雖然迄今為止，沒有人能在實驗室中創(chuàng)造出真正的有機生命，但這個看似遙不可及的目標，如今似乎有望變?yōu)楝F(xiàn)實。
在 20 世紀 70 年代，匈牙利化學家 Tibor Gánti 在其著作《生命原理》（The Principles of Life）中提出了一個革命性的觀點。他認為，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)。
Gánti 的理論提出，任何生命形式都必須具備三個相互關(guān)聯(lián)的核心系統(tǒng)：負責能量獲取和轉(zhuǎn)化的代謝系統(tǒng)、承載遺傳信息的存儲復(fù)制系統(tǒng)，以及將生命體與環(huán)境分隔的界面系統(tǒng)（如細胞膜）。這三個系統(tǒng)并非孤立運作，而是通過復(fù)雜的化學網(wǎng)絡(luò)緊密相連，共同構(gòu)建了一個能夠自我維持的生命整體。這個被稱為“化學自動機”（Chemoton）的理論模型，為我們理解生命的本質(zhì)提供了全新視角。
半個世紀后的今天，這個前瞻性的理論終于迎來了實踐的機會。在歐洲研究理事會（ERC）的支持下，一個名為“MiniLife”的重大項目正在進行。這個獲得 1000 萬歐元資助的項目，計劃在六年內(nèi)完成從簡單化學分子到基礎(chǔ)生命形式的跨越。
項目由匈牙利科學院院士 Szathmáry E?rs 領(lǐng)銜，聯(lián)合了來自多個歐洲研究機構(gòu)的專家，包括化學家Sijbren Otto和 Gonen Ashkenasy，以及分子生物學家 Andrew Griffiths。這個跨學科團隊的目標是創(chuàng)建一個“最小生命系統(tǒng)”——能夠在營養(yǎng)液中自主生長、復(fù)制的微觀結(jié)構(gòu)。在顯微鏡下，這些結(jié)構(gòu)會呈現(xiàn)出球狀形態(tài)。
研究人員正在評估四個系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可能單獨或組合起來成為極簡生命的基礎(chǔ)。所有系統(tǒng)都是“自催化”的，這是自我復(fù)制中一個必要的屬性，其中化學反應(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工業(yè)學院（ESPCI）進行的實驗 [1]。研究人員在油性介質(zhì)中創(chuàng)建了微小的水滴，這些水滴像人工細胞一樣彼此不會融合。通過向部分“細胞”中添加乙醛糖（作為自催化劑）和甲醛（作為營養(yǎng)物質(zhì)），他們觀察到了稱為聚糖反應(yīng) (Formose Reaction) 的過程。這個過程展現(xiàn)出了生命系統(tǒng)的一些基本特征：通過滲透作用，含有乙醛糖的水滴會從其他水滴中吸收水分，導(dǎo)致它們開始生長，并在外部作用下可以分裂。
同時，在格羅寧根大學，Sijbren Otto 教授的團隊在另一個方向有了重要發(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：當一個纖維斷裂時，每個部分都能繼續(xù)生長成新的纖維。
更重要的是，這個系統(tǒng)還展現(xiàn)出了達爾文進化的特征。研究人員觀察到兩種不同大小的環(huán)（3 環(huán)和 6 環(huán)）會在不同環(huán)境條件下競爭生存。在高度氧化的環(huán)境中，3 環(huán)生長更快；而在低氧化環(huán)境中，6 環(huán)占據(jù)優(yōu)勢。而且，這些復(fù)制體還能通過光照改變環(huán)境的氧化狀態(tài)，從而影響競爭結(jié)果。
這種生態(tài)-進化動態(tài)的出現(xiàn)具有重要意義。在強光條件下，6 環(huán)復(fù)制體會增加環(huán)境的氧化水平，但這種改變反過來又會抑制它們自身的生長，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，它證明即使是簡單的化學系統(tǒng)也能產(chǎn)生類似生命的復(fù)雜行為。
為了推進研究，科學家們正在利用人工智能來探索可能的化學反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。他們給 AI 設(shè)定了基于化學規(guī)則的任務(wù)，讓它從基本原子開始，逐步預(yù)測可能的反應(yīng)路徑。這個過程就像剝洋蔥一樣，一層層地探索反應(yīng)產(chǎn)物的可能性。
首先，它會分析給定的原子和基本化學規(guī)則，預(yù)測可能發(fā)生的初始反應(yīng)。然后，它會繼續(xù)分析這些反應(yīng)產(chǎn)物可能參與的下一步反應(yīng)。在這個過程中，程序會特別關(guān)注是否出現(xiàn)自催化組織這樣的突現(xiàn)現(xiàn)象。這種計算機輔助方法大大提高了研究效率，使研究人員能夠在實驗室實踐之前就識別出最有希望的化學系統(tǒng)。
如果項目能順利完成，我們可以想象一下那個場景：在一個充滿營養(yǎng)液的容器中，微觀的球狀結(jié)構(gòu)會自主游動、生長，并不時發(fā)生分裂。如果這個系統(tǒng)確實實現(xiàn)了 Gánti 理論的預(yù)設(shè)，那么一個意義更加重大的現(xiàn)象將會出現(xiàn)——進化的萌芽。
在這些人工細胞中，儲存的信息（即 Gánti 理論中的第二個核心要素）在不斷的分裂過程中必然會出現(xiàn)細微的變化。這些變化將導(dǎo)致后代之間出現(xiàn)競爭：那些能夠更快生長、更有效利用營養(yǎng)或在競爭中占據(jù)優(yōu)勢的個體將會逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。
這一突破性進展將帶來兩個重要成果：首先，研究人員將獲得一個完全透明的進化模型系統(tǒng)，可以詳細研究進化過程的每個細節(jié)。盡管這個項目并不直接研究地球生命的起源，但這種簡單生命系統(tǒng)的進化模式可能為解開生命起源之謎提供重要線索。其次，這種進化能力使系統(tǒng)有潛力適應(yīng)并完成特定任務(wù)，同時其演化過程中“選擇”的化學解決方案也便于追蹤和研究。
不過，這項研究也引發(fā)了一些擔憂：這些人工創(chuàng)造的生命形式是否可能在某個時刻逃離實驗容器，在現(xiàn)實世界中尋求生存空間？尤其是考慮到它們具有進化能力，這種擔憂似乎并非毫無道理。
對此，Szathmáry E?rs 解釋說：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驗室環(huán)境之外存活。盡管如此，研究團隊仍然保持著高度的警惕。
而除了加深了我們對生命本質(zhì)的理解之外，這項研究還可能在催化劑開發(fā)等領(lǐng)域帶來實際應(yīng)用。
更重要的是，它實驗性地證實了 Gánti 的理論洞見：生命的本質(zhì)不在于特定的分子組合，而是一個具有特定功能的自組織系統(tǒng)。這種認知或?qū)⒏淖兾覀儗ι膫鹘y(tǒng)定義，同時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-
23b62a6721b0
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