經過一個對生命起源研究具有誘人意義的漫長實驗，來自日本的一個研究小組報告稱，他們創造了一個由分子組成的試管世界，這些分子自發地演化出複雜性並且令人驚訝地演化出合作。
這項研究的論文第一作者、東京大學的項目助理教授Ryo Mizuuchi指出，在數百小時的複製過程中，一種單一類型的RNA進化成了五個不同的分子“物種”或宿主和寄生蟲的世系，它們和諧共存、合作生存並就像一個“分子版的生態系統”的開始。
他們的實驗證實了以前的理論發現，即具有複製手段的分子可以通過達爾文進化自發地發展出複雜性，“這是生命出現的關鍵步驟，”研究人員寫道。
Mizuuchi說道：“我們可以提供直接的證據；我們可以看到當一個複製的分子在試管中複雜化時實際上會發生什麼。”
沒有參與這項研究的荷蘭格羅寧根大學系統化學教授Sijbren Otto表示，這是朝着在實驗室中進化出一個複雜的複製者網絡邁出的第一步，也可能是最重要的一步，“有了這裡展示的東西，未來的道路變得更加清晰，人們變得更加樂觀並認為這實際上可以成功。”
來自倫敦大學學院的計算生物學家Joana Xavier稱讚Mizuuchi和他的同事的工作是一個偉大的概念證明，其展示了一個最小的系統是如何能夠複雜化的。
Spiegelman的怪物的產兒
新實驗的根源可以追溯到20世紀60年代，當時分子生物學家Sol Spiegelman在他的實驗室里創造了他稱之為“小怪物”的東西。儘管這個標籤有弗蘭肯斯坦的影子，但他的小怪物不是綠色的、方眉的、咆哮的–甚至是沒有生命的。它是一種合成分子，從而可以在試管中充滿自己的副本。
Spiegelman的怪物是一條基於病毒基因組的RNA變異鏈。這位生物學家發現，只要在有核苷酸構件和一種叫做複製酶的聚合酶的情況下加熱和混合他就可以無限期地複製它。然而，他很快意識到，他的分子隨着時間的推移變得越來越小。脫離了不必要的基因的副本複製得更快，這提高了它們在樣品中被收集並轉移到新試管中進一步複製的機會。就像生物物種一樣，他的分子在自然選擇的壓力下開始變異和進化，從而可以在它們的玻璃世界中更好地生存。
這些研究是世界上第一個在分子水平上展示達爾文進化論的實驗–“通過自然選擇的進化，適者生存”，美國國家衛生研究院國家生物技術信息中心的傑出調查員Eugene Koonin說道，“在那些條件下，適者生存僅僅意味着最快的複製。”
Spiegelman的工作激發了數十年的進一步研究，其中大部分是關於生命起源的基礎性研究，另外還為RNA世界假說提供了燃料，即生命源於自我複製的RNA分子。但這些研究沒有回答一個關鍵問題。一個單一的分子複製器能否演變成一個由多個複製器組成的複雜網絡？
大概十年前，當Norikazu Ichihashi還是日本大阪大學生物信息工程的副教授時他就開始通過調整Spiegelman的試管世界來了解答案。“我們試圖把我們的系統開發得更逼真一點，”Ichihashi說道。
對此，Ichihashi和他的團隊開發了一種編碼複製酶的RNA分子，它可以製作RNA的副本。但為了使分子能翻譯自己的代碼，科學家們需要增加一些東西：核糖體和其他基因翻譯機器，他們從普通的腸道細菌大腸桿菌那裡借來的。他們將這些機器嵌入液滴中並將它們加入到RNA和原料的混合物中。然後是多年乏味的混合和等待。
他們的長期實驗包括在37攝氏度下孵化其複製系統、添加帶有新鮮翻譯系統的新液滴並攪拌混合物以誘導複製。每隔幾天左右，他們就對試管中的RNA濃度進行分析，另外每隔一周左右他們就從最新的混合物中冷凍樣品。每隔半年左右，他們對收集到的大批量樣本進行測序以查看RNA是否獲得了新的突變並進化成一個新的世系。
試管中的進化
經過215個小時和43輪的複製，研究人員開始看到有趣的結果，他們在2016年的《Proceedings of the National Academy of Sciences》上報告了這些結果。原始的RNA已經被另外兩種RNA的世系所取代。其中一個被研究人員描述為“宿主”，其可以使用自己的複製酶來複制自己，就像原來的分子一樣。另一個世系，一個“寄生蟲”則需要借用宿主的基因表達機制。
當Ichihashi和他的同事將實驗擴展到600小時內的120輪複製時，他們發現宿主系已經分裂成兩個獨立的宿主系，而其中一個宿主已經進化出兩個不同的寄生蟲。但不僅僅是世系的數量增加了，它們之間的互動的複雜性也增加了。宿主獲得了干擾寄生蟲劫持其複製資源能力的突變–但寄生蟲也發展了作為防禦這些障礙的突變。宿主和寄生蟲似乎在共同進化。
科學家們在2020年的《eLife》上報告稱，寄生蟲和宿主的種群在“進化軍備競賽”中爭奪領域時發生了巨大波動。每個RNA譜系都短暫地上升到主導地位，然後被另一個譜系奪走。現在是東京大學教授的Ichihashi說道：“如果一個世系佔優勢，那麼另一個世系就會下降。”
但研究人員繼續進行實驗，直到第130輪時，另一個宿主已經進化出來。到了第160輪，其中一個寄生蟲消失了；幾輪之後，另一個寄生蟲出現了。到了第190輪，研究人員發現了一個新的驚喜。每個世系的種群的巨大動態波動已經開始讓位於較小的波動。這種穩定表明，這些世系不再是競爭性的複製。相反，它們已經開始作為一個網絡進行互動並在一種准穩定的共存狀態下進行合作。
Mizuuchi和Ichihashi（當時是一橋實驗室的博士生，現在是東京大學的研究員）一起做了這些實驗，他們對這些發現感到震驚並在3月的《Nature Communications》上做了報告。Mizuuchi指出，它們只是“單純的分子，這是非常出乎意料的”。
合作的寄生蟲做他們的工作
Koonin同意他們的發現是引人注目的。他表示，他們的實驗裝置更加精細、更加實際、結果也更加複雜和豐富，但其可以跟Spiegelman完全兼容。研究人員觀察了單一類型的分子在自然選擇下的複製和收集突變–但隨後更進一步，讓不同的分子在彼此的影響下進化成一個群體，就像活細胞、動物或人的群體一樣。在這個過程中，研究人員探索了一些規則，這些規則決定了這種複雜的群體要成為穩定和持久的群體。
其中一些結果證實了早期關於複雜性如何在病毒、細菌和真核生物中產生的實驗研究的預測及一些理論工作。如Koonin實驗室的一項研究還顯示，寄生蟲在複雜性的出現中是不可避免的。
“如果沒有寄生蟲，這種程度的多樣化可能是不可能的。寄生蟲和它們的宿主互相施加的進化壓力導致雙方分裂成新的世系，”Mizuuchi說道。
出現的一個更令人驚訝的基本原則是合作的關鍵作用。這五個世系屬於不同的小型合作網絡，而且有些世系比其他世系更有合作性。
Xavier表示，科學家們長期以來一直專註於研究進化中的競爭，以至於合作的作用有點被忽略了。“我認為合作也將開始發揮重要作用，特別是在起源方面，因為有這麼多東西必須以正確的方式結合在一起。”
在Ichihashi、Mizuuchi和他們的同事觀察到的系統中，RNA之間的合作完全集中在複製上。但研究人員希望，通過調整試管內的自然選擇標準將有可能迫使RNA也進化出完全不同的功能，如代謝功能。
不同的命運
加州大學聖克魯茲分校生物分子工程研究教授David Deamer指出：“科學家們喜歡互相娛樂，而最好的娛樂是一個驚喜。”他認為這是一篇好的論文，但他指出，在實驗室里發生的事情可能不會轉化為在生命的黎明發生的事情。
事實上，Ichihashi實驗室中的情景不可能反映出生命開始時的情況，因為實驗依賴於大腸桿菌的翻譯機器。“生命起源的典型問題是蛋白質合成本身是如何開始的，”北卡羅來納大學醫學院的生物化學和生物物理學教授Charlie Carter說道。
不過Koonin認為，如果研究人員找到了一種使用真正的自我複製的分子系統來進化複雜性的方法，他們將看到跟論文中描述的網絡非常相似的東西。“它們至少很好地說明了在生命起源中可能發生的過程類型，”Koonin說道。
對Otto來說，這項研究表明，一旦解決了這種複雜程度的分子的精確複製問題，它們將進一步複雜化。他指出，這項實驗沒有向人們展示是如何到達那裡的，但一旦在這個階段到達那裡它確實描繪了未來的道路。
Ichihashi和他的同事繼續研究以此來想看看他們是否能在一個單獨的實驗中重新創建同樣的可持續網絡，為此他們提取了五個系的樣本。然而這一次，他們發現，雖然其中四個世系繼續複製並生存了至少22輪，但第五個世系卻消失了。“我不知道為什麼，這是一個非常奇怪的點，”Ichihashi說道。
一種可能性是，該系統甚至比研究人員想象的還要複雜，當分離出這五個世系時，其錯過了對消失的世系的生存至關重要的第六個世系。通過理論模型，Ichihashi的研究小組證實，剩下的四個世系可以可持續地、相互依賴地進行複製，並且敲除這四個世系中的任何一個都會導致其他世系中至少一個的滅絕。此外，他們的模擬還指出了一個反常的發現，即打掉其中一個寄生蟲將導致其宿主的滅絕。
與此同時，研究人員繼續進行他們的主要試管實驗並在等待觀察他們的網絡是否會進一步複雜化。另外，他們還已經開始了類似的實驗，他們使用的是DNA而不是RNA。
Ichihashi說道：“我們觀察到的只是這些分子複製者社區如何演變的開始。我認為它們在未來會有不同的命運–我們無法預測會發生什麼。”