雖然迄今為止，沒(méi)有人能在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出真正的有機(jī)生命，但這個(gè)看似遙不可及的目標(biāo)，如今似乎有望變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

在 20 世紀(jì) 70 年代，匈牙利化學(xué)家 Tibor Gánti 在其著作《生命原理》（The Principles of Life）中提出了一個(gè)革命性的觀點(diǎn)。他認(rèn)為，要理解生命的本質(zhì)，我們不應(yīng)該局限于研究 DNA、RNA 和蛋白質(zhì)這些已知生命的具體分子，而是應(yīng)該關(guān)注構(gòu)成生命的基本功能系統(tǒng)。

圖丨 Tibor Gánti（來(lái)源：Gulyás László）

Gánti 的理論提出，任何生命形式都必須具備三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的核心系統(tǒng)：負(fù)責(zé)能量獲取和轉(zhuǎn)化的代謝系統(tǒng)、承載遺傳信息的存儲(chǔ)復(fù)制系統(tǒng)，以及將生命體與環(huán)境分隔的界面系統(tǒng)（如細(xì)胞膜）。這三個(gè)系統(tǒng)并非孤立運(yùn)作，而是通過(guò)復(fù)雜的化學(xué)網(wǎng)絡(luò)緊密相連，共同構(gòu)建了一個(gè)能夠自我維持的生命整體。這個(gè)被稱為“化學(xué)自動(dòng)機(jī)”（Chemoton）的理論模型，為我們理解生命的本質(zhì)提供了全新視角。

圖丨 Gánti 的 Chemoton 模型（來(lái)源：The Principles of Life）

半個(gè)世紀(jì)后的今天，這個(gè)前瞻性的理論終于迎來(lái)了實(shí)踐的機(jī)會(huì)。在歐洲研究理事會(huì)（ERC）的支持下，一個(gè)名為“MiniLife”的重大項(xiàng)目正在進(jìn)行。這個(gè)獲得 1000 萬(wàn)歐元資助的項(xiàng)目，計(jì)劃在六年內(nèi)完成從簡(jiǎn)單化學(xué)分子到基礎(chǔ)生命形式的跨越。

項(xiàng)目由匈牙利科學(xué)院院士 Szathmáry E?rs 領(lǐng)銜，聯(lián)合了來(lái)自多個(gè)歐洲研究機(jī)構(gòu)的專家，包括化學(xué)家Sijbren Otto和 Gonen Ashkenasy，以及分子生物學(xué)家 Andrew Griffiths。這個(gè)跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)“最小生命系統(tǒng)”——能夠在營(yíng)養(yǎng)液中自主生長(zhǎng)、復(fù)制的微觀結(jié)構(gòu)。在顯微鏡下，這些結(jié)構(gòu)會(huì)呈現(xiàn)出球狀形態(tài)。

圖丨 Szathmáry E?rs（來(lái)源：Szigeti Tamás）

研究人員正在評(píng)估四個(gè)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可能單獨(dú)或組合起來(lái)成為極簡(jiǎn)生命的基礎(chǔ)。所有系統(tǒng)都是“自催化”的，這是自我復(fù)制中一個(gè)必要的屬性，其中化學(xué)反應(yīng)由其自身產(chǎn)物催化。

其中最有前景的方向是在巴黎高等物理化學(xué)工業(yè)學(xué)院（ESPCI）進(jìn)行的實(shí)驗(yàn) [1]。研究人員在油性介質(zhì)中創(chuàng)建了微小的水滴，這些水滴像人工細(xì)胞一樣彼此不會(huì)融合。通過(guò)向部分“細(xì)胞”中添加乙醛糖（作為自催化劑）和甲醛（作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)），他們觀察到了稱為聚糖反應(yīng) (Formose Reaction) 的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程展現(xiàn)出了生命系統(tǒng)的一些基本特征：通過(guò)滲透作用，含有乙醛糖的水滴會(huì)從其他水滴中吸收水分，導(dǎo)致它們開(kāi)始生長(zhǎng)，并在外部作用下可以分裂。

圖丨由自催化反應(yīng)驅(qū)動(dòng)的液滴生長(zhǎng)（來(lái)源：Nature Chemistry）

同時(shí)，在格羅寧根大學(xué)，Sijbren Otto 教授的團(tuán)隊(duì)在另一個(gè)方向有了重要發(fā)現(xiàn) [2]。他們發(fā)現(xiàn)某些分子能夠自發(fā)組織成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步堆疊成纖維。這些纖維表現(xiàn)出出人意料的自我復(fù)制能力：當(dāng)一個(gè)纖維斷裂時(shí)，每個(gè)部分都能繼續(xù)生長(zhǎng)成新的纖維。

更重要的是，這個(gè)系統(tǒng)還展現(xiàn)出了達(dá)爾文進(jìn)化的特征。研究人員觀察到兩種不同大小的環(huán)（3 環(huán)和 6 環(huán)）會(huì)在不同環(huán)境條件下競(jìng)爭(zhēng)生存。在高度氧化的環(huán)境中，3 環(huán)生長(zhǎng)更快；而在低氧化環(huán)境中，6 環(huán)占據(jù)優(yōu)勢(shì)。而且，這些復(fù)制體還能通過(guò)光照改變環(huán)境的氧化狀態(tài)，從而影響競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果。

（來(lái)源：Nature Chemistry）

這種生態(tài)-進(jìn)化動(dòng)態(tài)的出現(xiàn)具有重要意義。在強(qiáng)光條件下，6 環(huán)復(fù)制體會(huì)增加環(huán)境的氧化水平，但這種改變反過(guò)來(lái)又會(huì)抑制它們自身的生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致 3 環(huán)復(fù)制體占據(jù)主導(dǎo)地位。這種復(fù)雜的相互作用模式與自然界中的生態(tài)系統(tǒng)驚人地相似，它證明即使是簡(jiǎn)單的化學(xué)系統(tǒng)也能產(chǎn)生類似生命的復(fù)雜行為。

為了推進(jìn)研究，科學(xué)家們正在利用人工智能來(lái)探索可能的化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。他們給 AI 設(shè)定了基于化學(xué)規(guī)則的任務(wù)，讓它從基本原子開(kāi)始，逐步預(yù)測(cè)可能的反應(yīng)路徑。這個(gè)過(guò)程就像剝洋蔥一樣，一層層地探索反應(yīng)產(chǎn)物的可能性。

首先，它會(huì)分析給定的原子和基本化學(xué)規(guī)則，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的初始反應(yīng)。然后，它會(huì)繼續(xù)分析這些反應(yīng)產(chǎn)物可能參與的下一步反應(yīng)。在這個(gè)過(guò)程中，程序會(huì)特別關(guān)注是否出現(xiàn)自催化組織這樣的突現(xiàn)現(xiàn)象。這種計(jì)算機(jī)輔助方法大大提高了研究效率，使研究人員能夠在實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐之前就識(shí)別出最有希望的化學(xué)系統(tǒng)。

如果項(xiàng)目能順利完成，我們可以想象一下那個(gè)場(chǎng)景：在一個(gè)充滿營(yíng)養(yǎng)液的容器中，微觀的球狀結(jié)構(gòu)會(huì)自主游動(dòng)、生長(zhǎng)，并不時(shí)發(fā)生分裂。如果這個(gè)系統(tǒng)確實(shí)實(shí)現(xiàn)了 Gánti 理論的預(yù)設(shè)，那么一個(gè)意義更加重大的現(xiàn)象將會(huì)出現(xiàn)——進(jìn)化的萌芽。

在這些人工細(xì)胞中，儲(chǔ)存的信息（即 Gánti 理論中的第二個(gè)核心要素）在不斷的分裂過(guò)程中必然會(huì)出現(xiàn)細(xì)微的變化。這些變化將導(dǎo)致后代之間出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)：那些能夠更快生長(zhǎng)、更有效利用營(yíng)養(yǎng)或在競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)的個(gè)體將會(huì)逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。

這一突破性進(jìn)展將帶來(lái)兩個(gè)重要成果：首先，研究人員將獲得一個(gè)完全透明的進(jìn)化模型系統(tǒng)，可以詳細(xì)研究進(jìn)化過(guò)程的每個(gè)細(xì)節(jié)。盡管這個(gè)項(xiàng)目并不直接研究地球生命的起源，但這種簡(jiǎn)單生命系統(tǒng)的進(jìn)化模式可能為解開(kāi)生命起源之謎提供重要線索。其次，這種進(jìn)化能力使系統(tǒng)有潛力適應(yīng)并完成特定任務(wù)，同時(shí)其演化過(guò)程中“選擇”的化學(xué)解決方案也便于追蹤和研究。

不過(guò)，這項(xiàng)研究也引發(fā)了一些擔(dān)憂：這些人工創(chuàng)造的生命形式是否可能在某個(gè)時(shí)刻逃離實(shí)驗(yàn)容器，在現(xiàn)實(shí)世界中尋求生存空間？尤其是考慮到它們具有進(jìn)化能力，這種擔(dān)憂似乎并非毫無(wú)道理。

對(duì)此，Szathmáry E?rs 解釋說(shuō)：由于系統(tǒng)環(huán)境與外部環(huán)境有著根本的差異，加上這些原始生命系統(tǒng)極其脆弱的特性，它們幾乎不可能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境之外存活。盡管如此，研究團(tuán)隊(duì)仍然保持著高度的警惕。

而除了加深了我們對(duì)生命本質(zhì)的理解之外，這項(xiàng)研究還可能在催化劑開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域帶來(lái)實(shí)際應(yīng)用。

更重要的是，它實(shí)驗(yàn)性地證實(shí)了 Gánti 的理論洞見(jiàn)：生命的本質(zhì)不在于特定的分子組合，而是一個(gè)具有特定功能的自組織系統(tǒng)。這種認(rèn)知或?qū)⒏淖兾覀儗?duì)生命的傳統(tǒng)定義，同時(shí)為尋找地球外生命形式提供了全新的思路。

參考資料：

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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運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍