科学探索|科学家在试管中让RNA分子演化成一个微小的生态系统( 二 ) 科学家在试管中让RNA分子演化

他们的长期实验包括在37摄氏度下孵化其复制系统、添加带有新鲜翻译系统的新液滴并搅拌混合物以诱导复制。每隔几天左右，他们就对试管中的RNA浓度进行分析，另外每隔一周左右他们就从最新的混合物中冷冻样品。每隔半年左右，他们对收集到的大批量样本进行测序以查看RNA是否获得了新的突变并进化成一个新的世系。
试管中的进化
经过215个小时和43轮的复制，研究人员开始看到有趣的结果，他们在2016年的《Proceedings of the National Academy of Sciences》上报告了这些结果。原始的RNA已经被另外两种RNA的世系所取代。其中一个被研究人员描述为“宿主”，其可以使用自己的复制酶来复制自己，就像原来的分子一样。另一个世系，一个“寄生虫”则需要借用宿主的基因表达机制。
当Ichihashi和他的同事将实验扩展到600小时内的120轮复制时，他们发现宿主系已经分裂成两个独立的宿主系，而其中一个宿主已经进化出两个不同的寄生虫。但不仅仅是世系的数量增加了，它们之间的互动的复杂性也增加了。宿主获得了干扰寄生虫劫持其复制资源能力的突变--但寄生虫也发展了作为防御这些障碍的突变。宿主和寄生虫似乎在共同进化。
科学家们在2020年的《eLife》上报告称，寄生虫和宿主的种群在“进化军备竞赛”中争夺领域时发生了巨大波动。每个RNA谱系都短暂地上升到主导地位，然后被另一个谱系夺走。现在是东京大学教授的Ichihashi说道：“如果一个世系占优势，那么另一个世系就会下降。”
但研究人员继续进行实验，直到第130轮时，另一个宿主已经进化出来。到了第160轮，其中一个寄生虫消失了；几轮之后，另一个寄生虫出现了。到了第190轮，研究人员发现了一个新的惊喜。每个世系的种群的巨大动态波动已经开始让位于较小的波动。这种稳定表明，这些世系不再是竞争性的复制。相反，它们已经开始作为一个网络进行互动并在一种准稳定的共存状态下进行合作。

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Mizuuchi和Ichihashi（当时是一桥实验室的博士生，现在是东京大学的研究员）一起做了这些实验，他们对这些发现感到震惊并在3月的《Nature Communications》上做了报告。Mizuuchi指出，它们只是“单纯的分子，这是非常出乎意料的” 。
合作的寄生虫做他们的工作
Koonin同意他们的发现是引人注目的。他表示，他们的实验装置更加精细、更加实际、结果也更加复杂和丰富，但其可以跟Spiegelman完全兼容。研究人员观察了单一类型的分子在自然选择下的复制和收集突变--但随后更进一步，让不同的分子在彼此的影响下进化成一个群体，就像活细胞、动物或人的群体一样。在这个过程中，研究人员探索了一些规则，这些规则决定了这种复杂的群体要成为稳定和持久的群体。
其中一些结果证实了早期关于复杂性如何在病毒、细菌和真核生物中产生的实验研究的预测及一些理论工作。如Koonin实验室的一项研究还显示，寄生虫在复杂性的出现中是不可避免的。
“如果没有寄生虫，这种程度的多样化可能是不可能的。寄生虫和它们的宿主互相施加的进化压力导致双方分裂成新的世系，”Mizuuchi说道。
出现的一个更令人惊讶的基本原则是合作的关键作用。这五个世系属于不同的小型合作网络，而且有些世系比其他世系更有合作性。
Xavier表示，科学家们长期以来一直专注于研究进化中的竞争，以至于合作的作用有点被忽略了。“我认为合作也将开始发挥重要作用，特别是在起源方面，因为有这么多东西必须以正确的方式结合在一起。”