事实如此浪漫

如果你是一条秘密信息,你会藏在人类基因组的哪里?

Ellie Arroway(朱迪·福斯特饰)使用VLA(超大阵列)寻找外星信号。但这不是唯一的办法。 华纳兄弟公司

W当人们想到搜寻外星智能的SETI时,他们会想象通过无线电发送的信息-朱迪·福斯特调谐天线,希望从“亿万”那里接收信号卡尔·萨根(Carl Sagan)所思考的恒星系统。潜在的外星人可能正在向太空发射信息,我们所需要做的就是倾听它们。当然,即使使用最快的信号载体——光,我们仍然需要等待数年,才能收到来自最近恒星的信息。这就假定我们正在收听一个在宇宙138亿年的历史上,这不是一个恰当的时刻。银河系中不同文明重叠的几率如此之高,以至于我们都能听到现在外星人的信息可能很低。

但还有另一种可能的方法可以在宇宙间发送信号,尽管这种方法需要大量的耐心和专业知识:将信息储存在遗传物质中。编码消息在一个生物体或病毒然后发送星际航行到其他行星上需要一个漫长的等待它可能需要万古智慧生命进化的目标星球,那里的消息waiting-but这些生物,挤满了一条消息,是病人,他们是肥沃的。它们安静地繁殖、携带和复制隐藏在信息主干中的信息。直到有一天,一个有知觉的生物注意到它周围(甚至它自己内部)的重要信息:你并不孤单.”

如果这听起来像是科幻小说里的情节,那是因为它确实是。当我在小学和中学的时候,我喜欢《星际迷航》:下一代.我是看着它长大的。在后来的几季中,播出了一集来检验这个想法

这一集的情节围绕着收集遗传物质的追逐展开,这些遗传物质原来存在于许多常见的智慧物种中星际迷航.人类、克林贡人、罗慕兰人等等,都与一个共同的祖先有关,他将我们的起源信息放在我们的祖先基因组中,我们的星球都被这个祖先的生物信息播种了。这是一个有趣的想法,让角色们玩印第安纳-琼斯式的嬉戏来寻找生物样本这是整合基因谜题的必要条件。

星际迷航《追逐》一集中,一个古代生物的全息图像揭示了它是许多不同类人种族的共同祖先。 派拉蒙和哥伦比亚广播公司

这个故事并不是这个概念的唯一例子,这个概念在科幻小说中已经出现,足以成为模仿的主题:在线漫画《德累斯顿·科达克》中的人物找到隐藏在地球DNA中的信息事实证明,这是一封星际连锁信,承诺任何人“将这封信转发给至少两个我们最喜欢的行星”都将获得“难以置信的奖品”

但这一概念也有明确的科学渊源。DNA结构的共同发现者弗朗西斯·克里克思考了定向泛种论——认为有生命的物质是由地外生命在恒星之间发送的——这只是一个很短的精神跳跃到下一步:在这些生物内部发送信息。事实上,在20世纪70年代第一个完整的基因组被破译后不久,测试了外星信息

第一个被解码的基因组是一个噬菌体的短而简单的基因序列——一种感染被称为ΦX174的细菌的病毒大肠杆菌,或者正如调查的作者所说,“一种肠道细菌,居住在地球上唯一有智慧的生物的结肠中。”作者从负责编码两种不同蛋白质的基因组中提取了一块,并试图检测其信息,寻找任何潜在的信息。这段DNA编码121个氨基酸(每个氨基酸有三个核苷酸,或“字母”,DNA),一个特殊的数字,因为它是两个素数的倍数:如果你试图从这段DNA中创建一个图像,每个氨基酸由一个像素表示,它总是11个像素宽11个像素低。没有别的办法把它分开。研究人员尝试了许多不同的方法来可视化这段DNA,例如,将DNA的两个字母编码为深色正方形,将另外两个字母编码为浅色正方形,并一次查看每个三联体的一个核苷酸。他们还研究了基因组的其他部分。不幸的是,什么也没跳出来。作者指出了他们工作的一些缺点——一种专为感染某一特定星球上某一特定物种而设计的病毒被选为传播星际信息的载体的可能性远远低于能够独立生存的病毒,比如细菌或真菌,但当时根本没有任何其他基因组可供研究。他们被他们所拥有的东西困住了。但是搜寻已经开始了。

几年后,一种猿猴病毒被检查以寻找星图的证据在它。还有最近的物理学家保罗·戴维斯已经提出在大量的基因组信息中寻找信息从那时起,使用分布式计算网络生成,他将其比作[受电子邮件保护]-美国宇航局的一个项目,利用市民的家庭电脑,帮助通过望远镜收集的数据寻找智能外星人的迹象。

对我们许多人来说,寻找秘密是很自然的,无论我们希望书柜后面有隐藏的通道,还是像尼古拉斯·凯奇(Nicolas Cage)所说的那样,在《独立宣言》背面潦草地画出一张地图。作为寻找模式的生物,我们甚至在没有模式、连接和结构的地方也能感知模式、连接和结构,这种现象被称为中风

遗传学家乔治·丘奇(George Church)已经证明,信息可以很容易地存储在DNA中:他和他的团队使用DNA芯片把整本书写进DNA里700亿次. 他们对每一位信息都使用一个核苷酸,以二进制编码,类似于研究人员观察噬菌体时怀疑聪明的外星人可能编码信息的方式。

DNA在室温下是稳定的,并且可以持续很长时间,这可能使它成为一种良好的信息存储机制。但问题是,正如丘奇所解释的那样: “我们故意避开活细胞。在生物体中,你的信息只占整个细胞的一小部分,因此浪费了很多空间。但更重要的是,几乎只要DNA进入细胞,如果DNA没有获得保存,如果它在进化上没有优势,细胞就会开始变异,最终细胞就会发生变异。”完全删除它。”

有一块DNA晶体在某处存在数万年是一回事。但这一块,无论多么稳定,都很小。如果你想让它真正发挥信息载体的作用,它需要复制和传播。所以你需要把它投入到生活中去。但是这样做的话,如果这个信息对生物体没有用处,它会很快变异成遗忘。

如果你在基因组的额外部分写下一条信息,那么这些部分就可以随意变异而不受惩罚。试着在几百万年后再回来阅读这条信息,你会发现信息上到处都是涂鸦的错误。另一方面,如果信息被编码成对有机体的功能很重要的东西,它可能会随着时间的推移而保存,但这将严重限制信息的构建方式;“很难写”你好,世界当它还需要制造一种重要的蛋白质时,就会转化成一个基因序列。但也许这是让这种事情发生的唯一方法。

研究细菌病毒的研究人员预料到了这一点,这也是他们研究基因组中负责两种蛋白质的区域的原因之一。进化的压力使它不会随着时间的推移而改变,所以它应该特别稳定。

在我第一次接触这个想法很多年后,在我已经完成了计算生物学博士学位之后,我又回到了这个有趣的思想实验中。我决定用一种特定类型的生物信息来测试它:ultraconserved元素. 这些是基因组的数百段,长度超过200个DNA字母,在从人类到老鼠的许多不同动物中是完全或几乎相同的,它们之间经过了数亿年的不同进化。如果任何一个地方都能保存一条信息,那么它可能就是这些信息串,首先研究的内容比十年前. 我检查了一些DNA碱基序列,比如121,恰巧是两个素数乘积的长度。在本例中,我感兴趣的是可以生成漂亮的正方形或矩形图像的序列。我试着将数据可视化,四个DNA碱基中的每一个都用不同的颜色表示。再一次,经过这一粗略的检查,什么也没有跳出来。

但是星际迷航明白了:祖先物种为许多行星的原始汤(最终导致了类人生命)开发的种子也包含了这一信息。当涉及到超保守的元素时,其中许多似乎确实具有重要的生物学功能,因此其中的任何信息都将起到重要的双重作用。当然,如果你在一个基因组中复制了大量的信息,即使它没有任何用处,也有可能让信息持久存在。但更有可能的是,功能和信息的重叠将更有能力在恒星之间的漫长旅程中持续存在,并在进化过程中等待有人能够阅读信息。

再说一次,这可能不过是科幻小说和一些能说明我们心理学的东西。科学作家丹尼斯·奥弗拜将我们渴望在DNA中发现秘密的渴望比作倒放披头士唱片听一些神秘的信息。对我们许多人来说,寻找秘密是很自然的,无论我们希望书柜后面有隐藏的通道,还是在《独立宣言》背面涂鸦的地图,就像尼古拉斯·凯奇那样

但世界并不总是这样,作为寻找模式的生物,我们感知模式、联系和结构,即使在没有的地方,这种现象被称为中风

然而,如果这些隐藏在一些陆地DNA中的信息确实存在,需要时间和耐心来确定。也许,正如戴维斯所主张的,是时候做出巨大努力,梳理我们产生的所有数字化基因组信息了。对于那些同时对天文学和生物学感兴趣的人来说,一个这样的开源项目将是令人兴奋的,不管它是否能产生任何发现。

但有一件事是可能的。任何被发现的信息都将在对我们的生存最宝贵的区域被发现:那些确保我们能够将基因传递给下一代的区域。否则,它很可能在很久以前就被进化的不断搅动所冲走。


塞缪尔·阿贝斯曼是科罗拉多大学(University of Colorado)法律、技术和创业中心(Silicon Flatirons Center for Law, Technology, and Entrepreneurship)的高级兼职研究员,著有《事实的半衰期

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