生命為何總能“按劇本走”｜前沿動(dòng)態(tài)

原文發(fā)表于 《科技導(dǎo)報(bào)》2026年第10期科技新聞-前沿動(dòng)態(tài)

生命為何總能“按劇本走”

不同尺度上的生物過程如此精密和重復(fù)，表現(xiàn)得像是經(jīng)過排練一樣：基因組按照模板逐個(gè)堿基復(fù)制，長(zhǎng)度可達(dá)約106個(gè)堿基；核糖體由數(shù)10種組分逐步裝配而成；胚胎發(fā)育在細(xì)胞分裂與分化中保持相對(duì)穩(wěn)定。

問題在于，分子運(yùn)動(dòng)本身充滿隨機(jī)性，為什么這些過程仍能高度可重復(fù)？傳統(tǒng)解釋通常強(qiáng)調(diào)分子機(jī)器的精細(xì)糾錯(cuò)。例如，錯(cuò)配修復(fù)酶能夠識(shí)別新復(fù)制DNA中特定的堿基錯(cuò)配；適應(yīng)性免疫系統(tǒng)能夠產(chǎn)生與特定分子靶標(biāo)結(jié)合的受體。

噬菌體T4的組裝可以拆分為3個(gè)互不干擾的獨(dú)立分支：頭部流水線、尾部流水線和尾絲流水線（圖片來源：《PANS》）

然而，如果要將這種策略推廣到所有表現(xiàn)出有序軌跡的生物過程，就會(huì)遇到一個(gè)高維識(shí)別難題。可能出現(xiàn)的偏離狀態(tài)空間極其龐大，校正機(jī)器必須在每一步區(qū)分正確狀態(tài)和錯(cuò)誤狀態(tài)。以分子伴侶為例（一類幫助其他蛋白質(zhì)正確折疊、裝配、轉(zhuǎn)運(yùn)或避免錯(cuò)誤聚集的蛋白質(zhì)），一個(gè)簡(jiǎn)單的模型可能要求它們識(shí)別由各種突變導(dǎo)致的、發(fā)生在眾多目標(biāo)蛋白上的所有錯(cuò)誤折疊形式，這將構(gòu)成一個(gè)極其龐大的分子識(shí)別問題。

芝加哥大學(xué)Riccardo Ravasio、Jack W. Szostak等團(tuán)隊(duì)提出了一種更“粗粒度”的解釋：生物系統(tǒng)未必總要識(shí)別每一種具體錯(cuò)誤，只需像設(shè)置一個(gè)“時(shí)鐘”一樣，把超時(shí)、卡頓或未達(dá)標(biāo)的過程清除并重新開始，也能篩選出更有序、更可重復(fù)的行為軌跡。2026年5月13日，相關(guān)研究成果發(fā)表于arXiv預(yù)印本平臺(tái)。

研究團(tuán)隊(duì)將這一機(jī)制稱為“conditioning”，可理解為“條件篩選”：失敗的嘗試不會(huì)留下物理記錄，只有滿足某個(gè)粗略條件的過程被保留下來。以生物復(fù)制或組裝為例，如果某條路徑因?yàn)樽咤e(cuò)順序而變慢，在時(shí)間閾值內(nèi)無法完成，就被系統(tǒng)“抹掉重來”，例如停滯的核糖體裝配體會(huì)被拆解，組分被重新利用；久而久之，能夠留下記錄的，多是那些更快、更順暢、更接近標(biāo)準(zhǔn)順序的路徑。換言之，秩序并不一定來自對(duì)每一步的微觀操控，也可能來自對(duì)失敗路徑的不斷淘汰。

不過，簡(jiǎn)單重置也有代價(jià)。對(duì)于復(fù)雜過程，如果每次失敗都從頭開始，系統(tǒng)會(huì)浪費(fèi)大量已完成的工作。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出“保存點(diǎn)”（save points）機(jī)制：當(dāng)系統(tǒng)完成某些經(jīng)過驗(yàn)證的中間階段后，即使后續(xù)步驟失敗，也不必全部歸零，而是從已保存的中間狀態(tài)繼續(xù)。生物系統(tǒng)中也存在類似安排，例如病毒頭部和尾部可分別組裝后再結(jié)合，核糖體生成會(huì)經(jīng)過相對(duì)穩(wěn)定的前體狀態(tài)，核孔復(fù)合體也可由預(yù)先形成的亞復(fù)合物構(gòu)建。這樣的“保存點(diǎn)”降低了重置成本，使條件篩選有可能擴(kuò)展到更復(fù)雜的多步驟生命過程。

對(duì)于生命起源研究而言，該研究具有啟發(fā)意義：在復(fù)雜分子識(shí)別機(jī)器出現(xiàn)之前，早期復(fù)制系統(tǒng)或許只需具備某種重啟機(jī)制，就能在隨機(jī)探索中積累出更可重復(fù)的功能路徑。

（來 源： arXiv預(yù)印本平臺(tái) ）

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