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研究人员为探究生命起源中 RNA 群落的转变，构建 MCRS 和 SCM 模型，发现从表面到囊泡的过渡可行，为生命起源提供新视角。
在生命起源的研究领域，一直以来充满着神秘与未知，如同在黑暗中摸索前行。传统的研究方式，要么侧重于从理论角度聚焦自我组织的规则，要么在实验室中尝试合成生物分子，但这两种方式都存在一定的局限性。在实验室里模拟原始地球条件合成有机分子时，往往需要特定的条件和高浓度的反应物，而且非酶促反应网络常常会产生焦油状的混合物，难以得到足够的生物源化合物。尽管无机催化剂能在一定程度上引导反应，但因其缺乏催化特异性，副反应仍然会阻碍反应网络的持续进行。
为了突破这些困境，探寻生命起源的奥秘，来自匈牙利的 HUN-REN 生态研究中心进化研究所、ELTE E?tv?s Loránd 大学等机构的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们提出了一个两阶段的生命起源场景，旨在将两个 RNA 世界模型通过一个明确的动态界面联系起来，模拟代谢合作的 RNA 复制子群落从矿物表面转移到膜囊泡群体的过程。相关研究成果发表在《Communications Biology》杂志上。
研究人员构建了两个基于主体的模型：代谢耦合复制系统（Metabolically Coupled Replicator System，MCRS）和随机校正模型（Stochastic Corrector Model，SCM）。这两个模型建立在系统化学、分子生物学、生态学和进化生物学的原理之上。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。他们通过计算机模拟的方式，对 MCRS 和 SCM 模型进行构建与分析。在模拟过程中，设定了一系列参数，如系统大小、复制子扩散系数、代谢邻域大小等，以此来研究不同参数条件下复制子群落的动态变化。同时，利用随机抽样的方法，模拟从 MCRS 到 SCM 的过渡过程，观察复制子群落的适应性和变化。
下面来具体看看研究结果。
- 表面结合阶段：代谢耦合复制系统（MCRS）：模拟从一个未进化但具有酶活性的复制子池开始。研究发现，代谢邻域大小（Nme）是 MCRS 系统能否存活的关键因素。当Nme过小时，代谢邻域无法包含完整的代谢群落；而当Nme过大时，系统会趋近于平均场模型，导致低复制率的复制子消失，最终代谢群落崩溃。此外，复制邻域大小（Nrep）和扩散（D）对模型行为有相似影响，适当增加它们能为复制子提供更多空间混合，但过度混合可能不利于系统生存。在 MCRS 中，复制子的各种特征，如频率、平均复制能力（R）、长度、折叠性（吉布斯自由能）和催化活性等，在弱组选择的作用下，最终都朝着准稳态分布进化，以确保所有复制子类型具有相同的相对适应度，维持共同代谢的功能。同时，研究还发现，在限制性的代谢邻域大小下，MCRS 中的一些催化活性复制子倾向于进化出顺式 promiscuity，但反式 promiscuity 更为频繁。
- 两个阶段之间的过渡：研究人员通过从 MCRS 的准稳态中采样复制子群落，将其放入囊泡中，然后让 SCM 在由此产生的囊泡群落上继续运行，以此模拟从表面到囊泡的过渡过程。在采样单元大小与实际系统大小和代谢邻域大小一致的情况下，约 29.9% 的囊泡在代谢上是完整的，但只有约 6% 的囊泡能够在基于单囊泡异步过渡启动的长期 SCM 模拟中扩散。同时，研究发现，同步过渡和顺序过渡两种方式在启动 SCM 后，囊泡群体的动态和复制子内容最终都会趋于收敛。
- 原细胞阶段：随机校正模型（SCM）：SCM 可以在与 MCRS 相同的条件下，从相同的未进化但具有酶活性的随机代谢复制子池中成功初始化，但系统大小A>5时则无法初始化。这表明 SCM 不太可能从随机的复制子池中启动，而从类似 MCRS 的复制子群落中启动则更容易。在 SCM 中，分裂大小（S）和囊泡数量（N）是影响系统持续性的重要参数。分裂大小S应保持尽可能低，以维持随机校正机制，但在较大的系统大小A下，模拟在低于一定分裂大小S时无法存活。此外，SCM 中复制子群落的共同进化过程与 MCRS 不同，组选择在囊泡中的离散群落间更强，导致更有效的选择，复制子特性和群落结构变化更快。在 SCM 中，复制子的吉布斯自由能相对较高，这意味着其二级结构不如 MCRS 稳定，但允许更快的复制。同时，SCM 中顺式 promiscuous 复制子的数量较高，这有助于降低分类负荷，提高囊泡代谢系统的选择性。
综合来看，这项研究通过构建 MCRS 和 SCM 模型，深入探究了生命起源中 RNA 群落从矿物表面到囊泡的过渡过程。研究结果表明，在生命起源的过程中，表面结合的复制子群落可能是向细胞生命过渡的重要前适应阶段。MCRS 和 SCM 在代谢和进化上具有不同的优化策略，MCRS 是 “降解驱动”，而 SCM 是 “复制驱动”。SCM 具有更高的进化潜力，为后续生命进化过程中涉及的新催化功能的整合提供了更好的环境。此外，该研究还为相关的实验研究提供了理论基础，为进一步探索生命起源的奥秘指明了方向。
