關於生命起源的一個尚未解答的主要問題是，漂浮在原始湯中的 RNA 液滴如何變成我們稱之為細胞的受膜保護的生命體。

發表在《科學進展》雜誌上的這篇論文中，芝加哥大學工程與機械工程博士後研究員阿曼·阿格拉瓦爾 (Aman Agrawal) 和他的合著者——包括芝加哥大學工程與機械工程名譽院長馬修·蒂雷爾 (Matthew Tirrell) 和諾貝爾獎獲得者生物學家傑克·紹斯塔克 (Jack Szostak)——展示了 38 億年前雨水如何幫助在原始細胞周圍形成網狀壁，這是從微小的 RNA 珠子轉變為曾經存在過的每個細菌、植物、動物和人類的關鍵一步。

蒂雷爾說：“這是一個獨特而新穎的觀察。”

這項研究着眼於“凝聚液滴”——自然產生的複雜分子隔室，如蛋白質、脂質和 RNA。這些液滴的行為就像水中的食用油滴，長期以來一直被視為第一批原始細胞的候選對象。但有一個問題。並不是這些液滴無法相互交換分子，這是進化的關鍵步驟，問題是它們交換得太好，太快了。

任何含有新的、可能有用的生命前 RNA 突變的液滴都會在幾分鐘內與其他 RNA 液滴交換這種 RNA，這意味着它們很快就會變得完全相同。不會有分化，也不會有競爭——也就意味着不會有進化。

那就意味着沒有生命。

阿格拉瓦爾說：“如果分子在液滴之間或細胞之間不斷交換，那麼不久之後所有細胞都會看起來一樣，而且不會發生進化，因為最終會得到相同的克隆。”

設計解決方案

生命本質上是跨學科的，因此芝加哥大學芝加哥生命起源中心主任 Szostak 表示，與芝加哥大學 PME、芝加哥大學跨學科分子工程學院和休斯頓大學化學工程系合作是自然而然的。

“工程師們長期以來一直在研究這類複合物的物理化學——以及更普遍意義上的聚合物化學。工程學院擁有專業知識是有道理的，”Szostak 說。“當我們研究生命起源之類的問題時，它非常複雜，涉及很多部分，我們需要具有相關經驗的人參與其中。”

21 世紀初，紹斯塔克開始研究 RNA，將其作為第一種需要開發的生物材料。它解決了長期以來困擾研究人員將 DNA 或蛋白質視為最早生命分子的問題。

“這就像先有雞還是先有蛋的問題。哪個先出現？”阿格拉沃爾說。“DNA 是編碼信息的分子，但它不能發揮任何功能。蛋白質是發揮功能的分子，但它們不編碼任何可遺傳的信息。”

像紹斯塔克這樣的研究人員推測，RNA 首先出現，用阿格拉瓦爾的話來說，“照顧一切”，蛋白質和 DNA 慢慢地從 RNA 進化而來。

阿格拉瓦爾說：“RNA 是一種像 DNA 一樣的分子，它可以編碼信息，但它也能像蛋白質一樣摺疊，因此它也能發揮催化等功能。”

RNA 可能是第一種生物材料的候選者。凝聚液滴可能是第一種原始細胞的候選者。含有早期 RNA 形式的凝聚液滴似乎是自然而然的下一步。

直到 Szostak 給這一理論潑了冷水，他在 2014 年發表的一篇論文中指出，凝聚態液滴中的 RNA 交換速度過快。

“你可以製造各種不同凝聚層的液滴，但它們無法保持各自的特性。它們往往會過快地交換 RNA 內容。這是一個長期存在的問題，”Szostak 說。“我們在這篇新論文中表明，你可以通過將這些凝聚層液滴轉移到蒸餾水中（例如，任何類型的雨水或淡水）來克服至少部分問題，它們會在液滴周圍形成一層堅硬的外殼，限制它們交換 RNA 內容。”

“思想的自燃”

阿格拉沃爾在休斯敦大學攻讀博士學位期間開始將凝聚液滴轉移到蒸餾水中，研究它們在電場下的行為。此時，這項研究與生命起源無關，只是從工程角度研究這種令人着迷的材料。

“工程師，尤其是化學和材料工程師，非常了解如何控制材料特性，如界面張力、帶電聚合物的作用、鹽、pH 值控制等，”休斯頓大學教授 Alamgir Karim 說道，他是 Agrawal 的前論文導師，也是新論文的資深合著者。“這些都是俗稱‘複雜流體’的世界的關鍵方面——想想洗髮水和液體肥皂。”

阿格拉瓦爾希望在攻讀博士學位期間研究凝聚層的其他基本特性。這不是卡里姆的研究領域，但幾十年前卡里姆曾在明尼蘇達大學與世界頂級專家蒂雷爾共事，蒂雷爾後來成為芝加哥大學普利茲克分子工程學院的創始院長。

在與阿格拉沃爾和卡里姆共進午餐時，蒂雷爾提到了蒸餾水對凝聚液滴的影響的研究可能與地球生命的起源有關。蒂雷爾問道，38 億年前蒸餾水在哪裡存在。

“我自發地說‘雨水！’他的眼睛亮了起來，聽到這個建議他非常興奮，”卡里姆說。“所以，你可以說這是想法或創意的自發燃燒！”

蒂雷爾把阿格拉沃爾的蒸餾水研究成果帶給了紹斯塔克，紹斯塔克當時剛加入芝加哥大學，領導當時所謂的“生命起源計劃”。他提出了和卡里姆同樣的問題。

“我問他，‘你認為在生命起源之前的世界，蒸餾水是從哪裡來的？’”蒂雷爾回憶道。“傑克的回答和我所希望的完全一致，那就是雨水。”

通過研究來自 Szostak 的 RNA 樣本，Agrawal 發現將凝聚液滴轉移到蒸餾水中可以延長 RNA 交換的時間——從幾分鐘延長到幾天。這段時間足以進行突變、競爭和進化。

“如果原始細胞群不穩定，它們就會相互交換遺傳物質，變成克隆體。達爾文進化論根本不可能成立，”阿格拉沃爾說。“但如果它們能夠穩定交換，並能將遺傳信息保存得足夠好，至少能保存幾天，使基因序列發生突變，那麼一個群體就能進化。”

已下雨，已檢查

最初，阿格拉瓦爾用在實驗室條件下純化的去離子水進行實驗。“這促使期刊的審稿人提出疑問，如果生命起源前的雨水酸性非常強，會發生什麼情況，”他說。

商業實驗室用水不含任何污染物，不含鹽，pH 值為中性，酸鹼平衡。簡而言之，它與現實世界的情況相差無幾。他們需要研究一種更像真實雨水的材料。

有什麼比雨更像雨？

阿格拉瓦爾說：“我們只是在休斯頓收集了雨水並測試了其中液滴的穩定性，只是為了確保我們報告的準確性。”

在對真實雨水和經過改造以模擬雨水酸度的實驗室水進行的測試中，他們發現了相同的結果。網狀牆形成，創造了可能孕育生命的條件。

2020 年代休斯頓降下的雨水的化學成分與地球形成 7.5 億年後降下的雨水不同，阿格拉瓦爾測試的模型原始細胞系統也是如此。新論文證明，這種在原始細胞周圍建造網狀壁的方法是可行的，並且可以協同作用將生命分子區分開來，使研究人員比以往任何時候都更接近找到允許原始細胞進化的正確化學和環境條件。

“我們用來構建這些原始細胞的分子只是模型，直到找到更合適的分子作為替代品，”阿格拉瓦爾說。“雖然化學原理會略有不同，但物理原理保持不變。”