冰循环可能推动了早期地球上第一批细胞的出现

东京地球与生命科学研究所（ELSI）的研究人员发现了证据，表明冰冷环境可能在第一个细胞结构的出现中发挥了至关重要的作用。模拟早期地球条件的实验表明，反复的冷冻和解冻循环有利于原始分子区室的融合和 DNA 的保留。这项研究为复杂生命如何从极其简单的系统进化而来开辟了新的视角。

该研究的重点是脂质囊泡（由脂肪膜形成的小气泡）以及不同的化学成分如何影响它们在热应激下的行为。研究结果表明，更多的流体膜和更大程度的脂质不饱和度，有利于区室的融合和必需分子的混合。这一过程将在地球早期创造出有利于复杂化学反应的环境。

用不同脂质成分构建的原始细胞

研究人员团队使用三种不同类型的磷脂创建了称为大单层囊泡（LUV）的小型球形隔室。每种类型都有不同的结构特征，影响膜的行为。

• POPC（1-棕榈酰-2-油酰-甘油-3-磷酸胆碱）：具有单个双键的不饱和酰基链，产生更坚硬的膜
• PLPC(1-棕榈酰-2-亚油酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱)：具有两个双键的不饱和酰基链，产生更大的流动性
• 多聚氯化铝(1,2-二-油酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱)：两个不饱和酰基链，每个酰基链都有一个双键，提供最大的流动性

ELSI 博士生、该研究的主要作者 Tatsuya Shinoda 表示，选择磷脂酰胆碱作为膜的组成部分是因为它与现代细胞的结构连续性、在益生元条件下的潜在可用性以及保留必需内容的能力。这些分子虽然外观相似，但在决定结构灵活性的微妙但重要的方面存在差异。

冷冻循环驱动的融合和生长

研究人员将囊泡置于反复的冷冻和解冻循环中，模拟早期地球上发生的温度变化。仅仅三个周期后，隔间之间就出现了明显的差异。富含POPC的囊泡聚集在一起，但没有完全融合，保持了其原始结构。相比之下，含有 PLPC 或 DOPC 的那些会合并成明显更大的隔室。膜中 PLPC 的浓度越高，结构融合和生长的可能性就越大。

这种行为凸显了膜化学在原始细胞进化中的基本作用。具有更多不饱和键的脂质使膜不那么致密，结构更灵活。 ELSI 的研究员 Natsumi Noda 指出，在冰晶形成的压力下，膜可能会变得不稳定或破碎，需要在解冻后进行结构重组。由于不饱和度较高，横向组织不太紧凑，在膜重建过程中暴露出更多的疏水区域，促进与相邻囊泡的相互作用，并使融合在能量上有利。

遗传物质的捕获和保留

区室融合尤其重要，因为它允许单独囊泡的内容物混合。在原始地球上，有机分子分散在环境中，这种类型的混合物可以将必要的成分聚集在一起，进行更复杂的化学反应。研究小组还测试了囊泡捕获和保留 DNA 的能力，并将完全由 POPC 制成的结构与由 PLPC 制成的结构进行了比较。结果表明，即使在冷冻和解冻循环之前，PLPC 囊泡也能以更高的效率捕获 DNA。经过重复循环后，它们继续保留比 POPC 囊泡更多的遗传物质，这表明脂质成分不仅有利于融合，而且还可以保护重要分子。

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寒冷环境是生命的摇篮

传统上，科学家们主要关注陆地冰池或水下热液喷口等环境，将其视为生命可能的起源地。这项研究增加了一个不同的视角，表明大规模的冰冷环境也发挥了重要作用。在早期地球上，冰冻和融化循环可能在广泛的地质时期内反复发生。当水结冰时，膨胀的冰晶将溶解的分子推入剩余的液体中，将它们集中在狭小的空间中。这个过程将增加分子和囊泡之间相互作用的可能性，创造一个有利于生命前化学的环境。

同时，由更多不饱和磷脂组成的膜更容易融合，促进不同内容物的混合。然而，还有一个重要的对应物。尽管流体膜促进融合，但它们在冷冻和解冻引起的压力下也会变得不稳定，导致泄漏，从而损害重要分子的保留。对于早期的原始细胞来说，保持结构稳定性和渗透性之间的平衡对于它们的生存和持续进化绝对至关重要。

第一个复杂细胞的路径

ELSI 教授兼该研究的首席研究员 Tomoaki Matsuura 表示，通过整合渗透压或机械剪切等裂变机制，可以实现对连续几代冷冻和解冻诱导的生长囊泡的递归选择。随着分子复杂性的增加，囊泡内系统（即基因编码的功能）最终可以控制原细胞的适应性。这将导致能够进行达尔文进化的原始细胞的出现。最成功的膜成分可能取决于每个生命起源地的具体环境条件。

总而言之，这些发现表明，冷冻和解冻等简单的物理过程可能有助于引导从基本分子区室到第一个进化细胞的转变。这项研究不仅为生命如何起源这个数百年历史的问题提供了更清晰的答案，而且还表明极端环境可能是生物复杂性的催化剂，为原始分子结构的恢复能力开辟了新的研究方向。