511影城网:科学松鼠会 ? 计算生命起源-环球科学

数字游戏：这个被称为“进化动力学”的学科利用数学方法建立模型，描述基因、有机体及其他生物学参数的分布状况如何随时间变化。

生命之初：利用动力学方程组来探究进化选择是否会在复制之前发生，这种方法可以解释生命聚合物如何产生。

能够自我复制的分子如何统治了早期地球？利用进化动力学的计算方法，马丁·A·诺瓦克能够解释生命如何从无到有。

2008年3月，媒体铺天盖地地报道了马丁·A·诺瓦克（Martin A. Nowak）对于惩罚价值的研究。这位哈佛大学的数学及生物学家让大约100名学生参与了一项计算机游戏，在游戏中，他们使用硬币对彼此进行奖惩。人们通常的观念是，严重的惩罚会促进双方合作，但是诺瓦克和他的同事们证明，这一理论完全站不住脚。与此相反，他们发现惩罚经常导致一系列报复行为，使得惩罚非但毫无益处可言，反而是有害和消极的。惩罚别人的人不仅不会获利，还会使矛盾升级，使自己运气变差，最终导致失败。新闻标题喜出望外地宣称：“和善的人率先完工。”

诺瓦克的计算机模拟和数学方法迫使人家重新审视某个复杂现象，这已经不是第一次了。2002年，他设计出一个方程，能够预言癌症产生及扩散的过程，比如癌症转移过程中何时产生突变、染色体何时失去稳定性等。20世纪90年代初，他提出的疾病扩散模型证明，只有当病毒的复制速度快到一定程度，以至于病毒株的多样性达到某一临界水平，足以令免疫系统措手不及时，HIV携带者才会发展为艾滋病病人。免疫学家后来发现，这一机制完全正确。现在，诺瓦克再施绝招，这一次他打算模拟生命的起源。用他自己的话来说，他具体要做的是捕捉“生命从无到有的转变过程”。

诺瓦克今年43岁，学生时代念的是生物化学专业，他相信数学是“真正的科学语言”，是开启远古秘密的钥匙。在奥地利维也纳大学读研究生时，他便跟随进化博弈论先驱、奥地利科学家卡尔·西格蒙德（Karl Sigmund）开始探究进化中的数学原理。这个被诺瓦克命名为“进化动力学”（evolutionary dynamics）的领域所涉及的内容，便是建立方程来描述进化过程的各个构成因素，例如选择、突变、随机遗传漂变及种群数量结构等。特征不同的个体以不同速度繁殖后代会带来什么结果？一个突变如何传播至整个种群？诸如此类的问题都可以利用这些公式进行模拟研究。

哈佛大学进化动力学项目组办公室的黑板上写满了算式。诺瓦克正忙于将生命起源简化成最简单的化学体系，这样他就可以用数学语言来描述它们。他用0和1来表示最早期生命的化学组件（最有可能是腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤、胞嘧啶或尿嘧啶组成的化合物）。诺瓦克把这些组件称为“单体”，在他的体系中，单体随机自发组合，构成一系列二进制信息串。

现在，诺瓦克正在研究该体系的化学动力学，也就是说要描述不同序列的信息串会如何生长。他说，对于任何可以实现单体自组装的实验室化学体系，这一理想化流程的基本原理都能适用，“就像牛顿方程能够描述行星如何围绕太阳运转，这与行星的化学组成完全无关”。 诺瓦克还说：“数学帮助我们看清什么才是最关键和最有趣的实验。它描述了一个可以被建立起来的化学体系；一旦该体系被建立起来，你便可以观察进化的起源了。”

真的有这么简单吗？如今，该体系还只存在于论文和计算机中。尽管很容易构建数学模型，但是让这一体系在实验室中运转起来却并非易事，因为最初既没有酶，也没有任何模板，能够帮助单体实现组装。“实在想象不出有什么简单的方法可以制造核酸，”美国加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的生物分子工程学家戴维·W·迪默（David W. Deamer）说，“初始原料肯定是必须的，但我们已经进入了一个完全未知的领域，我们不知道如何在实验室中重现这一过程，也不知道在没有酶的情况下，单靠化学和物理过程如何制造出核酸。”

20世纪80年代，美国圣迭戈市索尔克生物学研究所的生物化学家莱斯利·E·奥格尔（Leslie E. Orgel）带领他的研究小组证明，一条RNA链可以作为模板合成另一条互补RNA链——这一现象被称为“非酶模板指导的寡核苷酸合成”。然而事实证明，要弄清核苷酸在没有模板的情况下如何实现自组装就困难得多。诺瓦克说：“我希望得到一个可以形成多聚体的过程。”

美国哈佛大学细胞起源研究人员艾琳·陈（Irene Chen）说，在RNA或DNA单体的一端连上一种叫做咪唑（Imidazole）的物质，它们或许就能在没有酶的情况下形成多聚体。这种物质可以增强单体的化学活性，让它们的聚合作用更容易发生，速度也变得更快。脂质和粘土可能也必不可少，其他科学家已经证明，它们有助于加速化学反应。美国伦斯勒理工学院（Rensselaer Polytechnic Institute）的化学家詹姆斯·P·费里斯（James P. Ferris），曾经诱导腺嘌呤在一种矿物质粘土表面组装成40~50个核苷酸长短的RNA短链，这种矿物质粘土在前生物时期可能普遍存在。

诺瓦克利用他的数学模型，研究了可以生成类似短链的化学反应，并为各个反应定义了反应率常数。也就是说，他设想携带不同二进制信息的链会以不同的速度生长，有些链会以比其他链更快的速度吸收单体。然后，诺瓦克计算了这些链的分布状况。他注意到，生长速率的微小差异会影响它们在群体中的含量；生长较慢的序列含量相对较少，会逐渐被生长较快的序列取代。“我觉得这真是太伟大了，”诺瓦克激动地说，“因为在一个完全自然的条件下，进化选择居然在生命复制出现之前就发生了。”

一些链会发生突变，有时一个序列会加速其它序列的反应速度，这验证了诺瓦克长期坚持的一个观点——这种合作是进化的基本原则之一。综合在一起，模拟的结果显示了一种类似于生命的化学体系，而且遵循进化动力学的规律。诺瓦克把这一体系称为“前生命”（prelife），因为“它具有许多生命属性，比如遗传多样性、选择和突变，只是不具备复制功能”。

突变和选择通常被看成是复制的结果。举例来说，如果突然之间加拉帕戈斯群岛的雀鸟只能得到又大又硬的种子，那些喙更大更强壮的个体就更可能存活下来；若干代之后，种群中这种雀就会更加常见。对某一性状的进化选择，比如这个例子中喙的大小，是借助该性状的相关基因在后代中的传递而实现的。但诺瓦克说，他的模型显示选择可以发生在复制出现之前——这意味着复制也有可能是进化选择的结果。他指出，如果这种进化选择真的存在，它就有助于解释生命的起源。

在诺瓦克的体系中，生命起源所需的唯一条件是，有几条链突然获得了自我复制的本领——一些研究人员相信，正是这一过程使某些RNA链在原始地球上逐渐占据了统制地位。诺瓦克指出，RNA链周围必须有足够多的自由单体才能使复制倾向于发生，而且能够自我复制的链必须比无法自我复制的链更快速地耗尽这些单体。根据他的计算，只有当复制速度超过某一特定阈值，系统平衡才会被打破，这时生命就诞生了。“生命摧毁了前生命，”他说，“所有这一切都发生在某一特定时期之内”。

诺瓦克希望他的模型能够指导实验。他从数学上描述了一个体系，其中仅有两种单体能够自组装，后来实现了自我复制。诺瓦克说，当人们开始对进化起源展开实验研究时，建立起这样一个化学体系“是我们所能做到的最简单的事情”。在他看来，“数学是描述进化的恰当语言”。他说：“我不知道生物学的‘最终诠释’会是什么，不过有一点可以肯定：一切都是为了让这些等式恢复平稳。”

初具雏形：在生命出现之前的地球上，粘土表面（褐色）或许帮助核糖核酸（蓝色和白色）形成了RNA链。