地球上第一个细胞是怎么产生的？

虎威将军

地球上第一个细胞是怎么产生的？
原文地址：https://www.zhihu.com/question/20451393

大力水手

发表于 Nature Physics 的一篇文章曾报道，研究人员发现一类简单的 “化学活性液滴 ”可以在生长到细胞大小后自发分裂，这暗示着，第一个活细胞可能就是由这种液滴演化而来的。

世界上第一个细胞可以“简陋”到什么程度？-领研网


来自德国的物理学家和生物学家合作发现，在早期地球的原生汤中，一种拥有简单分裂机制的液滴也许能够演化为活细胞。（在地球早期，简单的无机分子在地热等能量触发下发生化学反应，生成核酸、氨基酸等有机物，这些有机物溶解于早期“海洋”中形成的水溶性体系就是原生汤。）

研究生命起源的科学家赞扬了这一想法的极简性。如果真是这样，生命的形成可比想象中简单多了！

生命起源之谜的关键在于第一个细胞是如何从其原始形态中诞生的。“原细胞”究竟是什么，又如何具备了生命力？“膜起源（membrane-first）假说 ”的拥护者认为，这个过程首先需要脂肪酸膜的出现，构成生命的化学物质被捕捉到膜内，并孕育出更复杂的生命活动。但问题是，膜系统这样复杂的结构如何才能获取自我复制和繁殖的能力，从而允许演化的发生？

早在1924年，前苏联生化学家 Alexander Oparin 就提出了另外一种假说：生命起源于一锅热滚滚的原生汤，神秘的原细胞就是其中的液滴。这些自然生成、不具有膜结构的液滴构成了集中化学物质、发生化学反应的“培养皿”。

近年研究表明，P 颗粒和中心体等“液滴”在现代细胞中存在并行使重要生理功能，这使得被遗忘已久的液滴起源假说重新得到了审视。然而，Oparin 和其他人都无法解释这些液滴究竟是如何繁殖、生长、分裂并演化为第一个细胞的。

德国马普研究所 David Zwicke 及其同事的新工作给出了可能的答案。他们研究了“化学活性液滴（化学物质在周围液体和液滴内反复进出）”的物理行为，发现这些液滴在生长到细胞大小后会发生分裂。这种行为与我们的常识并不一致。例如，我们常常看到水中的油滴相互融合，变得越来越大，但却并不会分裂。

这项研究的参与者之一，生物物理学家 Frank Jülicher 表示，如果化学活性液滴能够在生长到特定大小后自发分裂，那么“生命在原生汤中自发出现的说法就更为可信”。

这一发现发表于 2016 年 12 月的 Nature Physics，论文用化学活性液滴的生长、分裂行为来解释细胞繁殖，描绘了生命起源的可能图景。

莱顿大学理论生物物理学家 Luca Giomi 表示，新图景比原细胞分裂的其他可能机制简单得多，是一个很有希望的研究方向。

然而，膜起源假说的拥护者，加州大学圣克鲁兹分校的生化学家 David Deamer 则声称新发现的机制固然有趣，但与生命起源间的关系还有待检验，毕竟这和现代细胞分裂的多步骤复杂过程大相径庭。

从变形虫到斑马，丰富多彩的现代生命真是由简单的自分裂液滴演化而来？熟悉这项新工作的研究人员对此信心十足。正在进行的后续研究中，他们尝试用合成高分子仿制液滴来模拟活细胞中的功能性液滴，并观测其如何生长和分裂。在此之后，他们还希望观察到天然的生物液滴以同样的方式发生分裂。

普林斯顿大学生物物理学家 Clifford Brangwynne 是 2009 年首次发现亚细胞液滴（秀丽隐杆线虫细胞中包含蛋白质和 RNA 的微量液体聚集，即 P 颗粒）的团队成员之一。他解释道，如果液滴的生长和自发分裂是细胞演化的遗迹，那么亚细胞液滴的存在也就显得理所当然了。就像携带自身 DNA 的线粒体由感染细胞并与宿主发展出共生关系的古细菌演化而来，我们在活细胞中看到的液相凝聚也可能是原细胞的“化石残留”。新论文对原细胞液滴的特征进行描述，将这一领域的研究提升到了新的层次。

自分裂液滴


故事要从 2009 年讲起。那年，Brangwynne 及其同事揭示了秀丽隐杆线虫生殖系细胞（可分裂为精子和卵细胞）中“P 颗粒（P granules）”的本质。在细胞分裂过程中，研究人员观察到 P 颗粒会发生生长、缩小，或以扩散方式穿过细胞。在发表于 Science 上的论文中，他们表示细胞中的 P 颗粒就是液滴。这激起了一波类似的新研究，其他一些亚细胞结构也相继被确认为液滴。

没过多长时间，Brangwynne 和 Tony Hyman 就将他们的发现与 Oparin 的原细胞理论联系在一起。在 2012 年发表于 The Origin of Life 的论文中，Brangwynne 和 Hyman 写道，Oparin 理论中的液滴“也许现在还完好地存活在我们的细胞中，就像苍蝇镶嵌在琥珀中一样”。




当秀丽隐杆线虫生殖系细胞分裂时，P颗粒（绿色）在将会变成精子/卵细胞的子细胞中富集（上），而在另一个子细胞中溶解（下）。图片来源：Clifford Brangwynne /Science

Oparin 最著名的工作是提出了一个假设，认为早期地球上的雷击和地热活动触发了生命起源所需的有机大分子合成。后来，这一假设又由英国科学家 John Haldane 独立提出，并在二十世纪五十年代通过 Miller-Urey 实验成功证实。

Oparin 还提出，由大分子聚集成的液滴可能就是原细胞（细胞的最原始形态）。但这个想法不那么有名，部分原因在于他并不清楚这些液滴是如何繁殖和演化的。而 P 颗粒研究组的成员们也同样无法回答这一问题。

在 2009 年的发现之后，Jülicher 向他的学生 Zwicker 提出了一项新任务：研究中心体的物理行为。中心体参与动物细胞分裂，它们的行为看起来同样很像液滴。

Zwicker 利用具有“化学活性”的非平衡系统来模拟中心体，持续不断地使其中的蛋白质分子循环进出液体细胞质。在他的模型中，这些蛋白质有两种化学态：处于 A 态的蛋白质可溶于周围液体；处于 B 态的蛋白质则无法溶解，会在细胞质中聚集成液滴。有时，处于 B 态的蛋白质会自发转换为 A 态，流出液滴；而外加能量能够触发反向转换，使处于 A 态的蛋白质克服化学障碍，转换为 B 态。当无法溶解的蛋白质撞向液滴时，它就像雨滴落入湖中那样，轻而易举地融入其中。因此，只要存在外加能量源，蛋白质分子就能流进或流出活化液滴。对于早期地球而言，阳光提供了这种驱动力。




在阳光的驱动下，蛋白质分子的状态在A态和B态间转换，不断流进或流出液滴。图片来源：Quanta Magazine

Zwicker 发现当活化液滴生长到特定大小时，两种化学流动恰好相互抵消，液滴便停止生长。在他的模拟中，典型的液滴能够生长到几十至几百微米。

接下来的发现更加出人意料。虽然活化液滴拥有稳定的尺寸，但它们的形状并不稳定：当过多的 B 态分子在液滴表面的某个部分进入时，液滴会在那个方向上稍稍膨胀，由此增加的表面积将加速液滴生长，使更多分子融入其中。于是，液滴被进一步拉长，但在中部收缩以获得较小的表面积。最终，原来的液滴一分为二，子液滴再各自生长，直到特征尺寸。当 Jülicher 看到 Zwicker 的模拟结果时，他马上兴奋地意识到，这和细胞分裂像极了！于是，关于原细胞的完整假设很快成形。




Zwicker 的模拟结果中，液滴生长到特定尺寸后停止生长，而液滴形状的不稳定造成液滴分裂，这样的行为与细胞的生长和分裂十分相似。图片来源：Quanta Magazine

在接下来的三年里，Zwicker，Jülicher 和合作者们进一步发展和完善了 Oparin 的原始假设。Zwicker 表示，Oparin 最初的理论不包含液滴的复制，也就无法解释演化的发生。因为自我复制并在复制过程中产生细微差别是演化发生的基本条件，在复制的基础之上，自然选择将决定演化的方向。

始祖液滴


2016年春，Jülicher 开始和同在马普研究所的生物学家 Dora Tang 进行讨论，共同制定对化学活性液滴的分裂进行直接观测的计划。

Tang 的实验室可以用聚合物、脂质和蛋白质等生化分子类似物来合成人工细胞。接下来几个月，她的团队将使用与 P 颗粒或中心体中蛋白质物理性质类似的聚合物来制造合成液滴，并观察这些液滴的分裂情况。在此之后，她们还将和 Hyman 的实验室进行合作，尝试对中心体等生物液滴的分裂情况进行直接观测，以确认其分裂情况是否与 Zwicker 等人文章中的模拟机制相符合。

膜起源的拥护者 Deamer 读到这篇新论文时，回忆起他曾经在从默奇森陨石中提取到的碳氢化合物液滴中观察到类似的行为。当他用近紫外光照射液滴时，液滴开始运动并发生分裂（他将相关材料提供给了 Jülicher）。不过，Deamer 并不确信这种效应的重要性。他表示，论文中的液滴分裂机制未必能够演化为复杂的活细胞分裂过程。

包括 Tang 在内的其他一些研究者则乐观得多。Tang 表示一旦液滴开始分裂，它们就很容易获得传递基因信息的能力，将编码蛋白质的 RNA 或 DNA 平分到子细胞中。如果核酸所编码的蛋白质能够增加液滴的分裂能力，自然选择将倾向于这种核酸，将其保存下来。在阳光所提供的驱动之下，原细胞会演变得越来越复杂。

Jülicher 及其合作者声称，原细胞液滴会在演化的某个阶段获得膜。被液滴捕获的脂质会倾向于附着在液滴表面或是液滴间的交界面上，从而形成具有保护作用的脂质外膜。接下来，可以编码产生液滴外膜的基因也会出现。对于这样的说法，Deamer 表示接受，但他还是强调液滴在获得了外膜之后，才能被称为原细胞。

当然，液滴起源假说能否成立还要取决于将来的实验结果，这些结果将会告诉我们液滴的分裂是否能像模型中那样稳定和具有进化前景。如果可以在实验中找到与理论相符的 A、B 两态化合物，那么这条从非生命通向生命的液滴起源路径必将引起更多研究者的关注。

Jülicher 认为，整个过程中最需要运气的不是液滴向细胞的演化，而是首个液滴——始祖液滴——的形成。液滴的形成需要大量的化学材料，我们还不知道如此多的复杂大分子是如何恰到好处地在原生汤中聚集并形成液滴的。但他表示，原生汤的容量很大，并且长期处于沸腾状态。虽然液滴的形成是小概率事件，可能要经过很长时间才会偶然发生。但一旦液滴形成，接下来细胞和生命的诞生就都顺理成章了。

【论文链接】
http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3984.html

继续前进

元素交配争夺说认为早期存在的元素在极端条件下比如紫外线，高温，高压等元素会发生碰撞产生碰撞，产生早期细胞所需的营养物，经过组合，争夺核心地位产生第一个细胞。

队长是我

松鼠会的这篇文章讲了几个比较热门的假说：
http://songshuhui.net/archives/74609

米切尔的化学渗透理论，以及化学渗透的绝对普遍性，基本宣告了原始汤理论的谢幕。同时把生命“能量”的一面重新放在聚光灯下。
……
最大的一个悖论就是：在开放的原始海洋中，任何聚集的化学物质浓度都趋于扩散、淡化。
……
这个悖论破坏了原始汤理论的设定场所和基本逻辑。也开启了从能量角度阐释生命起源之门，大量的新假说涌现出来。生命能量的一面现在必须和信息的一面紧紧纠缠在一起。比如说，病毒，从前定义成最简单的生命，也有很多看法怀疑它是最初的生命，而现在可以肯定病毒不是最初的生命，甚至被重新定义成“介于生命和非生命之间”的物质。因为病毒没有自己的能量代谢设施。它只含有信息，以及利用其他生物细胞能量代谢设施为自己服务的本事，而且通常是严格地针对某一类生物细胞。它是一种绝对寄生的东西，只能由有能量代谢能力的生物派生出来。它是活细胞的信息残片，是基因组的逃亡者，是不断移民、掠食甚至定居的基因流民。

而细胞的本源性被大大提高，不再被仅仅看做是基因们的豪宅。Compartmentalization: “封闭化”，成了生命最基础的要求。

介绍两个有趣的新假说。第一个不太为人所知，但很有个性：完全是从“封闭化”入手的。它假设生命起源的地点不是开敞的原始海洋，而是某种浅海湾边的的石灰岩浸润地带。这种地带的石灰岩由于水的侵蚀和地质结晶过程，内部形成了非常细微的疏松孔道结构，这就是天然的封闭空间。生物大分子可以由海水浸润流入，原始海洋中富含硫-铁氧化还原材料，而且这些结构的薄壁允许Na+ Ca+离子（质子的可替代品）的浓度聚集以及半通透性。换句话说，自然无机物的自组织性“免费”提供了“细胞膜”和一切能量代谢材料，最初的生物大分子只需要通过变异和选择发明利用的方法就够了。听起来够扯淡…但类似的地质结构确实在欧洲西北部的岛屿周围被发现了。而且实验表明，给定合适的浸润溶液配方，确实能够驱动化学渗透。只是如果想要测试生物大分子能在里面玩出什么花样，不知道要多少万年！

另一个是目前最火热的“黑烟囱”生命起源假说。它认为生命最可能的起源地点，是在深海底部高温、高硫、强酸性、无光、无氧的“黑烟囱”生态环境。这些地方是海底的地壳薄弱处，地热和高硫熔岩驱使高温海水从地底喷出，由于喷泉含大量的硫，而且出口逐渐沉淀成高达数十米的岩层，看起来就像冒着一股股黑烟的烟囱，因而得名。这种地貌现在在太平洋的海底就现实存在，而且拥有一个相当多样化的生物环境（甚至有些相当高等的动物也在这里定居，如一些蟹类，他们在这里适应得能忍受120度的高温，你休想煮熟它）。这也是现在世界上唯一一种不依靠光合作用提供基本能量的生态圈。这里的基础生物是古菌类，原核生物除了细菌之外的另一大基本门类，历史和细菌一样的古老。仅仅上面对黑烟囱环境的描述，就能看出化学渗透理论对这种假说的基本指导：白给的环境能量，白给的氧化-还原反应材料，严格地排除氧气（氧气对于原始生物都是剧毒的，学会用氧代谢是光合作用发明之后的事，但其他种类的氧化还原反应是基本需要），甚至白给的强酸性环境。如果生命起源于这种环境，只需要用着白给的能量发明膜就行了。

另一类研究方法：LUCA模型的建立，更是压倒性地从能量生物学的角度入手。因为与能量代谢相关的基因，正是所有生物中最古老，变异最慢，共性最大也最核心的基因。生物学家们讨论和试图描述LUCA的时候，不是关注它长什么模样，有多大个头，而是关注它执行何种氧化还原反应，有哪些代谢酶，生活在什么样的地理和化学环境。这已经完全是一种崭新的体系了。

总之，九十年代之后的生命起源研究现状是群雄并起，天下大乱。理论更新速度之快，新发现新假说之层出不穷，都是二十世纪前面大半部分所无法企及的。固然是因为各个学科的知识积累都在推进，但化学渗透理论的建立，无疑是新纪元的开始。

长长的路

同意共识，这是没标准答案的开放式问题。看了一下还没人提《自私基因》的精彩回答，那我试着总结一下吧。
首先细胞不是最简单，也应该不是最原始生命形态。一个细胞也是很复杂滴。（包括下图中下方的细菌，一个相对简单的原核细胞）


道金斯编导的细胞故事概要如下：

• 稳定的分子留下了
  
• 能复制自己的分子越来越多
  
• 能更好复制自己的分子越来越多
  
• 能分解其他分子的分子出现
  
• 能用『墙』保护自己不被分解的分子发展成了细胞
  

==========================================================================
剧本：
第一折『求稳』
『适者生存』其实源自更为基本的规律：『稳定者生存』。稳定，要么是存在时间久，要么是出镜频率高。存在时间久，如长江，如CCTV的图标；频率高，如雨点，如天气预报。长江和天气预报是开玩笑的，但长江、雨点、星系、结晶、原子等东西的形态都应该有合理的解释。它们之所以有那样的形态是因为那样稳定。或者说不稳定的我们一般看不到。像泡泡之所以是球形的是因为该形状对于充满气体的薄膜来说该结构稳定。太空中，水呈球状稳定，而地面上『平的』稳定。
所以，要想要生命，就得先备制稳定的原材料。稳定的原子，稳定的分子。通过在实验室模拟原始地球所能提供的『原材料』（如水、二氧化碳、甲烷、氨等已经确认在某些星球上存在的物质）和『加工环境』（如紫外线和电击），几个星期过后就出现了氨基酸——蛋白质的原材料。更近的模拟实验还生成了嘌呤和嘧啶，也即基因的制造部件。
第二折『复制』
有一天，出现了一种新的分子——复制者。也即一种可以复制自己的分子。乍听起来似乎难以想象，但实际上不见得。可以将复制者想象成一个模子（模）或模版（范）。想象这个模子是一系列包含不同『小分子部件』的『复杂大分子』。所有小分子部件都能在复制者的周边找到。而每个小分子都会亲近同类。这样的话，每当小分子部件出现在该复杂大分子周围的时候，就会吸附到该大分子上。其实结晶就这么回事儿。而当如此形成的两个相同的『复杂大分子』分离的时候，它们又能继续复制了。
这些复制者就是后来我们称作基因的东西。
原理就像这货：


（在一排有序的麻将牌之下，对着每个牌码上相同的牌）
第三折『靠谱』
由于复制不可能是无误的（事实上进化的终极原动力就是失误）。所以经过累代复制，就会出现各种不一样的复制者。不同复制者有不同的特性。不同特性会影响这些复制者的去留命运。有些自身『长寿』（稳定），就是不走；有些在单位时间能完成更多复制，比较『多产』，永远有很多后继者；还有些复制『精确』，能保持品牌效应，不会轻易迷失身份，过两代就不知姓啥了。以上三点特征都有利于这种能自我复制的分子留下来，因此会被逐渐筛选出来。
第四折『攻防』
关于进化的动力源自何方，达尔文的一个重要思路是：竞争。资源是有限的，能更好利用资源的就会存活下去。对于我们那些原始的复制者，或说原始基因也一样。当越来越多的分子复制自己时，总有一天用于复制的原材料小分子会显得相对紧缺。这时有些复制者可能学会了解构其他分子，利用敌人释放出的残骸复制自己，成为了原始的『掠食者』；而另一些复制者可能学会了保护自己，给自己修筑防御工事——比如一层蛋白质墙。而这，可能就是最早的细胞。

参考
理查德·道金斯《自私的基因》1989

长长的路

摊手~我们到现在还没有定论，而且，鉴于生命起源过程的不可重复，估计这个问题以后也不会有定论，有的只是各种推测。
http://en.wikipedia.org/wiki/Evolution_of_cells
--------------------------------------------
如果维基提到的解释你没有一个能接受的话，就接受超自然创造吧。
有位科学家吐槽说：当然，假设每个星星后面都有一个小天使在推着它运转是最自洽的理论了。（我实在想不起来也找不到这话是谁说的了，哪位帮我找出来，在此拜谢）
“超自然创造“除了无聊些，也没什么不好。
而且无聊也不一定不好，如果你接受Theory of Angelic Pressure http://www.secularstudents.org/sites/default/files/exchange/gravity.pdf， 你就不必和物理学中那堆公式搏斗了不是。
但是作为一个scientist，“无聊“这个理由已经足够让我不接受了。

顺便@金钊立 ，如果你深究一下“科学家经过计算后发现，这个可能性小得在在科学概率上来看完全就是不可能的…按照那个几率，哪怕全宇宙都是有机汤，也不够发产生生命…”的话，会发现“经过计算”是有问题的。如何计算？
说得不客气一点，宗教的解释就承认自己是宗教的解释好了，承认自己无法证伪，无法纳入科学体系；不需要通过找出科学的“错误”来让自己显得“科学”一点。