科學(xué)家發(fā)現(xiàn)雨在支持地球上的早期生命方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用

數(shù)十億年的進(jìn)化造就了現(xiàn)代細(xì)胞極其復(fù)雜.牢房內(nèi)部是小隔間稱為細(xì)胞器執(zhí)行對(duì)細(xì)胞的生存和運(yùn)作至關(guān)重要的特定功能。例如，細(xì)胞核儲(chǔ)存遺傳物質(zhì)，線粒體產(chǎn)生能量。

細(xì)胞的另一個(gè)重要部分是包裹它的膜。嵌入膜表面的蛋白質(zhì)控制物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)。

這種復(fù)雜的膜結(jié)構(gòu)使我們所知道的生命變得復(fù)雜。但是，在復(fù)雜的膜結(jié)構(gòu)進(jìn)化之前，最早、最簡單的細(xì)胞是如何將這一切結(jié)合在一起的呢？

在我們最近發(fā)表在該雜志上的研究中科學(xué)進(jìn)展、我在芝加哥大學(xué)和休斯頓大學(xué)的同事和我探索了一個(gè)令人著迷的可能性雨水起著至關(guān)重要的作用穩(wěn)定早期細(xì)胞，為生命的復(fù)雜性鋪平道路。

生命的起源

科學(xué)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(xué)家們一直想知道水、氣體和礦床等非生命物質(zhì)是如何轉(zhuǎn)化為能夠復(fù)制、新陳代謝和進(jìn)化的活細(xì)胞的。

化學(xué)家斯坦利·米勒 （Stanley Miller） 和哈羅德·尤里 （Harold Urey）在芝加哥大學(xué)1953 年進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明復(fù)雜的有機(jī)化合物（即碳基分子）可以從更簡單的有機(jī)和無機(jī)化合物合成。

這些化學(xué)家利用水、甲烷、氨、氫氣和電火花，形成了氨基酸。

科學(xué)家們相信最早的生命形式，稱為 Protocells，自發(fā)地出現(xiàn)在早期地球上的有機(jī)分子中。

這些原始的細(xì)胞樣結(jié)構(gòu)可能由兩個(gè)基本成分組成：一種提供結(jié)構(gòu)框架的基質(zhì)材料和一種攜帶原始細(xì)胞功能指令的遺傳物質(zhì)。

隨著時(shí)間的推移，這些原生細(xì)胞會(huì)逐漸進(jìn)化出復(fù)制和執(zhí)行代謝過程的能力。發(fā)生必要的化學(xué)反應(yīng)需要某些條件，例如穩(wěn)定的能源、有機(jī)化合物和水。

由基質(zhì)和膜形成的隔室至關(guān)重要地提供了一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境，可以濃縮反應(yīng)物并保護(hù)它們免受外部環(huán)境的影響，從而允許發(fā)生必要的化學(xué)反應(yīng)。

因此，出現(xiàn)了兩個(gè)關(guān)鍵問題：原生細(xì)胞的基質(zhì)和膜是由什么材料制成的？它們又是如何使早期細(xì)胞保持所需的穩(wěn)定性和功能，從而轉(zhuǎn)化為構(gòu)成當(dāng)今所有生物體的復(fù)雜細(xì)胞的呢？

氣泡與液滴

科學(xué)家們提出，兩種不同的原生細(xì)胞模型——囊泡和凝聚物——可能在生命的早期階段發(fā)揮了關(guān)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(zhì)的脂肪分子組成，這些脂肪分子會(huì)自然形成薄片。當(dāng)這些片材卷曲成一個(gè)球體時(shí)，就會(huì)形成囊泡，該球體可以封裝化學(xué)物質(zhì)并保護(hù)關(guān)鍵反應(yīng)免受惡劣環(huán)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(xiàn)代細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能。然而，與現(xiàn)代細(xì)胞的膜不同，囊泡原細(xì)胞缺乏選擇性地允許分子進(jìn)出細(xì)胞并實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間通訊的特殊蛋白質(zhì)。

如果沒有這些蛋白質(zhì)，囊泡原細(xì)胞與周圍環(huán)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(jī)分子積累形成的液滴。當(dāng)有機(jī)分子由于相互吸引的化學(xué)性質(zhì)（例如帶相反電荷的分子之間的靜電力）而粘在一起時(shí)，它們就會(huì)形成。

這些力與導(dǎo)致氣球粘在頭發(fā)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(xì)胞缺乏膜。如果沒有膜，周圍的水很容易與原生細(xì)胞交換物質(zhì)。

這種結(jié)構(gòu)特征有助于凝聚濃縮化學(xué)品和加速化學(xué)反應(yīng)，為生活的基石創(chuàng)造一個(gè)熙熙攘攘的環(huán)境。

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

不穩(wěn)定和泄漏的 protocell

荷蘭化學(xué)家問世幾年后1929 年發(fā)現(xiàn) Coacervate 液滴、俄羅斯生物化學(xué)家亞歷山大·奧帕林提出 Coacervates 是最早的原生細(xì)胞模型。

他認(rèn)為，凝聚液滴提供了一種原始形式的區(qū)室化，對(duì)早期代謝過程和自我復(fù)制至關(guān)重要。

隨后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)凝聚物有時(shí)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(dāng)帶相反電荷的聚合物混合時(shí)，它們往往會(huì)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(gè)挑戰(zhàn)：液滴會(huì)迅速相互融合，類似于水中的單個(gè)油滴連接成一個(gè)大團(tuán)。

此外，缺乏膜允許 RNA——一種被認(rèn)為是最早的自我復(fù)制分子形式，對(duì)生命的早期階段至關(guān)重要 – 在原始細(xì)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(dǎo)致RNA 不受控制的混合，使得穩(wěn)定和不同的基因序列難以進(jìn)化。

這種限制表明 coacervates 可能無法維持早期生命所需的區(qū)室化。

區(qū)室化是自然選擇和進(jìn)化的嚴(yán)格要求。如果凝聚原生細(xì)胞不斷融合，并且它們的基因不斷混合和交換，它們都會(huì)彼此相似，沒有任何遺傳變異。

如果沒有遺傳變異，沒有一個(gè)原生細(xì)胞會(huì)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(zhì)而繁榮，這表明大自然以某種方式解決了這個(gè)問題。因此，必須存在解決這個(gè)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(jìn)行的一項(xiàng)研究表明，如果滿足以下條件，凝聚液滴可以穩(wěn)定并避免融合浸入去離子水中– 不含溶解離子和礦物質(zhì)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(wǎng)狀皮膚層。這種網(wǎng)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(xì)胞之間的遺傳物質(zhì)交換。我們將兩個(gè)獨(dú)立的原生細(xì)胞群，用去離子水處理，放入試管中。

其中一個(gè)種群含有 RNA。當(dāng)兩個(gè)群體混合時(shí)，RNA 在各自的原始細(xì)胞中停留數(shù)天。原生細(xì)胞的網(wǎng)狀“壁”阻礙了 RNA 泄漏。

相比之下，當(dāng)我們混合未用去離子水處理的原始細(xì)胞時(shí)，RNA 會(huì)在幾秒鐘內(nèi)從一個(gè)原始細(xì)胞擴(kuò)散到另一個(gè)原始細(xì)胞。

受到這些結(jié)果的啟發(fā)，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(fā)現(xiàn)雨水確實(shí)可以穩(wěn)定原細(xì)胞以防止聚變。

我們相信，雨水可能為第一批細(xì)胞鋪平了道路。

跨學(xué)科工作

研究生命起源既解決了對(duì)導(dǎo)致地球生命的機(jī)制的科學(xué)好奇心，也解決了關(guān)于我們?cè)谟钪嬷械奈恢煤痛嬖诒举|(zhì)的哲學(xué)問題。

現(xiàn)在我的研究深入研究了原生細(xì)胞中基因復(fù)制的最初階段。在沒有在細(xì)胞內(nèi)復(fù)制基因的現(xiàn)代蛋白質(zhì)的情況下，益生元世界將依靠核苷酸（遺傳物質(zhì)的組成部分）之間的簡單化學(xué)反應(yīng)來復(fù)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(jìn)化的關(guān)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(zhì)、化學(xué)和環(huán)境條件至關(guān)重要。

因此，揭示生命的起源不僅限于生物學(xué)家。像我這樣的化學(xué)工程師，以及來自各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的研究人員，都在探索這個(gè)引人入勝的存在主義問題。

阿曼·阿格拉瓦爾， 化學(xué)工程博士后芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院

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