Tại Bình Minh của Cuộc Sống, Nhiệt Độ Có Thể Đã Kích Thích Phân Chia Tế Bào

Một vũ điệu thanh lịch của protein cho phép tế bào hiện đại tự nhân bản. Trong quá trình phân chia tế bào, protein cấu trúc và enzym làm việc cùng nhau để nhân đôi DNA, phân chia nội dung tế bào cytoplasmic, và thắt lưng màng tế bào. Việc thực hiện đúng những quá trình này rất quan trọng vì sai sót có thể dẫn đến tế bào con không bình thường hoặc không thể sống được.

Tỷ tỷ năm trước, thách thức tương tự phải đã đối mặt với những bóng đám tự tổ chức đầu tiên của các hợp chất màng nảy sinh tự nhiên từ vật liệu không sinh. Nhưng những tế bào tiền sử này hầu như chắc chắn phải nhân bản mà không phụ thuộc vào các protein lớn. Cách họ làm được điều này là một câu hỏi quan trọng đối với các nhà thiên văn học và các nhà hóa học sinh học nghiên cứu nguồn gốc của cuộc sống.

“Nếu bạn xóa tất cả enzym trong tế bào, không có gì xảy ra. Chúng chỉ là những túi không hoạt động,” nói Anna Wang, một nhà thiên văn học tại Đại học New South Wales ở Sydney. “Chúng rất ổn định, và đó chính là điểm quan trọng.”

Tuy nhiên, trong một bài báo gần đây trên Biophysical Journal, Romain Attal, một nhà vật lý tại City of Science and Industry ở Pháp, và nhà sinh học ung thư Laurent Schwartz của Bệnh viện Công cộng Paris đã phát triển một loạt các phương trình toán học mô phỏng làm thế nào nhiệt độ một mình có thể đã đủ để thúc đẩy một phần quan trọng của quá trình nhân bản: sự chia tách của một tế bào tiền sử thành hai.

Attal nghĩ rằng các quá trình hóa học và vật lý hoạt động trong cuộc sống sớm có lẽ khá đơn giản, và do đó, chỉ năng động học lý có thể đã đóng một vai trò quan trọng trong việc cuộc sống bắt đầu. Anh nói rằng những phương trình cơ bản mà anh đã làm việc có thể giải thích một số nguyên tắc đã điều hành cách cuộc sống xuất hiện lần đầu tiên.

“Độ chênh nhiệt độ là quan trọng đối với sự sống,” Attal nói. “Nếu bạn hiểu một chủ đề, bạn cần có khả năng viết ra nguyên tắc của nó.”

Lật Ngược để Phân Chia

Đối với tế bào nguyên thủy tự chia mình mà không cần máy móc protein phức tạp, quá trình đó sẽ cần một động cơ vật lý hoặc hóa học. “Thực sự là về việc loại bỏ tế bào xuống các chức năng cơ bản của nó và nghĩ, ‘Những nguyên lý vật lý và hóa học cơ bản là gì, và làm thế nào chúng ta có thể mô phỏng điều đó mà không cần đến protein?’” Wang nói.

Việc xác định những quá trình này trở nên khó khăn hơn khi bạn cân nhắc rằng các nhà khoa học vẫn không thể đồng ý với một định nghĩa về cuộc sống nói chung, và đặc biệt là về tế bào tiền sử.

Những gì các nhà khoa học đồng thuận là tế bào tiền sử phải có một loại thông tin di truyền họ có thể truyền xuống tế bào con, một quá trình trao đổi chất thực hiện các phản ứng hóa học và một màng lipid cách ly quá trình trao đổi chất và thông tin di truyền từ sự ngẫu nhiên trong phần còn lại của nước sôi nguyên thủy trái đất. Trong khi thế giới hóa học bên ngoài tự nhiên ngẫu nhiên, việc phân chia được cung cấp bởi màng lipid có thể tạo ra một khu vực có entropy thấp hơn.

Để một tế bào tiền sử phát triển trước khi phân chia, nó sẽ phải tăng không chỉ thể tích bên trong tế bào mà còn diện tích bề mặt của màng xung quanh. Để tạo ra hai tế bào con nhỏ với cùng thể tích tổng là tế bào cha, sẽ cần thêm lipid cho màng của chúng, vì diện tích bề mặt của chúng sẽ lớn hơn so với thể tích. Các phản ứng hóa học cần thiết để cung cấp năng lượng cho việc tổng hợp lipid này sẽ tạo ra nhiệt.

Khi Attal thảo luận những ý này với Schwartz, anh bắt đầu tự hỏi liệu năng lượng này có đủ để thúc đẩy quá trình phân chia tế bào sớm hay không. Một tìm kiếm trong văn bản nghiên cứu đã tiết lộ rằng mitochondria (trung tâm năng lượng của tế bào, bắt đầu như một vi khuẩn cộng sinh tỷ nhiệt tỷ nhiệt tỷ nhiệt tỷ nhiệt tỷ nhiệt tỷ nhiệt tỷ nhiệt tỷ nhiệt tỷ nhiệt tỷ nhiệt tỷ nhiệt tỷ nhiệt tỷ nhiệt tỷ nhiệt tỷ nhiệt tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tế bào con, và liệu nó có đủ để thúc đẩy sự chia tách.

Anh bắt đầu vẽ ra một loạt các phương trình để mô phỏng những gì có thể đang xảy ra. Anh bắt đầu với một loạt các giả định, như là tế bào tiền sử sẽ có hình que và nó có một màng kép cho phép dưỡng chất trải qua và chất thải trải ra.

“Đó là một mô hình rất, rất thô sơ,” anh nói. “Tôi ngạc nhiên khi nó có thể giảm xuống một phương trình vi phân duy nhất.”

Attal nhận ra rằng năng lượng do quá trình trao đổi chất tế bào nguyên thủy tạo ra sẽ làm nóng lipid bên trong màng nhanh hơn so với bên ngoài. Sau đó, năng lượng học sẽ bắt buộc những lipid bên trong năng động phải “lật” ra bên ngoài, làm màng ngoại vi mở rộng tại sự chi phí của lớp bên trong. Một giải pháp dễ dàng cho sự mất cân bằng này sẽ là tế bào co lại thành hai tế bào con. Sự co lại này sẽ xảy ra ở giữa tế bào cha, nơi nó nóng nhất và sự di chuyển lipid là rõ ràng nhất.

Quá Nhỏ Để Nóng Lên?

Công việc này là hoàn toàn lý thuyết, nhưng Attal nói rằng nó có thể được kiểm tra thực nghiệm bằng cách tạo ra các túi tương tự trong phòng thí nghiệm và đo xem nhiệt độ bên trong có khác biệt so với nhiệt độ bên ngoài hay không.

Wang nói công việc này quan trọng như một lời nhắc nhở rằng sự không đối xứng trong các màng lipid có thể đóng một vai trò trong cuộc sống nguyên thủy. Tuy nhiên, cả cô và nhà sinh lý sinh học Paul Higgs của Đại học McMaster đều hoài nghi về một số giả định mà Attal đưa ra. Cả hai đều chỉ ra rằng vì tế bào và tế bào tiền sử nhỏ, chỉ có thể tạo ra một lượng nhiệt tối thiểu, và họ đặt câu hỏi liệu sự chênh lệch nhiệt độ đó có đủ lớn để thúc đẩy quá trình chia tách trước khi nhiệt độ lan tỏa qua màng hay không.

Wang cũng nghi ngờ về việc lipit di chuyển giữa màng nội và màng ngoại như được đề xuất. Trong các màng hiện đại, lipit không di chuyển giữa bên trong và bên ngoài dễ dàng vì phân tử của chúng có cấu trúc phức tạp. Điều này có thể không phải là trường hợp của lipit đơn giản mà cuộc sống sớm được cho là đã sử dụng. Khi các nhà khoa học tạo ra túi từ những hợp chất này trong phòng thí nghiệm, “chúng di chuyển xung quanh như điên. Bạn không thể ngăn chúng diễn ra,” cô nói.

Higgs đặt câu hỏi về giả định của Attal rằng các tế bào sẽ có hình que. Hình dạng đó đòi hỏi các protein cụ thể để làm cứng màng, mà tế bào tiền sử hầu như chắc chắn thiếu. Kết quả là chúng sẽ có hình cầu, không phải hình que.

“Tôi không hiểu làm thế nào bạn có thể duy trì được hình que mà không có một bức tường cứng,” anh nói.

Những vấn đề này không có nghĩa là nhiệt độ không đóng vai trò trong quá trình chia tách tế bào sớm, chỉ là mô hình toán học của Attal có thể không chính xác nhất, Wang nói. Tuy nhiên, Claudia Bonfio, một nhà sinh hóa tại Đại học Strasbourg ở Pháp, nói rằng bài báo bổ sung vào văn học về cuộc sống sớm vì “đó là một điểm xuất phát tốt cho các thí nghiệm. Chúng ta thường quên rằng phản ứng tiêu thụ và sản xuất nhiệt, điều này có thể ảnh hưởng đến những điều như sự chia tách.”

Chuyện gốc được tái bản với sự cho phép từ Quanta Magazine, một tờ báo độc lập về biên tập của Tổ chức Simons với sứ mệnh làm tăng hiểu biết của công chúng về khoa học bằng cách bao quát những tiến triển nghiên cứu và xu hướng trong toán học cũng như trong các lĩnh vực khoa học tự nhiên và khoa học sinh học.

Những điều tuyệt vời từ Mytour

• 📩 Thông tin mới nhất về công nghệ, khoa học và hơn thế nữa: Nhận bản tin của chúng tôi!
• Yahya Abdul-Mateen II sẵn sàng làm náo loạn tâm trí bạn
• Năng lượng tái tạo là tuyệt vời—nhưng lưới điện có thể làm chậm nó lại
• Chiếc điện thoại Fisher-Price đầu tiên của bạn giờ đây có thể sử dụng Bluetooth
• Các tàu chở hàng container trong chuỗi cung ứng đang gặp vấn đề về kích thước
• Có mối liên kết gen với việc trở thành chú chó rất tốt?
• 👁️ Khám phá trí tuệ nhân tạo như chưa bao giờ có với cơ sở dữ liệu mới của chúng tôi
• 💻 Nâng cấp trò chơi làm việc của bạn với laptop, bàn phím, phương án thay thế đánh máy, và tai nghe chống ồn mà đội ngũ Gear yêu thích