地球上最原始的細(xì)胞長什么樣子？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，它們用雨水做“細(xì)胞膜”

本文來自微信公眾號：SF 中文（ID：kexuejiaodian），作者：SF

細(xì)胞用磷脂膜與外界隔離，同時磷脂膜本身的滲透性以及膜蛋白的運(yùn)輸功能，保證了細(xì)胞膜內(nèi)外的物質(zhì)交流?？茖W(xué)家推斷，在生命起源的初期，細(xì)胞的“膜”經(jīng)歷了“從無到有”的過程，并保證了遺傳物質(zhì)能穩(wěn)定復(fù)制、分裂。

然而，在復(fù)雜膜結(jié)構(gòu)還未形成之前，細(xì)胞如何兼顧獨(dú)立性和流通性？對此，美國芝加哥大學(xué)和休斯敦大學(xué)生物學(xué)家和工程師在發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）雜志的論文中提出了新見解。

1、“RNA 世界”假說的未解之謎

原始細(xì)胞對于生命的出現(xiàn)至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈優(yōu)楸匦枭锓肿樱ㄆ渲凶钪匾氖呛颂呛怂?，?RNA）的濃縮、組織和復(fù)制提供了區(qū)室化。RNA 具有存儲遺傳信息和催化化學(xué)反應(yīng)的雙重功能，被認(rèn)為是生命起源前地球上的關(guān)鍵分子以及生命的起源，這就是“RNA 世界”假說。

正如這個假說所言，RNA 成功由較簡單的有機(jī)分子轉(zhuǎn)化為可以演化和表現(xiàn)出多樣化的自我復(fù)制系統(tǒng)，并且是第一種實(shí)現(xiàn)這個過程的生物聚合物。然而，這個過程是如何發(fā)生的呢？

有觀點(diǎn)認(rèn)為，原始細(xì)胞內(nèi) RNA 的區(qū)室化可能是由兩性分子（如脂質(zhì)或脂肪酸）構(gòu)成的囊泡實(shí)現(xiàn)的。這些囊泡包圍著一個水核心，其中還可能發(fā)生對新陳代謝和繁殖至關(guān)重要的反應(yīng)。雖然這些原始細(xì)胞的功能類似于現(xiàn)代細(xì)胞，但它們?nèi)狈?jīng)歷高度演化的膜結(jié)構(gòu)來支持物質(zhì)運(yùn)輸。

脂質(zhì)或脂肪酸膜可以為所包裹的區(qū)域提供選擇性和滲透性，但只有小分子可以滲透穿過雙分子膜。隨著遺傳物質(zhì)增多，RNA 分子逐漸增大，原始細(xì)胞需要特定的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白來協(xié)助它們穿過細(xì)胞膜 —— 然而，在當(dāng)時，存在錯綜復(fù)雜的膜蛋白的可能性并不大。

2、原始細(xì)胞是個沒有膜的液滴？

為解釋以上的疑團(tuán)，科學(xué)家提出了另一種假說，即原始細(xì)胞可能是沒有脂質(zhì)膜的團(tuán)聚體。在多種締合相互作用（如靜電作用、疏水作用）的影響下，大分子以液-液相分離（LLPS）形式存在，形成液滴一樣的物體 —— 這就是細(xì)胞的雛形。

這種液滴是無膜的，可以在自然的分配作用下，允許一些生物大分子進(jìn)入，從而實(shí)現(xiàn)自己的持續(xù)生長。之后，在化學(xué)反應(yīng)（如分子主動分裂）或物理反應(yīng)（如受外界剪切力被動分裂）的作用下，這些液滴又會分裂。同時，也可以實(shí)現(xiàn)生命起源前非酶 RNA 的復(fù)制和分裂。

與通過膜實(shí)現(xiàn)的區(qū)室化相比，原始細(xì)胞為液滴的假說具有一個關(guān)鍵優(yōu)勢：液滴能夠通過簡單的分配作用來濃縮各種分子，如肽、核苷酸、聚合物、離子表面活性劑和脂肪酸。影響這些分子運(yùn)輸過程的不是它們自身的大小，而是它們對液滴基質(zhì)的親和力。

3、無膜的細(xì)胞如何保證獨(dú)立性？

然而，最近的研究表明，無膜原始細(xì)胞也存在一個明顯的缺點(diǎn)。沒有膜，原始細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)流通很方便，但也導(dǎo)致了 RNA 分子在細(xì)胞之間快速交換。

原始細(xì)胞之間相互補(bǔ)充不足，會導(dǎo)致在很短的時間內(nèi)，所有原始細(xì)胞的 RNA 組成都趨向一致。如果原始細(xì)胞的 RNA 組成存在差異，在環(huán)境的選擇壓力下，它們就會形成競爭關(guān)系。但 RNA 組成趨向一致的后果是，環(huán)境競爭壓力被削弱或消除了，而基于 RNA 的生命的演化歷程也會因此受到阻礙。

此外，物質(zhì)流通性提高的同時，也要避免原始細(xì)胞的穩(wěn)定性下降到不能維持完整生命周期的地步。

4、低鹽度淡水可能是最佳選擇

在新研究中，針對以上問題，科學(xué)家研究了由聚二烯丙基二甲基氯化銨（即 PDDA，一種帶正電荷的聚合物）和三磷酸腺苷（即 ATP，一種帶四個負(fù)電荷的核苷酸）形成的團(tuán)聚體，模擬穩(wěn)定性不高的原始細(xì)胞。接著，科學(xué)家在蒸餾水中利用剪切力分割了這些團(tuán)聚體，發(fā)現(xiàn)分割后的團(tuán)聚體表現(xiàn)出了更高的抗聚變性能。

這些團(tuán)聚體可以在數(shù)月內(nèi)保持獨(dú)立?？茖W(xué)家將這種穩(wěn)定性歸因于液滴界面的一系列物理化學(xué)變化：在剪切力作用下，團(tuán)聚體外界面離子濃度突然變化，變得不連續(xù)性，導(dǎo)致界面的部分離子損失，從而在原生細(xì)胞界面處的帶電大分子之間產(chǎn)生了誘導(dǎo)靜電交聯(lián)作用 —— 相當(dāng)于形成了一層網(wǎng)格狀的外壁。

與此同時，RNA 交換的時間也被延長了，小分子的 RNA 分子可在幾分鐘之內(nèi)交換，而大分子的 RNA 分子可以保持?jǐn)?shù)天的獨(dú)立狀態(tài)。“網(wǎng)格狀外壁”讓 RNA 保持獨(dú)立的同時，也允許復(fù)制的 RNA 向子細(xì)胞傳遞。

但是，在自然環(huán)境中，純凈的蒸餾水并不多見。在這項(xiàng)研究中，也有實(shí)驗(yàn)顯示，外界水體如果含有微量的酸或者鹽分，會導(dǎo)致團(tuán)聚體的穩(wěn)定性下降。這表明，在不能保證純凈蒸餾水的情況下，也要盡可能降低外界水體的鹽度。因此，科學(xué)家推斷，在地球早期，更復(fù)雜的有膜細(xì)胞還沒有出現(xiàn)的時候，低鹽度淡水（來源包括雨水、湖泊或冰雪融化等）可能是實(shí)現(xiàn) RNA 區(qū)室化的驅(qū)動力。

更難得可貴的是，實(shí)驗(yàn)還顯示，這樣適中的通透性在高溫下依然成立。雖然還需要進(jìn)一步研究的論證，但新研究的結(jié)果無疑為探究生命起源的研究提供了更多的創(chuàng)新思路。

參考文獻(xiàn)：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn9657

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