将生物发生过程视为高动态和整合的原始细胞群的进化发展提供了最合适的框架，以解决益生元化学如何弥合早期地球上成熟生物的差距的难题。在这篇文章中，我们简要讨论了采用动态，功能整合的原始细胞系统（而不是大量溶液中的复杂反应网络，人工可进化的复制分子组，甚至包裹在被动隔室中的这些复制分子）作为益生元的正确单位的意义。演化。我们特别强调了在这个过程的不同阶段，那些化学活性和反应性原始细胞的组织特征，会强烈影响他们相应的进化能力。作为我们分析的结果，我们提出了三个实验挑战，旨在构建由多种功能耦合组件构成的原始细胞系统，从而更准确地表征这种原始细胞可以参与的益生元进化动力学的类型。
关键词： 功能整合; 生命的起源; 益生元进化; 原始细胞
地球上的生物，即使是最简单的原核生物，也是极其复杂的系统，由不断变换和相互作用的多种分子组成。在基层，每个细胞通过令人印象深刻的生物聚合物装置维持，该装置基本上由蛋白质和核酸组成，其执行互补任务以协调复杂和异质的动态组织，具有惊人的稳健性。此外，该组织始终涉及内在合成的边界，该边界保护这些组件/过程免受周围环境的影响，并且同样重要的是，提供将它们耦合到外部环境的选择性界面。实际上，所有已知生物（基因指导的细胞代谢）本质上都依赖于 在材料和能量方面，在跨越其边界的各种过程中 - 脂质膜在其上/其上存在高度复杂的运输和能量转换机制，使得整个系统的维护成为可能，在开放的，远离平衡的条件。在隐喻意义上，细胞是一种特殊类型的“纳米工厂”，其分子机器从较简单的前体进行化学合成，并利用该复杂化学活性的产物进行连续增强，重新制造完整的合成机械本身。远离平衡的条件。在隐喻意义上，细胞是一种特殊类型的“纳米工厂”，其分子机器从较简单的前体进行化学合成，并利用该复杂化学活性的产物进行连续增强，重新制造完整的合成机械本身。远离平衡的条件。在隐喻意义上，细胞是一种特殊类型的“纳米工厂”，其分子机器从较简单的前体进行化学合成，并利用该复杂化学活性的产物进行连续增强，重新制造完整的合成机械本身。
生命起源的问题在于找到从非生物物理和化学过程转向这种分子和组织复杂程度的合理序列，这是我们在自然界中观察到的任何其他现象所无法比拟的。因此，面对这一挑战，总是需要根据我们目前所了解的生活的分子和组织特征，制定一套强有力的简化假设。到目前为止所采用的简化措施取得了有限的成功，可能是因为它们过于简单化了。从历史的角度来看，可以说，分子生物学的非凡成功使得整整一代的生命研究人员相信，生命的最初步骤可以通过单一分子（不包含在更广泛的化学组织中）来实现。然后，多年来，在该领域建立了一场激烈的辩论，准确地说，关于什么样的分子（通常是什么样的生物聚合物）首先出现，分析可能带来它的合成的非生物途径，或反应过程它本可以激发（即它假设参与的复制或催化过程）。幸运的是，随着世纪之交系统生物学的出现，[1,2]。
在这种情况下，我们想要提出生物现象学的一个基本但明显未被充分认识的方面：即组成部分的多样性和它所涉及的阶段异质性。水溶液化学对生命很重要，但人们不应忘记，所有生物体都需要在不同程度排除水的环境中进行额外的物理化学过程。幸运的是，我们并不是唯一一个认识到这种基本生物学特征的人：探索“分子拥挤”的研究人员[3-5]以类似的理由分享观点并批评上个世纪遗留下来的生化知识的重要部分。膜生物物理学家也一再抱怨传统的生物化学不平衡之间的可溶性酶对膜蛋白的关注，其生理学任务具有相同的相关性，但是在与大量水完全不同的界面或条件下进行（参见例如， ，[6]）。几位来自生物能学领域的作者甚至对代谢的内在“矢量”特征提出了更强烈的主张，他们强调了化学机制对任何类型细胞可持续性的作用[7,8]。。此外，这种更为全面的生命方式与生物学中反应扩散过程研究的其他见解完全一致，自从图灵[9]的开创性工作以来，已经揭示了化学与受约束空间扩散耦合的巨大潜力。涉及的分子[10,11]。因此，鉴于我们星球上已知的所有生命的细胞性质，并且考虑到区域化学对于理解许多生物现象的重要性，尝试生命起源简化可能是有效的，这些简化在开始时并未完全消除这一方面。在不同的多阶段条件下，各种化学反应与自组织和自组装过程的结合在第一阶段实际上可能至关重要：这是我们大多数人在“原始营地”工作的主要假设[12 -16]。
在这个一般假设下，人们可以区分两种主要的研究途径。根据第一种情况，不同类型的有机隔室（胶束或其他胶体结构）最初将起到隐藏表面或疏水区域的作用，其上可吸附几种益生元化合物，从而促进其化学反应性，导致更复杂的转化网络和各种分子种类。从Oparin的[17]及其最新版本[18]的经典凝聚，到基于Blobel的思想[20]的Cavalier Smith [19]的obcell理论，这个方向已经提出了几个模型，后来也重新讨论过。格里菲斯[21]。这些提议并不特别有利于囊泡隔室，因为初始化学物质在不同的含水微环境中的包封在该阶段并未被认为是如此相关。恰恰相反，他们实际上认为复杂的生物分子机器可以在外部发展，以某种方式在后续阶段内化[21]。因此，他们主要关注的是显示柔软的疏水簇和界面如何作为聚集剂有用，促进益生元相关性的反应，这在开放水溶液中是热力学上不可行的。在这方面，前提议与其他情景没有太大差别，这些情景表明“更难”的矿物表面作为益生元化学最初可以茁壮成长的当地环境[22-26]。
尽管如此，在不否认所有这些（硬和软）表面或界面化学情景可能发挥的重要作用以发现各种有机化合物的反应途径的情况下，大多数“区域优先”方法都集中在第二项研究上。目标：通过囊泡模型系统捕获细胞样行为。最初可以使用两相系统（例如，液滴或微乳液）尝试区室化，但是在二十世纪开发的脂质体研究技术允许体外探索涉及超分子组装的许多 - 结构和动态 - 性质。至少，三相（水 - 膜 - 水）和生物膜显示出惊人的相似性，尽管它们的组成和功能更加简单（见[15]进行审查）。特别是，脂肪酸囊泡已成为标准的原始细胞模型，不仅仅因为它们的益生元合理性[27,28]，而且还因为它们作为隔室具有显着的稳定性[29,30] ; 它们的快速自组装动力学和在实验室条件下生长和增殖的适应性[31] ; 他们丰富的内在动力[32] ; 如果与不同的脂质体群体混合，它们可以进行竞争选择实验[33-36]。因此，使用这些模型系统的兴趣源于这样一个事实：它们提供了与真实细胞的非常自然的联系，这对研究生物组织的化学根源的研究小组和试图确定生物学的第一步的其他研究小组都很有吸引力。