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人造细胞,科学家模拟了第一个细胞如何在深海热液喷泉中形成

我们来自哪里,生命是如何开始的?这是一个没有人会厌倦的问题。有一种理论认为,深海热液喷泉起着关键作用。在深海热液喷泉中,富含矿物质的热水从地球内部流出。在这里,使简单的分子连接,并且恰好满足形成包裹细胞的重要的油基膜的条件。尽管这一理论很好,但是到现在为止还没有人设法证明它是可能的。不过,通过在实验室中创建类似的条件,UCL的肖恩·乔丹(Sean Jordan)发现了深海热液喷泉在此过程中是非常重要的。

碱性条件下形成了简单的膜结构

深海热液喷泉与众不同,它是由碱性流体形成的。大约在四十亿年前,当我们认为第一个生命出现时,海洋是酸性的,而喷泉口内是碱性液体,两者像电池一样:一侧的正电荷而另一侧为负电荷。这样可以提供能量,以创建第一个有机分子,然后经历更复杂的化学过程。由于热液喷泉口内结构,有机分子在口内富集,可以形成无生命的细胞,最终变成有生命的细胞。

关于生命起源的理论很多,碱性热液喷泉对这些理论很重要。在先前的研究中,没有人能够在碱性、高盐度条件下形成这些细胞。因此,这对于该理论来说是一个巨大的打击。由于所有生命都是基于细胞的,如果我们能够首次形成它们,我们认为这对于该理论是一种推动。

那么细胞是如何一步步产生的呢?

现代细胞由磷脂构成。这些都是很大的分子,它们的尾巴是疏水的,这意味着它们不喜欢水,而亲水的头却喜欢水。当您将它们置于溶液中时,疏水性尾部会连接,亲水性头部朝外指向,然后形成球体。我们可以在显微镜下看到它们,它们看起来像是脂肪球!

肖恩使用了14种简单的脂质:如脂肪酸、酒精和类异戊二烯等。这样形成的小球就是非常简易的细胞了。现代细胞是由许多不同类型的磷脂组成的,存在较大的分子,同时也含有蛋白质。现代细胞中的细胞膜在代谢过程中非常活跃-允许物质进出。简易细胞是什么样的呢?实际上它们是漏水的,当没有主动帮助物质穿过细胞膜的方法时,漏水也是件好事。如果细胞本身漏水,那么细胞就不需要什么特殊的功能了。但是,如果我们可以将诸如蛋白质之类的简单酶放入简易细胞膜内,它们就可以开始在新陈代谢中发挥作用。

这样,肖恩在人们以前无法做到的条件下,制造出这些细胞前体。

以前做不到的原因是,人们采用的方法是一种标准的化学方法,使用纯净的化学物质。比如使用1、2或3个分子来制造细胞,把他们放入高温环境,并调整PH值和盐分。简易细胞并不喜欢这样的环境。在生命起源时,实际已经有了近百种这类分子。因此,让事情变得更混乱,才更现实。肖恩使用了14种不同的脂质,并将它们混合在一起,它们在这些条件下能够保持稳定。

实验形成的“简易细胞”-脂肪球

许多人将海底热液喷泉与海底黑色烟囱混淆。黑色烟囱温度大约是三百五十度,要在其中形成任何生命要困难得多,但是热液喷泉大约50至100度-实验中使用了70度。实验中的PH值、盐分的浓度,都接近实际值。

肖恩认为,这些细胞前体已经可以算是生命了。当然这是非常有争议的。但是肖恩坚持认为:如果我们把这个问题简化,比如可以尝试让它们在实验室中自我复制DNA、细胞膜、新陈代谢等。然后将它们放在一起,如果它们能自我工作,那么这将离完全的生命更进一步。

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