來自德國的物理學(xué)家和生物學(xué)家合作發(fā)現(xiàn)，在早期地球的原生湯中，一種擁有簡單分裂機制的液滴也許能夠演化為活細(xì)胞。（在地球早期，簡單的無機分子在地?zé)岬饶芰坑|發(fā)下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成核酸、氨基酸等有機物，這些有機物溶解于早期 “海洋” 中形成的水溶性體系就是原生湯。）
研究生命起源的科學(xué)家贊揚了這一想法的極簡性。如果真是這樣，生命的形成可比想象中簡單多了！
生命起源之謎的關(guān)鍵在于第一個細(xì)胞是如何從其原始形態(tài)中誕生的?！霸?xì)胞” 究竟是什么，又如何具備了生命力？“膜起源（membrane-first）假說 ” 的擁護(hù)者認(rèn)為，這個過程首先需要脂肪酸膜的出現(xiàn)，構(gòu)成生命的化學(xué)物質(zhì)被捕捉到膜內(nèi)，并孕育出更復(fù)雜的生命活動。但問題是，膜系統(tǒng)這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)如何才能獲取自我復(fù)制和繁殖的能力，從而允許演化的發(fā)生？
早在 1924 年，前蘇聯(lián)生化學(xué)家 Alexander Oparin 就提出了另外一種假說：生命起源于一鍋熱滾滾的原生湯，神秘的原細(xì)胞就是其中的液滴。這些自然生成、不具有膜結(jié)構(gòu)的液滴構(gòu)成了集中化學(xué)物質(zhì)、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的 “培養(yǎng)皿”。
近年研究表明，P 顆粒和中心體等 “液滴” 在現(xiàn)代細(xì)胞中存在并行使重要生理功能，這使得被遺忘已久的液滴起源假說重新得到了審視。然而，Oparin 和其他人都無法解釋這些液滴究竟是如何繁殖、生長、分裂并演化為第一個細(xì)胞的。
德國馬普研究所 David Zwicke 及其同事的新工作給出了可能的答案。他們研究了 “化學(xué)活性液滴（化學(xué)物質(zhì)在周圍液體和液滴內(nèi)反復(fù)進(jìn)出）” 的物理行為，發(fā)現(xiàn)這些液滴在生長到細(xì)胞大小后會發(fā)生分裂。這種行為與我們的常識并不一致。例如，我們常?？吹剿械挠偷蜗嗷ト诤?，變得越來越大，但卻并不會分裂。
這項研究的參與者之一，生物物理學(xué)家 Frank Jülicher 表示，如果化學(xué)活性液滴能夠在生長到特定大小后自發(fā)分裂，那么 “生命在原生湯中自發(fā)出現(xiàn)的說法就更為可信”。
這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表于 2016 年 12 月的 Nature Physics，論文用化學(xué)活性液滴的生長、分裂行為來解釋細(xì)胞繁殖，描繪了生命起源的可能圖景。
萊頓大學(xué)理論生物物理學(xué)家 Luca Giomi 表示，新圖景比原細(xì)胞分裂的其他可能機制簡單得多，是一個很有希望的研究方向。
然而，膜起源假說的擁護(hù)者，加州大學(xué)圣克魯茲分校的生化學(xué)家 David Deamer 則聲稱新發(fā)現(xiàn)的機制固然有趣，但與生命起源間的關(guān)系還有待檢驗，畢竟這和現(xiàn)代細(xì)胞分裂的多步驟復(fù)雜過程大相徑庭。
從變形蟲到斑馬，豐富多彩的現(xiàn)代生命真是由簡單的自分裂液滴演化而來？熟悉這項新工作的研究人員對此信心十足。正在進(jìn)行的后續(xù)研究中，他們嘗試用合成高分子仿制液滴來模擬活細(xì)胞中的功能性液滴，并觀測其如何生長和分裂。在此之后，他們還希望觀察到天然的生物液滴以同樣的方式發(fā)生分裂。
普林斯頓大學(xué)生物物理學(xué)家 Clifford Brangwynne 是 2009 年首次發(fā)現(xiàn)亞細(xì)胞液滴（秀麗隱桿線蟲細(xì)胞中包含蛋白質(zhì)和 RNA 的微量液體聚集，即 P 顆粒）的團(tuán)隊成員之一。他解釋道，如果液滴的生長和自發(fā)分裂是細(xì)胞演化的遺跡，那么亞細(xì)胞液滴的存在也就顯得理所當(dāng)然了。就像攜帶自身 DNA 的線粒體由感染細(xì)胞并與宿主發(fā)展出共生關(guān)系的古細(xì)菌演化而來，我們在活細(xì)胞中看到的液相凝聚也可能是原細(xì)胞的 “化石殘留”。新論文對原細(xì)胞液滴的特征進(jìn)行描述，將這一領(lǐng)域的研究提升到了新的層次。
故事要從 2009 年講起。那年，Brangwynne 及其同事揭示了秀麗隱桿線蟲生殖系細(xì)胞（可分裂為精子和卵細(xì)胞）中 “P 顆粒（P granules）” 的本質(zhì)。在細(xì)胞分裂過程中，研究人員觀察到 P 顆粒會發(fā)生生長、縮小，或以擴散方式穿過細(xì)胞。在發(fā)表于 Science 上的論文中，他們表示細(xì)胞中的 P 顆粒就是液滴。這激起了一波類似的新研究，其他一些亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)也相繼被確認(rèn)為液滴。
沒過多長時間，Brangwynne 和 Tony Hyman 就將他們的發(fā)現(xiàn)與 Oparin 的原細(xì)胞理論聯(lián)系在一起。在 2012 年發(fā)表于 The Origin of Life 的論文中，Brangwynne 和 Hyman 寫道，Oparin 理論中的液滴 “也許現(xiàn)在還完好地存活在我們的細(xì)胞中，就像蒼蠅鑲嵌在琥珀中一樣”。
Oparin 最著名的工作是提出了一個假設(shè)，認(rèn)為早期地球上的雷擊和地?zé)峄顒佑|發(fā)了生命起源所需的有機大分子合成。后來，這一假設(shè)又由英國科學(xué)家 John Haldane 獨立提出，并在二十世紀(jì)五十年代通過 Miller-Urey 實驗成功證實。
Oparin 還提出，由大分子聚集成的液滴可能就是原細(xì)胞（細(xì)胞的最原始形態(tài)）。但這個想法不那么有名，部分原因在于他并不清楚這些液滴是如何繁殖和演化的。而 P 顆粒研究組的成員們也同樣無法回答這一問題。
在 2009 年的發(fā)現(xiàn)之后，Jülicher 向他的學(xué)生 Zwicker 提出了一項新任務(wù)：研究中心體的物理行為。中心體參與動物細(xì)胞分裂，它們的行為看起來同樣很像液滴。
Zwicker 利用具有 “化學(xué)活性” 的非平衡系統(tǒng)來模擬中心體，持續(xù)不斷地使其中的蛋白質(zhì)分子循環(huán)進(jìn)出液體細(xì)胞質(zhì)。在他的模型中，這些蛋白質(zhì)有兩種化學(xué)態(tài)：處于 A 態(tài)的蛋白質(zhì)可溶于周圍液體；處于 B 態(tài)的蛋白質(zhì)則無法溶解，會在細(xì)胞質(zhì)中聚集成液滴。有時，處于 B 態(tài)的蛋白質(zhì)會自發(fā)轉(zhuǎn)換為 A 態(tài)，流出液滴；而外加能量能夠觸發(fā)反向轉(zhuǎn)換，使處于 A 態(tài)的蛋白質(zhì)克服化學(xué)障礙，轉(zhuǎn)換為 B 態(tài)。當(dāng)無法溶解的蛋白質(zhì)撞向液滴時，它就像雨滴落入湖中那樣，輕而易舉地融入其中。因此，只要存在外加能量源，蛋白質(zhì)分子就能流進(jìn)或流出活化液滴。對于早期地球而言，陽光提供了這種驅(qū)動力。
Zwicker 發(fā)現(xiàn)當(dāng)活化液滴生長到特定大小時，兩種化學(xué)流動恰好相互抵消，液滴便停止生長。在他的模擬中，典型的液滴能夠生長到幾十至幾百微米。
接下來的發(fā)現(xiàn)更加出人意料。雖然活化液滴擁有穩(wěn)定的尺寸，但它們的形狀并不穩(wěn)定：當(dāng)過多的 B 態(tài)分子在液滴表面的某個部分進(jìn)入時，液滴會在那個方向上稍稍膨脹，由此增加的表面積將加速液滴生長，使更多分子融入其中。于是，液滴被進(jìn)一步拉長，但在中部收縮以獲得較小的表面積。最終，原來的液滴一分為二，子液滴再各自生長，直到特征尺寸。當(dāng) Jülicher 看到 Zwicker 的模擬結(jié)果時，他馬上興奮地意識到，這和細(xì)胞分裂像極了！于是，關(guān)于原細(xì)胞的完整假設(shè)很快成形。
在接下來的三年里，Zwicker，Jülicher 和合作者們進(jìn)一步發(fā)展和完善了 Oparin 的原始假設(shè)。Zwicker 表示，Oparin 最初的理論不包含液滴的復(fù)制，也就無法解釋演化的發(fā)生。因為自我復(fù)制并在復(fù)制過程中產(chǎn)生細(xì)微差別是演化發(fā)生的基本條件，在復(fù)制的基礎(chǔ)之上，自然選擇將決定演化的方向。
2016 年春，Jülicher 開始和同在馬普研究所的生物學(xué)家 Dora Tang 進(jìn)行討論，共同制定對化學(xué)活性液滴的分裂進(jìn)行直接觀測的計劃。
Tang 的實驗室可以用聚合物、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)等生化分子類似物來合成人工細(xì)胞。接下來幾個月，她的團(tuán)隊將使用與 P 顆?；蛑行捏w中蛋白質(zhì)物理性質(zhì)類似的聚合物來制造合成液滴，并觀察這些液滴的分裂情況。在此之后，她們還將和 Hyman 的實驗室進(jìn)行合作，嘗試對中心體等生物液滴的分裂情況進(jìn)行直接觀測，以確認(rèn)其分裂情況是否與 Zwicker 等人文章中的模擬機制相符合。
膜起源的擁護(hù)者 Deamer 讀到這篇新論文時，回憶起他曾經(jīng)在從默奇森隕石中提取到的碳?xì)浠衔镆旱沃杏^察到類似的行為。當(dāng)他用近紫外光照射液滴時，液滴開始運動并發(fā)生分裂（他將相關(guān)材料提供給了 Jülicher）。不過，Deamer 并不確信這種效應(yīng)的重要性。他表示，論文中的液滴分裂機制未必能夠演化為復(fù)雜的活細(xì)胞分裂過程。
默奇森隕石中提取到的碳?xì)浠衔镆旱卧?span>光照下運動并分裂。視頻來源：quantamagzine，由 David Deamer 提供
包括 Tang 在內(nèi)的其他一些研究者則樂觀得多。Tang 表示一旦液滴開始分裂，它們就很容易獲得傳遞基因信息的能力，將編碼蛋白質(zhì)的 RNA 或 DNA 平分到子細(xì)胞中。如果核酸所編碼的蛋白質(zhì)能夠增加液滴的分裂能力，自然選擇將傾向于這種核酸，將其保存下來。在陽光所提供的驅(qū)動之下，原細(xì)胞會演變得越來越復(fù)雜。
Jülicher 及其合作者聲稱，原細(xì)胞液滴會在演化的某個階段獲得膜。被液滴捕獲的脂質(zhì)會傾向于附著在液滴表面或是液滴間的交界面上，從而形成具有保護(hù)作用的脂質(zhì)外膜。接下來，可以編碼產(chǎn)生液滴外膜的基因也會出現(xiàn)。對于這樣的說法，Deamer 表示接受，但他還是強調(diào)液滴在獲得了外膜之后，才能被稱為原細(xì)胞。
當(dāng)然，液滴起源假說能否成立還要取決于將來的實驗結(jié)果，這些結(jié)果將會告訴我們液滴的分裂是否能像模型中那樣穩(wěn)定和具有進(jìn)化前景。如果可以在實驗中找到與理論相符的 A、B 兩態(tài)化合物，那么這條從非生命通向生命的液滴起源路徑必將引起更多研究者的關(guān)注。
Jülicher 認(rèn)為，整個過程中最需要運氣的不是液滴向細(xì)胞的演化，而是首個液滴——始祖液滴——的形成。液滴的形成需要大量的化學(xué)材料，我們還不知道如此多的復(fù)雜大分子是如何恰到好處地在原生湯中聚集并形成液滴的。但他表示，原生湯的容量很大，并且長期處于沸騰狀態(tài)。雖然液滴的形成是小概率事件，可能要經(jīng)過很長時間才會偶然發(fā)生。但一旦液滴形成，接下來細(xì)胞和生命的誕生就都順理成章了。
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