科学家发现生命起源中意想不到的缺失环节：雨水

芝加哥大学普利兹克分子工程学院、休斯敦大学化学工程系和芝加哥生命起源中心的一篇新论文表明，雨水可能在38亿年前帮助原生细胞周围形成了一道网状墙，这是从微小的RNA珠过渡到所有细菌、植物、动物和人类的关键一步。图片来源：芝加哥大学普利兹克分子工程学院/彼得-艾伦，第二湾工作室

现在，由芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago Pritzker School of Molecular Engineering）、休斯敦大学化学工程系和芝加哥大学化学系的研究人员组成的团队提出了一个解决方案。

在发表于《科学进展》（Science Advances）的一项新研究中，芝加哥大学PME博士后研究员阿曼-阿格拉瓦尔（Aman Agrawal）和他的合著者（包括芝加哥大学PME名誉院长马修-蒂雷尔（Matthew Tirrell）和诺贝尔奖获得者、生物学家杰克-斯佐斯塔克（Jack Szostak））展示了雨水是如何在38亿年前帮助原生细胞周围形成网状墙的，这是从微小的RNA珠过渡到所有细菌、植物、动物和人类的关键一步。

Tirrell 说："这是一个独特而新颖的观察结果。"

休斯顿大学教授阿拉姆吉尔-卡里姆（Alamgir Karim）首先提出，雨水可能是原生细胞最初形成时期的蒸馏水来源。图片来源：休斯顿大学

这项研究关注的是"凝聚态液滴"--蛋白质、脂类和 RNA 等复杂分子的天然分区。这种小液滴在水中的表现就像一滴食用油，长期以来一直被视为首个原细胞的候选者。但问题是。问题并不在于这些液滴不能在进化的关键步骤--分子之间进行交换，而是它们交换得太好、太快了。

任何含有新的、潜在有用的生命前突变 RNA 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一样。没有分化，没有竞争，这意味着没有进化。这就意味着没有生命。

"如果分子在液滴之间或细胞之间不断交换，那么过不了多久，所有的细胞都会看起来一样，也就不会有进化，因为最终得到的是完全相同的克隆。"阿格拉瓦尔说。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院博士后研究员阿曼-阿格劳瓦尔与诺贝尔奖获得者、芝加哥生命起源中心的杰克-斯佐斯塔克（Jack Szostak）讨论他的凝聚态液滴研究。阿格拉瓦尔在休斯敦大学开始他的研究，起初并不知道这项研究对生命早期形成可能产生的影响。图片来源：芝加哥大学普利兹克分子工程学院/约翰-齐奇

生命的本质是跨学科的，因此芝加哥大学芝加哥生命起源中心主任斯佐斯塔克说，与芝加哥大学分子工程跨学科学院（UChicago PME）和休斯顿大学化学工程系合作是很自然的。

"工程师研究这类复合物的物理化学--以及更广泛的聚合物化学--已经有很长一段时间了。工程学院拥有这方面的专业知识是合情合理的，"Szostak 说。"当我们研究生命起源这样的东西时，它是如此复杂，有如此多的部分，我们需要有任何相关经验的人来参与其中。"

本世纪初，斯佐斯塔克开始将 RNA 视为最早出现的生物材料。这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难题。

"这就像鸡和蛋的问题。先有什么？"阿格拉瓦尔说。"DNA是编码信息的分子，但它不能发挥任何功能。蛋白质是执行功能的分子，但它们不编码任何可遗传的信息。"

斯佐斯塔克等研究人员推测，RNA 最先出现，用阿格拉瓦尔的话说，它"包揽了一切"，蛋白质和 DNA 在它的基础上慢慢进化。

阿格拉瓦尔说："RNA是一种分子，它和DNA一样，可以编码信息，但它也可以像蛋白质一样折叠，因此也可以执行催化等功能。"

RNA 可能是最早的生物材料。凝聚态液滴可能是最早的原生细胞。含有早期形式 RNA 的凝聚液滴似乎是下一个自然的步骤。

三个共存的稳定共胶体原胞的荧光显微镜图像。原细胞含有长单链 RNA，分别用绿色、红色和蓝色荧光染料标记。没有任何颜色混合的现象表明，稳定原细胞之间的 RNA 交换是受限制的。图片来源：芝加哥大学普利兹克分子工程学院/Aman Agrawal

直到斯佐斯塔克在 2014 年发表了一篇论文，给这一理论泼了一盆冷水，论文显示，共蒸液滴中的 RNA 交换速度过快。

"我们可以制造出各种不同类型的凝聚液滴，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展示的是，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--它们在液滴周围会形成一种坚韧的皮肤，限制它们交换 RNA 含量，从而至少可以克服部分问题。"

尽管早期前生物分子和早期雨水的确切化学成分仍被时间所遗忘，但芝加哥大学普利兹克分子工程学院博士后研究员阿曼-阿格劳瓦尔（Aman Agrawal）的新论文概述了这种转变是如何发生的。阿格拉瓦尔说："虽然化学原理会有些不同，但物理学原理不会改变。"图片来源：芝加哥大学普利兹克分子工程学院

阿格拉瓦在休斯顿大学攻读博士学位期间，开始将凝聚态液滴转移到蒸馏水中，研究它们在电场作用下的行为。此时，这项研究与生命起源毫无关系；它只是从工程学的角度研究迷人的材料。

"工程师，尤其是化学和材料工程师，对于如何操纵材料特性，如界面张力、带电聚合物的作用、盐分、pH 值控制等，都有很好的了解，"休斯顿大学 Alamgir Karim 教授说，他是前论文导师，也是这篇新论文的资深合著者。"这些都是世界上流行的'复杂流体'--想想洗发水和肥皂液--的关键方面"。

阿格拉瓦尔希望在攻读博士学位期间研究凝聚态的其他基本特性。这并不是卡里姆的研究领域，但卡里姆几十年前曾在明尼苏达大学师从世界顶级专家蒂雷尔，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。

左起：诺贝尔奖获得者、芝加哥生命起源中心的杰克-斯佐斯塔克（Jack Szostak），芝加哥大学普利兹克分子工程学院博士后研究员阿曼-阿格拉瓦尔（Aman Agrawal）和芝加哥大学普利兹克分子工程学院名誉院长马修-蒂雷尔（Matthew Tirrell）共同发表了一篇新论文，提出雨滴帮助漂浮在原始汤汁中的生物材料液滴形成了第一代原细胞壁。图片来源：芝加哥大学普利兹克分子工程学院/John Zich

阿格拉瓦尔利用来自斯佐斯塔克的 RNA 样本发现，将共凝液滴转移到蒸馏水中会延长 RNA 交换的时间，从几分钟延长到几天。这段时间足以发生变异、竞争和进化。

"如果原细胞群不稳定，它们就会互相交换遗传物质，变成克隆体。这就不可能发生达尔文式的进化，"阿格拉瓦说。"但是，如果它们能稳定地抵御交换，从而足够好地储存遗传信息，至少能储存几天，使基因序列发生突变，那么种群就能进化。"

最初，阿格拉瓦用去离子水做实验，这种水是在实验室条件下净化的。这引起了期刊审稿人的兴趣，他们问如果前生物雨水酸性很强，会发生什么情况。

商用实验室用水不含任何污染物，不含盐，pH 值为中性，在碱和酸之间达到完美平衡。简而言之，这种材料与真实世界的条件相去甚远。他们需要使用一种更像真实雨水的材料。

在使用实际雨水和经过改良以模拟雨水酸性的实验室用水进行的测试中，他们发现了相同的结果。网格状的墙壁形成了，创造了可能产生生命的条件。

2020 年代落在休斯敦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，阿格拉瓦尔测试的原细胞模型系统也是如此。新论文证明，这种在原细胞周围建造网状墙壁的方法是可行的，而且可以共同作用，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于找到一套正确的化学和环境条件，使原细胞得以进化。

阿格拉瓦说："在找到更合适的分子作为替代品之前，我们用来构建这些原细胞的分子只是模型。"虽然化学性质会有些不同，但物理学原理将保持不变"。

编译自/ScitechDaily