人體在很大程度上依賴於電荷。閃電般的能量脈衝飛過大腦和神經，大多數生物過程都依賴於電離子穿過我們身體中每個細胞的膜。這些電信號之所以可能，部分原因是細胞膜兩側存在著不平衡的電荷。直到最近，研究人員認為膜是造成這種不平衡的一個重要組成部分。但是，當斯坦福大學的研究人員發現類似的不平衡電荷可以存在於水和空氣的微滴之間時，這種想法被顛覆了。

生物凝結物，有點像水中的油滴，蘊藏著不平衡的電荷，可能為早期生命的開始提供所需的能量。

現在，杜克大學的研究人員發現，這些類型的電場也存在於另一種類型的細胞結構內和周圍，稱為生物凝結物。就像漂浮在水中的油滴一樣，這些結構的存在是因為密度的不同。它們在細胞內形成隔間，而不需要膜的物理邊界。

以前的研究表明，與空氣或固體表面相互作用的微水滴會產生微小的電不平衡，受此啟發，研究人員決定看看小型生物冷凝物是否也是如此。他們還想看看這些不平衡是否像這些其他系統一樣引發了活性氧，”氧化還原”反應。

他們的基礎性發現於4月28日發表在《化學》雜誌上，可以改變研究人員對生物化學的思考方式。它還可能提供一條線索，說明地球上的第一個生命是如何利用產生所需的能量的。

“在沒有酶催化反應的前生物環境中，能量從何而來？”在生物醫學工程系Alan L. Kaganov特聘教授Ashutosh Chilkoti和生物醫學工程系James L. Meriam特聘教授Lingchong You的實驗室工作的杜克大學博士後研究員戴一凡問。這一發現為反應能量的來源提供了一個合理的解釋，就像放在電場中的點狀電荷所獲得的勢能一樣。

當電荷在一種材料和另一種材料之間跳躍時，它們可以產生分子碎片，這些碎片可以配對並形成羥基自由基，其化學式為OH。然後這些可以再次配對，形成過氧化氫（H2O2），數量微小但可檢測。但是，除了細胞膜之外，界面很少在生物系統中被研究，而細胞膜是生物學中最重要的部分之一。

“所以我們想知道在生物凝結物的界面上可能會發生什麼，也就是說，如果它也是一個不對稱的系統。”

細胞可以建立生物凝結物，將某些蛋白質和分子分開或困在一起，阻礙或促進它們的活動。研究人員剛剛開始了解凝結物是如何工作的，以及它們可以用來做什麼。

Chilkoti實驗室擅長創造自然發生的生物凝結物的合成版本，研究人員很容易為他們的理論創造一個試驗台。在加州大學伯克利分校克里斯托弗-J-張小組的博士後學者馬可-梅西納的幫助下，他們將一種染料添加到系統中，在活性氧的存在下發光。

在一項突破性的研究中，研究人員發現了生物凝結物中的電活動，這些細胞結構以前並不知道會有這種活動。傳統上，科學家們認為，對生物過程至關重要的電不平衡只能存在於細胞膜之間。然而，這項研究在之前發現這種不平衡可能發生在空氣和水微滴之間的研究基礎上，揭示了類似的電場也存在於生物凝結物內部和周圍。研究人員發現，這些不平衡可以引發活性氧或”氧化還原”反應。這一發現不僅挑戰了現有的對生物化學的理解，而且還可以提供關於地球上第一個生命如何利用其存在所需能量的見解。

他們的預感是正確的。當環境條件合適時，凝結物的邊緣開始發出光芒，證實了一個以前未知的現像在起作用。Dai接下來與斯坦福大學Marguerite Blake Wilbur化學教授Richard Zare進行了交談，他的小組建立了水滴的電氣行為。Zare聽到生物系統中的新行為後非常興奮，並開始與該小組合作研究其潛在機制。

Zare說：”受到以前關於水滴的工作的啟發，我的研究生Christian Chamberlayne和我認為同樣的物理原理可能適用並促進氧化還原化學，例如過氧化氫分子的形成。這些發現表明為什麼凝結物在細胞的運作中如此重要。”

“以前關於生物分子凝結物的大多數工作都集中在它們的內部，”Chilkoti說。”生物分子凝集物似乎具有氧化還原活性，這表明凝集物並不像人們通常理解的那樣簡單地進化為執行特定的生物功能，而是它們還被賦予了一種對細胞至關重要的化學功能。”

雖然我們細胞內的這種持續反應的生物學意義尚不清楚，但研究人員指出了一個生物前的例子，說明其影響可能是多麼強大。我們細胞的動力中心，稱為線粒體，通過相同的基本化學過程為我們所有的生命功能創造能量。但是在線粒體或甚至最簡單的細胞存在之前，必須有東西為生命的最初功能提供能量才能開始工作。

研究人員提出，這種能量是由海洋中的熱噴口或溫泉提供的。還有人提出，這種發生在水微滴中的氧化還原反應也是由海浪的噴射產生的。

“當物質變得微小，界面體積與它的體積相比變得巨大時，神奇的事情就會發生，”Dai說。”我認為其影響對許多不同的領域都很重要。”