利用電腦仿真創造自我組織系統 或助人造生命

據科學日報報道，生命的起源是什麼？科學家們是否可以創造生命？這個問題不僅困擾了對生命起源感興趣的科學家們，也困擾了研究未來前沿科技的科研人員。如果我們可以創造人造生命系統，我們或可以不僅理解生命的起源，更可以革命化未來的科技。

原始細胞是你可以想象的最簡單最原始的生命系統。地球上生命最古老的祖先就是原始細胞，當我們看到這些原始細胞最終進化成什麼樣的高等形式，我們就可以理解為什麼科學對原始細胞如此着迷。如果科學可以創造一個人造原始細胞，我們就可以獲得創造高等人造生命的基本組成成分。

然而創造一個人造原始細胞非常困難，目前沒有人獲得成功。面臨的挑戰之一在於創造一個細胞後代，包括原始細胞可遺傳的信息鏈。這樣的信息鏈類似於現代DNA或者RNA鏈，細胞需要它們控制細胞新陳代謝併為細胞提供如何分化的指令。

如果一個分化後的細胞後代具有略微被改變的信息（它或可能提供更快的新陳代謝），那麼這個細胞可能更適合生存，因此它可能被自然選擇，進化也就開始了。現在南丹麥大學物理、化學和藥學學院基礎生活科技中心（FLINT）的研究人員在發表在期刊《歐洲物理快報》上的文章中描述了他們是如何在虛擬計算機實驗裏發現特定特性的信息鏈。

FLINT負責人斯坦恩•拉斯穆森(Steen Rasmussen)教授表示：“發現創造信息鏈的機制對於研究人造生命的科研人員來説至關重要。” 拉斯穆森和他的同事清楚地知道他們面臨兩個問題：

首先，較長的分子鏈會在水中分解。這意味着較長的信息鏈會在水中很快“分解”，轉化為更短的鏈。因此長時間保留大量長信息鏈非常困難。

其次，在不使用現代酶的前提下複製這些分子非常困難，然而製造所謂的結紮則相對簡單，結紮是在另一個匹配的長鏈的輔助下，連接任何兩個短信息鍊形成較長信息鏈。結紮正是南丹麥大學研究人員所使用的機制。

“在我們的電腦仿真裏——虛擬的分子實驗室——信息鏈如預期一樣開始快速高效的複製。然而，我們驚訝的發現這個系統很快發展出具有相同數量的短信息鏈和長信息鏈，此外還產生了一個對信息鏈的強大的樣式選擇。我們發現存活下來的信息鏈裏只保留了原有信息鏈裏的特定信息樣式。因此我們困惑不解：為什麼會發生如此協調的信息鏈選擇？我們並沒有對這個選擇過程進行編程。結果發現這背後的解釋在於這些信息鏈彼此發生相互作用的方式。” 拉斯穆森解釋道。

據拉斯穆森表示，這個虛擬環境創造了一個所謂的自我組織的自動催化網絡，而拉斯穆森和他的同事只向這個虛擬環境輸入了信息鏈的組成成分。一個自動催化網絡是一個分子的網絡，後者會催化彼此的生產。每一個分子至少可以通過網絡裏的一個化學反應產生，而每一個化學反應至少可以通過網絡裏的另外一個分子催化。這個過程將創造一個具有原始新陳代謝形式的網絡和一個可以自我複製代代相傳的信息系統。

“一個自動催化網絡的工作原理就像一個社區；每一個分子就像一名市民，它會與其它市民發生相互作用，共同創造這個社會。” 拉斯穆森解釋道。這個自動催化網絡迅速進化成一個狀態，也即所有長度的信息鏈的數量都相同，這非常罕見。此外，被選擇的信息鏈具有驚人的相似樣式，這也非同尋常。“我們可能發現了一個類似於最初啓動原始生命的相似過程。當然我們並不知道是生命是否真的是這樣產生的，但它可能經歷了其中一個步驟。或者當產生第一個原始細胞時，一個相似的過程創造了足夠高濃度的長信息鏈。” 拉斯穆森表示。

有效信息鏈的形成和選擇背後的機制不僅吸引了致力於創造原始細胞的研究人員，它還可以為研究未來科技的科學家們提供寶貴的價值。“我們正在尋找基於生命和類似生命過程的前沿科技。如果我們成功了，我們將創造一個科技設備可以自我修復、發展新特性和再度利用的世界。例如一台由生物材料製成的電腦在生產和廢棄處理方面的要求可能大不相同，至少對環境的影響相對較小。”