αυτόν τον ίδιο διαστημικό βράχο - ένα πιθανό σημάδι ότι αυτά τα χημικά συστατικά ήταν άφθονα στην πρώιμη Γη, όπως απαιτείται από την υπόθεση της πρώτης μεμβράνης. Αλλά ο Deamer έκανε μια άλλη παρατήρηση που δεν δημοσίευσε ποτέ. Κοίταζε κάτω από ένα μικροσκόπιο ελαιώδεις χρωστικές υδρογονάνθρακες που εξήχθησαν από το δείγμα Murchison. «Όταν άναψα το φως στο μικροσκόπιο, έμεινα απολύτως έκπληκτος που είδα αυτά τα σταγονίδια - φαίνεται σαν να ζωντανεύουν», είπε. «Αρχίζουν να κινούνται πάνω από το μέσο - το μέσο είναι απλώς μια γυάλινη τσουλήθρα, φυσικά - και αρχίζουν να έχουν ένα είδος κυκλοφορίας υλικού στο εσωτερικό. Και τότε το σφαιρίδιο θα τεντωθεί και θα σπάσει σε δύο μικρότερα σφαιρίδια, τα οποία στη συνέχεια σέρνονται μακριά."

Ευγενική προσφορά του David Deamer

Το βίντεο του David Deamer δείχνει πώς, μετά το φωτισμό, οι σταγόνες πετρελαίου που εξήχθησαν από τον μετεωρίτη Murchison άρχισαν να κινούνται και να διαιρούνται.

Η συμπεριφορά «ενδιέφερε τόσο εξαιρετικά» τον Deamer πριν από 30 χρόνια που την κατέγραψε σε βίντεο. Όταν συζήτησα μαζί του την έρευνα της ομάδας της Δρέσδης αυτόν τον μήνα, ο Deamer είπε, "Νομίζω ότι θα γράψω σε αυτά τα παιδιά και θα τους πω γι' αυτό."

Ο Frank Jülicher, συγγραφέας της νέας εργασίας, ήταν πρόθυμος να δει το βίντεο του Deamer με σταγονίδια που χωρίζονται στην άγρια ​​φύση. "Αυτό είναι πολύ συναρπαστικό", είπε στον Deamer και σε εμένα σε ένα email.

Αφού σκέφτηκε τη φυσική που παίζει στα εξωγήινα σταγονίδια, ο Jülicher είπε:«Η ροή και η «διαίρεση» σε αυτήν την εικόνα προέρχονται από μια ενεργή διαδικασία διαβροχής». Το φως πυροδοτεί μια χημική αντίδραση που παράγει μόρια που διαβρέχουν την πλάκα του μικροσκοπίου, εξήγησε. Αυτό με τη σειρά του δημιουργεί μια κλίση στην επιφανειακή τάση, αναγκάζοντας το υλικό σταγονιδίων να κυκλοφορεί και να κινείται. «Η φυσική είναι πολύ διαφορετική από τη διαίρεση σταγονιδίων που μελετάμε στην εργασία μας, η οποία συμβαίνει χωρίς διαβροχή», μου είπε ο Jülicher, προσθέτοντας ότι μια βασική διαφορά είναι ότι τα σταγονίδια που μελέτησε η ομάδα του είναι χημικά ενεργά και ακίνητα ταυτόχρονα — πολύ περισσότερο σαν κελιά.

Και οι δύο μηχανισμοί διαίρεσης σταγονιδίων έχουν μελετηθεί ελάχιστα μέχρι στιγμής και και οι δύο είναι νέα παραδείγματα των αποκαλούμενων φυσικών συμπεριφορών «εκτός ισορροπίας». Ακόμα κι αν τα πλάνα του Deamer δεκαετιών εμφανίζουν διαφορετικό αποτέλεσμα από αυτό που μελέτησαν οι ερευνητές της Δρέσδης, μπορεί να είναι ένδειξη ότι η διαίρεση σταγονιδίων είναι πιο διαδεδομένη από ό,τι ήταν προηγουμένως γνωστό, υποστηρίζοντας την ιδέα ότι μπορεί να έπαιξε ρόλο στην προέλευση. της ζωής.

Σε κάθε περίπτωση, δεν είναι το είδος της συμπεριφοράς σταγονιδίων που βλέπετε κάθε μέρα. "Ήταν πραγματικά υπέροχο να το παρακολουθήσω", είπε ο Deamer.

Μάθετε περισσότερα για τα χημικά ενεργά σταγονίδια στο άρθρο της Natalie Wolchover «Dividing Droplets Could Explain Life’s Origin» στο QuantaMagazine.org .