新实验表明，早期地球上的冻融过程可能有助于原始类细胞结构的生长与进化。微小的脂质泡因其膜成分不同而表现出截然不同的行为——有些融合成了更大的区室，并能更高效地捕获DNA。这些融合事件可能混合了关键分子，从而为更复杂的化学反应奠定了基础。
东京科学大学地球生命科学研究所（ELSI）的研究人员领导的一项近期研究，深入探讨了这些早期结构在远古地球上的可能行为。研究人员并未提出关于生命起源的单一解释，而是专注于模拟真实环境条件的实验。具体而言，他们考察了膜成分的变化如何影响原细胞在冻融循环期间的生长、融合以及保留重要分子的能力。
利用不同脂质构建模型原细胞
为了对此进行研究，团队构建了被称为大单室囊泡（LUVs）的小型球形区室。这些囊泡使用三种磷脂构建：POPC（1-棕榈酰-2-油酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱；16:0-18:1 PC）、PLPC（1-棕榈酰-2-亚油酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱；16:0-18:2 PC）和 DOPC（1,2-二油酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱；18:1 (D9-cis) PC）。
ELSI的博士生、该研究的主要作者Tatsuya Shinoda表示：“我们使用磷脂酰胆碱（PC）作为膜成分，是因为它们与现代细胞具有化学结构上的连续性，在前生命条件下具有潜在的可用性，并且具有保留重要内容物的能力。”
尽管这些分子相似，但其结构在细微却重要的方面存在差异。POPC含有一条具有单个双键的不饱和酰基链。PLPC也有一条不饱和酰基链，但带有两个双键。DOPC包含两条不饱和酰基链，每条各有一个双键。这些差异影响了分子堆积的紧密程度。POPC倾向于形成更刚性的膜，而PLPC和DOPC产生的膜则更具流动性。
冻融循环驱动生长与融合
随后，研究人员将这些囊泡置于反复的冻融循环（F/T）中，模拟早期地球上可能发生的温度变化。经过三次循环后，出现了明显的差异。富含POPC的囊泡聚集在一起，但未完全融合。相比之下，含有PLPC或DOPC的囊泡融合成了更大的区室。PLPC含量越高，囊泡越容易融合并生长。
这种行为凸显了膜化学的作用。具有更多不饱和键的脂质使膜堆积得不够紧密，这似乎促进了融合。ELSI的研究员Natsumi Noda评论道：“在冰晶形成的压力下，膜可能变得不稳定或破碎，需要在解冻时进行结构重组。由于更高程度的不饱和性导致的松散侧向排列，可能在膜重建过程中暴露更多的疏水区域，从而促进与相邻囊泡的相互作用，并在能量上有利于融合。”
分子混合与DNA保留
融合之所以重要，是因为它允许独立区室的内容物混合。在早期地球上，有机分子分散在环境中，这种混合可能将关键成分聚集在一起。这种相互作用可能支持了导向更复杂、类细胞系统的化学反应。
团队还测试了这些囊泡捕获和保留DNA的能力。他们比较了完全由POPC构成的囊泡与完全由PLPC构成的囊泡。结果显示，即使在冻融循环之前，PLPC囊泡捕获DNA的能力也更强。在反复循环后，它们仍然比POPC囊泡保留了更多的DNA。
冰冻环境作为生命的可能摇篮
传统上，科学家们关注的环境主要是陆地上的干涸水池或深海中的热液喷口，将其视为生命起源的可能场所。这项研究增加了另一种可能性。它表明冰冻环境可能也发挥了重要作用。
在早期地球上，冻融循环可能在很长一段时间内反复发生。随着水结冰，生长的冰晶会将溶解的分子推入剩余的液体中，将其浓缩在狭小的空间内。这一过程可能增加了分子与囊泡之间相互作用的可能性。与此同时，由更多不饱和磷脂构成的膜更容易发生融合，从而促进混合。然而，这其中存在一种权衡。虽然流动性膜支持融合，但它们在冻融诱导的压力下也可能变得不稳定，导致泄漏。
早期细胞中稳定性与进化的平衡
对于早期原细胞而言，在稳定性和渗透性之间保持平衡至关重要。膜需要留住其内容物，但也需要允许驱动化学变化的相互作用。最成功的膜成分可能取决于环境条件。
ELSI教授、该研究的主管Tomoaki Matsuura总结道：“通过整合如渗透压或机械剪切等分裂机制，可以实现跨代际的冻融诱导生长囊泡的递归选择。随着分子复杂性的增加，囊内系统（即基因编码的功能）最终可能接管原细胞的适应性，从而导致能够进行达尔文进化的原始细胞的出现。”
综上所述，这些发现表明，像冻结和解冻这样简单的物理过程可能有助于引导从基础分子区室向第一批进化细胞的转变。