试管中的RNA分子自主进化出了一个复杂微型“生态系统”-浩瀚科普

说到DNA（脱氧核糖核酸），相信就算是对科普完全没有兴趣的人估计也听说过这个名词，这是生物存在的基石，携带了生命遗传物质。但是其实生命的遗传物质并不仅仅只有DNA，还有今天我们要说的RNA，中文名是核糖核酸。

国外科学家在一根试管中，放入了一种RNA分子，经过数百个小时的“进化”，这些RNA分子居然进化出了5种不同的分子“物种”，这些分子物种有的成为了宿主，有的成为寄生分子，它们在试管中和谐共处，如同一个小小的生态系统。

在几十亿年前，当生命在海底热泉口诞生之前，就有一些RNA分子存在了，这些RNA分子正是在不断“进化”，变得更加多样化，也更加复杂化，最终才演变成最原始的生命形态。而科学家通过这个实验证实了之前的理论猜想，那就是RNA分子会在不断的复制中通过达尔文进化自发的发展出复杂性，这是生命出现的极为关键的一步。

斯皮格曼怪物

其实早在上个世纪60年代，著名的分子生物学家苏尔•施皮格尔曼（Sol Spiegelman）就在实验室中创造了大量的“小怪物”，也就是所谓的斯皮格曼怪物。

这些斯皮格曼怪物并不是真正的生物体，甚至它们都不属于生命，只是一些合成分子。这些合成分子是基于病毒基因组的变异RNA链。斯皮格曼发现可以通过简单的在核苷酸构件和一种被称为复制酶的聚合酶的存在下，加热和混合它来无限期地复制它。然而，他很快意识到，随着时间的推移，他的分子越来越小：脱落不必要基因的拷贝复制得更快，这提高了它们被收集到样本中并转移到新试管中进行进一步复制的机会。就像生物一样，他的分子在自然选择的压力下开始变异和进化，以便更好地在它们的玻璃世界中生存。

这些研究是世界上第一个在分子水平上证明达尔文进化论的实验：自然选择的进化，适者生存，在这种情况下，适者生存意味着最快的复制。

斯皮格尔曼的工作激发了数十年的进一步研究，其中大部分是研究生命起源的基础，并为生命起源于自我复制的 RNA 分子的 RNA 世界假说提供了助力。但是这些研究没有回答一个关键问题：单个分子复制器能否演变成多个复制器的复杂网络？

大约在十年前，日本科学家试图调整斯皮格尔曼的实验方法，他们开发了一种编码复制酶的 RNA 分子，该复制酶可以复制 RNA。但是为了让分子翻译自己的代码，科学家们需要添加更多东西：核糖体和其他基因翻译机器，它们是从常见的肠道细菌大肠杆菌中借来的。他们将机器嵌入液滴中，并将它们添加到 RNA 和原材料的混合物中。

然后是多年乏味的混合和等待过程。

他们的长期实验包括在37摄氏度（人体温度或炎热的夏日）下培养他们的复制系统，用新鲜的翻译系统添加新的液滴，并搅拌混合物以诱导复制。每隔几天左右，他们就会分析试管中的 RNA 浓度，每隔一周左右，他们就会从最新的混合物中冷冻样本。每隔半年左右，他们就会对收集到的大批量样本进行测序，看看 RNA 是否获得了新的突变并进化成新的谱系。

试管中的进化

经过 215 小时和 43 轮复制后，研究人员开始看到有趣的结果，原始 RNA 已被另外两种 RNA 的谱系所取代。研究人员将其称为“宿主”，它可以使用自己的复制酶来复制自己，就像原始分子一样。另一个谱系，一种“寄生分子”，需要借用宿主的基因表达机制。

科学家并没有止步于此，而是在继续进行研究，在经过600小时和120轮复制后，他们发现宿主谱系已经分裂成两个独立的宿主谱系，其中一个宿主进化出了两种不同的寄生分子。但增加的不仅仅是谱系的数量；他们互动的复杂性也是如此。宿主获得了干扰寄生分子劫持其复制资源能力的突变——但寄生分子也产生了突变，以抵御这些障碍。宿主和寄生分子似乎在共同进化。

寄生分子和宿主的数量在“进化军备竞赛”中争夺这个领域时发生了很大的波动。每个 RNA 谱系短暂地上升到优势地位，然后失去了它的位置给另一个。

当科学家进一步实验的时候，到130轮复制以后，另外一种宿主进化了，到160轮的时候，其中一种寄生分子已经消失，而之后又出现了另外一种新的寄生分子，这些都说明RNA分子之间的竞争非常激烈。

在190轮的时候，科学家发现一个新惊喜：每个谱系的种群中巨大的动态波动已经开始让位于较小的波动。这种稳定表明谱系不再竞争复制。取而代之的是，它们开始以网络的形式进行互动，并在准稳定共存的状态下进行合作。

RNA分子之间相互合作各尽所能

这个试管中的RNA分子在自然选择的情况下复制并收集突变，但随后让不同的分子在彼此的影响下进化成一个群落，就像活细胞、动物或人的群落一样。在此过程中，研究人员探索了一些规则，这些规则管理着这些复杂社区如何变得稳定和持久。其中一些结果证实了早期实验研究的预测，即病毒、细菌和真核生物如何产生复杂性，以及一些理论工作。

出现的一个更令人惊讶的基本原则是合作的关键作用。这五个世系分属不同的小型合作网络，有的比其他的更合作。例如，到了第 228 轮，三个宿主中的一个已经进化为可以复制自己和所有其他谱系的“超级合作者”；另外两个宿主只能复制自己和其中一种寄生分子。