囊泡是酝酿生命的摇篮

 

地球始于物理世界，冷却后在光电火热的作用下进入化学世界，进而以地球表面充沛的碳氢氧氮四大元素为主的化合物形成了有机化学世界，但而后出现的生命世界的基本元素细胞的组成与结构是如此庞大与复杂，从有机化学世界至细胞生命世界物质元素的结构存在极其巨大的跨越，研究这个跨越的过程实质就是研究生命的起源，是自古以来众多科学家孜孜以求的，生命起源研究的核心就是解释如何从无生命体系中造一个自我维持与繁衍的进化体系。近年来有关生命起源的基础学科与研究技术有了长足的进步，其中以生物膜研究的发展以及RNA世界的发现为主，为生命起源的渐进过程与必然成果作出了理性的推测。达尔文的进化论不仅阐明了物种进化的发展规律，也可成功应用于细胞生命前生物大分子的进化机制，从有机化学世界进入生物化学世界最终跨入细胞生命世界的机制已基本明确，虽然某些细节尚不清晰，但生命发生与发展框架已明确无疑。

囊泡的发生，在地球进入有机化学时代的原始海洋里，一些简单的两性有机分子，如脂肪酸与亲水脂、氨基酸等分子积累到一定浓度，在水分子的影响下可以自我成团或成膜，以及形成双分子层的稳定囊泡，这种“肥皂泡”样的囊泡微小到一定程度是很稳定的。稳定程度依赖两性有机分子的浓度、疏水尾的长度以及温度、pH和盐浓度等，其中疏水链的长度起着重要作用，如C8的辛酸在130mol/L的高浓度才能形成囊泡，而C14肉豆蔻烯酸低至4mmol/L就能形成稳定的囊泡。由于原始海洋中没有生物活性物质来消耗这些有机分子，随着时间的推移海洋里充满这类囊泡。囊泡是有机分子的一种超分子结构，虽然没有生命特征，但囊泡的形成产生了一个与外部环境分隔的内环境。形成囊泡的有机分子组分是随机的，某些囊泡膜具有半透膜特性，即可以让膜内外的分子选择性的通过，这种选择性的通过造就了膜内外的差别，只有稳定的囊泡得以持久存在，囊泡内环境的变更与外环境的动态选择使囊泡有了进化的机制，达尔文进化论从物质的囊泡样结构形成就启动了。

囊泡的进化，是指组成囊膜的两性有机分子的发展，膜分子的特性与结构决定了囊膜的稳定性与通透性，随机自发形成的囊泡因成分差异性能各异，但在原始海洋的物理与化学环境中不稳定的囊泡被淘汰，因疏水端聚合的稳定性以脂分子为主要组成成分的囊泡逐渐成为主流得到保留。囊膜的厚度是由两性脂分子疏水段的长度决定的，这个厚度与囊膜的稳定性与通透性有密切的关系，囊膜薄了稳定性差，厚了通透性差，在自然选择中最适厚度的囊泡得到保留，最终发展为以14-24个碳长的脂肪酸链的组成的囊泡得以延续，最终成为原始细胞膜。从最原始的单细胞生物至最巨大的高等动物，其细胞膜的双脂层结构与厚度基本是一致的，表明膜的结构在生命发展早期已基本定型，在随后的物种进化过程中，细胞膜上镶嵌的其它分子的数量与复杂性可能发生变化，但其双脂层膜的结构再没有发生变化。囊膜双脂层的厚度与张力也决定了细胞的大小，因此从单细胞生物至最巨大的动物，其细胞大小基本相似而没有成比例地增大，除非有其它辅助结构支撑，如从原始细胞逐渐进化生成的细胞内弹性支架或膜外细胞壁保护等。

囊泡内容物的进化，囊泡另一个发展是囊内容物的进化，在囊泡自然形成时可以包含原始海洋里各种各样不同的化学物质，使其无法扩散而保持一定的浓度，囊泡膜有半透膜特性，可以让某些物质自由通过，而且囊膜的组成可能嵌合有海洋中其它类型的分子，有些镶嵌分子可使囊膜形成单向性通道，让某些分子进入囊内，比如ATP、核糖与一些金属离子等等，这些物质在囊内浓度逐渐增加，使分子间相遇的机会增大，一些在囊泡外获得并储备了能量的化学性能活跃的分子，如核酸、多肽、脂肪酸以及复合的化合物等，在囊泡内相互碰撞的机会增多，化学反应活跃，逐步合成一些较大的分子，这些大分子无法通过囊壁而积储在囊泡内，而反应后的一些小分子可以逸出囊膜，因此在化学物质浓度非常低的海洋里，在囊泡内某些重要的化学物质也可达到很高的浓度。这些在囊泡内生成的大分子，使囊内的物质发生变化，而囊泡内的化学反应以及膜内外的物质交流已经使囊泡初具代谢的含义了。

生命现象需要非常活跃的化学反应，不论有多少可以构成生命材料的分子，若是散在大量水中，密度十分稀薄，分子间相遇概率极低，不可能出现活跃的化学反应，而囊泡的形成造就了一个培育生命现象的稳定的内部环境。按物质的自身特性分子越大就越不稳定，如大分子核酸等在细胞外很易为物理因素而断裂，而囊泡环境为生物大分子的发展与保持提供了最佳的场所，使分子量成百的有机分子发展为分子量几万、几十万、几百万的大分子，甚至组成超分子结构而继续保持稳定，因此是囊泡酝酿了自然界生物大分子的发展，从有机世界至细胞生命世界之间，物质在分子量与结构上的巨大跨越是在囊泡内渐进的。

早期囊泡内因无遗传物质的指导，化学反应生成的物质是随机的，生成的新物质如有利于囊泡的稳定则囊泡可持续存在并发展，如不利于囊泡的稳定则消亡，囊泡已具备进化的机制。

囊泡的生长与分裂，囊泡内大分子的增加形成跨膜的渗透压梯度，导致囊泡的膨胀，膜的张力可以通过增加囊泡膜表面积得到缓解，囊泡膜的生长可分外源性生长与内源性生长，初期的囊泡可能缺乏现代细胞拥有的复杂的生化机制，其生长可能通过不断掺入新的单体分子或与别的空囊泡发生渗透压耦合进行。膨张的囊泡与空的囊泡可能一开始形成于同一时间与空间，因此利用渗透压梯度与周围的空囊泡融合即可使囊泡生长，当复杂的合成生化机制在囊泡内发生后，囊膜的增长可依赖内源性的亲水脂分子补充了。然而囊膜的厚度与张力是有限度的，当囊泡因内容增加不断长大至细胞膜张力难以抵抗外界水环境的剪切力时，囊泡就通过一分为二，完成最为原始的分裂。

囊泡的分裂是原始细胞繁殖的雏形，囊泡虽然还不是传统意义上的生命，但已具备了生命活动的基本特征，代谢、生长与分裂，缺乏的是遗传物质传承，子代的均一性太差，当子代形成后，其父代就消失的无影无踪了，不能形成相对稳定的物种，每一个囊泡只有囊泡的共性，具有一些原始生命的基础特性，无代表性的物种特征。但囊泡酝酿了以核酸大分子为代表的生物遗传物质的发生与发展，为RNA世界的兴起以及由RNA向DNA与蛋白质双向发展进化提供了条件与空间，奠定了以RNA、DNA和蛋白质为基础的细胞生命的基本外型与结构。囊泡与囊泡内容物在外环境的动态选择下不断进化而发展成细胞，细胞是在物质自囊泡开始经历漫长的过程进化而来的，是渐进的，不是偶然形成的。（陈国民 2009-5-31）

 

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