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我們知道，細胞是生物基本單位。「麻雀雖小，五臟俱全」，小小的細胞具備復雜的結構，是復雜生命活動的基礎。但是，在生命起源的初期，細胞是什麽樣子呢？細胞這種結構是如何在早期地球環境中萌芽的呢？
細胞用磷脂膜與外界隔離，同時磷脂膜本身的滲透性以及膜蛋白的運輸功能，保證了細胞膜內外的物質交流。科學家推斷，在生命起源的初期，細胞的「膜」經歷了「從無到有」的過程，並保證了遺傳物質能穩定復制、分裂。
然而，在復雜膜結構還未形成之前，細胞如何兼顧獨立性和流通性？對此，美國芝加哥大學和侯斯頓大學生物學家和工程師在發表於【科學進展】（Science Advances）雜誌的論文中提出了新見解。
1、「RNA 世界」假說的未解之謎
原始細胞對於生命的出現至關重要，因為它們為必需生物分子（其中最重要的是核糖核酸，即 RNA）的濃縮、組織和復制提供了區室化。RNA 具有儲存遺傳資訊和催化化學反應的雙重功能，被認為是生命起源前地球上的關鍵分子以及生命的起源，這就是「RNA 世界」假說。
正如這個假說所言，RNA 成功由較簡單的有機分子轉化為可以演化和表現出多樣化的自我復制系統，並且是第一種實作這個過程的生物聚合物。然而，這個過程是如何發生的呢？
有觀點認為，原始細胞內 RNA 的區室化可能是由兩性分子（如脂質或脂肪酸）構成的囊泡實作的。這些囊泡包圍著一個水核心，其中還可能發生對新陳代謝和繁殖至關重要的反應。雖然這些原始細胞的功能類似於現代細胞，但它們缺乏經歷高度演化的膜結構來支持物質運輸。
脂質或脂肪酸膜可以為所包裹的區域提供選擇性和滲透性，但只有小分子可以滲透穿過雙分子膜。隨著遺傳物質增多，RNA 分子逐漸增大，原始細胞需要特定的轉運蛋白來協助它們穿過細胞膜 —— 然而，在當時，存在錯綜復雜的膜蛋白的可能性並不大。
2、原始細胞是個沒有膜的液滴？
為解釋以上的疑團，科學家提出了另一種假說，即原始細胞可能是沒有脂質膜的團聚體。在多種締合相互作用（如靜電作用、疏水作用）的影響下，大分子以液-液相分離（LLPS）形式存在，形成液滴一樣的物體 —— 這就是細胞的雛形。
這種液滴是無膜的，可以在自然的分配作用下，允許一些生物大分子進入，從而實作自己的持續生長。之後，在化學反應（如分子主動分裂）或物理反應（如受外界剪下力被動分裂）的作用下，這些液滴又會分裂。同時，也可以實作生命起源前非酶 RNA 的復制和分裂。
與透過膜實作的區室化相比，原始細胞為液滴的假說具有一個關鍵優勢：液滴能夠透過簡單的分配作用來濃縮各種分子，如肽、核苷酸、聚合物、離子表面活性劑和脂肪酸。影響這些分子運輸過程的不是它們自身的大小，而是它們對液滴基質的親和力。
3、無膜的細胞如何保證獨立性？
然而，最近的研究表明，無膜原始細胞也存在一個明顯的缺點。沒有膜，原始細胞內外的物質流通很方便，但也導致了 RNA 分子在細胞之間快速交換。
原始細胞之間相互補充不足，會導致在很短的時間內，所有原始細胞的 RNA 組成都趨向一致。如果原始細胞的 RNA 組成存在差異，在環境的選擇壓力下，它們就會形成競爭關系。但 RNA 組成趨向一致的後果是，環境競爭壓力被削弱或消除了，而基於 RNA 的生命的演化歷程也會因此受到阻礙。
此外，物質流通性提高的同時，也要避免原始細胞的穩定性下降到不能維持完整生命周期的地步。
4、低鹽度淡水可能是最佳選擇
在新研究中，針對以上問題，科學家研究了由聚二烯丙基二甲基氯化銨（即 PDDA，一種帶正電荷的聚合物）和三磷酸腺苷（即 ATP，一種帶四個負電荷的核苷酸）形成的團聚體，模擬穩定性不高的原始細胞。接著，科學家在蒸餾水中利用剪下力分割了這些團聚體，發現分割後的團聚體表現出了更高的抗聚變效能。
這些團聚體可以在數月內保持獨立。科學家將這種穩定性歸因於液滴界面的一系列物理化學變化：在剪下力作用下，團聚體外界面離子濃度突然變化，變得不連續性，導致界面的部份離子損失，從而在原生細胞界面處的帶電大分子之間產生了誘導靜電交聯作用 —— 相當於形成了一層網格狀的外壁。
與此同時，RNA 交換的時間也被延長了，小分子的 RNA 分子可在幾分鐘之內交換，而大分子的 RNA 分子可以保持數天的獨立狀態。「網格狀外壁」讓 RNA 保持獨立的同時，也允許復制的 RNA 向子細胞傳遞。
但是，在自然環境中，純凈的蒸餾水並不多見。在這項研究中，也有實驗顯示，外界水體如果含有微量的酸或者鹽分，會導致團聚體的穩定性下降。這表明，在不能保證純凈蒸餾水的情況下，也要盡可能降低外界水體的鹽度。因此，科學家推斷，在地球早期，更復雜的有膜細胞還沒有出現的時候，低鹽度淡水（來源包括雨水、湖泊或冰雪融化等）可能是實作 RNA 區室化的驅動力。
更難得可貴的是，實驗還顯示，這樣適中的通透性在高溫下依然成立。雖然還需要進一步研究的論證，但新研究的結果無疑為探究生命起源的研究提供了更多的創新思路。
參考文獻：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn9657
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