早期地球的冰凍可能推動了生命的起源

東京地球與生命科學研究所的研究人員發現，古代地球上反覆的冷凍和融化循環可能對第一個細胞結構的出現至關重要。這項研究基於脂質囊泡實驗，顯示膜成分的變化直接影響原始原始細胞的生長和融合，為生命如何開始提供了新的視角。

模擬顯示，波動的溫度會導致測試的分子結構出現不同的行為。含有不飽和度較高的脂質的囊泡在連續的熱循環後往往會合併成更大的隔間，而那些具有更剛性成分的囊泡仍然聚集在一起而沒有完全整合。

原始膜對熱應力的反應不同

科學家使用三種具有不同結構特性的磷脂質建構了稱為大單層囊泡的小型球形隔間。 POPC 形成更堅硬的膜，而 PLPC 和 DOPC 由於其分子中存在額外的化學鍵，可產生更多的流體膜。

研究小組對這些結構進行了連續三個冷凍和解凍循環，再現了早期地球上存在的環境條件。結果顯示囊泡的行為有巨大差異。

• 富含POPC的囊泡：聚集但未完全融合
• 具有 PLPC 或 DOPC 的囊泡：融合成更大的隔間
• 觀察到的相關性：PLPC 量越大，融合和生長越強烈
• 機制已確定：不飽和脂質降低膜緻密性

化學不穩定性在原細胞演化中的作用

當冰晶在冷凍過程中形成時，膜在解凍時會發生破碎和結構重組。在此重建過程中，不飽和度較高的脂質會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。

這種機制可能是複雜過程的基礎。原始區室的融合可以更有效地捕獲和保留關鍵分子，包括 DNA，這對於更先進的生物系統至關重要。連續的聚變事件會將不同的分子混合在一起，為現代生活所特有的更複雜的化學反應奠定基礎。

領導這項工作的博士生 Tatsuya Shinoda 強調了為實驗選擇脂質的重要性。該團隊選擇磷脂醯膽鹼是因為它與現代細胞保持結構連續性，可以在益生元條件下使用，並且表現出在熱循環過程中保留必需成分的能力。

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分子差異決定原始結構的命運

所測試的三個分子具有相同的基本結構，但在關鍵方面有所不同。 POPC 含有一個帶有單一雙鍵的不飽和酰基鏈。 PLPC 還具有不飽和酰基鏈，但具有兩個雙鍵，顯著改變其流動性。 DOPC 包含兩個不飽和酰基鏈，每個酰基鏈都有一個雙鍵，可產生三者中流動性最強的脂質。

這些細微的差異決定了分子在三維空間中如何組織自己。較硬的膜，例如由 POPC 形成的膜，可以抵抗變形並與其他結構整合。更多的流體膜具有更大的分子靈活性，允許在受到熱應力時重組。具有高不飽和度的脂質的不太緊湊的橫向組織特徵更有效地暴露促進融合的表面。

對理解生命起源的意義

這些發現挑戰了先前對生命出現環境的理解。直到最近，研究人員一直強調水下地熱環境或溫暖的熱帶潟湖。這項工作表明，看似敵對的冰冷環境為最原始結構的發展提供了理想的條件。

現代細胞的複雜性包括內部支撐結構、嚴格控制的化學過程以及指導幾乎所有功能的遺傳指令。相較之下，原始原始細胞本質上是小氣泡，其中脂質膜包圍基本有機分子。了解這些極其簡單的結構如何演化成如此複雜的系統仍然是自然發生研究的核心。

ELSI 實驗表明，膜成分的變化對極端天氣事件期間生長、融合和保留關鍵分子的能力具有決定性影響。這項發現開闢了新的研究領域，研究脂質在早期地球上占主導地位，以及它們在不同環境中的可用性如何指導生命的早期化學演化。