关于生命起源的一个尚未解答的主要问题是，漂浮在原始汤中的RNA液滴如何变成我们称之为细胞的受膜保护的生命体。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院(UChicagoPME)的工程师、休斯顿大学化学工程系和芝加哥大学化学系的生物学家在新论文中提出了解决方案。

在这篇发表在《科学进展》上的论文中，芝加哥大学工程与机械工程博士后研究员阿曼·阿格拉瓦尔(AmanAgrawal)和他的合著者(包括芝加哥大学工程与机械工程名誉院长马修·蒂雷尔(MatthewTirrell)和诺贝尔奖获得者生物学家杰克·绍斯塔克(JackSzostak))展示了38亿年前雨水如何帮助在原始细胞周围形成网状壁，这是从微小的RNA珠子转变为曾经存在过的每个细菌、植物、动物和人类的关键一步。

蒂雷尔说：“这是一个独特而新颖的观察。”

这项研究着眼于“凝聚液滴”——一种天然存在的复杂分子隔室，如蛋白质、脂质和RNA。这些液滴的行为就像水中的食用油滴，长期以来一直被视为第一批原始细胞的候选者。但有一个问题。并不是这些液滴无法相互交换分子，这是进化的关键步骤，问题是它们交换得太好，太快了。

任何含有新的、可能有用的生命前RNA突变的液滴都会在几分钟内与其他RNA液滴交换这种RNA，这意味着它们很快就会变得完全相同。不会有分化，也不会有竞争——也就意味着不会有进化。

那就意味着没有生命。

阿格拉瓦尔说：“如果分子在液滴之间或细胞之间不断交换，那么不久之后所有细胞都会看起来一样，而且不会发生进化，因为最终会得到相同的克隆。”

设计解决方案

生命本质上是跨学科的，因此芝加哥大学芝加哥生命起源中心主任Szostak表示，与芝加哥大学PME、芝加哥大学跨学科分子工程学院和休斯顿大学化学工程系合作是自然而然的。

“工程师们长期以来一直在研究这类复合物的物理化学，以及更普遍意义上的聚合物化学。工程学院拥有专业知识是有道理的，”Szostak说。“当我们研究生命起源之类的问题时，它非常复杂，涉及很多部分，我们需要具有相关经验的人参与其中。”

21世纪初，绍斯塔克开始研究RNA，将其作为第一种需要开发的生物材料。它解决了长期以来困扰研究人员将DNA或蛋白质视为最早生命分子的问题。

“这就像先有鸡还是先有蛋的问题。哪个先出现?”阿格拉沃尔说。“DNA是编码信息的分子，但它不能发挥任何功能。蛋白质是发挥功能的分子，但它们不编码任何可遗传的信息。”

像绍斯塔克这样的研究人员推测，RNA首先出现，用阿格拉瓦尔的话来说，“照顾一切”，蛋白质和DNA慢慢地从RNA进化而来。

阿格拉瓦尔说：“RNA是一种像DNA一样的分子，它可以编码信息，但它也能像蛋白质一样折叠，因此它也能发挥催化等功能。”

RNA可能是第一种生物材料的候选者。凝聚液滴可能是第一种原始细胞的候选者。含有早期RNA形式的凝聚液滴似乎是自然而然的下一步。

直到Szostak给这一理论泼了冷水，他在2014年发表的一篇论文中指出，凝聚态液滴中的RNA交换速度过快。

“你可以制造出各种不同类型的凝聚层液滴，但它们无法保持各自的特性。它们往往会过快地交换RNA含量。这是一个长期存在的问题，”Szostak说。

“我们在这篇新论文中表明，可以通过将这些凝聚态液滴转移到蒸馏水中(例如雨水或任何类型的淡水)来克服至少部分问题，并且液滴周围会形成一层坚硬的外壳，限制它们交换RNA含量。”

“思想的自燃”

阿格拉沃尔在休斯敦大学攻读博士学位期间，开始将凝聚液滴转移到蒸馏水中，研究它们在电场下的行为。此时，这项研究与生命起源无关，只是从工程角度研究这种令人着迷的材料。

“工程师，尤其是化学和材料工程师，非常了解如何控制材料特性，如界面张力、带电聚合物的作用、盐、pH值控制等，”休斯顿大学教授AlamgirKarim说道，他是Agrawal的前论文导师，也是新论文的资深合著者。“这些都是俗称‘复杂流体’的世界的关键方面——比如洗发水和液体肥皂。”

阿格拉瓦尔希望在攻读博士学位期间研究凝聚层的其他基本特性。这不是卡里姆的研究领域，但几十年前卡里姆曾在明尼苏达大学与世界顶级专家之一蒂雷尔共事，蒂雷尔后来成为芝加哥大学普利兹克分子工程学院的创始院长。

在与阿格拉沃尔和卡里姆共进午餐时，蒂雷尔提到了蒸馏水对凝聚液滴的影响的研究可能与地球生命的起源有关。蒂雷尔问道，38亿年前蒸馏水在哪里存在。

“我自发地说‘雨水!’他的眼睛亮了起来，听到这个建议他非常兴奋，”卡里姆说。“所以，你可以说这是想法或创意的自发燃烧!”

蒂雷尔把阿格拉沃尔的蒸馏水研究成果带给了绍斯塔克，绍斯塔克当时刚加入芝加哥大学，领导当时所谓的“生命起源计划”。他提出了和卡里姆同样的问题。

“我问他，‘你认为在生命起源之前的世界，蒸馏水是从哪里来的?’”蒂雷尔回忆道。“杰克的回答和我所希望的完全一致，那就是雨水。”

通过研究来自Szostak的RNA样本，Agrawal发现将凝聚液滴转移到蒸馏水中可以延长RNA交换的时间——从几分钟延长到几天。这段时间足以进行突变、竞争和进化。

“如果原始细胞群不稳定，它们就会相互交换遗传物质，变成克隆体。达尔文进化论根本不可能成立，”阿格拉沃尔说。“但如果它们能够稳定交换，并能将遗传信息保存得足够好，至少能保存几天，这样它们的基因序列就能发生突变，那么一个群体就能进化了。”

已下雨，已检查

最初，阿格拉瓦尔用在实验室条件下纯化的去离子水进行实验。“这促使期刊的审稿人提出疑问，如果生命起源前的雨水酸性非常强，会发生什么情况，”他说。

商业实验室用水不含任何污染物，不含盐，pH值为中性，酸碱平衡。简而言之，它与现实世界的情况相差无几。他们需要研究一种更像真实雨水的材料。

有什么比雨更像雨?

阿格拉瓦尔说：“我们只是在休斯顿收集了雨水并测试了其中液滴的稳定性，只是为了确保我们报告的准确性。”

在对真实雨水和经过改造以模拟雨水酸度的实验室水进行的测试中，他们发现了相同的结果。网状墙形成，创造了可能孕育生命的条件。

21世纪20年代休斯顿上空的雨水的化学成分与地球形成7.5亿年后的雨水不同，阿格拉瓦尔测试的模型原细胞系统也是如此。

新论文证明，在原始细胞周围构建网状壁的方法是可行的，并且可以协同作用将生命分子分隔开来，使研究人员比以往任何时候都更接近找到允许原始细胞进化的正确化学和环境条件。

“我们用来构建这些原始细胞的分子只是模型，直到找到更合适的分子作为替代品，”阿格拉瓦尔说。“虽然化学原理会略有不同，但物理原理保持不变。”

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