一項新的研究表明，雨水可能透過在早期RNA結構周圍形成保護屏障，幫助它們進化成複雜的生命形式。關於生命起源的一個基本問題是，漂浮在原始湯汁周圍的核糖核酸液滴是如何變成我們稱為細胞的受膜保護的生命包的。

芝加哥大學普利茲克分子工程學院、休士頓大學化學工程系和芝加哥生命起源中心的一篇新論文表明，雨水可能在38億年前幫助原生細胞周圍形成了一道網狀牆，這是從微小的RNA珠過渡到所有細菌、植物、動物和人類的關鍵一步。圖片來源：芝加哥大學普利茲克分子工程學院/彼得-艾倫，第二灣工作室

現在，由芝加哥大學普利茲克分子工程學院（UChicago Pritzker School of Molecular Engineering）、休士頓大學化學工程系和芝加哥大學化學系的研究人員組成的團隊提出了一個解決方案。

在發表於《科學進展》（Science Advances）的一項新研究中，芝加哥大學PME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PME名譽院長馬修-蒂雷爾（Matthew Tirrell）和諾貝爾獎得主、生物學家傑克-斯佐斯塔克（Jack Szostak））展示了雨水是如何在38億年前幫助原生細胞周圍形成網狀牆的，這是從微小的RNA珠過渡到所有細菌、植物、動物和人類的關鍵一步。

Tirrell 說：”這是一個獨特而新穎的觀察。”

休士頓大學教授阿拉姆吉爾-卡里姆（Alamgir Karim）首先提出，雨水可能是原生細胞最初形成時期的蒸餾水來源。圖片來源：休士頓大學

這項研究關注的是”凝聚態液滴”–蛋白質、脂質和RNA 等複雜分子的天然分區。這種小液滴在水中的表現就像一滴食用油，長期以來被視為首個原細胞的候選者。但問題是。問題並不在於這些液滴不能在演化的關鍵步驟–分子之間進行交換，而是它們交換得太好、太快了。

任何含有新的、潛在有用的生命前突變RNA 的液滴都會在幾分鐘內與其他RNA 液滴交換這種RNA，這意味著它們很快就會變得一樣。沒有分化，沒有競爭，這意味著沒有進化。這就意味著沒有生命。

“如果分子在液滴之間或細胞之間不斷交換，那麼過不了多久，所有的細胞都會看起來一樣，也就不會有進化，因為最終得到的是完全相同的克隆。”阿格拉瓦爾說。

芝加哥大學普立茲克分子工程學院博士後研究員阿曼-阿格勞瓦爾與諾貝爾獎得主、芝加哥生命起源中心的傑克-斯佐斯塔克（Jack Szostak）討論他的凝聚態液滴研究。阿格拉瓦爾在休士頓大學開始他的研究，起初並不知道這項研究對生命早期形成可能產生的影響。圖片來源：芝加哥大學普利茲克分子工程學院/約翰-齊奇

生命的本質是跨學科的，因此芝加哥大學芝加哥生命起源中心主任斯佐斯塔克說，與芝加哥大學分子工程跨學科學院（UChicago PME）和休士頓大學化學工程系合作是很自然的。

“工程師研究這類複合物的物理化學–以及更廣泛的聚合物化學–已經有很長一段時間了。工程學院擁有這方面的專業知識是合情合理的，”Szostak 說。 “當我們研究生命起源這樣的東西時，它是如此複雜，有如此多的部分，我們需要有任何相關經驗的人來參與其中。”

本世紀初，斯佐斯塔克開始將RNA 視為最早出現的生物材料。這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難題。

「這就像雞和蛋的問題。先有什麼？」阿格拉瓦爾說。 “DNA是編碼訊息的分子，但它不能發揮任何功能。蛋白質是執行功能的分子，但它們不編碼任何可遺傳的訊息。”

斯佐斯塔克等研究人員推測，RNA 最先出現，用阿格拉瓦爾的話說，它”包攬了一切”，蛋白質和DNA 在它的基礎上慢慢進化。

阿格拉瓦爾說：”RNA是一種分子，它和DNA一樣，可以編碼訊息，但它也可以像蛋白質一樣折疊，因此也可以執行催化等功能。”

RNA 可能是最早的生物材料。凝聚態液滴可能是最早的原生細胞。含有早期形式RNA 的凝聚液滴似乎是下一個自然的步驟。

三個共存的穩定共膠體原胞的螢光顯微鏡影像。原細胞含有長單股RNA，分別以綠色、紅色和藍色螢光染料標記。沒有任何顏色混合的現象表明，穩定原細胞之間的RNA 交換是受限的。圖片來源：芝加哥大學普利茲克分子工程學院/Aman Agrawal

直到斯佐斯塔克在2014 年發表了一篇論文，為這一理論潑了一盆冷水，論文顯示，共蒸液滴中的RNA 交換速度過快。

“我們可以製造出各種不同類型的凝聚液滴，但它們無法保持各自的特性。它們往往會過快地交換RNA 含量。這是一個長期存在的問題，”Szostak 說。 “我們在這篇新論文中展示的是，透過將這些凝聚態液滴轉移到蒸餾水中–例如雨水或任何類型的淡水–它們在液滴周圍會形成一種堅韌的皮膚，限制它們交換RNA 含量，從而至少可以克服部分問題。

儘管早期前生物分子和早期雨水的確切化學成分仍被時間所遺忘，但芝加哥大學普利茲克分子工程學院博士後研究員阿曼-阿格勞瓦爾（Aman Agrawal）的新論文概述了這種轉變是如何發生的。阿格拉瓦爾說：「雖然化學原理會有些不同，但物理原理不會改變。」圖片來源：芝加哥大學普利茲克分子工程學院

阿格拉瓦在休士頓大學攻讀博士學位期間，開始將凝聚態液滴轉移到蒸餾水中，研究它們在電場作用下的行為。此時，這項研究與生命起源毫無關係；它只是從工程學的角度研究迷人的材料。

“工程師，尤其是化學和材料工程師，對於如何操縱材料特性，如界面張力、帶電聚合物的作用、鹽分、pH 值控制等，都有很好的了解，”休斯頓大學Alamgir Karim 教授說，他是前論文導師，也是這篇新論文的資深合著者。 “這些都是世界上流行的’複雜流體’–想想洗髮水和肥皂液–的關鍵方面”。

阿格拉瓦爾希望在攻讀博士學位期間研究凝聚態的其他基本特性。這並不是卡里姆的研究領域，但卡里姆幾十年前曾在明尼蘇達大學師從世界頂尖專家蒂雷爾，蒂雷爾後來成為芝加哥大學普立茲克分子工程學院的創始院長。

左起：諾貝爾獎得主、芝加哥生命起源中心的傑克-斯佐斯塔克（Jack Szostak），芝加哥大學普立茲克分子工程學院博士後研究員阿曼-阿格拉瓦爾（Aman Agrawal）和芝加哥大學普立茲克分子工程學院榮譽院長馬修-蒂雷爾（Matthew Tirrell）共同發表了一篇新論文，提出雨滴幫助漂浮在原始湯汁中的生物材料液滴形成了第一代原細胞壁。圖片來源：芝加哥大學普利茲克分子工程學院/John Zich

阿格拉瓦爾利用斯佐斯塔克的RNA 樣本發現，將共凝液滴轉移到蒸餾水中會延長RNA 交換的時間，從幾分鐘延長到幾天。這段時間足以發生變異、競爭和演化。

“如果原細胞群不穩定，它們就會互相交換遺傳物質，變成克隆體。這就不可能發生達爾文式的進化，”阿格拉瓦說。 “但是，如果它們能穩定地抵禦交換，從而足夠好地儲存遺傳信息，至少能儲存幾天，使基因序列發生突變，那麼種群就能進化。”

最初，阿格拉瓦用去離子水做實驗，這種水是在實驗室條件下淨化的。這引起了期刊審查者的興趣，他們問如果前生物雨水酸性很強，會發生什麼事。

商用實驗室用水不含任何污染物，不含鹽，pH 值為中性，在鹼和酸之間達到完美平衡。簡而言之，這種材料與真實世界的條件相去甚遠。他們需要使用一種更像真實雨水的材料。

在使用實際雨水和經過改良以模擬雨水酸性的實驗室用水進行的測試中，他們發現了相同的結果。網格狀的牆壁形成了，創造了可能產生生命的條件。

2020 年代落在休士頓上空的雨水的化學成分與地球形成7.5 億年後的雨水不同，阿格拉瓦爾測試的原細胞模型系統也是如此。新論文證明，這種在原細胞周圍建造網狀牆壁的方法是可行的，而且可以共同作用，將生命分子分隔開來，使研究人員比以往任何時候都更接近找到一套正確的化學和環境條件，使原細胞得以進化。

阿格拉瓦說：”在找到更合適的分子作為替代品之前，我們用來構建這些原細胞的分子只是模型。”雖然化學性質會有些不同，但物理學原理將保持不變”。

編譯自/ ScitechDaily