东京地球与生命科学研究所的研究人员发现，古代地球上反复的冷冻和融化循环可能对第一个细胞结构的出现至关重要。这项研究基于脂质囊泡实验，表明膜成分的变化直接影响原始原始细胞的生长和融合，为生命如何开始提供了新的视角。
模拟显示，波动的温度会导致测试的分子结构出现不同的行为。含有不饱和度较高的脂质的囊泡在连续的热循环后往往会合并成更大的隔室，而那些具有更刚性成分的囊泡仍然聚集在一起而没有完全整合。
原始膜对热应力的反应不同
科学家使用三种具有不同结构特性的磷脂构建了称为大单层囊泡的小型球形隔室。 POPC 形成更坚硬的膜，而 PLPC 和 DOPC 由于其分子中存在额外的化学键，可产生更多的流体膜。
研究小组对这些结构进行了连续三个冷冻和解冻循环，再现了早期地球上存在的环境条件。结果显示囊泡的行为存在巨大差异。
- 富含POPC的囊泡：聚集但未完全融合
- 具有 PLPC 或 DOPC 的囊泡：融合成更大的隔室
- 观察到的相关性：PLPC 量越大，融合和生长越强烈
- 机制已确定：不饱和脂质降低膜致密性
化学不稳定性在原细胞进化中的作用
当冰晶在冷冻过程中形成时，膜在解冻时会发生破碎和结构重组。在此重建过程中，不饱和度较高的脂质会暴露更多的疏水区域，促进与相邻囊泡的相互作用，并使融合在能量上有利。
这种机制可能是复杂过程的基础。原始区室的融合可以更有效地捕获和保留关键分子，包括 DNA，这对于更先进的生物系统至关重要。连续的聚变事件会将不同的分子混合在一起，为现代生活所特有的更复杂的化学反应奠定基础。
领导这项工作的博士生 Tatsuya Shinoda 强调了为实验选择脂质的重要性。该团队选择磷脂酰胆碱是因为它与现代细胞保持结构连续性，可以在益生元条件下使用，并且表现出在热循环过程中保留必需成分的能力。
分子差异决定原始结构的命运
所测试的三个分子具有相同的基本结构，但在关键方面有所不同。 POPC 含有一个带有单个双键的不饱和酰基链。 PLPC 还具有不饱和酰基链，但具有两个双键，显着改变其流动性。 DOPC 包含两个不饱和酰基链，每个酰基链都有一个双键，可产生三者中流动性最强的脂质。
这些细微的差异决定了分子在三维空间中如何组织自身。较硬的膜，例如由 POPC 形成的膜，可以抵抗变形并与其他结构整合。更多的流体膜具有更大的分子灵活性，允许在受到热应力时重组。具有高不饱和度的脂质的不太紧凑的横向组织特征更有效地暴露促进融合的表面。
对理解生命起源的意义
这些发现挑战了之前对生命出现环境的理解。直到最近，研究人员一直强调水下地热环境或温暖的热带泻湖。这项工作表明，看似敌对的冰冷环境为最原始结构的发展提供了理想的条件。
现代细胞的复杂性包括内部支撑结构、严格控制的化学过程以及指导几乎所有功能的遗传指令。相比之下，原始原始细胞本质上是小气泡，其中脂质膜包围基本有机分子。了解这些极其简单的结构如何进化成如此复杂的系统仍然是自然发生研究的核心。
ELSI 实验表明，膜成分的变化对极端天气事件期间生长、融合和保留关键分子的能力具有决定性影响。这一发现开辟了新的研究领域，研究脂质在早期地球上占主导地位，以及它们在不同环境中的可用性如何指导生命的早期化学进化。