科学家发现雨在支持地球上的早期生命方面发挥着关键作用

数十亿年的进化造就了现代细胞极其复杂.牢房内部是小隔间称为细胞器执行对细胞的生存和运作至关重要的特定功能。例如，细胞核储存遗传物质，线粒体产生能量。

细胞的另一个重要部分是包裹它的膜。嵌入膜表面的蛋白质控制物质进出细胞的运动。

这种复杂的膜结构使我们所知道的生命变得复杂。但是，在复杂的膜结构进化之前，最早、最简单的细胞是如何将这一切结合在一起的呢？

在我们最近发表在该杂志上的研究中科学进展、我在芝加哥大学和休斯顿大学的同事和我探索了一个令人着迷的可能性雨水起着至关重要的作用稳定早期细胞，为生命的复杂性铺平道路。

生命的起源

科学中最有趣的问题之一是地球上的生命是如何开始的。长期以来，科学家们一直想知道水、气体和矿床等非生命物质是如何转化为能够复制、新陈代谢和进化的活细胞的。

化学家斯坦利·米勒 （Stanley Miller） 和哈罗德·尤里 （Harold Urey）在芝加哥大学1953 年进行了一项实验证明复杂的有机化合物（即碳基分子）可以从更简单的有机和无机化合物合成。

这些化学家利用水、甲烷、氨、氢气和电火花，形成了氨基酸。

科学家们相信最早的生命形式，称为 Protocells，自发地出现在早期地球上的有机分子中。

这些原始的细胞样结构可能由两个基本成分组成：一种提供结构框架的基质材料和一种携带原始细胞功能指令的遗传物质。

随着时间的推移，这些原生细胞会逐渐进化出复制和执行代谢过程的能力。发生必要的化学反应需要某些条件，例如稳定的能源、有机化合物和水。

由基质和膜形成的隔室至关重要地提供了一个稳定的环境，可以浓缩反应物并保护它们免受外部环境的影响，从而允许发生必要的化学反应。

因此，出现了两个关键问题：原生细胞的基质和膜是由什么材料制成的？它们又是如何使早期细胞保持所需的稳定性和功能，从而转化为构成当今所有生物体的复杂细胞的呢？

气泡与液滴

科学家们提出，两种不同的原生细胞模型——囊泡和凝聚物——可能在生命的早期阶段发挥了关键作用。

囊 泡是微小的气泡，就像水中的肥皂。它们由称为脂质的脂肪分子组成，这些脂肪分子会自然形成薄片。当这些片材卷曲成一个球体时，就会形成囊泡，该球体可以封装化学物质并保护关键反应免受恶劣环境和潜在降解的影响。

就像生命的微型口袋一样，囊泡类似于现代细胞的结构和功能。然而，与现代细胞的膜不同，囊泡原细胞缺乏选择性地允许分子进出细胞并实现细胞间通讯的特殊蛋白质。

如果没有这些蛋白质，囊泡原细胞与周围环境有效相互作用的能力将受到限制，从而限制了它们的生命潜力。

凝聚物，另一方面，是由肽和核酸等有机分子积累形成的液滴。当有机分子由于相互吸引的化学性质（例如带相反电荷的分子之间的静电力）而粘在一起时，它们就会形成。

这些力与导致气球粘在头发上的力相同。

人们可以将凝聚物想象成悬浮在水中的食用油液滴。与油滴类似，凝聚原细胞缺乏膜。如果没有膜，周围的水很容易与原生细胞交换物质。

这种结构特征有助于凝聚浓缩化学品和加速化学反应，为生活的基石创造一个熙熙攘攘的环境。

因此，没有膜似乎使凝聚物成为比囊泡更好的原生细胞候选者。然而，缺少膜也存在一个明显的缺点：遗传物质可能会泄漏。

不稳定和泄漏的 protocell

荷兰化学家问世几年后1929 年发现 Coacervate 液滴、俄罗斯生物化学家亚历山大·奥帕林提出 Coacervates 是最早的原生细胞模型。

他认为，凝聚液滴提供了一种原始形式的区室化，对早期代谢过程和自我复制至关重要。

随后，科学家发现凝聚物有时可以是由带相反电荷的聚合物组成：长链状分子，在分子尺度上类似于意大利面条，携带相反的电荷。

当带相反电荷的聚合物混合时，它们往往会相互吸引并粘在一起，形成没有膜的液滴。

没有膜带来了一个挑战：液滴会迅速相互融合，类似于水中的单个油滴连接成一个大团。

此外，缺乏膜允许 RNA——一种被认为是最早的自我复制分子形式，对生命的早期阶段至关重要 – 在原始细胞之间快速交换。

我的同事杰克·索斯塔克在 2017 年表明，材料的快速融合和交换可以导致RNA 不受控制的混合，使得稳定和不同的基因序列难以进化。

这种限制表明 coacervates 可能无法维持早期生命所需的区室化。

区室化是自然选择和进化的严格要求。如果凝聚原生细胞不断融合，并且它们的基因不断混合和交换，它们都会彼此相似，没有任何遗传变异。

如果没有遗传变异，没有一个原生细胞会有更高的生存、繁殖和将其基因传递给后代的可能性。

但今天的生命因各种遗传物质而繁荣，这表明大自然以某种方式解决了这个问题。因此，必须存在解决这个问题的方法，并且可能隐藏在众目睽睽之下。

雨水和 RNA

我在 2022 年进行的一项研究表明，如果满足以下条件，凝聚液滴可以稳定并避免融合浸入去离子水中– 不含溶解离子和矿物质的水。

液滴将小离子喷射到水中，可能允许带相反电荷的聚合物位于外围彼此更接近并形成网状皮肤层。这种网状的“壁”有效地阻碍了液滴的融合。

接下来，与我的同事和合作者一起，包括马修·蒂雷尔和 Jack Szostak，我研究了原生细胞之间的遗传物质交换。我们将两个独立的原生细胞群，用去离子水处理，放入试管中。

其中一个种群含有 RNA。当两个群体混合时，RNA 在各自的原始细胞中停留数天。原生细胞的网状“壁”阻碍了 RNA 泄漏。

相比之下，当我们混合未用去离子水处理的原始细胞时，RNA 会在几秒钟内从一个原始细胞扩散到另一个原始细胞。

受到这些结果的启发，我的同事阿拉姆吉尔·卡里姆想知道雨水是无离子水的天然来源，是否可以在益生元世界中做同样的事情。与另一位同事阿努莎·冯特杜，我发现雨水确实可以稳定原细胞以防止聚变。

我们相信，雨水可能为第一批细胞铺平了道路。

跨学科工作

研究生命起源既解决了对导致地球生命的机制的科学好奇心，也解决了关于我们在宇宙中的位置和存在本质的哲学问题。

现在我的研究深入研究了原生细胞中基因复制的最初阶段。在没有在细胞内复制基因的现代蛋白质的情况下，益生元世界将依靠核苷酸（遗传物质的组成部分）之间的简单化学反应来复制 RNA。

了解核苷酸是如何聚集在一起的形成一条长链的 RNA 是破译益生元进化的关键步骤。

为了解决生命起源这一深刻问题，了解大约 38 亿年前早期地球的地质、化学和环境条件至关重要。

因此，揭示生命的起源不仅限于生物学家。像我这样的化学工程师，以及来自各个科学领域的研究人员，都在探索这个引人入胜的存在主义问题。

阿曼·阿格拉瓦尔， 化学工程博士后芝加哥大学普利兹克分子工程学院

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