地球上最原始的细胞长什么样子？科学家发现，它们用雨水做“细胞膜”

本文来自微信公众号：SF 中文（ID：kexuejiaodian），作者：SF

细胞用磷脂膜与外界隔离，同时磷脂膜本身的渗透性以及膜蛋白的运输功能，保证了细胞膜内外的物质交流。科学家推断，在生命起源的初期，细胞的“膜”经历了“从无到有”的过程，并保证了遗传物质能稳定复制、分裂。

然而，在复杂膜结构还未形成之前，细胞如何兼顾独立性和流通性？对此，美国芝加哥大学和休斯敦大学生物学家和工程师在发表于《科学进展》（Science Advances）杂志的论文中提出了新见解。

1、“RNA 世界”假说的未解之谜

原始细胞对于生命的出现至关重要，因为它们为必需生物分子（其中最重要的是核糖核酸，即 RNA）的浓缩、组织和复制提供了区室化。RNA 具有存储遗传信息和催化化学反应的双重功能，被认为是生命起源前地球上的关键分子以及生命的起源，这就是“RNA 世界”假说。

正如这个假说所言，RNA 成功由较简单的有机分子转化为可以演化和表现出多样化的自我复制系统，并且是第一种实现这个过程的生物聚合物。然而，这个过程是如何发生的呢？

有观点认为，原始细胞内 RNA 的区室化可能是由两性分子（如脂质或脂肪酸）构成的囊泡实现的。这些囊泡包围着一个水核心，其中还可能发生对新陈代谢和繁殖至关重要的反应。虽然这些原始细胞的功能类似于现代细胞，但它们缺乏经历高度演化的膜结构来支持物质运输。

脂质或脂肪酸膜可以为所包裹的区域提供选择性和渗透性，但只有小分子可以渗透穿过双分子膜。随着遗传物质增多，RNA 分子逐渐增大，原始细胞需要特定的转运蛋白来协助它们穿过细胞膜 —— 然而，在当时，存在错综复杂的膜蛋白的可能性并不大。

2、原始细胞是个没有膜的液滴？

为解释以上的疑团，科学家提出了另一种假说，即原始细胞可能是没有脂质膜的团聚体。在多种缔合相互作用（如静电作用、疏水作用）的影响下，大分子以液-液相分离（LLPS）形式存在，形成液滴一样的物体 —— 这就是细胞的雏形。

这种液滴是无膜的，可以在自然的分配作用下，允许一些生物大分子进入，从而实现自己的持续生长。之后，在化学反应（如分子主动分裂）或物理反应（如受外界剪切力被动分裂）的作用下，这些液滴又会分裂。同时，也可以实现生命起源前非酶 RNA 的复制和分裂。

与通过膜实现的区室化相比，原始细胞为液滴的假说具有一个关键优势：液滴能够通过简单的分配作用来浓缩各种分子，如肽、核苷酸、聚合物、离子表面活性剂和脂肪酸。影响这些分子运输过程的不是它们自身的大小，而是它们对液滴基质的亲和力。

3、无膜的细胞如何保证独立性？

然而，最近的研究表明，无膜原始细胞也存在一个明显的缺点。没有膜，原始细胞内外的物质流通很方便，但也导致了 RNA 分子在细胞之间快速交换。

原始细胞之间相互补充不足，会导致在很短的时间内，所有原始细胞的 RNA 组成都趋向一致。如果原始细胞的 RNA 组成存在差异，在环境的选择压力下，它们就会形成竞争关系。但 RNA 组成趋向一致的后果是，环境竞争压力被削弱或消除了，而基于 RNA 的生命的演化历程也会因此受到阻碍。

此外，物质流通性提高的同时，也要避免原始细胞的稳定性下降到不能维持完整生命周期的地步。

4、低盐度淡水可能是最佳选择

在新研究中，针对以上问题，科学家研究了由聚二烯丙基二甲基氯化铵（即 PDDA，一种带正电荷的聚合物）和三磷酸腺苷（即 ATP，一种带四个负电荷的核苷酸）形成的团聚体，模拟稳定性不高的原始细胞。接着，科学家在蒸馏水中利用剪切力分割了这些团聚体，发现分割后的团聚体表现出了更高的抗聚变性能。

这些团聚体可以在数月内保持独立。科学家将这种稳定性归因于液滴界面的一系列物理化学变化：在剪切力作用下，团聚体外界面离子浓度突然变化，变得不连续性，导致界面的部分离子损失，从而在原生细胞界面处的带电大分子之间产生了诱导静电交联作用 —— 相当于形成了一层网格状的外壁。

与此同时，RNA 交换的时间也被延长了，小分子的 RNA 分子可在几分钟之内交换，而大分子的 RNA 分子可以保持数天的独立状态。“网格状外壁”让 RNA 保持独立的同时，也允许复制的 RNA 向子细胞传递。

但是，在自然环境中，纯净的蒸馏水并不多见。在这项研究中，也有实验显示，外界水体如果含有微量的酸或者盐分，会导致团聚体的稳定性下降。这表明，在不能保证纯净蒸馏水的情况下，也要尽可能降低外界水体的盐度。因此，科学家推断，在地球早期，更复杂的有膜细胞还没有出现的时候，低盐度淡水（来源包括雨水、湖泊或冰雪融化等）可能是实现 RNA 区室化的驱动力。

更难得可贵的是，实验还显示，这样适中的通透性在高温下依然成立。虽然还需要进一步研究的论证，但新研究的结果无疑为探究生命起源的研究提供了更多的创新思路。

参考文献：

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

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