你我都曾是漂浮的「小液滴」？

○ 早期的地球並非宇宙中最適合居住的地方，但正是在這片混沌的世界中孕育出了生命。| 圖片來源：Peter Sawyer / Smithsonian Institution

撰文：紫龍

Martin C. Jonikas是斯坦福大學生物系的一名教授。他的實驗室研究的是葉綠體中一種叫做蛋白核的細胞器。2017年，他們和其它團隊合作，在冷凍電鏡下第一次揭開了蛋白核頗具迷惑性的面紗。不過，事情也許並非只是重寫一個細胞器這麼簡單，它似乎還隱隱向人們透露著地球生命起源的蛛絲馬跡……

1.

蛋白核，也稱澱粉核，是大多數真核藻類葉綠體中一種無膜包裹的細胞器。地球上將近三分之一的光合作用就發生在這個加工廠。

一直以來，在人們的認知中，蛋白核具有高度有序的晶體結構，直到Jonikas等人的研究橫空出世，人們才了解到：單細胞藻類中的蛋白核，竟是液滴一般的存在，而且還是會分裂、會生長的活性小液滴！

那是一幅怎樣的畫面呢？借用一下你吃餃子就的那碟醋，醋裡頭還加著你愛的香油。葉綠體內部的液態環境就好比那碟醋，蛋白核則是漂浮在醋里的香油。儘管它們都是液體，但通常情況下彼此並不融合——只有在特殊的時期，細胞中的「醋」和「油」才會交融。比如，當單細胞藻類分裂生殖的時候，蛋白核隨之發生相變：一部分參與細胞分裂，均分給每個子細胞；剩餘的則溶解在周圍的基質中，待到需要的時候，再像露水一樣重新凝結成新的液滴。

○ 蛋白核在衣藻細胞分裂時發生相變。| 圖片來源：[1]

2.

不過，蛋白核並不是人們發現的第一個液態的細胞器。早在2009年，德國馬普所的研究人員就發現線蟲生殖細胞中一類稱作「P顆粒」的蛋白聚合體。顆粒狀外表的偽裝之下，跳動著一顆如液體般不安分的心：兩個P顆粒相互接觸以後會發生融合，並且重新形成球狀；P顆粒也會像液體一樣從細胞核中滴落。

在後續深入的研究中，研究人員進一步發現通過外界供給能量，這些小液滴同樣既能生長，也能分裂成兩個相同大小的子液滴。它的生活周期，活像我們熟悉的生命細胞。

○ 線蟲生殖細胞中P顆粒的溶解和凝結。| 圖片來源：[2]

3.

迄今為止，研究人員已經陸續在線蟲、藻類和細菌的細胞中發現了類似的液滴狀細胞器。越來越多的活性小液滴，讓人不禁聯想起近一個世紀以前，曾有一位科學家提出過以液滴為中心的生命起源假說。不過對於大多數人來說，這位科學家的名字或許還有些陌生，他就是亞歷山大·奧巴林（Aleksandr Oparin）。

○ 奧巴林（右二坐者）與科研人員交談。| 圖片來源：[4]

奧巴林是蘇聯生物化學家，蘇聯科學院自然科學領域羅蒙諾索夫金質獎章獲得者。他在1924年的一本小冊子中，將地球生命的伊甸園描繪成「原始湯」的模樣，湯里盛滿了甲烷、氨，以及懸浮在水中的有機物混合物。伴隨著電閃雷鳴和地熱運動，大量的化學物質生成。那些不溶於水的物質接觸水之後形成微小的液滴，漂浮在原始湯里——這就是地球生命的起點。小液滴作為化學反應的中心，孵化著氨基酸的合成及其在原始細胞中的裝配，直至簡單生命的出現。奧巴林在實驗室驗證了他的設想：當試管中的組分足夠接近的時候，一小段RNA產生了。

二十多年過後，1952年秋天，芝加哥大學化學系研究生斯坦利·米勒（Stanley Miller）和諾貝爾化學獎得主哈羅德·尤里（Harold Urey）的實驗，有力地支持了奧巴林的部分假說。他們對一個裝有水、氫氣、甲烷和氨氣等模擬地球早期強還原性大氣的玻璃燒瓶給予持續的電流。一周內，大量的碳被轉換成複雜的大分子，其中包括兩種氨基酸——甘氨酸和丙氨酸。這個「創世紀」的實驗，就是著名的「米勒-尤里實驗」。

○ 米勒-尤里實驗示意圖。

4.

不過令人遺憾的是，儘管奧巴林做出了如此有遠見的猜想，但在今天，他的名字卻鮮為人知。為什麼呢？

首先，他的觀點最初是以俄文發表，當時並沒有在其它國家激起太大水花。直到1938年他的著作《生命起源》一書英譯本出版，奧巴林的觀點才開始在西方流傳。

然而，作為一名社會主義國家的科學家，奧巴林的思想根植且框架於馬克思主義哲學。由於冷戰時期科學和政治的衝突，再加上後來的研究發現，地球早期並非像奧巴林設想的那樣處於還原性大氣的環境，因此，西方的科學家對奧巴林的假說充滿著不屑。

另一方面，當時西方的生物學研究已經從細胞的理化特性轉向以DNA為中心的分子生物學。主張生命源自基因的諾貝爾生理學和醫學獎得主赫爾曼·穆勒（Hermann Mueller），就曾批評過在奧巴林描繪的早期生命版圖中，DNA的地位甚微。

就這樣，層層的烏雲掩蓋了霞光。來自東方陣營的前瞻性觀點，不可避免地在西方被邊緣化。奧巴林的小液滴成為了科學界被遺忘的時光……

5.

近年來，隨著越來越多的具有活性的液滴狀細胞器在現代細胞中被發現，就像我們每個人的細胞中都存在著古老的線粒體一樣，細胞中的小液滴或許反映了一個更為古老和原始的生命遺迹。在今天包容的政治氣候和開放的科研環境中，被人們忽略了一個世紀的假說重回科學家的視野，探索和爭論將繼續推動著科學家一步步接近真相。

也許有一天，人們發現奧巴林是對的，這位二十世紀卓越的科學家先鋒性地預見了生命起源的一個基本步驟。那時我們大概可以告訴自己：原來我們每個人都曾是自由漂浮的小液滴。而今，它就像琥珀中封住的小飛蟲，一直留在我們身體，見證著地球生命的漫長演變，生生不息。

參考來源：

[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/

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