是什麼在生命誕生之初推動了原始細胞分裂?

據國外媒體報道,在近期的一項研究中,科學家通過一個數學模型顯示了熱力學機制如何使原始細胞分裂成兩個子細胞細胞的自我複製是通過一系列蛋白質的精巧操作實現的。在細胞分裂過程中,結構蛋白和酶協調了DNA的複製和細胞質內容物的分解,以及細胞膜的分裂與融合。適當地處理這些過程至關重要,因為任何微小的錯誤都可能導致子細胞異常或無法存活。

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數十億年前,第一批從無生命物質中自發產生的自組織膜狀化學物質也面臨過這樣的難題。但幾乎可以肯定的是,這些原始細胞需要在不依賴大分子蛋白質的情況下進行複製。它們是如何做到這一點的?這是天體生物學家和生物化學家在研究生命起源時迫切想要回答的關鍵問題。

如果你去掉細胞中所有的酶,什麼也不會發生。它們沒什麼活力,但它們真的很穩定,這就是關鍵所在。

在最近發表於《生物物理期刊》(Biophysical Journal)的一篇論文中,物理學家與腫瘤生物學家開發了一系列數學方程模型,揭示了溫度差異可能就足以驅動細胞複製過程的重要一步:原始細胞的分裂。

早期生命中活躍的化學和物理過程可能非常簡單,因此可能只有熱力學在生命起源中發揮着重要作用,新開發的基本方程可以闡明支配生命最初如何出現的一些規則。

內外膜的翻轉

原始細胞在沒有複雜蛋白質機制的情況下進行分裂,這一過程需要物理或化學驅動。這實際上就是將一個細胞剝離至只剩下基本功能,然後思考,基本的物理和化學原理是什麼,我們如何在沒有蛋白質的情況下模擬這些原理?

考慮到科學家們至今仍無法就生命的一般定義,特別是對原始細胞的定義達成一致時,弄清這些過程就更具挑戰性了。

不過,科學家們都同意的一點是,原始細胞一定具有某種可以傳遞給子細胞的遺傳信息,一種進行化學反應的新陳代謝機制,以及一種能將新陳代謝和遺傳信息從地球其他原始湯的隨機過程中分隔出來的脂質膜。雖然外部的化學世界本身是隨機的,但脂質膜所提供的分隔可以創造一個更低熵的區域。

一個原始細胞在分裂前的成長過程中,不僅要增加細胞內部的體積,還要增加周圍細胞膜的表面積。要創造兩個較小的子細胞,並使其總體積與母細胞相同,就需要在它們的細胞膜上增加額外的脂質,因為它們的表面積與體積之比要更大一些。合成這些脂質所需的化學反應會以熱量的形式釋放能量。

通過搜索文獻,有研究指出線粒體(細胞的能量中心,在數十億年前曾是與細胞共生的細菌)比周圍細胞的溫度略高。這種能量差異是否可以在原始細胞中產生?又是否足以驅動細胞分裂?

於是,研究人員草擬了一系列方程式來模擬可能發生的情況。先從一系列假設開始,比如原始細胞可能是桿狀的,具有雙層膜,允許營養物質擴散進來,廢物擴散出去。這是一個非常、非常粗糙的模型,但令人驚訝的是,它可以簡化為一個單一的微分方程。

原始細胞代謝產生的能量會使膜內的脂質比膜外的升溫更快。然後,熱力學會迫使能量更高的內部脂質“翻轉”到外部,導致膜外層膨脹,消耗膜內層。解決這種不平衡的一個簡單方法,便是將細胞擠壓成兩個子細胞。這種擠壓會發生在母細胞的中部,那裡的溫度最高,脂質運動最明顯。

體積太小而不夠熱?

這項工作是純理論性質的,但這些理論可以通過實驗來驗證。例如,我們可以在實驗室中製造類似的囊泡,測量其內部溫度是否與外部不同。

這項工作十分重要,因為它提醒我們,脂質膜的不對稱性可能在原始生命中發揮了一定作用。但由於細胞和原始細胞都很微小,只能產生極少的熱量,所以也有人質疑這種溫差是否足以在熱量擴散到細胞膜之前驅動分裂。

在現代的細胞膜中,脂質在內外之間不會輕易翻轉,因為它們的分子結構十分複雜。對於早期生命所具有的較簡單的脂質而言,情況可能並非如此。當科學家們在實驗室中用這些化合物製造囊泡時,它們會瘋狂地四處移動。

這些問題並不能說明溫差在早期細胞分裂中沒有發揮作用,只是新開發的數學模型可能還不夠精確,這項研究為早期生命的研究提供了補充,因為“這是一個很好的實驗起點。我們經常忘記反應的消耗和熱量的產生,而這些都可能對細胞分裂等過程產生影響”。