生命起源过程中“生物信息系统替代”的计算机模拟研究

"生物信息系统"由相互依赖的"遗传信息延续"和"信息功能实现"子系统组成，其载体分别为DNA和蛋白质，在生命起源过程中难以同时出现。目前诸多证据支持"RNA世界"假说，即起初这两大子系统的载体都是RNA。此假说需要阐释这种RNA生命如何被"DNA/RNA/蛋白质"生命替代；同时，由于核苷酸难以由前生命化学合成，在"RNA世界"之前很可能还有一个"pre-RNA世界"，那么此替代过程也需要阐释。然而，生命起源过程中的这种"生物信息系统替代"历时漫长，实验工作难以直接研究其演化机制。基于我们前期建立的有关RNA世界中的分子和原始细胞演化的模拟平台，本项目拟建立"从pre-RNA世界到RNA世界"以及从"RNA世界到DNA/RNA/蛋白质世界"的演化模型，进行"生物信息系统替代"的计算机模拟研究，旨在探讨该演化过程的动力学机制和限制条件，为相关的实验研究提供线索，从而推进生命起源问题的科学探索。

由相互依赖的“遗传信息延续”子系统和“信息功能实现”子系统组成的“生物信息系统”在生命起源过程中难以同时出现。生命起源领域的中心学说“RNA世界”假说认为，起初，这两大子系统的载体，即“遗传信息载体”和“功能实现载体”可能都是RNA分子。此假说需要解释RNA分子作为主要的遗传信息载体如何被DNA取代，以及作为主要的功能实现载体如何被蛋白质取代；同时，由于核苷酸难以由前生命化学合成，在RNA世界前很可能还有一个由类RNA分子组成的“pre-RNA世界”，那么“从pre-RNA世界到RNA世界”的替代过程也需要解释。然而，由于生命起源过程中的这种“生物信息系统”替代过程是在漫长的地质年代中发生的，实验研究难以直接探索其具体的演化机制，进展十分缓慢。另一方面，相关的理论研究缺乏有效的计算机模型，主要的工作仍停留于推测和假想。基于我们前期建立的有关RNA世界中的分子演化和原始细胞演化的计算机模拟研究平台，本项目建立了“从pre-RNA世界到RNA世界”以及从“RNA世界到DNA/RNA/蛋白质世界”的计算机模型，进行了“生物信息系统替代”的计算机模拟研究，探讨了该演化过程的动力学机制和限制条件，为生命起源中这种演化过程的研究提供了理论依据和实验线索，增进了我们对生命本质问题的理解。其中最重要的结果在于"RNA世界”中DNA的出现相关的计算机模拟，此模拟明确显示，遗传替代过程是可能的，并且很可能是由很简单机制触发的。此研究在相当大的程度上支持了RNA世界的存在性，甚至“前RNA世界”的存在性，并说明生命在本质上是基于信息，而不是物质的，从而为我们理解生命本质提供了十分有价值的证据。