میلیاردها سال پیش، همین چالش احتمالا با نخستین محموله‌های غشایی خودسازماندهی‌شده حاوی مواد شیمیایی مواجه شده است که خود به خود به وجود می‌آیند اما این "پیش سلول‌ها" یا "پروتوسل‌ها"(Protocells) باید بدون تکیه کردن بر پروتئین‌های بزرگ تکثیر شوند. اینکه پروتوسل‌ها چگونه چنین کاری را انجام می‌دهند، یک سوال کلیدی برای اخترزیست‌شناسان و بیوشیمی‌دانانی است که منشا حیات را بررسی می‌کنند.
"آنا وانگ"(Anna Wang)، اخترزیست‌شناس "دانشگاه نیو ساوت ولز"(UNSW) استرالیا گفت: اگر همه آنزیم‌های سلول حذف شوند، هیچ اتفاقی نمی‌افتد. آنها محموله‌هایی واقعا پایدار هستند و این یک نکته مورد توجه به شمار می‌رود.
"رومین آتال"(Romain Attal)، فیزیکدان "شهر علم و فناوری"(City of Science and Industry) فرانسه، مجموعه‌ای از معادلات ریاضی را ارائه داده است که نشان می‌دهند گرما چگونه به تنهایی می‌تواند برای هدایت یک بخش مهم از فرآیند همانندسازی کافی باشد. این فرآیند، شکافت یک پروتوسل و تقسیم شدن آن به دو بخش است.
آتال باور دارد که فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی فعال در حیات ابتدایی احتمالا بسیار ساده بوده‌اند و ترمودینامیک به تنهایی می‌تواند نقش مهمی در نحوه آغاز زندگی داشته باشد. آتال گفت: معادلات اساسی که من روی آنها کار کرده‌ام، می‌توانند برخی از قوانین حاکم بر نحوه پیدایش زندگی را برای نخستین بار بیان کنند.
وی افزود: سطح دما برای زندگی مهم است. اگر موضوعی را درک می‌کنید، باید بتوانید اصول آن را بنویسید.
تلنگری برای شکافت سلولی
برای این که سلول‌های بدوی بتوانند خود را بدون نیاز به سیستم‌های پیچیده پروتئینی تقسیم کنند، یک محرک فیزیکی یا شیمیایی مورد نیاز بود. وانگ گفت: این موضوع در مورد رساندن یک سلول به عملکردهای اصلی خود است و همچنین فکر کردن به این که اصول ابتدایی فیزیکی و شیمیایی چیست و چگونه می‌توان از آن بدون نیاز به پروتئین تقلید کرد.
کشف این فرآیندها زمانی چالش برانگیزتر می‌شود که در نظر داشته باشیم دانشمندان هنوز نمی‌توانند در مورد تعریفی کلی پیرامون حیات و به طور ویژه پروتوسل‌ها به توافق برسند.
آنچه دانشمندان بر سر آن اتفاق نظر دارند، این است که پروتوسل‌ها احتمالا نوعی اطلاعات موروثی داشته‌اند که توانسته‌اند آنها را به سلول‌های دختر منتقل کنند. این متابولیسمی است که واکنش‌های شیمیایی انجام می‌دهند و یک غشای لیپیدی، متابولیسم و اطلاعات ارثی را از بقیه قسمت‌ها جدا می‌کند.
برای اینکه یک پروتوسل پیش از تقسیم شدن رشد کند، نه تنها باید حجم داخل سلول بلکه باید سطح غشای اطراف را نیز افزایش دهد. برای ایجاد دو سلول دختر کوچک‌تر با حجم کلی مشابه سلول مادر، به لیپیدهای اضافی برای غشاهای آنها نیاز است زیرا مساحت آنها نسبت به حجم آنها بیشتر است. واکنش‌های شیمیایی مورد نیاز برای تامین سوخت تولید این لیپیدها، انرژی را به شکل گرما منتشر می‌کند.
هنگامی که آتال این ایده‌ها را با "لوران شوارتز"(Laurent Schwartz)، زیست‌شناس حوزه سرطان در میان گذاشت، این پرسش پیش آمد که آیا این انرژی برای شکل‌گیری تقسیم ابتدایی سلولی کافی است یا خیر. جست و جو در پژوهش‌های پیشین، یک پژوهش را مشخص کرد که نشان می‌دهد دمای میتوکندری‌ها، کمی بالاتر از سلول‌های اطراف است. آتال می‌خواست بداند که آیا این تفاوت انرژی می‌تواند در پروتوسل‌ها ایجاد شود و آیا برای ایجاد شکافت سلول کافی است یا خیر.
آتال ترسیم مجموعه‌ای از معادلات را برای مدل‌سازی آنچه ممکن است رخ دهد، آغاز کرد. او کار خود را با مجموعه‌ای از فرضیات آغاز کرد؛ از جمله اینکه شکل پروتوسل، میله‌ای خواهد بود و غشایی دولایه دارد که اجازه می‌دهد مواد مغذی در داخل و مواد زائد در بیرون پخش شوند.
آتال متوجه شد که انرژی تولیدشده توسط متابولیسم سلولی ابتدایی، لیپیدهای داخل غشا را سریع‌تر از لیپیدهایی که در بیرون هستند، گرم می‌کند. سپس ترمودینامیک، لیپیدهای درونی پرانرژی را وادار می‌کند تا به سمت بیرون بچرخند و باعث می‌شود که غشای بیرونی منبسط شود. یک راه حل آسان برای این عدم تعادل این است که سلول‌ها به هم متصل شوند و دو سلول دختر را تشکیل دهند. این اتصال احتمالا در مرکز سلول مادر رخ می‌دهد؛ جایی که گرم‌تر است و حرکات لیپید در آن بیشتر مشخص می‌شوند.
