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试管中的进化(环科译稿)Comments>>

发表于 2009-05-22 22:57 | Tags 标签:

20061128134056625 撰:W·韦特·吉布斯(W. Wayt Gibbs)│校:steed│译:riset

杰勒德·F·乔伊斯(Gerald F. Joyce)承认,在看到这些实验结果的时候,他有一种冲动,想要暂停进一步研究,立即把这些结果发表出去。经过多年努力,他和他的学生特蕾西·林肯(Tracey Lincoln)终于发现了一对虽然短小但功能强大的RNA序列,把它们和一堆结构更简单的RNA“原料”混在一起,前者的数量会不断倍增,几小时内就能扩增至原来的10倍,而且只要有充足的原料和空间,这种扩增过程就不会停止。

但是乔伊斯对此并不完全满意。这位53岁的分子化学家是美国加利福尼亚州拉霍亚市斯克里普斯研究所(Scripps Research Institute)的教授兼所长,也是“RNA世界” (RNA world)假说的提出者兼拥护者之一。今天我们所知的生命主要基于DNA和酶类蛋白质,在绝大多数情况下,RNA不过是传递遗传信息的信使。RNA世界假说则认为,现有生命是从一个更简单的前生命化学系统进化而来的,这个系统主要、甚至完全建立在RNA之上。当然,这个想法要说得通,RNA本身就必须能够支撑进化。乔伊斯认为,或许他合成的RNA有助于证实这种可能性。因此他和林肯又多花了一年时间来研究这些分子,在它们的序列上制造种种突变,并且建立起只有适者才能生存的竞争环境。

2009年1月,就在达尔文诞生200周年前一个月,他们在《科学》杂志上公布了研究结果。他们的微型试管系统确实表现出了达尔文进化的几乎所有本质特征。实验伊始,有24个RNA变体进行自我复制,其中一些变体在实验环境中的复制速度比其他变体更快。所有RNA分子都共享同一个“原料”池,因此每一种分子都要和其他分子竞争。复制过程并不完美,因此新的变体很快就会出现,甚至繁荣兴盛——乔伊斯把这些突变称为重组体(recombinant)。

“我们让这一过程持续进行了100个小时,”乔伊斯回忆道,“最后观察到复制分子的总数扩增了10^23倍。最初那几十种复制分子很快就消失了,重组体开始接管整个群落。”不过,没有一种重组体进化出了它们的祖先所不具备的新功能。

untitled成长中的生命:RNA复制分子组成的枝杈从DNA主干处水平发散开来。这样的RNA可以在试管中向我们展示出进化的一些基本特征。然而,对于人造生命而言,它们还需要进化出崭新功能的能力。

缺少了这关键的一环,人工进化就无法完全重现真正的达尔文进化。“这还算不上生命,”乔伊斯强调说,“生命能够在进化中‘开创’出全新的功能,我们还没有做到这一点。我们的目标是在实验室中制造生命,但是要实现它,我们就必须增加整个系统的复杂性,足以使它们进化出新的功能,而不只是对早已存在的旧有功能进行优化。”

这一目标显然有可能实现,因为乔伊斯实验室中的RNA复制分子相对简单:每个分子仅拥有两个可以变化的基因样片段(genelike section)。每一个这样的“基因”都是一段短小的RNA原料。一个复制分子就是一个RNA酶,能够把两个“基因”集结并连接起来,产生一个新的微型酶,也就是这个复制分子本体的“配体”。配体被释放后,也会集结两个不受束缚的“基因”,组装后产生一个与本体相同的克隆体。如果配体不忠实于本体,把本来并不匹配的两个“基因”连接在一起,就会产生重组体。不过,这样的重组体确实无法创造出新的“基因”。如果能够营造出一个更复杂的系统,或者给每个复制分子增加更多的“基因”来增加复杂性,创造新的基因或许有可能实现。

美国伊利诺伊大学研究DNA酶的化学家斯科特·K·西尔弗曼(Scott K. Silverman)希望:“在新的分子中捕获到达尔文进化的踪迹,我们或许能更好地理解生物进化的一些基本原则。”分子水平上的生物进化在某种程度上依旧是个不解之谜。乔伊斯与林肯就在实验的事后检验时发现,三类最成功的重组体已经形成了一个“派系”。派系中的任何一个成员出现复制错误,产生的新重组体都会是派系中另外两个成员当中的一员。

乔伊斯表示,在实验室中创造生命的下一个重大步骤,就是改造(或进化)出一系列合成分子,以便在复制的同时还能行使新陈代谢的作用。哈佛大学医学院的遗传学家杰克·W·绍斯塔克(Jack W. Szostak)已经开发出一种与ATP结合的无机蛋白,而ATP这种携带能量的化学物质对新陈代谢至关重要。绍斯塔克的实验室还在尝试制造原生细胞(protocell),也就是把RNA包裹进一种被称为胶团(micelle)的脂肪酸小球,这种小球能够自发地形成、合并及复制。

尽管生物学家在想方设法用RNA和其他基本物质拼凑成某种形式的人造生命,但这种人工营造的系统可能一开始就过于复杂,很难证明40亿年前自然生命也是由类似的方式产生的。乔伊斯指出,尽管他的复制分子只包含50个化学“字母”,但是随机出现这么一条序列的几率只有大约1/1030。“如果复制分子的长度能够缩短到6个‘字母’,哪怕缩到10个‘字母’,我才会说我们或许找对了方向,因为按照人们的设想,这样的分子才会 (在原始有机物质汤中)自发形成。”

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16 Responses to “试管中的进化(环科译稿)”

  1. luscky说道:

    抢到根沙发试管。

  2. 我想知道更多说道:

    没有沙发。。。。就拿我的屁股当下吧。。。

  3. 艾高说道:

    觉得Joyce的 RNA World很有意思。但是我有一个问题不解,DARWIN进化论中有“适者生存”,那谁能定义“试管系统”是属于哪种适者?抑或是初期就已是死胎。

  4. 披着松鼠皮说道:

    看完后发现中学学校学的东西很简单。也要很多错的地方。。。望中国的教育体制要所改变。不要一味的培育一些高分的理工男和博士女(死脑瓜子的)这样下去松鼠会的吓一棒就没人来接了.

  5. 茶泡饭说道:

    哈~真的很有趣,谢谢供文。
    我觉得在分子生物(进化)的角度来看,人体就只是基因的载体,活着的目的就是为了传载基因,让基因尽量地存活并繁衍(复制?)。而作为一个有意识的生命体,哪怕这种意识,例如自我,仅仅是大脑衍生出来的幻觉假象,也会直觉地否认生命的目的就是这么简单的这一(残酷?)事实。有时候忍不住叹息一下下:自然上地生存意义和自我意识上的生存意义竟然相差这么远。。。
    文章有三个地方不懂(我没有太多这方面的知识啦~):
    1.“每个分子仅拥有两个可以变化的基因样片段(genelike section)”这句话,是不是意味着还有其它不能变化的基因样片段?那它们的作用是?
    2.三类最成功的重组体已经形成了一个“派系”——为什么就算是复制出错了也不能产生除这三个重组体以外的新基因?
    3.作为只有DNA或RNA以及蛋白壳的病毒,究竟算不算得上是生命?

    • 艾高说道:

      讨论一下
      1、找到了原文
      http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=evolution-in-a-bottle

      2、我很感兴趣病毒是不是生命。这个问题到现在没有定论的原因,我想是对“生命”的还没有通识得定义,但是病毒很有可能在科学研究中慢慢的揭开它“生命”的本质,92年的MIMIVIRUS就开始证明了。

      • 茶泡饭说道:

        看了下原文的讨论:
        有人提出“随机出现这么一条序列的几率只有大约1/1030”里的几率应该为“1/10^30"..

        此外,病毒真强大。。。从猪流感的发展可见一斑

    • mcv说道:

      生命是因为繁衍而存在,不是为了存在而繁衍。

      认为所有事物都有目的,这本身“仅仅是大脑衍生出来的幻觉假象”

  6. funyi说道:

    看完这个想到何夕最新的那篇科幻小说

    在试管中创造世界

  7. Peter说道:

    这期的环科我买了,这篇是我最感兴趣的,可惜不知道是翻译的问题还是我自己的问题,感觉读起来很不通顺。

  8. 冰雪学徒说道:

    让我想到《SFW》上何夕的新小说《十亿年后的来客》,什么时候也许真的就成真了呢

    • CAF说道:

      记得还有一篇科幻小说叫《微观世界的神》说的也是在实验室的进化
      不过最后进化成了一种超级物种。。。

  9. anakin说道:

    翻译此类专业前沿的文章不易,且存在最大的困难是一些词汇,很难把专业性意义表达出来。学此专业的童鞋看原文要很舒服一些,而对大多其它专业的童鞋,只能大略了解下文章的意思了。

    肯定是做了挑选,把少数合适的报道翻译过来介绍给大家,非常感谢;如何做得更好还可以琢磨下(比较苛刻的提要求了:P)

    配图和文章其实并不怎么相关,无非涉及到RNA这个词汇。(题图似乎更远了)

  10. ving Chaveliar说道:

    看了这篇文章后..我有一个想法..
    生物的进化..其实会不会不是DNA的自行突变..而是RNA在转录和翻译的过程之中..改变了原来相应的反密码子所形成的..依旧是说..mRNA或者是tRNA在运行时..自行的改变模版的基因

  11. Persianmoon说道:

    最终,我们会发现我们不过是一堆星辰

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