用數學計算演化原理的科學家：諾瓦克

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能自我複製的小分子如何主宰原始地球？諾瓦克利用演化動態的數學原理，解開生命的起源。 撰文╱瓦克斯
翻譯／張亦葳

 

今年3月，諾瓦克進行的「懲罰價值」（value of punishment）研究引發了一陣騷動。身兼美國哈佛大學數學家及生物學家雙重身分的諾瓦克，當時徵求上百位學生試玩一種電腦遊戲，以10美分來獎勵或懲罰另一個人。大家通常認為，須付出代價的懲罰可促使兩個勢均力敵的對手互相合作，但諾瓦克跟他的同事卻證明這個想法是錯誤的。他們發現，懲罰反而會引起一連串的報復，造成負面且具破壞性的結果，完全沒有好處。懲罰別人的人容易引發衝突並損失財富，最後被淘汰出局。「好人贏得最終的勝利」這個標題倒頗能振奮人心。

諾瓦克以電腦模擬及數字計算讓大家重新思考某個複雜的現象，這其實不是第一次。2002年，他曾經推導出方程式，可預測癌症的形成和擴散，包括轉移的癌症何時出現突變，以及染色體變得不穩定的時間點。1990年代初期，諾瓦克也曾經透過疾病發展模型指出，只有在HIV複製夠快的情況下，病毒品種變異性才會到達某一程度而勝過免疫系統，導致愛滋病。後來，免疫學家證實了他推論的機制。現在，諾瓦克想再次嘗試，運用類似的方式來預測生命起源，他表示，他尤其著重在「由無生物轉變成生物」的過程。

即使一開始學的是生物化學，現年43歲的諾瓦克相信，數學是科學的真正語言，只有靠它才能釐清某些謎團。諾瓦克在奧地利維也納大學就讀研究所的時候，與奧地利的演化賽局理論翹楚西格蒙德（Karl Sigmund）共事，因而開始探索演化學中的數學世界。諾瓦克所謂的「演化動態」包含了一些用以描述天擇、基因突變、隨機的遺傳漂變以及生物族群結構等演化基本元素的數學方程式。透過這些方程式，可推敲的包括不同性狀的個體以不同速度繁殖時會發生什麼事，以及因突變而產生的新品系如何取代原本的族群等問題。

哈佛大學演化動態實驗室裡，牆上的黑板寫滿了方程式。諾瓦克一直努力將生命的起源簡化成最簡單的化學系統，以便用數學算式來描述。他用0和1表示最原始生物體內的化學分子（大多由腺嘌呤、胸腺嘧啶、鳥嘌呤、胞嘧啶或尿嘧啶所構成），在他的系統中，這些單體（monomer）可隨機並自動組合成一連串二進位的資訊。

諾瓦克目前正在研究這個系統的化學動力原理，用它來進一步探討這些二進位的資訊如何繼續延伸。他說在理想狀態下，此基本原理適用於實驗室內單體可自行組合的任何化學系統，他解釋道：「這就如同牛頓定律可說明行星環繞太陽的方式，而與行星內部的構造及成份無關。數學讓我們明白實驗中關鍵且有趣的部份，它描述了可形成的化學系統，而一旦化學系統形成了，演化的起源便呼之欲出。」

真的這麼簡單嗎？現在，諾瓦克的系統還停留在紙筆和電腦階段。以數學表達固然容易，但想在實驗室操作就困難重重了，因為那是在沒有任何酵素或模版的情況下，讓單體自行組合。美國加州大學聖克魯茲分校的分子生物工程學家狄默（David W. Deamer）表示：「產生核酸的過程不是那麼簡單，當中一定有某種起始原料，但我們對這部份仍不甚了解，也不知道該如何在實驗室不經酵素協助，單靠物理、化學方法來製造出這種原料。」

1980年代，美國聖地牙哥沙克生物研究院的生化學家歐吉爾（Leslie E. Orgel）及其研究團隊發現，一段RNA可做為模版，製造出另一股互補的RNA，這是由模版引導、無需酵素的一種聚合現象。但若是連模版都沒有，核酸就更難自行組合在一起了。諾瓦克說：「我希望能找到讓聚合物自然產生的過程。」

哈佛大學分子起源研究員程愛倫表示，想在沒有酵素的情況下讓RNA或DNA單體聚合，必須把一種叫做咪唑（imidazole）的化合物連接至單體的某一端，以提高其活性，使其更快、更容易進行聚合反應。另外有學者發現，脂質或黏土的存在也很重要，它們能加速反應的進行。舉例來說，美國壬色列工學院的化學家費里斯（James P. Ferris）在一塊無機黏土（可能普偏存在於生命起源前的原始地球）上，誘使腺嘌呤核酸組合出一小段約40~50個核酸的RNA。

【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人2008年第81期11月號】