東京地球與生命科學研究所（ELSI）的研究人員發現了證據，表明冰冷環境可能在第一個細胞結構的出現中發揮了至關重要的作用。模擬早期地球條件的實驗表明，反覆的冷凍和解凍循環有利於原始分子區室的融合和 DNA 的保留。這項研究為複雜生命如何從極為簡單的系統演化而來開啟了新的視野。
研究的重點是脂質囊泡（由脂肪膜形成的小氣泡）以及不同的化學成分如何影響它們在熱壓力下的行為。研究結果表明，更多的流體膜和更大程度的脂質不飽和度，有利於區室的融合和必需分子的混合。這個過程將在地球早期創造出有利於複雜化學反應的環境。
用不同脂質成分建構的原始細胞
研究人員團隊使用三種不同類型的磷脂質創建了稱為大單層囊泡（LUV）的小型球形隔間。每種類型都有不同的結構特徵，影響膜的行為。
- POPC（1-棕櫚酰-2-油酰-甘油-3-磷酸膽鹼）：具有單一雙鍵的不飽和酰基鏈，產生更堅硬的膜
- PLPC(1-棕櫚酰-2-亞麻油酰-sn-甘油-3-磷酸膽鹼)：具有兩個雙鍵的不飽和酰基鏈，產生更大的流動性
- 多聚氯化鋁(1,2-二-油醯-sn-甘油-3-磷酸膽鹼)：兩個不飽和醯基鏈，每個醯基鏈都有一個雙鍵，提供最大的流動性
ELSI 博士生、該研究的主要作者 Tatsuya Shinoda 表示，選擇磷脂酰膽鹼作為膜的組成部分是因為它與現代細胞的結構連續性、在益生元條件下的潛在可用性以及保留必需內容的能力。這些分子雖然外觀相似，但在決定結構靈活性的微妙但重要的方面存在差異。
冷凍循環驅動的融合與生長
研究人員將囊泡置於反覆的冷凍和解凍循環中，模擬早期地球上發生的溫度變化。僅僅三個週期後，隔間之間就出現了明顯的差異。富含POPC的囊泡聚集在一起，但沒有完全融合，保持了其原始結構。相較之下，含有 PLPC 或 DOPC 的會合併成明顯較大的隔間。膜中 PLPC 的濃度越高，結構融合和生長的可能性就越大。
這種行為凸顯了膜化學在原始細胞演化中的基本作用。具有更多不飽和鍵的脂質使膜不那麼緻密，結構更靈活。 ELSI 的研究員 Natsumi Noda 指出，在冰晶形成的壓力下，膜可能會變得不穩定或破碎，需要在解凍後進行結構重組。由於不飽和度較高，橫向組織較不緊湊，在膜重建過程中暴露出更多的疏水區域，促進與相鄰囊泡的相互作用，並使融合在能量上有利。
遺傳物質的捕獲和保留
區室融合尤其重要，因為它允許單獨囊泡的內容物混合。在原始地球上，有機分子分散在環境中，這種類型的混合物可以將必要的成分聚集在一起，進行更複雜的化學反應。研究小組還測試了囊泡捕獲和保留 DNA 的能力，並將完全由 POPC 製成的結構與 PLPC 製成的結構進行了比較。結果表明，即使在冷凍和解凍循環之前，PLPC 囊泡也能以更高的效率捕獲 DNA。經過重複循環後，它們繼續保留比 POPC 囊泡更多的遺傳物質，這表明脂質成分不僅有利於融合，而且還可以保護重要分子。
寒冷環境是生命的搖籃
傳統上，科學家主要關注陸地冰池或水下熱液噴口等環境，將其視為生命可能的起源地。這項研究增加了一個不同的視角，顯示大規模的冰冷環境也扮演了重要角色。在早期地球上，冰凍和融化循環可能在廣泛的地質時期內反覆發生。當水結冰時，膨脹的冰晶將溶解的分子推入剩餘的液體中，將它們集中在狹小的空間中。這個過程將增加分子和囊泡之間相互作用的可能性，創造一個有利於生命前化學的環境。
同時，由更多不飽和磷脂組成的膜更容易融合，促進不同內容物的混合。然而，還有一個重要的對應物。儘管流體膜促進融合，但它們在冷凍和解凍引起的壓力下也會變得不穩定，導致洩漏，從而損害重要分子的保留。對於早期的原始細胞來說，維持結構穩定性和滲透性之間的平衡對於它們的生存和持續進化絕對至關重要。
第一個複雜細胞的路徑
ELSI 教授兼這項研究的首席研究員 Tomoaki Matsuura 表示，透過整合滲透壓或機械剪切等裂變機制，可以實現連續幾代冷凍和解凍誘導的生長囊泡的遞歸選擇。隨著分子複雜性的增加，囊泡內系統（即基因編碼的功能）最終可以控制原細胞的適應性。這將導致能夠進行達爾文進化的原始細胞的出現。最成功的膜成分可能取決於每個生命起源地的特定環境條件。
總而言之，這些發現表明，冷凍和解凍等簡單的物理過程可能有助於引導從基本分子區室到第一個進化細胞的轉變。這項研究不僅為生命如何起源這個數百年歷史的問題提供了更清晰的答案，而且還表明極端環境可能是生物複雜性的催化劑，為原始分子結構的恢復能力開闢了新的研究方向。