用合成生物方法再現「進化論」，歐洲科學家有望把化學分子變成有機生命

雖然迄今為止，沒有人能在實驗室中創造出真正的有機生命，但這個看似遙不可及的目標，如今似乎有望變為現實。

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，我們不應該局限於研究 DNA、RNA 和蛋白質這些已知生命的具體分子，而是應該關注構成生命的基本功能系統。

Gánti 的理論提出，任何生命形式都必須具備三個相互關聯的核心繫統：負責能量獲取和轉化的代謝系統、承載遺傳信息的存儲複製系統，以及將生命體與環境分隔的界面系統（如細胞膜）。這三個系統並非孤立運作，而是通過複雜的化學網絡緊密相連，共同構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提供了全新視角。

半個世紀後的今天，這個賽前分析性的理論終於迎來了實踐的機會。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，計劃在六年內完成從簡單化學分子到基礎生命形式的跨越。

項目由匈牙利科學院院士 Szathmáry Eörs 領銜，聯合了來自多個歐洲研究機構的專家，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建一個「最小生命系統」——能夠在營養液中自主生長、複製的微觀結構。在顯微鏡下，這些結構會呈現出球狀形態。

研究人員正在評估四個系統，這些系統可能單獨或組合起來成為極簡生命的基礎。所有系統都是「自催化」的，這是自我複製中一個必要的屬性，其中化學反應由其自身產物催化。

其中最有前景的方向是在巴黎高等物理化學工業學院（ESPCI）進行的實驗 [1]。研究人員在油性介質中創建了微小的水滴，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（作為營養物質），他們觀察到了稱為聚糖反應 (Formose Reaction) 的過程。這個過程展現出了生命系統的一些基本特徵：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，導致它們開始生長，並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現 [2]。他們發現某些分子能夠自發組織成環狀結構，並進一步堆疊成纖維。這些纖維表現出出人意料的自我複製能力：當一個纖維斷裂時，每個部分都能繼續生長成新的纖維。

更重要的是，這個系統還展現出了達爾文進化的特徵。研究人員觀察到兩種不同大小的環（3 環和 6 環）會在不同環境條件下競爭生存。在高度氧化的環境中，3 環生長更快；而在低氧化環境中，6 環佔據優勢。而且，這些複製體還能通過光照改變環境的氧化狀態，從而影響競爭結果。

這種生態-進化動態的出現具有重要意義。在強光條件下，6 環複製體會增加環境的氧化水平，但這種改變反過來又會抑制它們自身的生長，最終導致 3 環複製體佔據主導地位。這種複雜的相互作用模式與自然界中的生態系統驚人地相似，它證明即使是簡單的化學系統也能產生類似生命的複雜行為。

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網絡。他們給 AI 設定了基於化學規則的任務，讓它從基本原子開始，逐步預測可能的反應路徑。這個過程就像剝洋蔥一樣，一層層地探索反應產物的可能性。

首先，它會分析給定的原子和基本化學規則，預測可能發生的初始反應。然後，它會繼續分析這些反應產物可能參與的下一步反應。在這個過程中，程序會特別關注是否出現自催化組織這樣的突現現象。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。

如果項目能順利完成，我們可以想像一下那個場景：在一個充滿營養液的容器中，微觀的球狀結構會自主遊動、生長，並不時發生分裂。如果這個系統確實實現了 Gánti 理論的預設，那麼一個意義更加重大的現象將會出現——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細微的變化。這些變化將導致後代之間出現競爭：那些能夠更快生長、更有效利用營養或在競爭中佔據優勢的個體將會逐漸佔據主導地位。

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，可以詳細研究進化過程的每個細節。儘管這個項目並不直接研究地球生命的起源，但這種簡單生命系統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有潛力適應並完成特定任務，同時其演化過程中「選擇」的化學解決方案也便於追蹤和研究。

不過，這項研究也引發了一些擔憂：這些人工創造的生命形式是否可能在某個時刻逃離實驗容器，在現實世界中尋求生存空間？尤其是考慮到它們具有進化能力，這種擔憂似乎並非毫無道理。

對此，Szathmáry Eörs 解釋說：由於系統環境與外部環境有著根本的差異，加上這些原始生命系統極其脆弱的特性，它們幾乎不可能在實驗室環境之外存活。儘管如此，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的理解之外，這項研究還可能在催化劑開發等領域帶來實際應用。

更重要的是，它實驗性地證實了 Gánti 的理論洞見：生命的本質不在於特定的分子組合，而是一個具有特定功能的自組織系統。這種認知或將改變我們對生命的傳統定義，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-

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