研究人員發現一類簡單的 “化學活性液滴 ”可以在生長到細胞大小後自發分裂。

來自德國的物理學家和生物學家合作發現，在早期地球的原生湯中，一種擁有簡單分裂機制的液滴也許能夠演化為活細胞。（在地球早期，簡單的無機分子在地熱等能量觸發下發生化學反應，生成核酸、氨基酸等有機物，這些有機物溶解於早期“海洋”中形成的水溶性體系就是原生湯。）

研究生命起源的科學家讚揚了這一想法的極簡性。如果真是這樣，生命的形成可比想象中簡單多了！

生命起源之謎的關鍵在於第一個細胞是如何從其原始形態中誕生的。“原細胞”究竟是什麼，又如何具備了生命力？“膜起源（membrane-first）假說 ”的擁護者認為，這個過程首先需要脂肪酸膜的出現，構成生命的化學物質被捕捉到膜內，並孕育出更復雜的生命活動。但問題是，膜系統這樣複雜的結構如何才能獲取自我複製和繁殖的能力，從而允許演化的發生？

早在1924年，前蘇聯生化學家 Alexander Oparin 就提出了另外一種假說：生命起源於一鍋熱滾滾的原生湯，神秘的原細胞就是其中的液滴。這些自然生成、不具有膜結構的液滴構成了集中化學物質、發生化學反應的“培養皿”。

近年研究表明，P 顆粒和中心體等“液滴”在現代細胞中存在並行使重要生理功能，這使得被遺忘已久的液滴起源假說重新得到了審視。然而，Oparin 和其他人都無法解釋這些液滴究竟是如何繁殖、生長、分裂並演化為第一個細胞的。

德國馬普研究所 David Zwicke 及其同事的新工作給出了可能的答案。他們研究了“化學活性液滴（化學物質在周圍液體和液滴內反覆進出）”的物理行為，發現這些液滴在生長到細胞大小後會發生分裂。這種行為與我們的常識並不一致。例如，我們常常看到水中的油滴相互融合，變得越來越大，但卻並不會分裂。

這項研究的參與者之一，生物物理學家 Frank Jülicher 表示，如果化學活性液滴能夠在生長到特定大小後自發分裂，那麼“生命在原生湯中自發出現的說法就更為可信”。

這一發現發表於 2016 年 12 月的 Nature Physics，論文用化學活性液滴的生長、分裂行為來解釋細胞繁殖，描繪了生命起源的可能圖景。

萊頓大學理論生物物理學家 Luca Giomi 表示，新圖景比原細胞分裂的其他可能機制簡單得多，是一個很有希望的研究方向。

然而，膜起源假說的擁護者，加州大學聖克魯茲分校的生化學家 David Deamer 則聲稱新發現的機制固然有趣，但與生命起源間的關係還有待檢驗，畢竟這和現代細胞分裂的多步驟複雜過程大相徑庭。

從變形蟲到斑馬，豐富多彩的現代生命真是由簡單的自分裂液滴演化而來？熟悉這項新工作的研究人員對此信心十足。正在進行的後續研究中，他們嘗試用合成高分子仿製液滴來模擬活細胞中的功能性液滴，並觀測其如何生長和分裂。在此之後，他們還希望觀察到天然的生物液滴以同樣的方式發生分裂。

普林斯頓大學生物物理學家 Clifford Brangwynne 是 2009 年首次發現亞細胞液滴（秀麗隱杆線蟲細胞中包含蛋白質和 RNA 的微量液體聚集，即 P 顆粒）的團隊成員之一。他解釋道，如果液滴的生長和自發分裂是細胞演化的遺蹟，那麼亞細胞液滴的存在也就顯得理所當然了。就像攜帶自身 DNA 的線粒體由感染細胞並與宿主發展出共生關係的古細菌演化而來，我們在活細胞中看到的液相凝聚也可能是原細胞的“化石殘留”。新論文對原細胞液滴的特徵進行描述，將這一領域的研究提升到了新的層次。

故事要從 2009 年講起。那年，Brangwynne 及其同事揭示了秀麗隱杆線蟲生殖系細胞（可分裂為精子和卵細胞）中“P 顆粒（P granules）”的本質。在細胞分裂過程中，研究人員觀察到 P 顆粒會發生生長、縮小，或以擴散方式穿過細胞。在發表於 Science 上的論文中，他們表示細胞中的 P 顆粒就是液滴。這激起了一波類似的新研究，其他一些亞細胞結構也相繼被確認為液滴。

沒過多長時間，Brangwynne 和 Tony Hyman 就將他們的發現與 Oparin 的原細胞理論聯絡在一起。在 2012 年發表於 The Origin of Life 的論文中，Brangwynne 和 Hyman 寫道，Oparin 理論中的液滴“也許現在還完好地存活在我們的細胞中，就像蒼蠅鑲嵌在琥珀中一樣”。

Oparin 最著名的工作是提出了一個假設，認為早期地球上的雷擊和地熱活動觸發了生命起源所需的有機大分子合成。後來，這一假設又由英國科學家 John Haldane 獨立提出，並在二十世紀五十年代透過 Miller-Urey 實驗成功證實。

Oparin 還提出，由大分子聚整合的液滴可能就是原細胞（細胞的最原始形態）。但這個想法不那麼有名，部分原因在於他並不清楚這些液滴是如何繁殖和演化的。而 P 顆粒研究組的成員們也同樣無法回答這一問題。

在 2009 年的發現之後，Jülicher 向他的學生 Zwicker 提出了一項新任務：研究中心體的物理行為。中心體參與動物細胞分裂，它們的行為看起來同樣很像液滴。

Zwicker 利用具有“化學活性”的非平衡系統來模擬中心體，持續不斷地使其中的蛋白質分子迴圈進出液體細胞質。在他的模型中，這些蛋白質有兩種化學態：處於 A 態的蛋白質可溶於周圍液體；處於 B 態的蛋白質則無法溶解，會在細胞質中聚整合液滴。有時，處於 B 態的蛋白質會自發轉換為 A 態，流出液滴；而外加能量能夠觸發反向轉換，使處於 A 態的蛋白質克服化學障礙，轉換為 B 態。當無法溶解的蛋白質撞向液滴時，它就像雨滴落入湖中那樣，輕而易舉地融入其中。因此，只要存在外加能量源，蛋白質分子就能流進或流出活化液滴。對於早期地球而言，Sunny提供了這種驅動力。

Zwicker 發現當活化液滴生長到特定大小時，兩種化學流動恰好相互抵消，液滴便停止生長。在他的模擬中，典型的液滴能夠生長到幾十至幾百微米。

接下來的發現更加出人意料。雖然活化液滴擁有穩定的尺寸，但它們的形狀並不穩定：當過多的 B 態分子在液滴表面的某個部分進入時，液滴會在那個方向上稍稍膨脹，由此增加的表面積將加速液滴生長，使更多分子融入其中。於是，液滴被進一步拉長，但在中部收縮以獲得較小的表面積。最終，原來的液滴一分為二，子液滴再各自生長，直到特徵尺寸。當 Jülicher 看到 Zwicker 的模擬結果時，他馬上興奮地意識到，這和細胞分裂像極了！於是，關於原細胞的完整假設很快成形。

在接下來的三年裡，Zwicker，Jülicher 和合作者們進一步發展和完善了 Oparin 的原始假設。Zwicker 表示，Oparin 最初的理論不包含液滴的複製，也就無法解釋演化的發生。因為自我複製並在複製過程中產生細微差別是演化發生的基本條件，在複製的基礎之上，自然選擇將決定演化的方向。

Tang 的實驗室可以用聚合物、脂質和蛋白質等生化分子類似物來合成人工細胞。接下來幾個月，她的團隊將使用與 P 顆粒或中心體中蛋白質物理性質類似的聚合物來製造合成液滴，並觀察這些液滴的分裂情況。在此之後，她們還將和 Hyman 的實驗室進行合作，嘗試對中心體等生物液滴的分裂情況進行直接觀測，以確認其分裂情況是否與 Zwicker 等人文章中的模擬機制相符合。

膜起源的擁護者 Deamer 讀到這篇新論文時，回憶起他曾經在從默奇森隕石中提取到的碳氫化合物液滴中觀察到類似的行為。當他用近紫外光照射液滴時，液滴開始運動併發生分裂（他將相關材料提供給了 Jülicher）。不過，Deamer 並不確信這種效應的重要性。他表示，論文中的液滴分裂機制未必能夠演化為複雜的活細胞分裂過程。

包括 Tang 在內的其他一些研究者則樂觀得多。Tang 表示一旦液滴開始分裂，它們就很容易獲得傳遞基因資訊的能力，將編碼蛋白質的 RNA 或 DNA 平分到子細胞中。如果核酸所編碼的蛋白質能夠增加液滴的分裂能力，自然選擇將傾向於這種核酸，將其儲存下來。在Sunny所提供的驅動之下，原細胞會演變得越來越複雜。

Jülicher 及其合作者聲稱，原細胞液滴會在演化的某個階段獲得膜。被液滴捕獲的脂質會傾向於附著在液滴表面或是液滴間的交介面上，從而形成具有保護作用的脂質外膜。接下來，可以編碼產生液滴外膜的基因也會出現。對於這樣的說法，Deamer 表示接受，但他還是強調液滴在獲得了外膜之後，才能被稱為原細胞。

當然，液滴起源假說能否成立還要取決於將來的實驗結果，這些結果將會告訴我們液滴的分裂是否能像模型中那樣穩定和具有進化前景。如果可以在實驗中找到與理論相符的 A、B 兩態化合物，那麼這條從非生命通向生命的液滴起源路徑必將引起更多研究者的關注。

Jülicher 認為，整個過程中最需要運氣的不是液滴向細胞的演化，而是首個液滴——始祖液滴——的形成。液滴的形成需要大量的化學材料，我們還不知道如此多的複雜大分子是如何恰到好處地在原生湯中聚集並形成液滴的。但他表示，原生湯的容量很大，並且長期處於沸騰狀態。雖然液滴的形成是小機率事件，可能要經過很長時間才會偶然發生。但一旦液滴形成，接下來細胞和生命的誕生就都順理成章了。