數十億年的進化已經造就了現代細胞極其複雜。細胞內部有小隔間稱為細胞器執行細胞生存和運行所必需的特定功能。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圍細胞的膜。嵌入膜表面的蛋白質控制物質進出細胞的運動。
這種複雜的膜結構允許我們所知的生命的複雜性。但在復雜的膜結構進化之前，最早、最簡單的細胞是如何將它們結合在一起的呢？
在我們最近在期刊上發表的研究中科學進步，我來自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發揮了至關重要的作用穩定早期細胞，為生命的複雜性鋪平道路。
生命的起源
科學中最有趣的問題之一是生命是如何在地球上開始的。科學家們長期以來一直想知道水、氣體和礦藏等非生命物質如何轉化為能夠複製、新陳代謝和進化的活細胞。
化學家斯坦利·米勒和哈羅德·尤里在芝加哥大學1953年進行了一項實驗證明復雜的有機化合物（即碳基分子）可以由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。
科學家相信最早的生命形式，稱為原始細胞，是從早期地球上存在的有機分子自發產生的。
這些原始的細胞樣結構可能由兩個基本成分組成：提供結構框架的基質材料和攜帶原始細胞功能指令的遺傳材料。
隨著時間的推移，這些原始細胞將逐漸進化出複制和執行代謝過程的能力。重要化學反應的發生需要某些條件，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，可以濃縮反應物並保護它們免受外部環境的影響，從而允許必要的化學反應發生。
因此，出現了兩個關鍵問題：原始細胞的基質和膜是由什麼材料製成的？它們如何使早期細胞保持其所需的穩定性和功能，以轉化為構成當今所有生物體的複雜細胞？
氣泡與水滴
科學家提出，兩種不同的原始細胞模型——囊泡和凝聚層——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，自然形成薄片。當這些薄片捲曲成球體時，就會形成囊泡，可以封裝化學物質並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，囊泡類似於現代細胞的結構和功能。然而，與現代細胞的膜不同，囊泡原始細胞缺乏專門的蛋白質，這些蛋白質可以選擇性地允許分子進出細胞並實現細胞之間的通訊。
如果沒有這些蛋白質，囊泡原始細胞與周圍環境有效相互作用的能力就會受到限制，從而限制了它們的生命潛力。
凝聚層另一方面，是由肽和核酸等有機分子積累形成的液滴。當有機分子由於化學性質相互吸引而粘在一起時，例如帶相反電荷的分子之間的靜電力，就會形成它們。
這些力與導致氣球粘在頭髮上的力相同。
人們可以將凝聚層想像為懸浮在水中的食用油滴。與油滴類似，凝聚原始細胞缺乏膜。如果沒有膜，周圍的水可以很容易地與原始細胞交換物質。
這種結構特徵有助於凝聚濃縮化學品和加速化學反應，營造繁華的生活積木環境。
因此，膜的缺失似乎使凝聚層成為比囊泡更好的原始細胞候選者。然而，缺乏膜也存在一個顯著的缺點：遺傳物質有可能洩漏。
不穩定且有漏洞的原始細胞
荷蘭化學家幾年後1929年發現凝聚液滴、俄羅斯生物化學家亞歷山大·奧帕林提出凝聚層是原始細胞的最早模型。
他認為凝聚液滴提供了一種原始的分隔形式，這對於早期代謝過程和自我複制至關重要。
隨後，科學家發現凝聚層有時可以由帶相反電荷的聚合物組成：長鏈狀分子，在分子尺度上類似於意大利麵條，帶有相反的電荷。
當具有相反電荷的聚合物混合時，它們往往會相互吸引並粘在一起形成沒有膜的液滴。
沒有膜帶來了挑戰：液滴迅速相互融合，類似於水中的單個油滴連接成一個大斑點。
此外，由於沒有膜，RNA（一種被認為是遺傳物質的遺傳物質）得以存在。自我複制分子的最早形式，對於生命的早期階段至關重要——原始細胞之間的快速交換。
我的同事傑克·索斯塔克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，使得穩定且獨特的基因序列難以進化。
這種限製表明凝聚層可能無法維持早期生命所需的分隔。
區室化是自然選擇和進化的嚴格要求。如果凝聚的原始細胞不斷地融合，它們的基因不斷地相互混合和交換，那麼它們就會彼此相似，而沒有任何遺傳變異。
如果沒有遺傳變異，任何一個原始細胞都不會具有更高的生存、繁殖並將其基因傳遞給後代的可能性。
但今天的生命因各種遺傳物質而蓬勃發展，這表明大自然以某種方式解決了這個問題。因此，這個問題的解決方案必須存在，而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，凝聚液滴可以穩定並避免融合：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出現在外圍使彼此更加接近並形成網狀表皮層。這種網狀“牆”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，我研究了原始細胞之間遺傳物質的交換。我們將用去離子水處理的兩個獨立的原始細胞群放入試管中。
其中一個群體含有 RNA。當這兩個群體混合時，RNA 會在各自的原始細胞中保留數天。原始細胞的網狀“牆”阻止了 RNA 的洩漏。
相比之下，當我們混合未經去離子水處理的原始細胞時，RNA 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·卡里姆我想知道雨水作為無離子水的天然來源，在生命起源之前的世界中是否也能起到同樣的作用。和另一位同事一起，阿努莎·馮特杜，我發現雨水確實可以穩定原始細胞，防止融合。
我們相信，雨水可能為第一個細胞鋪平了道路。
跨學科工作
研究生命起源既解決了對地球上生命產生機制的科學好奇心，也解決了有關我們在宇宙中的地位和存在本質的哲學問題。
現在，我的研究深入研究原始細胞中基因複制的最初階段。如果沒有在細胞內復制基因的現代蛋白質，生命起源之前的世界將依賴於核苷酸（遺傳物質的組成部分）之間的簡單化學反應來複製 RNA。
了解核苷酸如何聚集在一起形成RNA長鍊是破譯生命前進化的關鍵一步。
為了解決生命起源這一深刻問題，了解大約 38 億年前地球早期的地質、化學和環境條件至關重要。
因此，揭示生命的起源並不僅限於生物學家。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正在探索這個迷人的存在問題。
阿曼·阿格拉瓦爾，化學工程博士後學者，芝加哥大學普利茲克分子工程學院
