你我都曾是漂浮的“小液滴”?
2019-07-28 09:51

你我都曾是漂浮的“小液滴”?

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:紫龙,头图来自视觉中国


○ 早期的地球并非宇宙中最适合居住的地方,但正是在这片混沌的世界中孕育出了生命。| 图片来源:Peter Sawyer / Smithsonian Institution


Martin C. Jonikas是斯坦福大学生物系的一名教授。他的实验室研究的是叶绿体中一种叫做蛋白核的细胞器。2017年,他们和其它团队合作,在冷冻电镜下第一次揭开了蛋白核颇具迷惑性的面纱。不过,事情也许并非只是重写一个细胞器这么简单,它似乎还隐隐向人们透露着地球生命起源的蛛丝马迹……


1. 


蛋白核,也称淀粉核,是大多数真核藻类叶绿体中一种无膜包裹的细胞器。地球上将近三分之一的光合作用就发生在这个加工厂。


一直以来,在人们的认知中,蛋白核具有高度有序的晶体结构,直到Jonikas等人的研究横空出世,人们才了解到:单细胞藻类中的蛋白核,竟是液滴一般的存在,而且还是会分裂、会生长的活性小液滴!


那是一幅怎样的画面呢?借用一下你吃饺子就的那碟醋,醋里头还加着你爱的香油。叶绿体内部的液态环境就好比那碟醋,蛋白核则是漂浮在醋里的香油。尽管它们都是液体,但通常情况下彼此并不融合——只有在特殊的时期,细胞中的“醋”和“油”才会交融。比如,当单细胞藻类分裂生殖的时候,蛋白核随之发生相变:一部分参与细胞分裂,均分给每个子细胞;剩余的则溶解在周围的基质中,待到需要的时候,再像露水一样重新凝结成新的液滴。


○ 蛋白核在衣藻细胞分裂时发生相变。| 图片来源:[1]


2. 


不过,蛋白核并不是人们发现的第一个液态的细胞器。早在2009年,德国马普所的研究人员就发现线虫生殖细胞中一类称作“P颗粒”的蛋白聚合体。颗粒状外表的伪装之下,跳动着一颗如液体般不安分的心:两个P颗粒相互接触以后会发生融合,并且重新形成球状;P颗粒也会像液体一样从细胞核中滴落。


在后续深入的研究中,研究人员进一步发现通过外界供给能量,这些小液滴同样既能生长,也能分裂成两个相同大小的子液滴。它的生活周期,活像我们熟悉的生命细胞。


○ 线虫生殖细胞中P颗粒的溶解和凝结。| 图片来源:[2]


3. 


迄今为止,研究人员已经陆续在线虫、藻类和细菌的细胞中发现了类似的液滴状细胞器。越来越多的活性小液滴,让人不禁联想起近一个世纪以前,曾有一位科学家提出过以液滴为中心的生命起源假说。不过对于大多数人来说,这位科学家的名字或许还有些陌生,他就是亚历山大·奥巴林(Aleksandr Oparin)


○ 奥巴林(右二坐者)与科研人员交谈。| 图片来源:[4]


奥巴林是苏联生物化学家,苏联科学院自然科学领域罗蒙诺索夫金质奖章获得者。他在1924年的一本小册子中,将地球生命的伊甸园描绘成“原始汤”的模样,汤里盛满了甲烷、氨,以及悬浮在水中的有机物混合物。伴随着电闪雷鸣和地热运动,大量的化学物质生成。那些不溶于水的物质接触水之后形成微小的液滴,漂浮在原始汤里——这就是地球生命的起点。小液滴作为化学反应的中心,孵化着氨基酸的合成及其在原始细胞中的装配,直至简单生命的出现。奥巴林在实验室验证了他的设想:当试管中的组分足够接近的时候,一小段RNA产生了。


二十多年过后,1952年秋天,芝加哥大学化学系研究生斯坦利·米勒(Stanley Miller)和诺贝尔化学奖得主哈罗德·尤里(Harold Urey)的实验,有力地支持了奥巴林的部分假说。他们对一个装有水、氢气、甲烷和氨气等模拟地球早期强还原性大气的玻璃烧瓶给予持续的电流。一周内,大量的碳被转换成复杂的大分子,其中包括两种氨基酸——甘氨酸和丙氨酸。这个“创世纪”的实验,就是著名的“米勒-尤里实验”。


○ 米勒-尤里实验示意图。


4. 


不过令人遗憾的是,尽管奥巴林做出了如此有远见的猜想,但在今天,他的名字却鲜为人知。为什么呢?


首先,他的观点最初是以俄文发表,当时并没有在其它国家激起太大水花。直到1938年他的著作《生命起源》一书英译本出版,奥巴林的观点才开始在西方流传。


然而,作为一名社会主义国家的科学家,奥巴林的思想根植且框架于马克思主义哲学。由于冷战时期科学和政治的冲突,再加上后来的研究发现,地球早期并非像奥巴林设想的那样处于还原性大气的环境,因此,西方的科学家对奥巴林的假说充满着不屑。


另一方面,当时西方的生物学研究已经从细胞的理化特性转向以DNA为中心的分子生物学。主张生命源自基因的诺贝尔生理学和医学奖得主赫尔曼·穆勒(Hermann Mueller),就曾批评过在奥巴林描绘的早期生命版图中,DNA的地位甚微。


就这样,层层的乌云掩盖了霞光。来自东方阵营的前瞻性观点,不可避免地在西方被边缘化。奥巴林的小液滴成为了科学界被遗忘的时光……


5. 


近年来,随着越来越多的具有活性的液滴状细胞器在现代细胞中被发现,就像我们每个人的细胞中都存在着古老的线粒体一样,细胞中的小液滴或许反映了一个更为古老和原始的生命遗迹。在今天包容的政治气候和开放的科研环境中,被人们忽略了一个世纪的假说重回科学家的视野,探索和争论将继续推动着科学家一步步接近真相。


也许有一天,人们发现奥巴林是对的,这位二十世纪卓越的科学家先锋性地预见了生命起源的一个基本步骤。那时我们大概可以告诉自己:原来我们每个人都曾是自由漂浮的小液滴。而今,它就像琥珀中封住的小飞虫,一直留在我们身体,见证着地球生命的漫长演变,生生不息。


参考来源:

[1] Freeman Rosenzweig et al., The Eukaryotic CO2 -Concentrating Organelle Is Liquid-like and Exhibits Dynamic Reorganization, 2017, Cell 171, 148–162

[2] Clifford P. Brangwynne, et al., Germline P Granules Are Liquid Droplets That Localize by Controlled Dissolution/Condensation, 2009, Science 324, 1729-1732

[3] Nadra Al-Husini, et al., α-proteobacterial RNA degradosomes assemble liquid-liquid phase separated RNP bodies, 2018, bioRxiv

[4] Clifford P Brangwynne and Anthony A. Hyman, IN RETROSPECT The Origin of Life, 2012, Nature 491, 524-525

[5] https://blogs.scientificamerican.com/observations/in-search-of-lifes-beginnings/

  

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:紫龙

本内容为作者独立观点,不代表虎嗅立场。未经允许不得转载,授权事宜请联系hezuo@huxiu.com

正在改变与想要改变世界的人,都在虎嗅APP

读了这篇文章的人还读了...

回顶部
收藏
评论1
点赞3