最早的细胞可能没有膜来分离和保护它们的成分和化学物质不受恶劣环境的影响。但它们可能会等待着下雨。

数十亿年的进化使现代细胞变得异常复杂。细胞内部是被称为细胞器的小隔间，它们对细胞的生存和运作起着至关重要的作用。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它的膜。嵌入细胞膜表面的蛋白质控制着物质进出细胞的运动。这种复杂的膜结构使我们所知的生命的复杂性得以实现。但是，在复杂的膜结构进化之前，最早的、最简单的细胞是如何将它们结合在一起的呢？

在最近发表在《科学进展》杂志上的研究中，阿曼·阿格拉瓦尔和来自芝加哥大学（University of Chicago）和休斯顿大学（University of Houston）的同事探索了一种令人着迷的可能性，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

科学中最有趣的问题之一是地球上的生命是如何开始的。长期以来，科学家们一直想知道，水、气体和矿藏等无生命物质是如何转化为能够复制、代谢和进化的活细胞的。

芝加哥大学的化学家斯坦利·米勒和哈罗德·尤里在1953年进行了一项实验，证明了复杂的有机化合物 —— 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。

科学家们认为，被称为原始细胞的最早的生命形式，是由早期地球上的有机分子自发产生的。这些原始的细胞样结构可能由两种基本成分组成：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，这些原始细胞会逐渐进化出复制和执行代谢过程的能力。某些条件是发生基本化学反应所必需的，例如稳定的能源、有机化合物和水。由基质和膜组成的隔室至关重要地提供了一个稳定的环境，可以浓缩反应物并保护它们免受外部环境的影响，从而允许必要的化学反应发生。

因此，出现了两个关键问题：原始细胞的基质和膜是由什么材料构成的？它们是如何使早期细胞保持所需的稳定性和功能，从而转化为构成当今所有生物体的复杂细胞的？

气泡与液滴

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

囊泡是微小的气泡，就像水中的肥皂。它们是由称为脂质的脂肪分子构成的，脂质自然形成薄片。当这些薄片卷曲成一个球体时，就会形成囊泡，可以封装化学物质，保护关键反应免受恶劣环境和潜在降解的影响。

就像生命的微型口袋，囊泡类似于现代细胞的结构和功能。然而，与现代细胞的细胞膜不同，囊泡原细胞缺乏选择性地允许分子进出细胞并使细胞之间进行通信的专门蛋白质。如果没有这些蛋白质，囊泡原细胞与周围环境有效相互作用的能力就会受到限制，从而限制了它们的生命潜力。

另一方面，凝聚体是由多肽和核酸等有机分子积聚而成的液滴。当有机分子由于相互吸引的化学性质而粘在一起时，它们就形成了，比如带相反电荷的分子之间的静电力。这些力和气球粘在头发上的力是一样的。

人们可以把凝聚体想象成悬浮在水中的食用油滴。与油滴类似，凝聚原细胞也没有膜。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浓缩的化学物质，加速化学反应，为生命的基石创造一个热闹的环境。

因此，膜的缺失似乎使凝聚体成为比囊泡更好的候选原始细胞。然而，缺少膜也带来了一个重大的缺点：遗传物质有泄漏的可能。

不稳定和渗漏的原始细胞

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隔形式，对早期代谢过程和自我复制至关重要。

随后，科学家们发现凝聚体有时可以由带相反电荷的聚合物组成：在分子尺度上类似意大利面条的长链状分子，携带相反的电荷。当带相反电荷的聚合物混合在一起时，它们倾向于相互吸引并粘在一起形成没有膜的液滴。

由于没有薄膜，这就带来了一个挑战：液滴会迅速融合在一起，就像单个油滴在水中结合成一个大团一样。此外，缺乏细胞膜使得RNA —— 一种被认为是自我复制分子的最早形式的遗传物质，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。

杰克·绍斯塔克（Jack Szostak）在2017年指出，物质的快速融合和交换可能导致RNA的不受控制的混合，从而使稳定和独特的基因序列难以进化。这一限制表明，凝聚体可能无法维持早期生命所必需的区隔性。

划分是自然选择和进化的严格要求。如果凝聚原细胞不断融合，它们的基因不断混合交换，它们就会彼此相似，没有任何遗传变异。如果没有遗传变异，单个原始细胞就不会有更高的生存、繁殖和将其基因传递给后代的可能性。

但是今天的生命是由各种各样的遗传物质组成的，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必须存在，可能隐藏在显而易见的地方。

雨水和RNA

2022年进行的一项研究表明，如果浸入去离子水（不含溶解离子和矿物质的水）中，凝聚液滴可以稳定并避免融合。水滴将小离子喷射到水中，很可能使周围带相反电荷的聚合物彼此靠近，形成网状的皮肤层。这种网状的“壁”有效地阻碍了液滴的融合。

接下来，阿曼·阿格拉瓦尔和同事以及合作者，包括马修·蒂雷尔和杰克·绍斯塔克，一起研究了原始细胞之间遗传物质的交换。他们把两个不同的原始细胞群，用去离子水处理，放在试管里。其中一个种群含有RNA。当两个群体混合时，RNA在各自的原始细胞中被限制数天。原始细胞的网状“壁”阻碍了RNA的泄漏。

相反，当他们混合没有用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。

受到这些结果的启发，阿拉姆吉尔·卡里姆想知道，雨水作为一种无离子水的天然来源，在生命起源前是否也能起到同样的作用。阿曼·阿格拉瓦尔和另一位同事Anusha Vonteddu发现，雨水确实稳定了原始细胞，防止了融合。

科学家们相信，雨水可能为第一批细胞铺平了道路。

跨领域工作

研究生命的起源既解决了科学上对地球上生命产生机制的好奇，也解决了关于我们在宇宙中的位置和存在本质的哲学问题。

目前，阿曼·阿格拉瓦尔的研究深入到原始细胞中基因复制的最初阶段。在没有复制细胞内基因的现代蛋白质的情况下，生命起源前的世界将依赖于核苷酸（遗传物质的组成部分）之间的简单化学反应来复制RNA。了解核苷酸如何聚集在一起形成长链RNA是破译益生元进化的关键一步。

为了解决生命起源的深刻问题，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，揭开生命起源的面纱并不局限于生物学家。像阿曼·阿格拉瓦尔这样的化学工程师，以及来自不同科学领域的研究人员，正在探索这个迷人的存在问题。

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