一個與生命起源有關的悖論終於得到了解決

2021-02-15 原理

當Caitlin Cornell低頭看顯微鏡時，她看見黑色的背景下浮現出一些大大的明亮斑點。它們就像微縮的太陽，在深色的太空幕布下閃耀著光芒。Conell回憶起把這些斑點展示給她的導師Sarah Keller時的興奮，那時她們意識到，這些斑點或許能解開一個長久以來與生命起源有關的困惑。

生物細胞儘管千變萬化，但所有的這些生物細胞都包含三個基本元素：能編碼信息、且能被複製的分子，即DNA以及相對簡單的RNA；能執行重要任務的蛋白質分子；能將它們全部包裹起來的由脂肪酸構成的膜。在很久很久以前，在動植物甚至細菌都還未出現的時候，所有的生命前體（即原始細胞）很可能就都有這三個部分：RNA、蛋白質、細胞膜。

細胞膜是至關重要的存在。如果沒有它們來約束其他分子，那麼這些分子就會四處飄散，最後什麼也不落下。而細胞膜把它們集中了起來，將一個由無序的化學物質組成的無生命世界轉變成了一個充滿了形形色色的生命的世界，而創造出這些「隔間」是生命出現的關鍵。

早期的細胞膜是由脂肪酸構成的，脂肪酸分子看起來點像棒棒糖，它們有著圓圓的頭和長長的尾，頭部親水，尾部疏水。因此，當它們與水相遇時，就會自我組裝成空心的球體，疏水的尾部指向內部，而親水的頭部露在表面。這些球體可以包裹住RNA和蛋白質，形成原始細胞。這樣一來，脂肪酸就能自動地創造出生命出現所必需的細胞隔間。

但這一切似乎美好得令人難以置信，因為生命最初是出現在海洋中的，而海水中的鹽會對脂肪酸球體的穩定性帶來災難性的破壞；此外，鎂和鐵等內離子還會導致球體的坍縮；但早期原生細胞的另一個關鍵成分RNA是需要這些離子的。這樣一來，問題就出現了：當生命起源所需的隔間會被當時的環境以及生命賴以生存的物質摧毀時，生命最初又是如何產生的呢？

Cornell和Keller找到了這個悖論的答案。她們發現，只要有胺基酸存在，這些球體就能同時承受鹽離子和鎂離子。胺基酸是構成蛋白質的簡單分子，Cornell在她的顯微鏡下所看到的微縮太陽就是胺基酸和脂肪酸的混合物，這些「微縮太陽」在有鹽的環境下仍然完好地保持球形。

○ 用透射低溫電鏡拍攝的膜的圖像。上：細胞膜在不含胺基酸的溶液裡。下：細胞膜在含有絲氨酸的溶液中，絲氨酸是一種胺基酸，它能促使膜形成多層的同心膜。標尺：100納米 | 圖片來源：Alex Mileant/Caitlin Cornell

這簡直太神奇了！這意味著作為生命的兩個基本組成部分，原始細胞的細胞膜和蛋白質會為彼此的存在提供條件。通過粘在脂肪酸上，胺基酸給脂肪酸帶來了穩定性；脂肪酸又反過來濃縮了胺基酸，促使它們結合成蛋白質。

Keller用了一個網球和壁球的例子來解釋提高分子的局部濃度的機制。她將不同類型的分子在原始湯中的運動比作是毛糙的網球和堅硬的壁球在一個不斷震動的大盒子裡來回撞擊，這時如果給盒子的一個內面貼上尼龍搭扣，那麼到處撞擊的網球就會粘在那個表面上，最終所有的網球都會全部緊密地粘在一起。

這幾乎是一個完全偶然的發現。起初，Keller是想要著手解決另一個問題。那是一個由她的同事Roy Black向她提出的問題。他指出，沒有人真正了解在最初的時候，原始細胞的三個要素——RNA、蛋白質和膜，究竟是如何組裝的。似乎大家都只是將這種重要的趨同歸因於某種隨機事件。而Black則認為膜本身才是關鍵，如果脂肪酸能夠粘附上蛋白質和RNA的成分，它們就可以在自我組裝的時候將這些生命的構建塊聚集在一起。

為了驗證這一說法，Cornell培養了一種含有三種不同胺基酸的脂肪酸，這是三種人們認為在原始地球上就存在的胺基酸。果然，正如Black所懷疑的那樣，這些分子會相互作用。但當她在顯微鏡下觀察時，Cornell還發現了一些特別的事情。

脂肪酸如預期的那樣自我組裝成了空心球體，它們有著透明的內部和非透明的邊緣，像水母一樣四處漂浮。如果加入鹽或鎂離子，這些「水母」就會分解。但如果她在加入了胺基酸後再這樣做，這些「水母」就能就維持形狀。更重要的是，它們的形態變成了像是會發光的洋蔥，它們曾經中空的中心填充了另一層脂肪酸——球體內產生了另一個球體。而並非巧合的是，真實的生物細胞就是這樣的：細胞膜不是由一層脂肪酸組成的，而是兩層。

○ 用透射低溫電鏡拍攝的膜的圖像。上：細胞膜在沒有胺基酸的氯化鎂溶液中，氯化鎂是一種能破壞膜的鹽。下：細胞膜在氯化鎂和絲氨酸溶液中。標尺：100納米 | 圖片來源：Alex Mileant/Caitlin Cornell

因此，胺基酸的存在不僅保護了脂肪酸球體，而且還使它們成為了更明顯的生物。這是為什麼？Keller笑著說：「我們不知道，我們也無從預測到它們會這樣。現在的我們正處於一個為未來理論打開了大門的美妙位置。」

這是一項重要的發現。此前也有其他研究發現過胺基酸、脂肪酸膜和RNA之間的兩兩相互作用，但Cornell和Keller的研究有效地將這三者都聯繫在了一起。胺基酸讓細胞膜可以在有鎂的情況下存在，而鎂是RNA可發揮功能所必需的元素。

○ 第一批細胞的組成部分如何在細胞膜上共存的模型。左：原始湯中的細胞膜、RNA和蛋白質的組成部分。中：洗標膜形成（灰色圓圈），並與一些新的構建塊結合，對膜起到穩定作用。右：被膜包裹的功能性RNA和蛋白質。| 圖片來源：Roy Black/Sarah Keller

一直以來，與生命起源有關的研究都存在很多爭議。其實，就算是對此刻正在發生的事情，科學家也經常會產生激烈的分歧，更不用說是發生在35億年前的事。有的研究人員認為生命起源於淺淺的火山池，有的則認為生命起源於水下熱泉口。幸運的是，Keller的想法在兩種環境下都能行得通。她說：「我是不可知論者，我為能使原始細胞的概念更有可能獨立於位置而感到興奮。」

現在，她正在研究原始細胞在組裝之後會發生什麼。當然，有一個能包含製造蛋白質和RNA所需的構件塊的隔間，但是這些單獨的構建塊是如何結合起來形成更大的分子的呢？Cornell說，這是個很難回答的問題，也是她們接下來將要研究的問題。

[1] https://www.theatlantic.com/science/archive/2019/08/interlocking-puzzle-allowed-life-emerge/595945/

[2] https://www.washington.edu/news/2019/08/12/protein-building-blocks-stabilize-membranes/

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