数十亿年的进化使现代细胞变得异常复杂。细胞内有一些称为细胞器的小隔间，它们执行细胞生存和运作所必需的特定功能。例如，细胞核储存遗传物质，线粒体产生能量。

细胞的另一个重要部分是包裹细胞的膜。嵌入在膜表面的蛋白质控制物质进出细胞的运动。这种复杂的膜结构使得我们所知的生命如此复杂。但在复杂的膜结构进化之前，最早、最简单的细胞是如何将它们结合在一起的呢?

在我们最近发表在《科学进展》杂志上的研究中，我和来自芝加哥大学和休斯顿大学的同事探索了一个令人着迷的可能性，即雨水在稳定早期细胞方面发挥了至关重要的作用，为生命的复杂性铺平了道路。

生命的起源

科学界最有趣的问题之一是地球上的生命是如何开始的。科学家长期以来一直想知道水、气体和矿藏等非生命物质是如何转变为能够复制、代谢和进化的活细胞的。

1953年，芝加哥大学的化学家斯坦利·米勒和哈罗德·尤里进行了一项实验，证明复杂的有机化合物(即碳基分子)可以由更简单的有机和无机化合物合成。这些化学家利用水、甲烷、氨、氢气和电火花形成了氨基酸。

科学家认为，最早的生命形式，即原始细胞，是由早期地球上的有机分子自发产生的。这些原始的细胞状结构可能由两种基本成分构成：提供结构框架的基质材料和携带原始细胞功能指令的遗传物质。

随着时间的推移，这些原始细胞逐渐进化出复制和执行代谢过程的能力。某些条件是基本化学反应发生所必需的，例如稳定的能量来源、有机化合物和水。基质和膜形成的隔间至关重要地提供了稳定的环境，可以浓缩反应物并保护它们免受外部环境的影响，从而使必要的化学反应得以发生。

因此，两个关键问题出现了：原始细胞的基质和细胞膜是由什么材料制成的?它们如何使早期细胞保持所需的稳定性和功能，从而转变为构成当今所有生物体的复杂细胞?

气泡与液滴

科学家提出，两种不同的原始细胞模型——囊泡和凝聚层——可能在生命早期阶段发挥了关键作用。

囊泡是一种微小的气泡，就像水中的肥皂一样。它们由称为脂质的脂肪分子组成，这些脂肪分子自然形成薄片。当这些薄片卷曲成球形时，就会形成囊泡，这种球形可以封装化学物质并保护关键反应免受恶劣环境和潜在降解的影响。

囊泡就像微型生命体，其结构和功能与现代细胞相似。然而，与现代细胞的细胞膜不同，囊泡原始细胞缺乏专门的蛋白质，这些蛋白质可以选择性地允许分子进出细胞并实现细胞间的通讯。如果没有这些蛋白质，囊泡原始细胞与周围环境的有效互动能力就会受到限制，从而限制了它们的生命潜力。

凝聚层则是多肽和核酸等有机分子聚集形成的液滴。凝聚层是有机分子因相互吸引的化学性质(如带相反电荷的分子之间的静电力)而粘在一起时形成的。正是这些力导致气球粘在头发上。

我们可以把凝聚层想象成悬浮在水中的食用油滴。与油滴类似，凝聚层原始细胞没有膜。没有膜，周围的水可以很容易地与原始细胞交换物质。这种结构特征有助于凝聚层浓缩化学物质并加速化学反应，为生命的组成部分创造一个繁忙的环境。

因此，与囊泡相比，没有膜似乎使凝聚体成为更好的原始细胞候选者。然而，缺乏膜也存在一个重大缺陷：遗传物质可能会泄漏出去。

不稳定且有泄漏的原始细胞

1929年，荷兰化学家发现凝聚液滴，几年后，俄罗斯生物化学家亚历山大·奥帕林提出凝聚液滴是原始细胞的最早模型。他认为凝聚液滴提供了一种原始的区室化形式，对早期代谢过程和自我复制至关重要。

随后，科学家发现凝聚层有时由带相反电荷的聚合物组成：长链状分子，在分子尺度上类似于意大利面条，带有相反的电荷。当带相反电荷的聚合物混合在一起时，它们往往会相互吸引并粘在一起形成没有膜的液滴。

膜的缺失带来了挑战：液滴会迅速融合在一起，就像水中的单个油滴聚集成大团一样。此外，膜的缺失使RNA(一种被认为是最早形式的自我复制分子的遗传物质，对生命的早期阶段至关重要)能够在原始细胞之间快速交换。

我的同事JackSzostak在2017年证明，快速融合和物质交换会导致RNA不受控制地混合，从而使稳定且独特的基因序列难以进化。这一限制表明凝聚层可能无法维持早期生命所必需的区室化。

区室化是自然选择和进化的严格要求。如果凝聚态原始细胞不断融合，它们的基因不断混合和交换，它们都会彼此相似，没有任何遗传变异。如果没有遗传变异，任何单个原始细胞都不会有更高的存活、繁殖和将其基因传递给后代的概率。

但如今生命依靠多种遗传物质蓬勃发展，这表明大自然以某种方式解决了这个问题。因此，这个问题的解决方案一定存在，可能就藏在显而易见的地方。

雨水和RNA

我在2022年进行的一项研究表明，如果将凝聚液滴浸入去离子水(不含溶解离子和矿物质的水)中，凝聚液滴可以稳定下来并避免融合。液滴将小离子喷射到水中，很可能使外围带相反电荷的聚合物彼此靠近并形成网状表层。这种网状“墙”有效地阻碍了液滴的融合。

接下来，我与同事和合作者(包括MatthewTirrell和JackSzostak)一起研究了原始细胞之间的遗传物质交换。我们将两组用去离子水处理过的原始细胞放入试管中。其中一组细胞含有RNA。当两组细胞混合时，RNA会在各自的原始细胞中保留数天。原始细胞的网状“壁”阻止了RNA泄漏。

相反，当我们混合未经去离子水处理的原始细胞时，RNA在几秒钟内从一个原始细胞扩散到另一个原始细胞。

受这些结果的启发，我的同事AlamgirKarim想知道雨水(一种天然的无离子水源)是否能在生命起源前的世界发挥同样的作用。我和另一位同事AnushaVonteddu发现，雨水确实能稳定原始细胞，防止其融合。

我们相信，雨水可能为第一批细胞的形成铺平了道路。

跨学科工作

研究生命起源既能满足人们对地球生命机制的科学好奇心，也能解决关于我们在宇宙中的位置和存在本质的哲学问题。

目前，我的研究深入探究了原始细胞中基因复制的起源。如果没有现代蛋白质在细胞内复制基因，生命起源前的世界将依靠核苷酸(遗传物质的组成部分)之间的简单化学反应来复制RNA。了解核苷酸如何组合形成长链RNA是解释生命起源前进化的关键一步。

要解决生命起源这一深奥问题，了解大约38亿年前早期地球的地质、化学和环境条件至关重要。因此，揭示生命起源并不仅限于生物学家。像我这样的化学工程师以及来自各个科学领域的研究人员都在探索这个引人入胜的存在问题。