Еще детьми, проезжая в автобусе, мы знали, что капли дождя стекаются и растекаются по стеклу с той стороны. Потом мы выросли и узнали, что капли масла в воде также сливаются вместе, образуя более крупные капли, пока не соберутся все в одну большую сферу.
Интуиция подсказывает нам, что капли любят собираться, хотя мы не знаем почему. (Они делают это, чтобы свести к минимуму площадь поверхности, поскольку составляющие их молекулы предпочитают химическую компанию себе подобных, а не окружающей жидкости).
Не так давно ученые обнаружили, что эта хорошо известная нам динамика капель является лишь частью истории. Капли, которые «химически активны», используют солнечный свет или какой-то другой источник энергии для постоянной циклизации молекул в окружающей жидкости, ведут себя неожиданным образом, который, возможно, сыграл решающую роль в рождении жизни на Земле.
В отличие от привычных капель нашей юности, активные капли вырастают примерно до размера клетки и прекращают расти; они также спонтанно делятся, производя дочерние капли. Гипотеза об этом впервые была выдвинута в 1924 году и недавно реанимирована группой биологов и физиков в Дрездене, Германия: капли жидкости в первичном бульоне ранней Земли были примитивными предшественниками первых клеток. По мере того как эти активно-капельные «протоклетки» делились и размножались, на них начинала давить эволюция, делая их сложнее и приводя к росту живых клеток.
Физику деления активных капель до сих пор изучали только на бумаги и в различных моделях, хотя готовятся и эксперименты. Тем не менее нечто подобное предсказанному эффекту, возможно, наблюдали десятки лет назад.
Биохимик Дэвид Димер из Калифорнийского университета в Санта-Круз — видный сторонник теории «сперва мембрана» среди гипотез возникновения жизни. Димер считает, что протоклетки должны были иметь мембраны из жирных кислот, вроде тех, что окружают современные клетки — структуры более сложные, чем капли, не имеющие очевидных методов размножения. Но когда Димер читал предсказания дрезденской группы на тему активных капель и их протоклеточной гипотезы, он вспомнил «кое-что примечательное», что видел однажды в каплях, извлеченных из метеорита Мерчисон, который разбился в Австралии в 1969 году.
В 1980-х годах Димер обнаружил мембранообразующие молекулы в этом самом космическом камне — возможный признак того, что эти химические вещества были в изобилии на ранней Земле, как того требует гипотеза «сперва мембрана». Но Димер сделал еще одно наблюдение, о котором никогда не писал. Он разглядывал маслянистые углеводородные пигменты, извлеченные из образца Мерчисона, под микроскопом. «Когда я включил свет в микроскопе, я взглянул на эти капли с неожиданной стороны — они казались живыми», говорит он. «Они начали двигаться по среде — среда была просто стеклянной пластинкой, конечно — и перемещать материал внутри. И тогда сфера вытянулась и разделилась на две небольшие сферы, которые затем расползлись».
Это поведение «так сильно заинтересовало» Димера тридцать лет назад, что он снял его на видео. И обсуждая исследования дрезденской группы в этом месяце, Димер сказал: «Думаю, мне стоит написать этим ребятам и рассказать об этом».
Франк Юлихер, автор новой работы, с удовольствием взглянул на записи делящихся капель Димера. «Очень интересно», ответил он в письме Димеру. Слегка поразмыслив над физикой внеземных капель, Юлихер сказал: «Поток и «деление» на этой картине вытекают из процесса активного смачивания». Свет запускает химическую реакцию, которая производит молекулы, которые смачивают подложку микроскопа, объяснил он. Это, в свою очередь, создает градиент поверхностного натяжения и материл капли начинает циркулировать и двигаться. «Эта физика несколько отличается от разделения капель, которое мы изучали в нашей работе, которое происходит без смачивания», говорит Юлихер, добавляя, что ключевое отличие того, что изучала его команда, в том, что их капли были химически активны и стационарны одновременно — подобно клеткам.
Оба механизма деления капель на данный момент изучены довольно слабо и оба являются новыми примерами так называемого «неуравновешенного» физического поведения. Даже если старая запись Димера демонстрирует другой эффект, отличный от того, что изучали дрезденские ученые, это может указывать на то, что деление капель более распространено, чем было известно, а значит могло сыграть определенную роль в зарождении жизни.
В любом случае не каждый день такое увидишь.
Автор: Илья Хель