成長中的生命：RNA復(fù)制分子組成的枝杈從DNA主干處水平發(fā)散開來。這樣的RNA可以在試管中向我們展示出進(jìn)化的一些基本特征。然而，對于人造生命而言，它們還需要進(jìn)化出嶄新功能的能力。

　　杰勒德·F·喬伊斯（Gerald F. Joyce）承認(rèn)，在看到這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的時候，他有一種沖動，想要暫停進(jìn)一步研究，立即把這些結(jié)果發(fā)表出去。經(jīng)過多年努力，他和他的學(xué)生特蕾西·林肯（Tracey Lincoln）終于發(fā)現(xiàn)了一對雖然短小但功能強(qiáng)大的RNA序列，把它們和一堆結(jié)構(gòu)更簡單的RNA“原料”混在一起，前者的數(shù)量會不斷倍增，幾小時內(nèi)就能擴(kuò)增至原來的10倍，而且只要有充足的原料和空間，這種擴(kuò)增過程就不會停止。

　　但是喬伊斯對此并不完全滿意。這位53歲的分子化學(xué)家是美國加利福尼亞州拉霍亞市斯克里普斯研究所（Scripps Research Institute）的教授兼所長，也是“RNA世界”（RNA world）假說的提出者兼擁護(hù)者之一。今天我們所知的生命主要基于DNA和酶類蛋白質(zhì)，在絕大多數(shù)情況下，RNA不過是傳遞遺傳信息的信使。RNA世界假說則認(rèn)為，現(xiàn)有生命是從一個更簡單的前生命化學(xué)系統(tǒng)進(jìn)化而來的，這個系統(tǒng)主要、甚至完全建立在RNA之上。當(dāng)然，這個想法要說得通，RNA本身就必須能夠支撐進(jìn)化。喬伊斯認(rèn)為，或許他合成的RNA有助于證實(shí)這種可能性。因此他和林肯又多花了一年時間來研究這些分子，在它們的序列上制造種種突變，并且建立起只有適者才能生存的競爭環(huán)境。

　　2009年1月，就在達(dá)爾文誕生200周年前一個月，他們在《科學(xué)》雜志上公布了研究結(jié)果。他們的微型試管系統(tǒng)確實(shí)表現(xiàn)出了達(dá)爾文進(jìn)化的幾乎所有本質(zhì)特征。實(shí)驗(yàn)伊始，有24個RNA變體進(jìn)行自我復(fù)制，其中一些變體在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的復(fù)制速度比其他變體更快。所有RNA分子都共享同一個“原料”池，因此每一種分子都要和其他分子競爭。復(fù)制過程并不完美，因此新的變體很快就會出現(xiàn)，甚至繁榮興盛——喬伊斯把這些突變稱為重組體（recombinant）。

　　“我們讓這一過程持續(xù)進(jìn)行了100個小時，”喬伊斯回憶道，“最后觀察到復(fù)制分子的總數(shù)擴(kuò)增了1023倍。最初那幾十種復(fù)制分子很快就消失了，重組體開始接管整個群落。”不過，沒有一種重組體進(jìn)化出了它們的祖先所不具備的新功能。

　　缺少了這關(guān)鍵的一環(huán)，人工進(jìn)化就無法完全重現(xiàn)真正的達(dá)爾文進(jìn)化。“這還算不上生命，”喬伊斯強(qiáng)調(diào)說，“生命能夠在進(jìn)化中‘開創(chuàng)’出全新的功能，我們還沒有做到這一點(diǎn)。我們的目標(biāo)是在實(shí)驗(yàn)室中制造生命，但是要實(shí)現(xiàn)它，我們就必須增加整個系統(tǒng)的復(fù)雜性，足以使它們進(jìn)化出新的功能，而不只是對早已存在的舊有功能進(jìn)行優(yōu)化。”

　　這一目標(biāo)顯然有可能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閱桃了箤?shí)驗(yàn)室中的RNA復(fù)制分子相對簡單：每個分子僅擁有兩個可以變化的基因樣片段（genelike section）。每一個這樣的“基因”都是一段短小的RNA原料。一個復(fù)制分子就是一個RNA酶，能夠把兩個“基因”集結(jié)并連接起來，產(chǎn)生一個新的微型酶，也就是這個復(fù)制分子本體的“配體”。配體被釋放后，也會集結(jié)兩個不受束縛的“基因”，組裝后產(chǎn)生一個與本體相同的克隆體。如果配體不忠實(shí)于本體，把本來并不匹配的兩個“基因”連接在一起，就會產(chǎn)生重組體。不過，這樣的重組體確實(shí)無法創(chuàng)造出新的“基因”。如果能夠營造出一個更復(fù)雜的系統(tǒng)，或者給每個復(fù)制分子增加更多的“基因”來增加復(fù)雜性，創(chuàng)造新的基因或許有可能實(shí)現(xiàn)。

　　美國伊利諾伊大學(xué)研究DNA酶的化學(xué)家斯科特·K·西爾弗曼（Scott K. Silverman）希望：“在新的分子中捕獲到達(dá)爾文進(jìn)化的蹤跡，我們或許能更好地理解生物進(jìn)化的一些基本原則。”分子水平上的生物進(jìn)化在某種程度上依舊是個不解之謎。喬伊斯與林肯就在實(shí)驗(yàn)的事后檢驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，三類最成功的重組體已經(jīng)形成了一個“派系”。派系中的任何一個成員出現(xiàn)復(fù)制錯誤，產(chǎn)生的新重組體都會是派系中另外兩個成員當(dāng)中的一員。

　　喬伊斯表示，在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造生命的下一個重大步驟，就是改造（或進(jìn)化）出一系列合成分子，以便在復(fù)制的同時還能行使新陳代謝的作用。哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的遺傳學(xué)家杰克·W·紹斯塔克（Jack W. Szostak）已經(jīng)開發(fā)出一種與ATP結(jié)合的無機(jī)蛋白，而ATP這種攜帶能量的化學(xué)物質(zhì)對新陳代謝至關(guān)重要。紹斯塔克的實(shí)驗(yàn)室還在嘗試制造原生細(xì)胞（protocell），也就是把RNA包裹進(jìn)一種被稱為膠團(tuán)（micelle）的脂肪酸小球，這種小球能夠自發(fā)地形成、合并及復(fù)制。

　　盡管生物學(xué)家在想方設(shè)法用RNA和其他基本物質(zhì)拼湊成某種形式的人造生命，但這種人工營造的系統(tǒng)可能一開始就過于復(fù)雜，很難證明40億年前自然生命也是由類似的方式產(chǎn)生的。喬伊斯指出，盡管他的復(fù)制分子只包含50個化學(xué)“字母”，但是隨機(jī)出現(xiàn)這么一條序列的幾率只有大約1/1030。“如果復(fù)制分子的長度能夠縮短到6個‘字母’，哪怕縮到10個‘字母’，我才會說我們或許找對了方向，因?yàn)榘凑杖藗兊脑O(shè)想，這樣的分子才會（在原始有機(jī)物質(zhì)湯中）自發(fā)形成。”（譯/馮志華校/虞駿）

　　從試管生命到診斷工具

　　在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出生命，對人類來說是一個重大事件。盡管與《弗蘭肯斯坦》中的科學(xué)怪人相比，目前的研究更局限于分子水平，但是這些結(jié)果還有不少更加實(shí)際的用途。喬伊斯在一篇即將發(fā)表于《自然·生物技術(shù)》的論文當(dāng)中，描述了他的實(shí)驗(yàn)室如何改變RNA復(fù)制分子，使它們具備了自我復(fù)制的生化功能。他認(rèn)為，進(jìn)化競賽的領(lǐng)跑者會是醫(yī)學(xué)診斷的良好候選分子。伊利諾伊大學(xué)的西爾弗曼認(rèn)為，這是一個絕佳的創(chuàng)意：“假設(shè)你現(xiàn)在要在一個包含眾多不同化學(xué)物質(zhì)的‘骯臟’環(huán)境下進(jìn)行檢測工作，比如說在花生醬中找到沙門氏菌（Salmonella）。如果不進(jìn)行提純，這樣的檢測很難進(jìn)行。如果能夠‘進(jìn)化’出一套診斷系統(tǒng)，在如此‘嘈雜’的環(huán)境下仍然可以檢測到‘信號’，那就會大有用處。”

　　(來源：環(huán)球科學(xué) 撰文/W·韋特·吉布斯)