摘要：天体生物学（研究宇宙中的生命）面临的最大挑战之一是了解生命本身的本质。一个多世纪以来，生物学家已经认识到地球上的生命是由DNA、RNA和氨基酸等基本成分构成的。化石记录进一步表明，生命遵循了多种进化路径，形成了种类繁多的生物。然而，证据也表明，进化的可能性并不

哪些分子形成了 RNA？我们能用它们来确定宇宙中生命可能形成的地方吗？图片来源：NASA/Jenny Mottar

了解科学家如何将生物学、合成生物学和天体生物学相结合来推测外星生命形式，重点关注可能超越地球生物圈的共同特征。

天体生物学（研究宇宙中的生命）面临的最大挑战之一是了解生命本身的本质。一个多世纪以来，生物学家已经认识到地球上的生命是由DNA、RNA和氨基酸等基本成分构成的。化石记录进一步表明，生命遵循了多种进化路径，形成了种类繁多的生物。然而，证据也表明，进化的可能性并不是无穷无尽的；趋同和约束极大地塑造和限制了生命的形式。

这给天体生物学家提出了一些有趣的问题：其他星球上的生命可能是什么样子？我们对地球生物学的了解能帮助我们预测外星生命吗？由圣达菲研究所 (SFI) 领导的一组研究人员在最近的一项研究中探讨了这些问题。通过研究来自不同科学学科的案例研究，他们确定某些基本限制使得某些生命形式不太可能存在。

研究团队由庞培法布拉大学ICREA复杂系统实验室负责人、圣达菲研究所(SFI)外聘教授Ricard Solé 领导。他的团队成员包括多位 SFI 同事以及格拉茨大学生物研究所、复杂多层网络实验室、帕多瓦网络医学中心(PCNM)、于默奥大学、麻省理工学院 ( MIT )、佐治亚理工学院、东京理工学院和欧洲生命技术中心(ECLT) 的研究人员。

艺术家对太古代地球的印象。图片来源：Peter Sawyer/史密森尼学会。

研究小组考虑了如果星际探测器降落在系外行星上并开始寻找生命迹象，它可能会发现什么。这样的任务如何识别在与地球不同的生物圈中进化的生命？假设生命的出现需要物理和化学先决条件，那么出现生命的几率可能会大得多。然而，当我们超越进化生物学和天体生物学来考虑合成生物学和生物工程时，问题就变得复杂得多。

索莱和他的团队认为，所有这些考虑因素（综合起来）都归结为一个问题：科学家能否预测除了我们已知的地球生物圈之外，还可能存在哪些生命组织形式？索莱说，在不知道要寻找什么和合成生物学的挑战之间，这对天体生物学家来说是一个重大挑战：

“最大的问题是生物特征的检测。以适当的分辨率检测系外行星大气正在成为现实，并将在未来几十年内得到改善。但我们如何定义一个可靠的标准来表明测量的化学成分与生命有关？

“[合成生物学] 将成为这次冒险的平行线索。合成生命可以提供深刻的线索，让我们知道在给定条件下会发生什么以及发生的可能性有多大。对我们来说，合成生物学是一种向大自然探寻可能性的有力方法。”

氨基酸和肽结合形成有机细胞的序列。来源：peptidesciences.com

为了研究这些基本问题，研究小组考虑了热力学、计算、遗传学、细胞发育、脑科学、生态学和进化方面的案例研究。他们还考虑了以前的研究，这些研究试图根据趋同进化（不同物种独立进化出相似的特征或行为）、自然选择和生物圈施加的限制来模拟进化。索莱说，由此，他们确定了所有生命形式都表现出的某些要求：

“我们研究了最基本的层面：生命在销售中的逻辑，考虑到几个似乎无法逃避的信息、物理和化学界限。例如，细胞作为基本单位，在结构方面似乎是一个预期的吸引子：囊泡和胶束会自动形成，并允许离散单元的出现。”

作者还指出了历史上人们预测生命的一些复杂特征的例子，这些特征后来被生物学家证实。一个主要的例子是埃尔温·薛定谔 1944 年出版的《生命是什么？》一书，他在书中预测遗传物质是一种非周期性晶体——一种非重复结构，但仍具有精确的排列——它编码了指导生物体发育的信息。这一提议启发了詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克进行研究，并最终于 1953 年发现了 DNA 的结构。

然而，索莱表示，约翰·冯·诺依曼的工作也比分子生物学革命早了好几年。他和他的团队提到了冯·诺依曼的“通用构造器”概念，这是一种基于细胞生命和繁殖逻辑的自我复制机器模型。“原则上，生命可以采用非常多样化的配置，但我们认为所有生命形式都会有一些不可避免的特征，例如线性信息聚合物或寄生虫的存在，”索莱总结道。

冯·诺依曼的自我复制通用构造器的首次实现。图中展示了三代机器：第二代机器即将完成第三代机器的构建。来源：Wikimedia/Ferkel

与此同时，作者补充道，在天体生物学能够自信地预测宇宙中生命可能呈现何种形式之前，还有很多工作要做：

“我们提出了一系列案例研究，涵盖了广泛的生命复杂性属性。这为发展基础提供了明确的路线图。在某些情况下，例如寄生虫的必然性，观察结果非常强烈，我们对为什么会发生这种情况有一些直觉，但还没有一个普遍的理论论据。开发和证明这些想法需要从计算和合成生物学到生态学和进化等不同领域之间的新联系。”

该团队的论文“生命系统逻辑的基本限制”发表在《界面焦点》（皇家学会出版物）上。

改编自《今日宇宙》上最初发表的一篇文章。

参考文献：“生命系统逻辑的基本约束”作者：Ricard Solé、Christopher P. Kempes、Bernat Corominas-Murtra、Manlio De Domenico、Artemy Kolchinsky、Michael Lachmann、Eric Libby、Serguei Saavedra、Eric Smith 和 David Wolpert，10 月 25 日2024年，界面焦点。DOI：10.1098/rsfs.2024.0010

来源：康嘉年華