新浪科技訊 北京時(shí)間12月3日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，在近期的一項(xiàng)研究中，科學(xué)家通過(guò)一個(gè)數(shù)學(xué)模型顯示了熱力學(xué)機(jī)制如何使原始細(xì)胞分裂成兩個(gè)子細(xì)胞。

細(xì)胞的自我復(fù)制是通過(guò)一系列蛋白質(zhì)的精巧操作實(shí)現(xiàn)的。在細(xì)胞分裂過(guò)程中，結(jié)構(gòu)蛋白和酶協(xié)調(diào)了DNA的復(fù)制和細(xì)胞質(zhì)內(nèi)容物的分解，以及細(xì)胞膜的分裂與融合。適當(dāng)?shù)靥幚磉@些過(guò)程至關(guān)重要，因?yàn)槿魏挝⑿〉腻e(cuò)誤都可能導(dǎo)致子細(xì)胞異?；驘o(wú)法存活。

數(shù)十億年前，第一批從無(wú)生命物質(zhì)中自發(fā)產(chǎn)生的自組織膜狀化學(xué)物質(zhì)也面臨過(guò)這樣的難題。但幾乎可以肯定的是，這些原始細(xì)胞需要在不依賴大分子蛋白質(zhì)的情況下進(jìn)行復(fù)制。它們是如何做到這一點(diǎn)的？這是天體生物學(xué)家和生物化學(xué)家在研究生命起源時(shí)迫切想要回答的關(guān)鍵問(wèn)題。

如果你去掉細(xì)胞中所有的酶，什么也不會(huì)發(fā)生。它們沒什么活力，但它們真的很穩(wěn)定，這就是關(guān)鍵所在。

在最近發(fā)表于《生物物理期刊》（Biophysical Journal）的一篇論文中，物理學(xué)家與腫瘤生物學(xué)家開發(fā)了一系列數(shù)學(xué)方程模型，揭示了溫度差異可能就足以驅(qū)動(dòng)細(xì)胞復(fù)制過(guò)程的重要一步：原始細(xì)胞的分裂。

早期生命中活躍的化學(xué)和物理過(guò)程可能非常簡(jiǎn)單，因此可能只有熱力學(xué)在生命起源中發(fā)揮著重要作用，新開發(fā)的基本方程可以闡明支配生命最初如何出現(xiàn)的一些規(guī)則。

內(nèi)外膜的翻轉(zhuǎn)

原始細(xì)胞在沒有復(fù)雜蛋白質(zhì)機(jī)制的情況下進(jìn)行分裂，這一過(guò)程需要物理或化學(xué)驅(qū)動(dòng)。這實(shí)際上就是將一個(gè)細(xì)胞剝離至只剩下基本功能，然后思考，基本的物理和化學(xué)原理是什么，我們?nèi)绾卧跊]有蛋白質(zhì)的情況下模擬這些原理？

考慮到科學(xué)家們至今仍無(wú)法就生命的一般定義，特別是對(duì)原始細(xì)胞的定義達(dá)成一致時(shí)，弄清這些過(guò)程就更具挑戰(zhàn)性了。

不過(guò)，科學(xué)家們都同意的一點(diǎn)是，原始細(xì)胞一定具有某種可以傳遞給子細(xì)胞的遺傳信息，一種進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的新陳代謝機(jī)制，以及一種能將新陳代謝和遺傳信息從地球其他原始湯的隨機(jī)過(guò)程中分隔出來(lái)的脂質(zhì)膜。雖然外部的化學(xué)世界本身是隨機(jī)的，但脂質(zhì)膜所提供的分隔可以創(chuàng)造一個(gè)更低熵的區(qū)域。

一個(gè)原始細(xì)胞在分裂前的成長(zhǎng)過(guò)程中，不僅要增加細(xì)胞內(nèi)部的體積，還要增加周圍細(xì)胞膜的表面積。要?jiǎng)?chuàng)造兩個(gè)較小的子細(xì)胞，并使其總體積與母細(xì)胞相同，就需要在它們的細(xì)胞膜上增加額外的脂質(zhì)，因?yàn)樗鼈兊谋砻娣e與體積之比要更大一些。合成這些脂質(zhì)所需的化學(xué)反應(yīng)會(huì)以熱量的形式釋放能量。

通過(guò)搜索文獻(xiàn)，有研究指出線粒體（細(xì)胞的能量中心，在數(shù)十億年前曾是與細(xì)胞共生的細(xì)菌）比周圍細(xì)胞的溫度略高。這種能量差異是否可以在原始細(xì)胞中產(chǎn)生？又是否足以驅(qū)動(dòng)細(xì)胞分裂？

于是，研究人員草擬了一系列方程式來(lái)模擬可能發(fā)生的情況。先從一系列假設(shè)開始，比如原始細(xì)胞可能是桿狀的，具有雙層膜，允許營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)來(lái)，廢物擴(kuò)散出去。這是一個(gè)非常、非常粗糙的模型，但令人驚訝的是，它可以簡(jiǎn)化為一個(gè)單一的微分方程。

原始細(xì)胞代謝產(chǎn)生的能量會(huì)使膜內(nèi)的脂質(zhì)比膜外的升溫更快。然后，熱力學(xué)會(huì)迫使能量更高的內(nèi)部脂質(zhì)“翻轉(zhuǎn)”到外部，導(dǎo)致膜外層膨脹，消耗膜內(nèi)層。解決這種不平衡的一個(gè)簡(jiǎn)單方法，便是將細(xì)胞擠壓成兩個(gè)子細(xì)胞。這種擠壓會(huì)發(fā)生在母細(xì)胞的中部，那里的溫度最高，脂質(zhì)運(yùn)動(dòng)最明顯。

體積太小而不夠熱？

這項(xiàng)工作是純理論性質(zhì)的，但這些理論可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。例如，我們可以在實(shí)驗(yàn)室中制造類似的囊泡，測(cè)量其內(nèi)部溫度是否與外部不同。

這項(xiàng)工作十分重要，因?yàn)樗嵝盐覀?，脂質(zhì)膜的不對(duì)稱性可能在原始生命中發(fā)揮了一定作用。但由于細(xì)胞和原始細(xì)胞都很微小，只能產(chǎn)生極少的熱量，所以也有人質(zhì)疑這種溫差是否足以在熱量擴(kuò)散到細(xì)胞膜之前驅(qū)動(dòng)分裂。

在現(xiàn)代的細(xì)胞膜中，脂質(zhì)在內(nèi)外之間不會(huì)輕易翻轉(zhuǎn)，因?yàn)樗鼈兊姆肿咏Y(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。對(duì)于早期生命所具有的較簡(jiǎn)單的脂質(zhì)而言，情況可能并非如此。當(dāng)科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中用這些化合物制造囊泡時(shí)，它們會(huì)瘋狂地四處移動(dòng)。

這些問(wèn)題并不能說(shuō)明溫差在早期細(xì)胞分裂中沒有發(fā)揮作用，只是新開發(fā)的數(shù)學(xué)模型可能還不夠精確，這項(xiàng)研究為早期生命的研究提供了補(bǔ)充，因?yàn)椤斑@是一個(gè)很好的實(shí)驗(yàn)起點(diǎn)。我們經(jīng)常忘記反應(yīng)的消耗和熱量的產(chǎn)生，而這些都可能對(duì)細(xì)胞分裂等過(guò)程產(chǎn)生影響”。（任天）