科学网—生命起源
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2024-11-3 08:11
| 系统分类: 海外观察
对于卡内基科学研究所的矿物学家罗伯特 ·哈森来说，查尔斯·达尔文的思考还不够深入。他说：“看看窗外。你看到了花朵，树木，还有我们建造的所有建筑，我们构建的语言。”是什么能够解释为什么随着时间的推移，地球上的一切——不仅仅是生物体——似乎变得越来越丰富和复杂？
去年，在《国家科学院院刊》上发表的一篇论文中，由哈森和卡内基的天体生物学家迈克尔 ·黄领导的一个团队提出了一个答案。他们说存在一个缺失的“自然法则”，这一法则拓宽了进化的概念，不仅促进了生命的复杂性，还促进了矿物学、化学以及恒星内部运作系统的复杂性。上周，黄和哈森欢迎了近100名来自微生物学到神经科学的不同领域的科学家参加一个关于复杂性如何产生和演变的研讨会。这也是对他们大胆提议的一次全民投票，黄在一次演讲中说，这是“对物理系统进化的解释框架，包括但不限于生物学。”
简单来说，这篇论文描述了由多样相互作用组件组成的系统，当置于允许某些配置比其它更好存续的环境中时，将不可避免地驱动向 “增加功能信息”的状态发展。也就是说，随着时间的推移，一个系统将通过一种自然选择的方式变得更加多样和复杂，丰富了生存所需的功能。然后，生物学进化，通过DNA突变创造那些通过繁殖和自然选择存续下来的配置，将是这个更广泛法则的一个子集。
这是一个吸引人的想法，乔治亚理工学院研究生命起源的生物化学家洛伦 ·威廉姆斯说，他参加了研讨会。“对我来说，很明显生物学之外也存在进化。”以多肽主链为例，即构成所有氨基酸骨架的分子链。“[生物]进化并不触及它，对吧？它在一切活着的事物中都是相同的。它一直都是这样。但我确信它是进化的产物。”只是这种进化发生在生命开始之前，他说。因此，当哈森和他的合作者提出他们的全面理论时，他说，“那真的引起了我的共鸣。”
这个想法源于哈森近 20年来记录矿物进化的过程——岩石的结晶构件。在地球历史上，它们从一开始的几十种发展到今天的数千种。例如，地球上最早的方解石形式是通过陨石的水化变化形成的；然后在25亿年前，微生物开始构建其他方解石结构，而蜗牛和蛤蜊则从仅1亿年前开始创造新的组合。
当哈森在 2008年首次提出这个想法时，同事们持怀疑态度，他说。“这就像一个似是而非的故事。”但从那时起，将数千种矿物与它们首次出现在地质记录中的日期联系起来的研究证实了它们形成了一棵随时间分枝的树，就像生物学中的系统发育树一样。这个学科现在开始确定某些珍贵或关键矿物出现的位置和时间，以及在哪些岩石中——这一事实并未被矿业行业忽视，哈森说。“有句老话，金子就在你找到的地方，”他说。“嗯，现在我们说金子在我们机器学习算法预测的地方。”
矿物也是哈森和黄新法则的最发达的案例研究。在 7月发表在《PNAS Nexus》上的一篇论文中，他们走过了矿物进化的多个阶段，计算了可能的矿物化学配置的数量，并显示随着时间的推移，这些最终持续存在的矿物数量不断增加——它们的总功能信息的增长。
一些科学家接受哈森和黄的想法，但不确定它是否必然上升到成为一条新的自然法则。 “我不会称之为物理学的新法则，只是为了不惹恼物理学家们，”维也纳大学研究代理生物学项目的系统生物学家约翰内斯·耶格尔说。其他人说它不容易生成可测试的假设。“我们还真的不能使用它，”应用分子进化基金会的天体生物学家埃丽莎·比奥迪说，她强调她喜欢这个想法。“对于他们试图覆盖的普遍性来说。”
然而，哈森和黄似乎在其他领域获得了追随者。 “当我第一次看到这篇论文时，我两个晚上都没睡好觉，”蒙彼利埃大学的进化生物学家弗雷德里克·托马斯说，他研究肿瘤生长。与构成它们的细胞和它们杀死的动物不同，肿瘤本身并不遵循传统的达尔文进化：肿瘤不寻求繁殖或通常不与器官中的其他肿瘤竞争。“但我们知道某些肿瘤会进化并且变得更加复杂和精细，”托马斯说。在9月份发表在《进化医学与公共健康》杂志上的一项研究中，托马斯和同事借鉴了哈森和黄的描述来描述肿瘤进化。
这对二人的提议也被微生物生态学采纳。今年早些时候在 EcoEvoRxiv上发布的一篇预印本中，北亚利桑那大学的菌根生态学家南希·约翰逊和圣托马斯大学的塞萨尔·马林采用了这个想法，提出了“功能性团队选择”作为解释本土植物及其根部如何选择不同组合的土壤微生物和真菌，以提高其抗干扰能力的方法。“这条法则真的很必要，”约翰逊说。“在我的世界，在微生物生态学中，它非常有用。”
甚至在计算机科学对人工生命的研究中也有它的回声，谷歌技术与社会部门的首席技术官布莱斯 ·阿格拉·伊卡斯说。“我完全支持它，”他说。“存在的就会持续。”
在研讨会上，阿格拉 ·伊卡斯展示了他的团队使用极简编程语言在虚拟环境中创建随机序列的计算机指令所做的工作，这项工作在8月份作为预印本发布在arXiv上。在每一轮中，两段代码序列被放在一起执行，然后分开。没有添加突变，环境也没有适应性压力。起初，结果只是错误，当合并的代码运行时。但经过数百万轮后，复杂的代码出现了——仿佛自然进化法则在起作用。
他说，弄清楚这些复杂的循环代码片段在做什么很棘手。 “但当然，它们做的是复制。”
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