早在三月份，媒體就對馬丁·A·諾瓦克關於懲罰價值的研究趨之若鶩。作為哈佛大學的數學家和生物學家，諾瓦克招募了大約 100 名學生玩一個電腦遊戲，在遊戲中他們用一角硬幣互相懲罰和獎勵。普遍的看法是，代價高昂的懲罰會促進兩個平等個體之間的合作，但諾瓦克和他的同事證明了這種理論是錯誤的。相反，他們發現懲罰往往會引發報復的螺旋，使其變得有害和破壞性，而不是有益的。懲罰者非但沒有獲益，反而傾向於升級衝突，惡化自身境況，並最終失敗。“好人有好報”，新聞標題歡呼雀躍。
這並非諾瓦克的計算機模擬和數學首次迫使人們重新思考複雜的現象。2002 年，他計算出可以預測癌症演變和擴散方式的方程式，例如轉移瘤中何時出現突變以及染色體變得不穩定。在 20 世紀 90 年代初，他的疾病進展模型證明，只有當 HIV 病毒複製速度足夠快，以至於毒株多樣性達到臨界水平，從而壓倒免疫系統時，HIV 才會發展成艾滋病。免疫學家後來發現他的機制是正確的 [參見馬丁·A·諾瓦克和安德魯·J·麥克邁克爾撰寫的“HIV 如何擊敗免疫系統”；《大眾科學》，1995 年 8 月]。現在，諾瓦克又一次要做到這一點，這次是透過建模生命的起源。具體來說，他試圖捕捉“從無生命到生命的轉變”，他說。
43 歲的諾瓦克接受過生物化學家的培訓，他認為數學是“科學的真正語言”，是解開過去秘密的關鍵。他還是維也納大學的研究生時就開始探索進化數學，與進化博弈論的領軍人物、奧地利同行卡爾·西格蒙德合作。正如諾瓦克將該領域命名的那樣，進化動力學涉及建立描述進化過程構建模組的公式，例如選擇、突變、隨機遺傳漂變和種群結構。這些公式跟蹤，例如，當具有不同特徵的個體以不同的速率繁殖時會發生什麼，以及突變體如何產生一個接管種群的譜系。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
在哈佛大學進化動力學專案中心的所在地，黑板上寫滿了方程式。諾瓦克一直忙於研究如何將生命的出現精簡為他可以用數學描述的最簡單的化學系統。他使用零和一來表示生命最初的化學構建模組（最有可能的是基於腺嘌呤、胸腺嘧啶、鳥嘌呤、胞嘧啶或尿嘧啶的化合物）。諾瓦克將它們稱為單體，在他的系統中，單體會隨機且自發地組裝成資訊二進位制字串。
諾瓦克現在正在研究該系統的化學動力學，這意味著描述具有不同序列的字串將如何生長。他說，這個理想化方案的基本原理將適用於任何基於實驗室的化學系統，其中單體會自組裝，“就像牛頓方程描述任何行星如何圍繞太陽運轉一樣，行星由什麼構成並不重要，”諾瓦克解釋道。“數學幫助我們看到最關鍵和最有趣的實驗是什麼。它描述了一個可以構建的化學系統，一旦構建完成，你就可以觀察進化的起源。”
真的可以這麼簡單嗎？目前，該系統僅存在於紙上和計算機中。儘管在數學上很容易建模，但在實驗室中製造該系統卻很棘手，因為它在沒有任何酶或模板來幫助單體組裝的情況下開始。“很難想象製造核酸的簡單方法，”加州大學聖克魯斯分校的生物分子工程師戴維·W·迪默說。“必須有一種起始材料，但我們非常深入一個模糊的領域，我們對如何在實驗室中重新創造它或如何在沒有酶的幫助下僅使用化學和物理方法使其工作沒有好的想法。”
在 20 世紀 80 年代，生物化學家萊斯利·E·奧格爾和他在聖地亞哥索爾克生物研究所的研究小組表明，RNA 鏈可以作為模板，用於製造另一條互補 RNA 鏈——這種現象稱為非酶模板指導的聚合。然而，弄清楚核苷酸如何在沒有模板的情況下自組裝已被證明更加困難。“我想要一個可以包含聚合物的過程，”諾瓦克說。
哈佛大學的細胞起源研究員艾琳·陳說，RNA 或 DNA 單體在沒有酶的情況下形成聚合物的一種方法是在單體的一端新增一種叫做咪唑的化合物，使其更具反應性，聚合速度更快、更容易。脂質或粘土也可能是必不可少的——其他研究人員已經表明，它們可以幫助加速反應。例如，在倫斯勒理工學院，化學家詹姆斯·P·費里斯誘導腺嘌呤核苷酸在一種礦物粘土上組裝成 RNA 短聚合物——長度為 40 到 50 個核苷酸的鏈，這種礦物粘土可能在益生元世界中很常見。
諾瓦克使用他的數學模型，研究導致這些鏈的化學反應，併為這些反應分配速率常數。也就是說，他想象具有不同二進位制資訊的字串以不同的速率生長，有些字串比其他字串更快地吸收單體。然後他計算它們的分佈。他注意到，生長速率的微小差異會導致丰度的微小差異；生長較慢的序列在種群中較少見，被更快的序列淘汰。“我發現這很棒，”諾瓦克驚呼，“因為現在你以完全自然的方式在複製之前就有了選擇。”
一些鏈發生突變，有時一個序列會加速其他序列的反應速率，這證明了合作的型別，諾瓦克長期以來認為合作是進化的基本原則。他說，總而言之，結果是一個充滿進化動力的類生命化學系統。他稱這個系統為“前生命”，因為“它具有生命的品質——遺傳多樣性、選擇和突變——但沒有複製。”
通常，突變和選擇被視為複製的後果。例如，如果突然之間，加拉帕戈斯群島的雀類只能獲得又大又硬的種子，那麼那些喙更大、更強壯的雀類更有可能生存下來，並且一代又一代，它們將在種群中變得更加常見。對性狀（無論是喙的大小還是其他性狀）的選擇取決於將該性狀的基因傳遞給後代。但諾瓦克說，他的模型表明，在複製之前可能存在選擇——這意味著可能存在對複製的選擇。他指出，如果這種選擇是可能的，也許它可以幫助解釋生命的起源。
所有必要的條件是，少數鏈突然發展出複製自身的能力——一些研究人員認為，某些 RNA 鏈最初在原始地球上佔據主導地位的方式。諾瓦克指出，必須有足夠的遊離單體存在才能使複製有利，並且複製鏈必須能夠比非複製鏈更快地消耗單體。根據他的計算，只有當複製率超過某個閾值時，系統的平衡才會改變，從而允許生命的出現。“生命摧毀前生命，”他說道。“所有這一切都發生在某個階段。”
諾瓦克希望他的模型能夠指導實驗。當談到理解進化的開端時，構建他用數學描述的化學系統——一個只有兩種型別的單體自組裝然後自複製的系統——“是你所能做的最簡單的事情，”他說。“數學是進化的正確語言。我不知道生物學的‘終極理解’會是什麼樣子，但有一點是明確的：一切都與得到正確的方程式有關。”