Η προέλευση της ζωής στη Γη αποτελεί αντικείμενο έντονης επιστημονικής συζήτησης, με διάφορα σενάρια να επιχειρούν να εξηγήσουν πώς σχηματίστηκαν τα βασικά δομικά της συστατικά. Μέχρι σήμερα, η κυρίαρχη άποψη υποστήριζε ότι οι κρίσιμες χημικές αλληλεπιδράσεις που οδήγησαν στη δημιουργία των πρώτων βιομορίων απαιτούσαν θερμά περιβάλλοντα. Ωστόσο, μια νέα μελέτη έρχεται να αμφισβητήσει αυτή τη θεώρηση, προτείνοντας ότι οι παγωμένες συνθήκες θα μπορούσαν να είχαν διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο.
Οι ερευνητές έδειξαν μέσω πειραμάτων ότι λιπιδικές μεμβράνες με αυξημένο βαθμό ακόρεστων δεσμών διευκολύνουν τη σύντηξη κυστιδίων και τη διατήρηση γενετικού υλικού κατά τη διάρκεια επαναλαμβανόμενων κύκλων ψύξης και απόψυξης. Το εύρημα αυτό αναδεικνύει τα παγωμένα περιβάλλοντα ως πιθανούς «επιταχυντές» της εξέλιξης των πρωτοκυττάρων.
Τα σύγχρονα κύτταρα χαρακτηρίζονται από εξαιρετική πολυπλοκότητα: διαθέτουν κυτταροσκελετό, αυστηρά ρυθμιζόμενες χημικές διεργασίες και γενετικό υλικό που καθορίζει τη λειτουργία τους. Αντίθετα, οι πρώιμες κυτταροειδείς δομές εκτιμάται ότι ήταν απλές λιπιδικές φυσαλίδες που εγκλώβιζαν βασικά οργανικά μόρια. Το πώς αυτές οι απλοϊκές δομές εξελίχθηκαν σε πλήρως λειτουργικά κύτταρα παραμένει ένα από τα μεγαλύτερα ερωτήματα της βιολογίας.
Η ερευνητική ομάδα διερεύνησε πώς απλά μοντέλα πρωτοκυττάρων αντιδρούν σε δυναμικές, μη ισορροπιακές συνθήκες που πιθανότατα επικρατούσαν στην πρώιμη Γη. Αντί να προωθήσουν μια συγκεκριμένη θεωρία για την απαρχή της ζωής, οι επιστήμονες επικεντρώθηκαν στον ρόλο της σύστασης της μεμβράνης στην ανάπτυξη, τη σύντηξη και τη διατήρηση βιομορίων υπό ακραίες θερμοκρασιακές μεταβολές.
Δημιούργησαν μεγάλα μονοστιβάδικα κυστίδια χρησιμοποιώντας τρεις τύπους φωσφολιπιδίων — POPC, PLPC και DOPC — μόρια συγγενικά με εκείνα των σύγχρονων κυτταρικών μεμβρανών. Όπως εξηγεί ο Τατσούα Σινόντα, υποψήφιος διδάκτορας στο Earth Life Science Institute του Tokyo Institute of Science, η επιλογή της φωσφατιδυλοχολίνης βασίστηκε στη χημική της συγγένεια με τα σύγχρονα κύτταρα και στη δυνατότητά της να συγκρατεί βασικά μόρια.
Παρότι τα λιπίδια αυτά είναι παρόμοια, διαφέρουν στον αριθμό και τη διάταξη των διπλών δεσμών τους, γεγονός που επηρεάζει τη ρευστότητα των μεμβρανών. Μεμβράνες πλούσιες σε POPC είναι πιο άκαμπτες, ενώ εκείνες με PLPC ή DOPC εμφανίζουν μεγαλύτερη ευκαμψία.
Όταν τα κυστίδια υποβλήθηκαν σε επαναλαμβανόμενους κύκλους ψύξης και απόψυξης, παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφοροποιήσεις: τα κυστίδια με PLPC και DOPC συγχωνεύονταν σε μεγαλύτερα διαμερίσματα, ενώ εκείνα με POPC σχημάτιζαν πυκνά συσσωματώματα. Όσο αυξανόταν ο βαθμός ακόρεστου χαρακτήρα, τόσο ενισχυόταν η τάση σύντηξης.
Η Νατσούμι Νόντα, ερευνήτρια στο ELSI, επισημαίνει ότι ο σχηματισμός κρυστάλλων πάγου προκαλεί μηχανική καταπόνηση στις μεμβράνες, οδηγώντας σε αναδιοργάνωση κατά την απόψυξη — διαδικασία που μπορεί να ευνοεί τη σύντηξη.
Τα ευρήματα αποκτούν ιδιαίτερη σημασία, καθώς η σύντηξη κυστιδίων επιτρέπει την ανάμειξη εγκλωβισμένων μορίων, δημιουργώντας ευνοϊκές συνθήκες για χημικές αντιδράσεις. Πειράματα έδειξαν επίσης ότι κυστίδια από PLPC διατηρούσαν περισσότερο DNA σε σύγκριση με εκείνα από POPC μετά από κύκλους ψύξης–απόψυξης.
Μέχρι σήμερα, τα επικρατέστερα σενάρια για την απαρχή της ζωής επικεντρώνονταν σε περιβάλλοντα όπως οι υδροθερμικές πηγές ή οι επιφάνειες ξήρανσης και επαναύγρανσης. Η νέα μελέτη προτείνει ότι και οι παγωμένες περιοχές της πρώιμης Γης, όπου επαναλαμβάνονταν φυσικοί κύκλοι πάγου και απόψυξης, θα μπορούσαν να είχαν διαδραματίσει κρίσιμο ρόλο.
Ο Τομαόκι Ματσούρα, καθηγητής στο ELSI και επικεφαλής της μελέτης, υπογραμμίζει ότι η σταδιακή επιλογή κυστιδίων μέσω τέτοιων κύκλων, σε συνδυασμό με μηχανισμούς διαίρεσης, θα μπορούσε να οδηγήσει τελικά στην εμφάνιση πρωτοκυττάρων ικανών για δαρβινική εξέλιξη.