雨滴可能帮助启动了地球上的生命

最早的细胞可能没有膜来分离和保护其成分和化学物质免受恶劣的周围环境的影响。但他们可能只能靠下雨了。

当您通过我们网站上的链接购买时，我们可能会赚取联属佣金。这是它的工作原理。

数十亿年的进化已经使现代细胞极其复杂。细胞内部有一些小隔室称为细胞器，它们执行细胞生存和运行所必需的特定功能。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围细胞的膜。嵌入膜表面的蛋白质控制物质进出细胞的运动。这种复杂的膜结构允许我们所知的生命的复杂性。但在复杂的膜结构进化之前，最早、最简单的细胞是如何将它们结合在一起的呢？

在我们最近在《科学进展》杂志上发表的研究中，我和我来自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，即雨水在其中发挥了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生命是如何在地球上开始的。科学家们长期以来一直想知道水、气体和矿藏等非生命物质如何转化为能够复制、新陈代谢和进化的活细胞。

芝加哥大学的化学家Stanley Miller 和 Harold Urey于 1953 年进行了一项实验，证明复杂的有机化合物（即碳基分子）可以由更简单的有机和无机合成那些。这些化学家利用水、甲烷、氨、氢气和电火花形成了氨基酸。

科学家认为，最早的生命形式，称为原始细胞，是从早期地球上存在的有机分子自发产生的。这些原始的细胞样结构可能由两个基本成分组成：提供结构框架的基质材料和携带原始细胞功能指令的遗传材料。

随着时间的推移，这些原始细胞将逐渐进化出复制和执行代谢过程的能力。重要化学反应的发生需要某些条件，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，从而允许必要的化学反应发生。

相关：进化发生的速度有多快？

因此，出现了两个关键问题：原始细胞的基质和膜是由什么材料制成的？它们如何使早期细胞保持其所需的稳定性和功能，以转化为构成当今所有生物体的复杂细胞？

气泡与液滴

科学家提出，两种不同的原始细胞模型——囊泡和凝聚层——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，自然形成薄片。当这些薄片卷曲成球体时，就会形成囊泡，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，囊泡原始细胞缺乏特殊的蛋白质，这些蛋白质可以选择性地允许分子进出细胞并实现细胞之间的通讯。如果没有这些蛋白质，囊泡原始细胞与周围环境有效相互作用的能力就会受到限制，从而限制了它们的生命潜力。

另一方面，凝聚层是由肽和核酸等有机分子积累形成的液滴。当有机分子由于化学性质相互吸引而粘在一起时，例如带相反电荷的分子之间的静电力，就会形成它们。这些力与导致气球粘在头发上的力相同。

人们可以将凝聚层想象为悬浮在水中的食用油滴。与油滴类似，凝聚原始细胞缺乏膜。如果没有膜，周围的水可以很容易地与原始细胞交换物质。这种结构特征有助于凝聚浓缩化学物质并加速化学反应，为生命的构建创造一个忙碌的环境。

因此，膜的缺失似乎使凝聚层成为比囊泡更好的原始细胞候选者。然而，缺乏膜也存在一个显着的缺点：遗传物质有可能泄漏。

不稳定且有漏洞的原始细胞

1929 年荷兰化学家发现凝聚层液滴几年后，俄罗斯生物化学家Alexander Oparin提出凝聚层是最早的原始细胞模型。他认为，凝聚液滴提供了一种对早期代谢过程和自我复制至关重要的原始划分形式。

随后，科学家发现凝聚层有时可以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，带有相反的电荷。当具有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。

没有膜带来了挑战：液滴迅速相互融合，类似于水中的单个油滴连接成一个大斑点。此外，由于缺乏膜，RNA（一种被认为是最早形式的自我复制分子的遗传物质，对生命的早期阶段至关重要）能够原始细胞之间快速交换。

我的同事Jack Szostak在 2017 年表明，材料的快速融合和交换可能导致RNA 不受控制的混合，从而使稳定且独特的基因序列难以进化。这种限制表明凝聚层可能无法维持早期生命所需的分隔。

区室化是自然选择和进化的严格要求。如果凝聚的原始细胞不断融合，它们的基因不断地相互混合和交换，那么所有的原始细胞都会彼此相似，而没有任何遗传变异。如果没有遗传变异，任何一个原始细胞都不会具有更高的生存、繁殖并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蓬勃发展，这表明大自然以某种方式解决了这个问题。因此，这个问题的解决方案必须存在，而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，如果浸入去离子水（不含溶解离子和矿物质的水）中，凝聚液滴可以稳定并避免融合。液滴将小离子喷射到水中，可能使外围带相反电荷的聚合物彼此更接近并形成网状表层。这种网状“墙”有效地阻碍了液滴的融合。

接下来，我与我的同事和合作者（包括马修·蒂雷尔（Matthew Tirrell）和杰克·绍斯塔克（Jack Szostak））一起研究了原始细胞之间遗传物质的交换。我们将用去离子水处理的两个独立的原始细胞群放入试管中。其中一个群体含有 RNA。当这两个群体混合时，RNA 会在各自的原始细胞中保留数天。原始细胞的网状“墙”阻止了 RNA 的泄漏。

相比之下，当我们混合未经去离子水处理的原始细胞时，RNA 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 Alamgir Karim 想知道雨水（无离子水的天然来源）是否可以在生命起源之前的世界中起到同样的作用。我和另一位同事 Anusha Vonteddu 发现雨水确实可以稳定原始细胞，防止融合。

我们相信，雨水可能为第一个细胞铺平了道路。

跨学科工作

研究生命起源既解决了对地球上生命产生机制的科学好奇心，也解决了有关我们在宇宙中的地位和存在本质的哲学问题。

目前，我的研究深入研究原始细胞中基因复制的最初阶段。如果没有在细胞内复制基因的现代蛋白质，生命起源之前的世界将依赖于核苷酸（遗传物质的组成部分）之间的简单化学反应来复制 RNA。 了解核苷酸如何聚集在一起形成长链 RNA 是破译生命前进化的关键一步。

为了解决生命起源这一深刻问题，了解大约 38 亿年前地球早期的地质、化学和环境条件至关重要。因此，揭示生命的起源并不仅限于生物学家。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正在探索这个迷人的存在问题。

这篇编辑过的文章是在知识共享许可下从The Conversation重新发布的。阅读原始文章。