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利用电脑仿真创造自我组织系统 或助人造生命

2014/10/22 9:01:12 分类:IT业界 编辑:右手边 来源: cnBeta 次浏览

据科学日报报道,生命的起源是什么?科学家们是否可以创造生命?这个问题不仅困扰了对生命起源感兴趣的科学家们,也困扰了研究未来前沿科技的科研人员。如果我们可以创造人造生命系统,我们或可以不仅理解生命的起源,更可以革命化未来的科技。

创造一个人造原始细胞面临的挑战之一在于创造一个可遗传的信息链

原始细胞是你可以想象的最简单最原始的生命系统。地球上生命最古老的祖先就是原始细胞,当我们看到这些原始细胞最终进化成什么样的高等形式,我们就可以理解为什么科学对原始细胞如此着迷。如果科学可以创造一个人造原始细胞,我们就可以获得创造高等人造生命的基本组成成分。

然而创造一个人造原始细胞非常困难,目前没有人获得成功。面临的挑战之一在于创造一个细胞后代,包括原始细胞可遗传的信息链。这样的信息链类似于现代DNA或者RNA链,细胞需要它们控制细胞新陈代谢并为细胞提供如何分化的指令。

如果一个分化后的细胞后代具有略微被改变的信息(它或可能提供更快的新陈代谢),那么这个细胞可能更适合生存,因此它可能被自然选择,进化也就开始了。现在南丹麦大学物理、化学和药学学院基础生活科技中心(FLINT)的研究人员在发表在期刊《欧洲物理快报》上的文章中描述了他们是如何在虚拟计算机实验里发现特定特性的信息链。

FLINT负责人斯坦恩•拉斯穆森(Steen Rasmussen)教授表示:“发现创造信息链的机制对于研究人造生命的科研人员来说至关重要。” 拉斯穆森和他的同事清楚地知道他们面临两个问题:

首先,较长的分子链会在水中分解。这意味着较长的信息链会在水中很快“分解”,转化为更短的链。因此长时间保留大量长信息链非常困难。

其次,在不使用现代酶的前提下复制这些分子非常困难,然而制造所谓的结扎则相对简单,结扎是在另一个匹配的长链的辅助下,连接任何两个短信息链形成较长信息链。结扎正是南丹麦大学研究人员所使用的机制。

“在我们的电脑仿真里——虚拟的分子实验室——信息链如预期一样开始快速高效的复制。然而,我们惊讶的发现这个系统很快发展出具有相同数量的短信息链和长信息链,此外还产生了一个对信息链的强大的样式选择。我们发现存活下来的信息链里只保留了原有信息链里的特定信息样式。因此我们困惑不解:为什么会发生如此协调的信息链选择?我们并没有对这个选择过程进行编程。结果发现这背后的解释在于这些信息链彼此发生相互作用的方式。” 拉斯穆森解释道。

据拉斯穆森表示,这个虚拟环境创造了一个所谓的自我组织的自动催化网络,而拉斯穆森和他的同事只向这个虚拟环境输入了信息链的组成成分。一个自动催化网络是一个分子的网络,后者会催化彼此的生产。每一个分子至少可以通过网络里的一个化学反应产生,而每一个化学反应至少可以通过网络里的另外一个分子催化。这个过程将创造一个具有原始新陈代谢形式的网络和一个可以自我复制代代相传的信息系统。

“一个自动催化网络的工作原理就像一个社区;每一个分子就像一名市民,它会与其它市民发生相互作用,共同创造这个社会。” 拉斯穆森解释道。这个自动催化网络迅速进化成一个状态,也即所有长度的信息链的数量都相同,这非常罕见。此外,被选择的信息链具有惊人的相似样式,这也非同寻常。“我们可能发现了一个类似于最初启动原始生命的相似过程。当然我们并不知道是生命是否真的是这样产生的,但它可能经历了其中一个步骤。或者当产生第一个原始细胞时,一个相似的过程创造了足够高浓度的长信息链。” 拉斯穆森表示。

有效信息链的形成和选择背后的机制不仅吸引了致力于创造原始细胞的研究人员,它还可以为研究未来科技的科学家们提供宝贵的价值。“我们正在寻找基于生命和类似生命过程的前沿科技。如果我们成功了,我们将创造一个科技设备可以自我修复、发展新特性和再度利用的世界。例如一台由生物材料制成的电脑在生产和废弃处理方面的要求可能大不相同,至少对环境的影响相对较小。”

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