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是什么在生命诞生之初推动了原始细胞分裂?
2022-03-06

新浪科技讯 北京时间12月3日消息,据国外媒体报道,在近期的一项研究中,科学家通过一个数学模型显示了热力学机制如何使原始细胞分裂成两个子细胞。

细胞的自我复制是通过一系列蛋白质的精巧操作实现的。在细胞分裂过程中,结构蛋白和酶协调了DNA的复制和细胞质内容物的分解,以及细胞膜的分裂与融合。适当地处理这些过程至关重要,因为任何微小的错误都可能导致子细胞异常或无法存活。

数十亿年前,第一批从无生命物质中自发产生的自组织膜状化学物质也面临过这样的难题。但几乎可以肯定的是,这些原始细胞需要在不依赖大分子蛋白质的情况下进行复制。它们是如何做到这一点的?这是天体生物学家和生物化学家在研究生命起源时迫切想要回答的关键问题。

如果你去掉细胞中所有的酶,什么也不会发生。它们没什么活力,但它们真的很稳定,这就是关键所在。

在最近发表于《生物物理期刊》(Biophysical Journal)的一篇论文中,物理学家与肿瘤生物学家开发了一系列数学方程模型,揭示了温度差异可能就足以驱动细胞复制过程的重要一步:原始细胞的分裂。

早期生命中活跃的化学和物理过程可能非常简单,因此可能只有热力学在生命起源中发挥着重要作用,新开发的基本方程可以阐明支配生命最初如何出现的一些规则。

内外膜的翻转

原始细胞在没有复杂蛋白质机制的情况下进行分裂,这一过程需要物理或化学驱动。这实际上就是将一个细胞剥离至只剩下基本功能,然后思考,基本的物理和化学原理是什么,我们如何在没有蛋白质的情况下模拟这些原理?

考虑到科学家们至今仍无法就生命的一般定义,特别是对原始细胞的定义达成一致时,弄清这些过程就更具挑战性了。

不过,科学家们都同意的一点是,原始细胞一定具有某种可以传递给子细胞的遗传信息,一种进行化学反应的新陈代谢机制,以及一种能将新陈代谢和遗传信息从地球其他原始汤的随机过程中分隔出来的脂质膜。虽然外部的化学世界本身是随机的,但脂质膜所提供的分隔可以创造一个更低熵的区域。

一个原始细胞在分裂前的成长过程中,不仅要增加细胞内部的体积,还要增加周围细胞膜的表面积。要创造两个较小的子细胞,并使其总体积与母细胞相同,就需要在它们的细胞膜上增加额外的脂质,因为它们的表面积与体积之比要更大一些。合成这些脂质所需的化学反应会以热量的形式释放能量。

通过搜索文献,有研究指出线粒体(细胞的能量中心,在数十亿年前曾是与细胞共生的细菌)比周围细胞的温度略高。这种能量差异是否可以在原始细胞中产生?又是否足以驱动细胞分裂?

于是,研究人员草拟了一系列方程式来模拟可能发生的情况。先从一系列假设开始,比如原始细胞可能是杆状的,具有双层膜,允许营养物质扩散进来,废物扩散出去。这是一个非常、非常粗糙的模型,但令人惊讶的是,它可以简化为一个单一的微分方程。

原始细胞代谢产生的能量会使膜内的脂质比膜外的升温更快。然后,热力学会迫使能量更高的内部脂质“翻转”到外部,导致膜外层膨胀,消耗膜内层。解决这种不平衡的一个简单方法,便是将细胞挤压成两个子细胞。这种挤压会发生在母细胞的中部,那里的温度最高,脂质运动最明显。

体积太小而不够热?

这项工作是纯理论性质的,但这些理论可以通过实验来验证。例如,我们可以在实验室中制造类似的囊泡,测量其内部温度是否与外部不同。

这项工作十分重要,因为它提醒我们,脂质膜的不对称性可能在原始生命中发挥了一定作用。但由于细胞和原始细胞都很微小,只能产生极少的热量,所以也有人质疑这种温差是否足以在热量扩散到细胞膜之前驱动分裂。

在现代的细胞膜中,脂质在内外之间不会轻易翻转,因为它们的分子结构十分复杂。对于早期生命所具有的较简单的脂质而言,情况可能并非如此。当科学家们在实验室中用这些化合物制造囊泡时,它们会疯狂地四处移动。

这些问题并不能说明温差在早期细胞分裂中没有发挥作用,只是新开发的数学模型可能还不够精确,这项研究为早期生命的研究提供了补充,因为“这是一个很好的实验起点。我们经常忘记反应的消耗和热量的产生,而这些都可能对细胞分裂等过程产生影响”。

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