用合成生物方法再现进化论，科学家有望把化学分子变成有机生命

虽然迄今为止，没有人能在实验室中创造出真正的有机生命，但这个看似遥不可及的目标，如今似乎有望变为现实。

在 20 世纪 70 年代，匈牙利化学家 Tibor Gánti 在其著作《生命原理》（The Principles of Life）中提出了一个革命性的观点。他认为，要理解生命的本质，我们不应该局限于研究 DNA、RNA 和蛋白质这些已知生命的具体分子，而是应该关注构成生命的基本功能系统。

Gánti 的理论提出，任何生命形式都必须具备三个相互关联的核心系统：负责能量获取和转化的代谢系统、承载遗传信息的存储复制系统，以及将生命体与环境分隔的界面系统（如细胞膜）。这三个系统并非孤立运作，而是通过复杂的化学网络紧密相连，共同构建了一个能够自我维持的生命整体。这个被称为“化学自动机”（Chemoton）的理论模型，为我们理解生命的本质提供了全新视角。

半个世纪后的今天，这个前瞻性的理论终于迎来了实践的机会。在欧洲研究理事会（ERC）的支持下，一个名为“MiniLife”的重大项目正在进行。这个获得 1000 万欧元资助的项目，计划在六年内完成从简单化学分子到基础生命形式的跨越。

项目由匈牙利科学院院士 Szathmáry Eörs 领衔，联合了来自多个欧洲研究机构的专家，包括化学家Sijbren Otto和 Gonen Ashkenasy，以及分子生物学家 Andrew Griffiths。这个跨学科团队的目标是创建一个“最小生命系统”——能够在营养液中自主生长、复制的微观结构。在显微镜下，这些结构会呈现出球状形态。

研究人员正在评估四个系统，这些系统可能单独或组合起来成为极简生命的基础。所有系统都是“自催化”的，这是自我复制中一个必要的属性，其中化学反应由其自身产物催化。

其中最有前景的方向是在巴黎高等物理化学工业学院（ESPCI）进行的实验 [1]。研究人员在油性介质中创建了微小的水滴，这些水滴像人工细胞一样彼此不会融合。通过向部分“细胞”中添加乙醛糖（作为自催化剂）和甲醛（作为营养物质），他们观察到了称为聚糖反应 (Formose Reaction) 的过程。这个过程展现出了生命系统的一些基本特征：通过渗透作用，含有乙醛糖的水滴会从其他水滴中吸收水分，导致它们开始生长，并在外部作用下可以分裂。

同时，在格罗宁根大学，Sijbren Otto 教授的团队在另一个方向有了重要发现 [2]。他们发现某些分子能够自发组织成环状结构，并进一步堆叠成纤维。这些纤维表现出出人意料的自我复制能力：当一个纤维断裂时，每个部分都能继续生长成新的纤维。

更重要的是，这个系统还展现出了达尔文进化的特征。研究人员观察到两种不同大小的环（3 环和 6 环）会在不同环境条件下竞争生存。在高度氧化的环境中，3 环生长更快；而在低氧化环境中，6 环占据优势。而且，这些复制体还能通过光照改变环境的氧化状态，从而影响竞争结果。

这种生态-进化动态的出现具有重要意义。在强光条件下，6 环复制体会增加环境的氧化水平，但这种改变反过来又会抑制它们自身的生长，最终导致 3 环复制体占据主导地位。这种复杂的相互作用模式与自然界中的生态系统惊人地相似，它证明即使是简单的化学系统也能产生类似生命的复杂行为。

为了推进研究，科学家们正在利用人工智能来探索可能的化学反应网络。他们给 AI 设定了基于化学规则的任务，让它从基本原子开始，逐步预测可能的反应路径。这个过程就像剥洋葱一样，一层层地探索反应产物的可能性。

首先，它会分析给定的原子和基本化学规则，预测可能发生的初始反应。然后，它会继续分析这些反应产物可能参与的下一步反应。在这个过程中，程序会特别关注是否出现自催化组织这样的突现现象。这种计算机辅助方法大大提高了研究效率，使研究人员能够在实验室实践之前就识别出最有希望的化学系统。

如果项目能顺利完成，我们可以想象一下那个场景：在一个充满营养液的容器中，微观的球状结构会自主游动、生长，并不时发生分裂。如果这个系统确实实现了 Gánti 理论的预设，那么一个意义更加重大的现象将会出现——进化的萌芽。

在这些人工细胞中，储存的信息（即 Gánti 理论中的第二个核心要素）在不断的分裂过程中必然会出现细微的变化。这些变化将导致后代之间出现竞争：那些能够更快生长、更有效利用营养或在竞争中占据优势的个体将会逐渐占据主导地位。

这一突破性进展将带来两个重要成果：首先，研究人员将获得一个完全透明的进化模型系统，可以详细研究进化过程的每个细节。尽管这个项目并不直接研究地球生命的起源，但这种简单生命系统的进化模式可能为解开生命起源之谜提供重要线索。其次，这种进化能力使系统有潜力适应并完成特定任务，同时其演化过程中“选择”的化学解决方案也便于追踪和研究。

不过，这项研究也引发了一些担忧：这些人工创造的生命形式是否可能在某个时刻逃离实验容器，在现实世界中寻求生存空间？尤其是考虑到它们具有进化能力，这种担忧似乎并非毫无道理。

对此，Szathmáry Eörs 解释说：由于系统环境与外部环境有着根本的差异，加上这些原始生命系统极其脆弱的特性，它们几乎不可能在实验室环境之外存活。尽管如此，研究团队仍然保持着高度的警惕。

而除了加深了我们对生命本质的理解之外，这项研究还可能在催化剂开发等领域带来实际应用。

更重要的是，它实验性地证实了 Gánti 的理论洞见：生命的本质不在于特定的分子组合，而是一个具有特定功能的自组织系统。这种认知或将改变我们对生命的传统定义，同时为寻找地球外生命形式提供了全新的思路。

参考资料：

1.https://www.nature.com/articles/s41557-023-01276-0

2.https://www.nature.com/articles/s41557-023-01301-2

3.https://hungarytoday.hu/research-group-aims-to-create-life-from-chemical-molecules/

4.https://www.rug.nl/sciencelinx/nieuws/2023/12/2023-12-19-sijbrenottobuildinglevenbouwenzonderdna?lang=en

5.https://mta.hu/tudomany_hirei/negymilliard-ev-utan-ujra-megszulethet-az-elet-a-foldon-113777

6.https://www.ft.com/content/26ac437d-0307-44aa-923c-

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