油和水本该水火不容,但宾夕法尼亚州立大学化学家最近发现,当油滴遇到含有表面活性剂的水溶液时,会发生令人惊讶的变化——它们开始长出类似生物细胞的"触手"。这些被称为丝状伪足的结构不仅形态相似,更神奇的是它们会像单细胞生物一样感知环境中的化学信号,并有方向性地向某些物质靠近或远离。
这项发表在《美国化学会志》上的研究为理解40亿年前地球上物质如何演变为生命提供了新线索,也为设计能够自主响应环境的智能材料开辟了道路。
研究团队负责人、宾夕法尼亚州立大学化学系讲席教授艾尤斯曼·森指出,生命如此复杂有序,以至于很难想象它从无生命物质到有生命体的转变经历了多少步骤。这项研究只是拼图中的一小块,但它揭示了简单的油滴可以模拟细胞并表现出类似生命体的行为。
当油滴开始溶解于水和表面活性剂的混合物中时,表面活性剂分子进入油滴内部,在其表面形成机械不稳定的层,随后从油滴中延伸出丝状伪足。关键在于,这些伪足的形成并非随机,而是优先向表面活性剂浓度较高的方向生长。
更令人惊讶的是,油滴对不同氨基酸展现出"化学品味"。实验发现,这些液滴会根据氨基酸的化学性质选择靠近或远离。
例如,油滴会向某些氨基酸浓度高的区域伸出触手,而对另一些氨基酸则表现出回避行为。这种选择性响应与许多单细胞生物的趋化行为高度相似。在自然界中,细菌和变形虫等单细胞生物利用丝状伪足探索周围环境,寻找营养物质或逃避有害化学物质。如今,这种被认为是生命标志的行为在完全非生命的油滴系统中得以重现。
论文第一作者、化学系研究生桑贾娜·克里希纳·马尼表示,团队有兴趣开发模拟细胞行为的人工系统,以帮助理解30亿至40亿年前早期地球上发生的物质到生命的转变。她凭借这项研究在今年10月举行的宾夕法尼亚州立大学材料日上获得最佳海报奖。克里希纳·马尼强调,这些发现不仅具有基础科学意义,还有助于设计能够对环境做出反应的类生命材料。
生命起源是科学界最深刻的谜题之一。当前主流理论认为,最早的生命形式可能起源于能够自我组织和复制的简单化学系统。这些原始系统需要具备几个关键能力:感知环境、获取能量和物质、维持内部结构以及对外界刺激做出响应。宾夕法尼亚州立大学的研究表明,即使是简单的油水界面系统,在适当的化学条件下也能展现出这些基本特征。
表面活性剂在这个过程中扮演了关键角色。这些分子一端亲水一端疏水的特性使它们能够降低液体表面张力,并在油水界面形成动态结构。当表面活性剂浓度存在梯度时,油滴表面不同区域受到的机械应力不均衡,导致某些部位向外突起形成伪足。这个过程本质上是一种自组织现象,不需要复杂的生物大分子或遗传信息的参与。值得注意的是,原始地球的化学环境中很可能存在各种具有表面活性的有机分子,这为类似机制在生命起源中发挥作用提供了可能性。
油滴对氨基酸的选择性响应更具启发意义。氨基酸是蛋白质的基本组成单元,在生命系统中起着核心作用。不同氨基酸具有不同的化学性质,有些带正电荷,有些带负电荷,还有些是疏水性的。研究发现油滴能够"识别"这些差异并做出相应的方向性生长,暗示早期化学系统可能已经具备了对生物相关分子的选择能力。这种选择性可能在原始细胞浓缩和富集特定化学物质、建立代谢网络的过程中发挥了重要作用。
这项研究的意义超越了对生命起源的探索。森教授的团队长期致力于开发能够自主运动和响应的活性物质系统。此前他们已经展示了如何通过化学反应驱动微粒和液滴的定向运动,创造出人工"微型游泳者"。最新研究将这一领域推向新高度,展示了如何赋予非生命物质系统类似生物的感知和响应能力。
从应用角度看,能够感知化学信号并自主改变形态的液滴材料具有广阔前景。在药物输送领域,这类材料可以设计成感知特定疾病标志物并释放药物。在环境修复中,它们可能用于检测和响应污染物。在软体机器人技术中,基于液滴的柔性材料能够在复杂环境中自适应变形。更进一步,这些研究为构建具有类生命特性的合成系统提供了设计原则,推动合成生物学和人工生命领域的发展。
美国化学会将这项研究选为封面文章,并在其"研究头条"视频系列中专门介绍,反映了学术界对这一工作的高度认可。该研究采用的方法相对简单——油、水、表面活性剂和氨基酸都是常见化学品,但实验设计巧妙地揭示了复杂的自组织行为。通过系统改变化学梯度的方向和强度,研究者精确量化了油滴伪足的生长动力学和方向性。
这项研究提醒我们,生命与非生命之间的界限可能比想象中更加模糊。当简单的化学系统在远离平衡态的条件下运作时,可能涌现出令人惊讶的复杂行为。40亿年前的地球上,无数这样的化学实验在海洋、温泉和岩石缝隙中同时进行,其中某些幸运的组合最终跨越了从物质到生命的鸿沟。通过在实验室中重现类似过程,科学家正在逐步拼凑出这一伟大转变的完整图景。
More information: Sanjana Krishna Mani et al, Droplets as Cell Models: Chemical Gradient-Induced Directional Filopodia Formation, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c11719
Journal information: Journal of the American Chemical Society
