一种递归的微流体平台，用于探索化学进化的出现

我们提出，使用基于液滴微流体的自动递归平台探索生命起源的化学不可知方法可用于通过生长，物种形成，选择和繁殖的迭代来诱导人工化学进化。为了探索这一点，我们着手设计一个全自动演化机器的开源原型，包括七个模块。这些模块是液滴发生器，液滴传输，被动和主动尺寸分选，分离器，孵育室，储液器和注射器，所有这些都通过LabVIEW TM一起运行程序集成系统。我们一起致力于将该系统用于驱动液滴诞生，选择，融合和传播的循环。作为原理的证明，除了工作的单个模块，我们提供的数据显示含有甘氨酰甘氨酸和纯水性液滴的渗透交换，表明最适合的液滴相对于它们的邻居表现出更高的渗透压，并且与它们的邻居相比尺寸增加。这证明了我们的平台能够探索一些不同的物理化学条件，将自动化的效率和无偏性与我们基于简单标准选择液滴作为功能单元的能力相结合。

关键词： 人工生命; 自催化作用; 自动化平台; 化学进化; 基因之前的进化; 进化第一; 微流控

从无生命的无机世界（主要由矿物，气体和小有机化合物组成）向具有第一生命形式的生物世界的过渡仍然是科学中最大的神秘之一[1]。在20世纪初期，亚历山大·奥帕林和约翰·霍尔丹提出，地球上第一个最小的生命系统是通过一系列增加复杂性和功能性的化学步骤形成的。在随后的几十年中，早期益生元地球上可获得的材料和环境的知识已经大大扩展[1-5]。这使得从广阔的参数空间中减少了潜在的化学和地球化学景观，但也促使科学家们在非常有限的条件下提出生命起源的假设[6]。

在益生元化学领域的许多热烈争论已经肆虐，精确的历史环境引发了第一批生命形式。但是，这个问题不可能以合理的确定性得到回答[7]。因此，科学探究最成熟的难题不是生命是如何首先出现的，而是什么样的过程可以促进生命的起源？通过渐进的，逐步复杂化从简单输入产生复杂的自催化化学网络[8]的过程的识别可以在某种程度上回答后一个问题。这种方法产生了“化学不可知”的观点，其中不需要严格遵守目前现存生物化学中发现的化学组[9]。。实际上，最简单的生物单元可以被认为仅仅是复杂的自催化网络，其以大致相同的化学计量重现其异质化学混合物的所有功能活性组分。这样的系统很容易存在于已知生物学的边界之外，甚至可能甚至不需要模板驱动的遗传聚合物来繁殖[10]。

然而，无论其化学性质如何，任何人工或替代生命形式都可能至少需要以下属性：

i）区划：一种分离个体生活单元的手段，并使这些单位与其外部环境之间能够进行受控的选择性交换。

ii）代谢：以可用形式从环境中提取能量的化学反应网络。

iii）遗产：功能信息从一代到下一代的可靠传输。

iv）进化：一种经历进化选择过程的手段，由遗传过程中的错误或变化驱动。

试图促进人工系统中适应性进化的出现已经充满了困难。在发生这一过程时，缺乏明确，切实的标准来阻碍创造人工生命的努力。进化的标志是适应选择压力和环境变化。进化生物学家经常使用生物化学特征如基因组序列来跟踪这一过程。然而，这在人工或其他替代生活中将是困难的，特别是如果没有传统的，模板指导的遗传系统。因此，第一步是建立一个合适的度量标准，用于识别和测量它们的进化能力。

我们建议，对于离散生活或原居住单元，平均健身（任何给定人口W¯¯ 我的人口）将作为时间的函数，环境变化（Δ进行评估Ë 我）和人口规模。健康将通过可观察的数量特征（z）的强度来确定和阈值。只有那些健身超过预定阈值（f）的单位才会被复制并传递给下一代。以迭代的方式重复这个过程，只允许每一代最适合的成员影响后代的化学成分，这将导致适应性进化。

其中Cov =协方差，E =样本均值。

等式1是修饰的价格方程[11]与环境中的Δ的改变ë 我分解成的第二项是名义上ë（瓦特我 Δ Ž 我）。任何给定系统中的演变将通过Δz随时间的连续变化来确认。

可演化性是生命的先决条件，但是系统被视为生活或生活是不够的。因此，我们小组还在制定评估人工演化系统中产生的化学物种复杂性的指标。这种复杂性测量将使用现有的生物系统进行阈值处理，并与我们的进化平台的起始输入进行比较。人工生命系统不仅能够进化，还能生产比任何非生物系统预期更复杂的物种[12]。。因此，从一个不断发展但非生命的化学系统向一个不断发展的生命系统的转变将通过生产与生物学专门发现的物种相当复杂的物种来标记，如图1所示。