化學活性液滴模擬原始細胞,或能解答生命起源之謎

(圖:iStock)

迄今為止,地球生命如何起源的問題一直沒有確切的答案。雖然人們認為第一個生命誕生於「原始湯」(primordial soup),但其出現及進化過程並不清楚。德國普朗克研究所(Max Planck Institute)的物理學家和生物學家們研究了一種化學活性液滴的物理性質,發現這種液體會生長到一定大小,並自行分裂,與細胞的行為非常相似,此研究有助於人們進一步了解生命起源。

原始湯→化學活性液滴→細胞

1924 年,俄國生物化學家亞歷山大·奧巴林(Alexander Oparin)提出,地球上第一個細胞很可能起源於液滴狀態的原始細胞(protocell)。普朗克研究所的科學家根據奧巴林的假說,研究了一種化學活性液滴。所謂「化學活性」(chemically active),是指液滴可以與周圍環境循環交換分子。

與化學活性液滴相反的是「被動」狀態的液滴,如水中的油滴。只要向水中加入油,油滴就會持續增大。而化學活性液滴增大到一定大小後就達到穩定,不再增大,還可以自行分裂。這恰恰模擬了活細胞的重要行為——生長和分裂。因此,這種化學活性液滴可能是從無生命的「原始湯」到活細胞之間的橋樑。

該研究共同作者於利歇爾博士(Frank Jülicher)表示,這進一步說明,生命很可能起源於無生命的液體。研究領導者茲維克博士(David Zwicker)則認為,化學活性液滴解釋了細胞如何產生子代的問題。在進化的範疇內,這一能力是進化的關鍵。

生命進化的活化石

很多人認為,像這種原始細胞液滴仍然存在於現在的細胞中,是「生命進化的活化石」。為了探索這一猜想,科學家研究了細胞內中心體(centrosome)的物理性質。中心體是動物細胞分裂過程中的一種細胞期,行為與液滴相似。

茲維克博士構建了一種具有化學活性的系統來模擬中心體,可以持續與周圍環境循環交換蛋白質分子。蛋白質可分為兩種狀態,處於狀態 A 的蛋白質可溶於周圍液體,處於狀態 B 的蛋白質則無法溶解,會在細胞質中聚集成液滴。

在能量足夠的條件下,蛋白質可以從狀態 A 轉換為狀態 B。只要有能量供應,這個化學反應就能進行。奧巴林認為,在生命起源之初,早期地球上的閃電或地熱活動,可能觸發原始細胞液滴內的化學反應。於利歇爾博士認為也可能是陽光提供這種驅動力。

研究人員發現,這種與周圍環境交換物質的化學反應將持續進行,直到液滴達到特定體積,便停止生長。在模擬實驗中,液滴的最終大小為幾十至幾百微米,大約是細胞的大小。

分裂與遺傳

至於原始細胞如何發展出遺傳能力?研究人員認為,原始細胞液滴首先發展出膜,這些膜可能來自於其自然發展出的脂質,使其能作為對胞內物質的一種保護。接下來,基因可能開始編碼合成外膜。然而,關於原始細胞如何分裂的確切信息,尚需進一步研究。

如果地球上多姿多彩的生命起源於毫不起眼的液滴,同樣的情況是否適用於外星生命?無論如何,這項研究解釋了生命如何從最簡單的物質起源,以及與之相關的化學過程。從液滴到細胞,再到複雜的生命體,整個過程花費了幾十億年的時間,我們仍然需要大量的研究去探索這一過程。

 

參考資料:

  1. Dom Galeon (January 2017). Scientists May Have Discovered What Allowed Life to Evolve. Futurism
  2. David Zwicker et al., (2017). Growth and division of active droplets provides a model for protocells. Nature Physics
舒超
明日科學編輯,科大生命科學學院研究生,目前努力畢業中。做實驗之餘,喜歡讀書寫字,學習語言。鐘情中國古典文學。希望有朝一日走遍天下,增廣見聞。

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