新的研究表明，雨水可能在约38亿年前形成围绕原始细胞的保护网中发挥了作用，这是从简单的RNA珠演变为复杂生命形式（包括细菌、植物、动物和人类）的关键发展。关于生命起源的一个重要未解问题是理解原始汤中发现的RNA液滴是如何演变成我们所识别的膜保护结构，也就是细胞的。
来自芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）、休斯顿大学化学工程系和芝加哥大学化学系的研究人员发布了一篇论文，提出了一个潜在的解决方案。
在今天发布的《科学进展》文章中，UChicago PME 的博士后研究员阿曼·阿格拉瓦尔（Aman Agrawal）与他的同事，包括杰出的研究者马修·蒂雷尔（Matthew Tirrell）和诺贝尔奖得主杰克·索斯塔克（Jack Szostak），概述了雨水是如何为38亿年前原始细胞形成保护网做出贡献的。这是从微小RNA珠演变为各种生命形式的一个重要步骤。
“这是一个独特而深刻的发现，”蒂雷尔评论道。
该研究集中在“聚集液滴”上，聚集液滴是像蛋白质、脂质和RNA这样的复杂分子的自然聚集体。这些液滴的行为与水中的油滴相似，被视为最早原始细胞的有希望候选者。然而，存在一个挑战。问题不在于这些液滴不能交换分子——这是一个关键的进化步骤——而在于它们交换过于频繁且速度过快。
每当一个液滴携带一种新的、潜在有益的RNA突变时，它会迅速将这种RNA与其他液滴分享，导致所有液滴在几分钟内变得相同。这种缺乏差异和竞争的情况阻碍了进化的可能性，这意味着生命本身将不会出现。
“如果分子在液滴或细胞之间不断交换，所有细胞很快将变得相同，消除了进化的机会，因为你只会拥有克隆，”阿格拉瓦尔解释说。
工程解决方案
生命本质上涉及多个科学领域，因此，领导芝加哥大学生命起源中心的索斯塔克看到了与UChicago PME和休斯顿大学化学工程系合作的价值。
“工程师们已经研究这些复合物的物理和化学性质，以及聚合物化学本身，已有相当长的时间，”索斯塔克指出。“在生命起源研究中，复杂性和部件的多样性要求任何具有相关专业知识的人都参与其中。”
在2000年代初，索斯塔克开始研究RNA作为最早的生物物质，解决了长期以来专注于DNA和蛋白质作为生命起源的研究者所面临的困境。
“这是一个经典的鸡和蛋的情景。哪一个先出现？”阿格拉瓦尔评论道。“DNA编码信息但不能执行功能，而蛋白质执行功能但缺乏携带遗传信息的手段。”
像索斯塔克这样的研究者认为RNA可能首先出现，承担所有基本任务，蛋白质和DNA随后演变。
“RNA是一种能够像DNA一样编码信息的分子，但也能像蛋白质一样折叠，使其能够执行各种功能，例如催化，”阿格拉瓦尔解释。
RNA在早期生物材料中被视为主要候选者。聚集液滴同样被视为最早的原始细胞候选者，特别是那些含有初始形式的RNA。
然而，索斯塔克在2014年挑战了这一观点，揭示聚集液滴中的RNA交换过于迅速，无法保持独特的身份。
“你可以创造多种类型的聚集液滴，但由于它们迅速交换RNA内容，这些液滴无法保持其独特性。这一直是一个持续的问题，”索斯塔克表示。“我们最新的研究表明，通过将这些聚集液滴置于蒸馏水中（如雨水或任何淡水），我们可以减轻一些这个问题，从而使它们发展出一个坚韧的外层，限制RNA交换。”
‘想法的自发燃烧’
在休斯顿大学攻读博士期间，阿格拉瓦尔开始将聚集液滴转移到蒸馏水中，同时观察它们在电场下的行为，尽管当时并不专注于生命起源。
“化学和材料工程师擅长操控材料特性，如界面张力、带电聚合物的影响，以及盐和pH的控制，”阿尔姆吉尔·卡里姆（Alamgir Karim），阿格拉瓦尔的前导师和论文的高级合著者指出。“这些因素在‘复杂流体’的研究中至关重要—类似于洗发水和液体肥皂。”
阿格拉瓦尔在博士研究期间旨在探索聚集体的各种基本特性。虽然这超出了卡里姆的领域，但卡里姆曾在明尼苏达大学与蒂雷尔合作，后者在该领域是专家。
在与阿格拉瓦尔和卡里姆共进午餐时，蒂雷尔提到蒸馏水对聚集液滴的影响可能与地球上生命的起源有关。蒂雷尔询问38亿年前蒸馏水可能来自哪里。
“我立即建议‘雨水！’他的脸上立刻绽放出兴奋的神情，”卡里姆回忆道。“可以形容这是想法的自发燃烧！”
随后，蒂雷尔将阿格拉瓦尔关于蒸馏水的发现分享给了索斯塔克，后者刚刚加入芝加哥大学领导生命起源计划，并问了与卡里姆相同的问题。
“我问他，‘在前生物环境中蒸馏水可能来自哪里？’”蒂雷尔回忆。“杰克的回答正如我所希望的那样——他说是雨。”
借助索斯塔克提供的RNA样本，阿格拉瓦尔发现将聚集液滴浸入蒸馏水显著延长了RNA交换所需的时间——从几分钟延长到几天。这个扩展的时间框架使突变、竞争和最终进化得以发生。
“如果你有不稳定的原始细胞种群，它们会交换遗传物质并变成克隆，阻止任何达尔文进化，”阿格拉瓦尔详细解释。“然而，如果它们在过度交换下保持稳定，保持遗传信息几天，便会允许基因序列中的突变，从而使种群能够进化。”
雨水，检查完毕
起初，阿格拉瓦尔使用去离子水进行实验，这是在实验室条件下过滤的。“这引起了期刊审稿人对潜在酸性前生物雨水影响的疑问，”他提到。
商用实验室水不含污染物、盐，并维持完全中性的pH，这并不代表真实世界的条件。因此，研究人员需要一些更接近真正雨水的东西。
那么，还有什么比真实的雨水更能反映雨水呢？
“我们只是从休斯顿收集了雨水，并评估了我们的液滴在其中的稳定性，以确保我们的发现是有效的，”阿格拉瓦尔说。
使用自然雨水和实验室水的测试，调整以模拟雨水的酸性，得到了始终如一的结果。形成的保护网状墙创造了有利于生命起源的条件。
必须认识到，今天休斯顿的雨水化学成分与地球形成后约7.5亿年的雨水成分不同，正如阿格拉瓦尔研究的模型原始细胞系统存在差异一样。新论文中的发现表明，这种建立原始细胞保护网的技术是可行的，并可能划分出生命的基本分子，推动研究人员更接近找出允许原始细胞进化的正确化学和环境条件。
“用于创建这些原始细胞的分子在我们找到更合适的替代品之前，仅仅是模型，”阿格拉瓦尔澄清道。“虽然化学可能会略有不同，但基本的物理规律保持不变。”
