數(shù)字游戲：這個被稱為“進化動力學”的學科利用數(shù)學方法建立模型，描述基因、有機體及其他生物學參數(shù)的分布狀況如何隨時間變化。

生命之初：利用動力學方程組來探究進化選擇是否會在復(fù)制之前發(fā)生，這種方法可以解釋生命聚合物如何產(chǎn)生。

能夠自我復(fù)制的分子如何統(tǒng)治了早期地球？利用進化動力學的計算方法，馬丁·A·諾瓦克能夠解釋生命如何從無到有。

2008年3月，媒體鋪天蓋地地報道了馬丁·A·諾瓦克（Martin A. Nowak）對于懲罰價值的研究。這位哈佛大學的數(shù)學及生物學家讓大約100名學生參與了一項計算機游戲，在游戲中，他們使用硬幣對彼此進行獎懲。人們通常的觀念是，嚴重的懲罰會促進雙方合作，但是諾瓦克和他的同事們證明，這一理論完全站不住腳。與此相反，他們發(fā)現(xiàn)懲罰經(jīng)常導致一系列報復(fù)行為，使得懲罰非但毫無益處可言，反而是有害和消極的。懲罰別人的人不僅不會獲利，還會使矛盾升級，使自己運氣變差，最終導致失敗。新聞標題喜出望外地宣稱：“和善的人率先完工。”

諾瓦克的計算機模擬和數(shù)學方法迫使人家重新審視某個復(fù)雜現(xiàn)象，這已經(jīng)不是第一次了。2002年，他設(shè)計出一個方程，能夠預(yù)言癌癥產(chǎn)生及擴散的過程，比如癌癥轉(zhuǎn)移過程中何時產(chǎn)生突變、染色體何時失去穩(wěn)定性等。20世紀90年代初，他提出的疾病擴散模型證明，只有當病毒的復(fù)制速度快到一定程度，以至于病毒株的多樣性達到某一臨界水平，足以令免疫系統(tǒng)措手不及時，HIV攜帶者才會發(fā)展為艾滋病病人。免疫學家后來發(fā)現(xiàn)，這一機制完全正確。現(xiàn)在，諾瓦克再施絕招，這一次他打算模擬生命的起源。用他自己的話來說，他具體要做的是捕捉“生命從無到有的轉(zhuǎn)變過程”。

諾瓦克今年43歲，學生時代念的是生物化學專業(yè)，他相信數(shù)學是“真正的科學語言”，是開啟遠古秘密的鑰匙。在奧地利維也納大學讀研究生時，他便跟隨進化博弈論先驅(qū)、奧地利科學家卡爾·西格蒙德（Karl Sigmund）開始探究進化中的數(shù)學原理。這個被諾瓦克命名為“進化動力學”（evolutionary dynamics）的領(lǐng)域所涉及的內(nèi)容，便是建立方程來描述進化過程的各個構(gòu)成因素，例如選擇、突變、隨機遺傳漂變及種群數(shù)量結(jié)構(gòu)等。特征不同的個體以不同速度繁殖后代會帶來什么結(jié)果？一個突變?nèi)绾蝹鞑ブ琳麄€種群？諸如此類的問題都可以利用這些公式進行模擬研究。

哈佛大學進化動力學項目組辦公室的黑板上寫滿了算式。諾瓦克正忙于將生命起源簡化成最簡單的化學體系，這樣他就可以用數(shù)學語言來描述它們。他用0和1來表示最早期生命的化學組件（最有可能是腺嘌呤、胸腺嘧啶、鳥嘌呤、胞嘧啶或尿嘧啶組成的化合物）。諾瓦克把這些組件稱為“單體”，在他的體系中，單體隨機自發(fā)組合，構(gòu)成一系列二進制信息串。

現(xiàn)在，諾瓦克正在研究該體系的化學動力學，也就是說要描述不同序列的信息串會如何生長。他說，對于任何可以實現(xiàn)單體自組裝的實驗室化學體系，這一理想化流程的基本原理都能適用，“就像牛頓方程能夠描述行星如何圍繞太陽運轉(zhuǎn)，這與行星的化學組成完全無關(guān)”。 諾瓦克還說：“數(shù)學幫助我們看清什么才是最關(guān)鍵和最有趣的實驗。它描述了一個可以被建立起來的化學體系；一旦該體系被建立起來，你便可以觀察進化的起源了。”

真的有這么簡單嗎？如今，該體系還只存在于論文和計算機中。盡管很容易構(gòu)建數(shù)學模型，但是讓這一體系在實驗室中運轉(zhuǎn)起來卻并非易事，因為最初既沒有酶，也沒有任何模板，能夠幫助單體實現(xiàn)組裝。“實在想象不出有什么簡單的方法可以制造核酸，”美國加利福尼亞大學圣克魯斯分校的生物分子工程學家戴維·W·迪默（David W. Deamer）說，“初始原料肯定是必須的，但我們已經(jīng)進入了一個完全未知的領(lǐng)域，我們不知道如何在實驗室中重現(xiàn)這一過程，也不知道在沒有酶的情況下，單靠化學和物理過程如何制造出核酸。”

20世紀80年代，美國圣迭戈市索爾克生物學研究所的生物化學家萊斯利·E·奧格爾（Leslie E. Orgel）帶領(lǐng)他的研究小組證明，一條RNA鏈可以作為模板合成另一條互補RNA鏈——這一現(xiàn)象被稱為“非酶模板指導的寡核苷酸合成”。然而事實證明，要弄清核苷酸在沒有模板的情況下如何實現(xiàn)自組裝就困難得多。諾瓦克說：“我希望得到一個可以形成多聚體的過程。”

美國哈佛大學細胞起源研究人員艾琳·陳（Irene Chen）說，在RNA或DNA單體的一端連上一種叫做咪唑（Imidazole）的物質(zhì)，它們或許就能在沒有酶的情況下形成多聚體。這種物質(zhì)可以增強單體的化學活性，讓它們的聚合作用更容易發(fā)生，速度也變得更快。脂質(zhì)和粘土可能也必不可少，其他科學家已經(jīng)證明，它們有助于加速化學反應(yīng)。美國倫斯勒理工學院（Rensselaer Polytechnic Institute）的化學家詹姆斯·P·費里斯（James P. Ferris），曾經(jīng)誘導腺嘌呤在一種礦物質(zhì)粘土表面組裝成40~50個核苷酸長短的RNA短鏈，這種礦物質(zhì)粘土在前生物時期可能普遍存在。

諾瓦克利用他的數(shù)學模型，研究了可以生成類似短鏈的化學反應(yīng)，并為各個反應(yīng)定義了反應(yīng)率常數(shù)。也就是說，他設(shè)想攜帶不同二進制信息的鏈會以不同的速度生長，有些鏈會以比其他鏈更快的速度吸收單體。然后，諾瓦克計算了這些鏈的分布狀況。他注意到，生長速率的微小差異會影響它們在群體中的含量；生長較慢的序列含量相對較少，會逐漸被生長較快的序列取代。“我覺得這真是太偉大了，”諾瓦克激動地說，“因為在一個完全自然的條件下，進化選擇居然在生命復(fù)制出現(xiàn)之前就發(fā)生了。”

一些鏈會發(fā)生突變，有時一個序列會加速其它序列的反應(yīng)速度，這驗證了諾瓦克長期堅持的一個觀點——這種合作是進化的基本原則之一。綜合在一起，模擬的結(jié)果顯示了一種類似于生命的化學體系，而且遵循進化動力學的規(guī)律。諾瓦克把這一體系稱為“前生命”（prelife），因為“它具有許多生命屬性，比如遺傳多樣性、選擇和突變，只是不具備復(fù)制功能”。

突變和選擇通常被看成是復(fù)制的結(jié)果。舉例來說，如果突然之間加拉帕戈斯群島的雀鳥只能得到又大又硬的種子，那些喙更大更強壯的個體就更可能存活下來；若干代之后，種群中這種雀就會更加常見。對某一性狀的進化選擇，比如這個例子中喙的大小，是借助該性狀的相關(guān)基因在后代中的傳遞而實現(xiàn)的。但諾瓦克說，他的模型顯示選擇可以發(fā)生在復(fù)制出現(xiàn)之前——這意味著復(fù)制也有可能是進化選擇的結(jié)果。他指出，如果這種進化選擇真的存在，它就有助于解釋生命的起源。

在諾瓦克的體系中，生命起源所需的唯一條件是，有幾條鏈突然獲得了自我復(fù)制的本領(lǐng)——一些研究人員相信，正是這一過程使某些RNA鏈在原始地球上逐漸占據(jù)了統(tǒng)制地位。諾瓦克指出，RNA鏈周圍必須有足夠多的自由單體才能使復(fù)制傾向于發(fā)生，而且能夠自我復(fù)制的鏈必須比無法自我復(fù)制的鏈更快速地耗盡這些單體。根據(jù)他的計算，只有當復(fù)制速度超過某一特定閾值，系統(tǒng)平衡才會被打破，這時生命就誕生了。“生命摧毀了前生命，”他說，“所有這一切都發(fā)生在某一特定時期之內(nèi)”。

諾瓦克希望他的模型能夠指導實驗。他從數(shù)學上描述了一個體系，其中僅有兩種單體能夠自組裝，后來實現(xiàn)了自我復(fù)制。諾瓦克說，當人們開始對進化起源展開實驗研究時，建立起這樣一個化學體系“是我們所能做到的最簡單的事情”。在他看來，“數(shù)學是描述進化的恰當語言”。他說：“我不知道生物學的‘最終詮釋’會是什么，不過有一點可以肯定：一切都是為了讓這些等式恢復(fù)平穩(wěn)。”

初具雛形：在生命出現(xiàn)之前的地球上，粘土表面（褐色）或許幫助核糖核酸（藍色和白色）形成了RNA鏈。