科學家發現雨在支持地球上的早期生命方面發揮著關鍵作用

數十億年的進化造就了現代細胞極其復雜.牢房內部是小隔間稱為細胞器執行對細胞的生存和運作至關重要的特定功能。例如，細胞核儲存遺傳物質，線粒體產生能量。

細胞的另一個重要部分是包裹它的膜。嵌入膜表面的蛋白質控制物質進出細胞的運動。

這種復雜的膜結構使我們所知道的生命變得復雜。但是，在復雜的膜結構進化之前，最早、最簡單的細胞是如何將這一切結合在一起的呢？

在我們最近發表在該雜志上的研究中科學進展、我在芝加哥大學和休斯頓大學的同事和我探索了一個令人著迷的可能性雨水起著至關重要的作用穩定早期細胞，為生命的復雜性鋪平道路。

生命的起源

科學中最有趣的問題之一是地球上的生命是如何開始的。長期以來，科學家們一直想知道水、氣體和礦床等非生命物質是如何轉化為能夠復制、新陳代謝和進化的活細胞的。

化學家斯坦利·米勒 （Stanley Miller） 和哈羅德·尤里 （Harold Urey）在芝加哥大學1953 年進行了一項實驗證明復雜的有機化合物（即碳基分子）可以從更簡單的有機和無機化合物合成。

這些化學家利用水、甲烷、氨、氫氣和電火花，形成了氨基酸。

科學家們相信最早的生命形式，稱為 Protocells，自發地出現在早期地球上的有機分子中。

這些原始的細胞樣結構可能由兩個基本成分組成：一種提供結構框架的基質材料和一種攜帶原始細胞功能指令的遺傳物質。

隨著時間的推移，這些原生細胞會逐漸進化出復制和執行代謝過程的能力。發生必要的化學反應需要某些條件，例如穩定的能源、有機化合物和水。

由基質和膜形成的隔室至關重要地提供了一個穩定的環境，可以濃縮反應物并保護它們免受外部環境的影響，從而允許發生必要的化學反應。

因此，出現了兩個關鍵問題：原生細胞的基質和膜是由什么材料制成的？它們又是如何使早期細胞保持所需的穩定性和功能，從而轉化為構成當今所有生物體的復雜細胞的呢？

氣泡與液滴

科學家們提出，兩種不同的原生細胞模型——囊泡和凝聚物——可能在生命的早期階段發揮了關鍵作用。

囊 泡是微小的氣泡，就像水中的肥皂。它們由稱為脂質的脂肪分子組成，這些脂肪分子會自然形成薄片。當這些片材卷曲成一個球體時，就會形成囊泡，該球體可以封裝化學物質并保護關鍵反應免受惡劣環境和潛在降解的影響。

就像生命的微型口袋一樣，囊泡類似于現代細胞的結構和功能。然而，與現代細胞的膜不同，囊泡原細胞缺乏選擇性地允許分子進出細胞并實現細胞間通訊的特殊蛋白質。

如果沒有這些蛋白質，囊泡原細胞與周圍環境有效相互作用的能力將受到限制，從而限制了它們的生命潛力。

凝聚物，另一方面，是由肽和核酸等有機分子積累形成的液滴。當有機分子由于相互吸引的化學性質（例如帶相反電荷的分子之間的靜電力）而粘在一起時，它們就會形成。

這些力與導致氣球粘在頭發上的力相同。

人們可以將凝聚物想象成懸浮在水中的食用油液滴。與油滴類似，凝聚原細胞缺乏膜。如果沒有膜，周圍的水很容易與原生細胞交換物質。

這種結構特征有助于凝聚濃縮化學品和加速化學反應，為生活的基石創造一個熙熙攘攘的環境。

因此，沒有膜似乎使凝聚物成為比囊泡更好的原生細胞候選者。然而，缺少膜也存在一個明顯的缺點：遺傳物質可能會泄漏。

不穩定和泄漏的 protocell

荷蘭化學家問世幾年后1929 年發現 Coacervate 液滴、俄羅斯生物化學家亞歷山大·奧帕林提出 Coacervates 是最早的原生細胞模型。

他認為，凝聚液滴提供了一種原始形式的區室化，對早期代謝過程和自我復制至關重要。

隨后，科學家發現凝聚物有時可以是由帶相反電荷的聚合物組成：長鏈狀分子，在分子尺度上類似于意大利面條，攜帶相反的電荷。

當帶相反電荷的聚合物混合時，它們往往會相互吸引并粘在一起，形成沒有膜的液滴。

沒有膜帶來了一個挑戰：液滴會迅速相互融合，類似于水中的單個油滴連接成一個大團。

此外，缺乏膜允許 RNA——一種被認為是最早的自我復制分子形式，對生命的早期階段至關重要 – 在原始細胞之間快速交換。

我的同事杰克·索斯塔克在 2017 年表明，材料的快速融合和交換可以導致RNA 不受控制的混合，使得穩定和不同的基因序列難以進化。

這種限制表明 coacervates 可能無法維持早期生命所需的區室化。

區室化是自然選擇和進化的嚴格要求。如果凝聚原生細胞不斷融合，并且它們的基因不斷混合和交換，它們都會彼此相似，沒有任何遺傳變異。

如果沒有遺傳變異，沒有一個原生細胞會有更高的生存、繁殖和將其基因傳遞給后代的可能性。

但今天的生命因各種遺傳物質而繁榮，這表明大自然以某種方式解決了這個問題。因此，必須存在解決這個問題的方法，并且可能隱藏在眾目睽睽之下。

雨水和 RNA

我在 2022 年進行的一項研究表明，如果滿足以下條件，凝聚液滴可以穩定并避免融合浸入去離子水中– 不含溶解離子和礦物質的水。

液滴將小離子噴射到水中，可能允許帶相反電荷的聚合物位于外圍彼此更接近并形成網狀皮膚層。這種網狀的“壁”有效地阻礙了液滴的融合。

接下來，與我的同事和合作者一起，包括馬修·蒂雷爾和 Jack Szostak，我研究了原生細胞之間的遺傳物質交換。我們將兩個獨立的原生細胞群，用去離子水處理，放入試管中。

其中一個種群含有 RNA。當兩個群體混合時，RNA 在各自的原始細胞中停留數天。原生細胞的網狀“壁”阻礙了 RNA 泄漏。

相比之下，當我們混合未用去離子水處理的原始細胞時，RNA 會在幾秒鐘內從一個原始細胞擴散到另一個原始細胞。

受到這些結果的啟發，我的同事阿拉姆吉爾·卡里姆想知道雨水是無離子水的天然來源，是否可以在益生元世界中做同樣的事情。與另一位同事阿努莎·馮特杜，我發現雨水確實可以穩定原細胞以防止聚變。

我們相信，雨水可能為第一批細胞鋪平了道路。

跨學科工作

研究生命起源既解決了對導致地球生命的機制的科學好奇心，也解決了關于我們在宇宙中的位置和存在本質的哲學問題。

現在我的研究深入研究了原生細胞中基因復制的最初階段。在沒有在細胞內復制基因的現代蛋白質的情況下，益生元世界將依靠核苷酸（遺傳物質的組成部分）之間的簡單化學反應來復制 RNA。

了解核苷酸是如何聚集在一起的形成一條長鏈的 RNA 是破譯益生元進化的關鍵步驟。

為了解決生命起源這一深刻問題，了解大約 38 億年前早期地球的地質、化學和環境條件至關重要。

因此，揭示生命的起源不僅限于生物學家。像我這樣的化學工程師，以及來自各個科學領域的研究人員，都在探索這個引人入勝的存在主義問題。

阿曼·阿格拉瓦爾， 化學工程博士后芝加哥大學普利茲克分子工程學院

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