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挑战人工生命:科学家发现信息串生成机制
来源: 新浪科技
作者:
发布时间: 2014-10-22 12:42:03
编辑: 李娜

  原初生命体是一种由膜或膜样的结构包围非生物有机分子的集合体,能表现出一些与生命相关的属性。

  生命是如何起源的?科学家能够创造出生命吗?这些问题不仅一直萦绕在生物科学家的心头,也是未来技术研究者探索的内容。如果我们可以创造出人工生命系统,那不仅可以帮助了解生命的起源,而且对未来技术的发展也会产生革命性的影响。

  原初生命体(protocell)是我们能想到的最简单、最原始的生命系统,被认为地球生命的最古老祖先。这是一种由膜或膜样的结构包围非生物有机分子的集合体,能表现出一些与生命相关的属性。如果科学家能够创造出一个人工原初生命体,那以此为基础,就能进一步创造出更复杂的人工生命。

  然而,创造人工原初生命体远不是一件简单的事,到目前为止也没有人能成功做到。最大的挑战之一,是创造出能够遗传给细胞(包括原初生命体)后代的“信息串”——如脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。在细胞的新陈代谢和分裂过程中,这些信息串起着控制作用。

  生命的必要条件

  在细胞分裂之后,如果子细胞中的信息串发生了细微的改变(如提供了更快一些的新陈代谢速率),那子细胞可能就会更加适于生存。这些子细胞有可能生存下来,继续繁殖,演化过程也由此开始。

  近日,来自南丹麦大学基础生命技术中心(FLINT)的研究者在《欧洲物理快报》(Europhysics Letters)上发表文章称,他们已经在虚拟计算机实验中,发现了具有特殊性质的信息串。FLINT的负责人斯蒂恩·拉斯穆森(Steen Rasmussen)教授说:“发现信息串的生成机制是研究人工生命的必要条件。”

  目前,斯蒂恩·拉斯穆森及其团队还面临着两个问题。首先,长的分子链在水中会发生分解。这意味着长的信息串在水中会迅速“断裂”,变成许多短信息串。因此,要想在长时间内保持足够数量的长信息串十分困难。

  其次,在不使用现代各种生物酶的情况下,这些分子很难进行复制。只有在另一条匹配好的较长分子链的作用下,两条较短的分子链才可以连接成为一条较长的分子链。斯蒂恩·拉斯穆森解释道:“在我们的计算机模拟——即虚拟分子实验室——中,信息串一开始就如预计的那样,快速、高效地进行复制。然而,我们惊奇地发现,整个系统很快产生了同样多的长、短信息串,后来则出现了一个很强的信息串选择模式。我们看到,只有那些组成模式十分特殊的信息串才能最终幸存下来。我们很困惑:如此协调一致的信息串选择模式是怎么产生的?我们并没有事先进行编程。问题的答案显然存在于信息串之间的相互作用中。”

  就像一个社会

  根据斯蒂恩·拉斯穆森的理论,在充满信息串的虚拟反应池中,一场所谓的“自组织”自动催化网络形成了。

  在自动催化网络中,分子间可以互相催化,自动生成。每个分子可以由网络中至少一步化学反应形成,而每个反应可以由网络中至少一个分子进行催化。这一过程展示了一种原始的新陈代谢形式,而且信息系统可以自我生成和复制,并遗传给下一代。

  “一个自动催化网络就像一个共同体,每个分子就是一个居民,不断与其他的居民发生互动,一起组成了一个社会。”斯蒂恩·拉斯穆森解释道。据实验结果显示,这个自动催化网络迅速进入了另一个状态:各种长度的信息串以同样的浓度存在。这与我们通常看到的情形并不相同。在此之后,选定的信息串呈现出相似的反应模式,这也是不同寻常的。

  斯蒂恩·拉斯穆森对此解释道:“我们可能发现了类似于促成最初生命产生的反应过程。当然,我们并不知道生命是否真的按这种方式产生,但这很可能是其中的一步。或许在原初生命体产生的时候,相似的过程产生出了更高的浓度和更长的信息串。”

  新技术的基础

  活动信息串的形成和选择机制不仅让研究如何创造原初生命体的科学家感到兴奋,而且对于那些努力探索未来技术的研究者来说,也有十分重要的价值。这也是FLINT中心的科学家正在做的。

  “我们正在寻求发展以生命和类生命过程为基础的技术。如果成功,我们将拥有一个很不一样的世界:技术设备可以自行修复、开发新功能并重复利用,”斯蒂恩·拉斯穆森说,“例如,一台用生物材料制成的计算机在生产和处理时就具有非常不同的要求,而它对环境的压力也会小很多。”(任天)

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