最小细胞：不可避免的涌现

生命起源的问题自古以来就吸引着人类

如果生命既不是偶然性的结果，也不是目的论的结果，而是受能量流影响的物质的相变的表现呢？

从惰性分子出发，生命如何在大约38亿年前在地球上涌现？ 这个问题可以通过考察最小细胞 (能够自主繁殖的最小生物实体)的原理，从现代角度来探讨。 问题在于确定能够维持受调节的内部状态以应对环境变化并自主繁殖的最基本组织形式是什么。

现代细胞：惊人的多样性和复杂性

现代细胞构成了所有生物（细菌、古菌、真核生物）的基本单位。 然而，即使是最简单的细胞，也已经是具有惊人复杂性的分子大教堂。

在人体中，据估计身体包含约37万亿个细胞，分为200多种不同的细胞类型。 每种细胞类型都具有适应其生物学功能的特定形态学和生物化学特征。

深时和环境多样性的作用

原始地球提供了一个巨大的自然实验：数万亿个化学反应同时进行，持续了数亿年。 每一个温暖的池塘、每一个热液裂隙、每一个多孔矿物或粘土颗粒都形成了一个微型实验室，有机分子可以在其中聚集。 这些分子在长时间内不断被自然循环搅动，逐渐沿着导致生命构件的化学途径前进：氨基酸、糖、脂质和RNA碱基。

注：
尽管关于生命起源的争论仍然激烈，但有一点已达成共识：形成蛋白质的氨基酸是任何生物体必需的分子构件。 此外，它们在太空中自然形成是可能的，因为已在陨石中发现它们。 这表明氨基酸可能在原始地球上就已存在。

从原子到生物大分子

永不停歇的运动

原子由于热运动 (与温度相关的平均动能)而处于不断运动中，这导致分子内发生轻微的位移和振动。 弱化学键，如氢键和范德华相互作用（吸引力或排斥力），将原子维持在原始碳基分子中。 碳具有4个稳定的共价键，是构建分子组装的完美元素。

无限多样性

分子的随机振动，就像微小的电磁铁一样，允许化学结构同时探索不同的空间构象 (原子在空间中的三维排列)。 新的分子形状不断被创造，从而增加了稳定排列的机会。 这种多样性构成了一个几乎无限的分子形状库，其中只有电磁稳定的结构才能存留足够长的时间以接受自然选择。

从生物大分子到可复制的生物大分子

自我复制的物理机制

某些分子配置将允许自然的自我复制，它基于一个简单原理：结构互补性。

互补链的形成

生物大分子（折叠成3D形状的单链）充当模板，其形状和电荷精确吸引周围存在的某些自由化学元素。 这些自由元素根据其化学相容性沿着链排列，形成第二条不同的互补链（如照相底片）。 这样就得到了一个配对的双链结构，由周围组件逐一组装而成。

循环的断裂与延续

通过氢键结合在一起的两条链最终在介质热运动的影响下自然断裂。 这种能量平衡至关重要，因为需要足够的运动来允许相遇和分离，但又不能太多以保护组装结构的完整性（温暖的池塘、热液喷口等）。 这种互补生物大分子本身可以作为模板来重建初始序列。

复制的自发涌现

通过这种纯粹的物理化学机制（吸引→排列→配对→分离→初始序列的恢复），就有可能理解能够自我复制的RNA生物大分子如何在原始地球上自发涌现。

从可复制的生物大分子到最小细胞

复制分子的竞争与选择

系统变得自催化 (能够加速自身繁殖)：一些RNA分子比其他分子复制得更快，通过更有效地招募自由核苷酸（A、G、C、U）。 微小的错误和变异创造了新的形式，具有不同的复制速度和稳定性。 最快和最稳定的分子增殖，效率较低的消失。 这种选择是自然的，直接源于非平衡系统（即被搅动并由恒定物质流供应的系统）中的化学动力学定律。

膜区室的自发形成

从复制分子到真正细胞的转变需要膜区室 (分隔内部与外部的脂质包膜)的出现。 生物膜由磷脂 (由极性亲水头部和两条疏水脂肪酸链组成的脂质)组成，这些两亲性 (同时具有亲水和疏水部分的分子)分子在水性介质中自发组织成双层。 这种自组装是自然的：它在热力学上是有利的，并且无需外部干预即可发生，就像肥皂泡在水面上自发形成一样。

最小原始细胞的涌现

受脂质膜保护并含有能够自我复制的RNA分子的原始细胞，具有最小生物体的基本特征。 它具有代谢（产生自身内部组分）、繁殖能力（细胞分裂）和可传递的信息载体（RNA）。 从这个阶段开始，达尔文进化可以完全运作，优先选择在其环境中生长和分裂最有效的原始细胞。