2026-05-03 12:17
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本文来自微信公众号： 生态学时空 ，作者：复旦赵斌，原文标题：《生命的20种氨基酸，是偶然还是必然？| 生命进化“够用”就行，而不必“最优解”》
从小学我们就知道，组成生命的蛋白质，用的是同一种“字母”——20种氨基酸。细菌用这20种，蘑菇用这20种，你也用这20种。几十亿年的进化，地球上所有已知的自由生活生命，没有任何一个打破这个规律。
为什么偏偏是20种？多一种不行吗？少一种不行吗？这是生命的“最优解”，还是一个被锁死的历史意外？两拨科学家正在用完全不同的方式回答这个问题：
一拨人做“减法”：在人工智能的帮忙下，试试将某种氨基酸从基因字典里删掉，看看细胞是否还能活。
另一拨人则做“加法”：给细胞增加自然界根本不存在的“非天然氨基酸”（Non-canonicalAminoAcids，简称ncAAs），看看蛋白质能否获得全新的本领。
所以，这两件事放在一起来讨论，正好可以撬动我们前面提到的那个根本问题。
第一个打破20种字母神话的，是2026年4月30日发表在Science周刊上的研究。哥伦比亚大学和麻省理工学院的科学家团队，用生成式人工智能成功设计出了完全不含异亮氨酸的功能性大肠杆菌核糖体，向着用19种氨基酸构建可存活生命迈出了决定性的一步。
（1）为什么先拿异亮氨酸“开刀”？
在20种氨基酸里，异亮氨酸、缬氨酸和亮氨酸是三胞胎兄弟，同属支链氨基酸。它们长得像，脾气也像：都怕水，喜欢躲在蛋白质内部，像砖块一样撑起蛋白质的三维结构。
科学家分析了大肠杆菌所有必需蛋白的进化保守性，也就是看哪个氨基酸在亿万年的进化中最“可有可无”。结果发现，异亮氨酸是所有氨基酸里保守性最低的之一，它的位置经常被缬氨酸顶替。而且异亮氨酸的合成成本比缬氨酸高约40%，从能量角度来看，细胞其实更“愿意”用缬氨酸。
更关键的是，之前的实验发现，即使大肠杆菌有15%的异亮氨酸被错误地换成了缬氨酸，依然能存活。这说明异亮氨酸并非生命不可或缺的“核心字母”，最有可能成为第一个被剔除的对象。
（2）生命的语法，比想象中复杂得多
既然异亮氨酸和缬氨酸这么像，那直接把所有异亮氨酸都换成缬氨酸不就行了？科学家一开始也是这么想的。
他们挑选了39个大肠杆菌生存必需的基因，把里面所有编码异亮氨酸的密码子都换成了缬氨酸的密码子。结果令人失望：只有17个基因改造后还能正常工作，成功率还不到43%。
这就好比写一篇文章，把文中所有“的”都替换成“地”。大部分内容即便语法有误，依旧不影响阅读，但不少句子会变得难以理解。例如“打个的士过来”，改成“打个地士过来”后，几乎让人无法看懂。
蛋白质的功能不仅由单个氨基酸决定，更依赖氨基酸之间的相互作用以及整体的三维空间结构。单个氨基酸的替换，往往会产生多米诺骨牌效应，改变整个蛋白质的折叠方式，使其彻底丧失原有功能。
（3）核糖体是最难啃的骨头
要真正证明19种氨基酸能支撑生命，必须攻克细胞里最复杂、最古老的分子机器——核糖体，那个负责把基因翻译成蛋白质的“分子工厂”。在细胞里，这是真正的核心设备，它的任何一点故障都可能直接导致细胞死亡。
大肠杆菌的核糖体有多复杂？它由52个蛋白质亚基和三段RNA链组成，光是这几十个蛋白质亚基里，就藏着382个异亮氨酸残基，平均每个亚基有9个。如果能把核糖体里的所有异亮氨酸都去掉，那就几乎证明了19种氨基酸的可行性。
那场“拆迁”是一场真刀真枪的阵地战：一个一个亚基地重新设计，用AI预测哪种替换可行，再合成新的基因片段，装回细菌里，活不活得下来当场见分晓。不行，就再改、再试，直到改到行为止。
过去几年，AI已经彻底改变了生物学。蛋白质语言模型（比如ESM2）读了几百万条天然蛋白质序列，掌握了蛋白质的“语法规则”；而结构模型（比如AlphaFold2和ProteinMPNN）则精通蛋白质的“折纸术”，能准确预测什么样的序列会折叠成什么样的三维结构。科学家们把这两类模型结合起来，给它们出了一道难题：在绝对不能使用异亮氨酸的前提下，重新设计所有核糖体蛋白的氨基酸序列，要求新序列折叠出来的结构和原来几乎一模一样，功能也不能打折扣。
几十轮迭代下来，奇迹真的出现了。50个含有异亮氨酸的核糖体蛋白亚基最终全部被改造成了无异构氨酸的版本。其中32个基因，简单的异亮氨酸→缬氨酸（I→V）方法根本无效，全靠AI从没被自然界走过的路径里，找出了匪夷所思的新设计。
比如一个叫RplU的核糖体蛋白，其中一个异亮氨酸位置，AI给出的最佳选项是精氨酸——这种带正电的碱性氨基酸和疏水的异亮氨酸化学特性天差地远，在天然进化中几乎没有出现过。但在三维结构的微观世界里，精氨酸的侧链恰好填补了异亮氨酸留下的空隙，稳固了那个原本脆弱的结构位置。
更厉害的是，AI还会主动引入“补偿突变”：如果某个异亮氨酸的替换会影响周围的结构，AI就会把附近的几个氨基酸也一并改掉，来抵消这个影响。比如在设计RplT蛋白时，AI把第9位的异亮氨酸换成缬氨酸，同时把两个位置之外的丙氨酸换成了精氨酸，这两个突变相互配合，完美维持了蛋白质的结构和功能。
（4）最后的障碍，是生命隐藏的规则
单个蛋白都改造成功了，是不是把它们拼在一起就大功告成了？事情没这么简单。科学家们把21个改造后的核糖体蛋白基因整合到大肠杆菌基因组的同一段区域，组成一个完整的操纵子。结果第一次尝试就失败了，没有一个细菌能活下来。
问题出在两个相邻的基因rplD和rplW上，这两个基因有一个非常特殊的结构：它们的编码区重叠了4个碱基对，rplD基因的最后一个碱基，正好是rplW基因第二个密码子的第一个碱基。这种重叠基因在细菌里很常见。
之前单独改造这两个基因的时候，科学家们为了方便，把这个重叠区域拆开了。单独看都没问题，但放回整个操纵子里的时候，就出了大问题：原来这个重叠区域不只是编码蛋白质，还隐藏着调控基因表达的信号，拆开之后，两个基因的表达量就失衡了，导致整个核糖体无法组装。
最后，科学家们不得不重新设计rplW基因，在保留这个4碱基重叠结构的前提下，替换掉里面的异亮氨酸。经过反复测试，终于找到了一个可行的方案，成功得到了含有21个无异构氨酸核糖体蛋白的大肠杆菌菌株Ec19。
（5）需要澄清的是，我们还没有打造出19种氨基酸生命
Ec19能够存活和繁殖，虽然在M9基本培养基中的生长速度约为野生型的61%，在实验室里连续传了450代，基因组依然保持稳定，没有任何一个异亮氨酸密码子重新出现。但这里必须澄清一个容易被大众媒体放大的关键细节：
Ec19里的19种氨基酸，指的仅仅是核糖体这个重要部件被改造成了19种版本，但整个大肠杆菌基因组里仍然有超过81,000个异亮氨酸残基，分布在数千种其他蛋白质中。
也就是说，细胞里绝大多数蛋白质还是在用20种氨基酸，只是核糖体这个分子工厂本身被简化了。这就像一个公司只把CEO办公室的家具换成了更简单的款式，但其他所有部门的装修和设备都还是老样子。
但我们需要理解的是，这项研究的意义并不在于“已经造出了只用19种氨基酸的完整生物体”，而是在于提供了人类历史上第一条“可以做到”的铁证。哪怕只是一个开端，也足以改写几十年来关于遗传密码铁板一块的认知。
有人做减法，就有人做加法。其实自然界早就偷偷试过"加字母"——很多人以为所有生命都只用20种氨基酸，但其实地球上已经存在第21和第22种天然氨基酸：
比如硒代半胱氨酸，它存在于人类、细菌和古菌中，是一些抗氧化酶的核心成分，能帮助细胞抵抗氧化损伤；还有吡咯赖氨酸：它只存在于某些产甲烷古菌和细菌中，参与甲烷代谢的关键酶。
这两种氨基酸都是通过“劫持”终止密码子实现的，原本用来告诉核糖体“停止翻译”的密码子，被重新分配给了新的氨基酸。这说明生命的遗传密码本身就有可塑性，增加氨基酸并不是违背自然规律的事。
而人类科学家走得更远：我们正在给生命的字母表加入成百上千种自然界根本不存在的非天然氨基酸，你在生物学课本上读不到。
（1）蛋白质的“乐高大师”
如果一个生命是一个乐高作品，那么天然的蛋白质就像只用普通砖块搭的结构：结实、好用，但变化有限。非天然氨基酸，好比给生物乐高加入了带钩子的、带磁铁的、能发光的异形新砖块，能搭出天然生命永远造不出来的复杂结构。
技术层面的操作，听起来有点像电影里的间谍计划：细胞本来只认识20种标准氨基酸，翻译机器严格按基因指令一个个组装。科学家偷偷在细胞内塞进一对精心训练的“特工”：一个是特殊改装过的转运RNA（相当于“搬运工”），一个是配套的氨酰-tRNA合成酶（相当于“装配工”）。这对特工能把一种非天然氨基酸精准运到正在组装中的蛋白质链上，安装到指定位置，完美混入队伍。
要完成这个“间谍计划”，需要解决三个关键问题：（1）腾出一个密码子。64个密码子已经被20种氨基酸和3个终止信号占满了。最常用的方法是把某个同义密码子全部替换成另一个同义密码子，这样就空出一个密码子可以分配给新氨基酸。（2）训练专属“特工”。需要改造tRNA和合成酶，让它们只识别和结合目标非天然氨基酸，不会和原来的20种氨基酸混淆。（3）让细胞能“自造”新氨基酸：要么给细胞提供现成的非天然氨基酸（实验室常用），要么给细胞转入合成新氨基酸的代谢通路，让它能自己从头合成。
（2）多加一个字母，能带来什么？
这些非天然氨基酸，为蛋白质装备了天然字母根本无法企及的新武器：
更强的稳定性。某些ncAA能让蛋白质变得耐高温、耐酸碱、耐有机溶剂，在恶劣环境中依然坚挺。比如引入含氟的氨基酸，能让酶的热稳定性提高10℃以上，在工业生产中的使用寿命延长好几倍。
全新的化学反应能力。ncAA可以携带自然界不存在的化学基团（比如叠氮基、炔基、巯基苯胺），让蛋白质去催化和合成天然生命从来没见过的物质。比如引入能形成共价键的氨基酸，就能设计出药效更强、作用时间更长的共价药物；引入能结合重金属的氨基酸，就能造出专门从污水中提取重金属的工程菌。
智能开关。有的ncAA被设计成光控或化学控的“笼状分子”，用一束特定波长的光照射一下，蛋白质立刻从休眠中醒来，开始发挥功能；不再需要的时候，关掉即可。这为研究细胞内的动态过程、精准控制药物释放提供了前所未有的工具。
定制化人工酶：这是目前最激动人心的方向之一。天然酶只能催化自然界存在的化学反应，而含有非天然氨基酸的人工酶，可以催化任意我们想要的反应。定制催化能力的人工酶，其实已经从科幻走进了现实。
（3）为什么自然界没有进化出更多字母？
既然增加氨基酸有这么多好处，为什么自然界的生命大多停留在20种？答案很简单：对于绝大多数生命来说，20种已经完全够用了，增加新字母的代价远大于收益。
首先是能量代价。合成一种新氨基酸需要一整套全新的代谢通路，会消耗细胞大量的能量和原料。对于38亿年前的原始细胞来说，花能量去合成一种新氨基酸，带来的微小优势，远远抵不上付出的巨大成本。进化没有远见，它不会为了未来可能的好处而牺牲当下的生存。
其次是保真度代价。每增加一种新氨基酸，就需要一套新的tRNA和合成酶。这些新的分子机器难免会和原来的系统发生交叉反应，导致翻译错误率上升。蛋白质的翻译错误率本来就有大约万分之一，如果再增加新氨基酸，错误率会进一步上升，导致大量错误折叠的蛋白质，对细胞造成毒性。
最后是进化的路径依赖。生命的遗传密码在几十亿年前就已经固定下来了，所有的蛋白质、代谢通路和调控机制都是围绕这20种氨基酸进化的。如果突然改变氨基酸字母表，整个生命系统都会崩溃。这就像我们现在用的QWERTY键盘，虽然不是最科学的布局，但因为所有人都已经习惯了，就很难再改成更高效的布局。
看完了“做减法”和“做加法”的所有证据，我们终于可以回到最初的那个问题了：为什么偏偏是20种氨基酸？
很多人以为这是进化精心打磨的最优解，是生命必须遵守的铁律。但真相恰恰相反：进化根本就不是追求完美的工程师，只是一个凑活能用的修补匠。它不会从头设计一个理想的系统，只会在现有的基础上修修补补；它不会选择理论上最好的方案，只会保留那些“还没糟糕到死掉”的方案。20种氨基酸之所以成为所有地球生命的通用标准，不是因为它是最好的，只是因为它刚好够用，并且在几十亿年前的一次偶然中被永远冻结了。
（1）不是必然的
“做减法”的研究告诉我们，至少可以去掉异亮氨酸，用19种氨基酸构建可存活、可进化的生命核心部件。未来，科学家们也许会继续去掉亮氨酸、谷氨酰胺等其他冗余的氨基酸，造出用18种、15种甚至更少氨基酸的完整生命。
“做加法”的研究告诉我们，生命可以容纳更多的氨基酸。现在科学家已经能在细菌、酵母甚至哺乳动物细胞中引入一到两种非标准氨基酸，未来可能会同时引入5种、10种甚至更多。
这说明，20种氨基酸并不是生命的唯一可能形式。宇宙中可能存在着用不同氨基酸字母表书写的生命，它们的化学性质和我们完全不同，但同样能够自我复制、进化。
（2）也不是完全随机的
虽然20种不是唯一的选择，但它也不是从无数种可能中随便挑出来的。它的形成受到物理化学规律的严格限制，是进化权衡后最稳定的“够用”解之一。
从起源来看，早期地球的原始汤里，最容易形成的就是甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸这些简单的氨基酸。科学家在陨石中也发现了这些氨基酸，说明它们在宇宙中广泛存在。而那些结构复杂的氨基酸（比如色氨酸、酪氨酸），是后来生命自己合成的。
从功能来看，20种氨基酸刚好覆盖了生命所需的所有主要化学性质：疏水的、亲水的、带正电的、带负电的、芳香族的、能形成二硫键的、能被磷酸化修饰的……不多不少，刚好够用。如果太少，就无法形成足够多样的蛋白质结构和功能；如果太多，就会带来前面提到的能量和保真度代价。
从进化来看，20种氨基酸是一个非常稳定的平衡点。它既能提供足够的多样性，支撑起复杂的生命活动，又能保证翻译系统的保真度，控制能量消耗。一旦这个平衡点在几十亿年前被找到，就被自然选择固定下来，很难再改变。
（3）最终的数字，是一次历史的偶然
在所有“够用”解的可能中，我们最终得到20种，完全是一次幸运的“冻结事故”。
分子生物学中的“冻结事故理论”认为：遗传密码在生命起源的非常早期就已经固定下来了。一旦密码子的分配方式确定，任何微小的改变都会影响细胞内所有蛋白质的序列，导致灾难性的后果。因此，遗传密码就像被冻结了一样，一直延续到今天。
这意味着，在38亿年前的原始海洋里，可能同时存在着多种用不同氨基酸字母表的原始细胞。有的用18种，有的用19种，有的用21种。它们都能存活，都够用。但碰巧，那个用20种氨基酸的细胞，在一次偶然的生存竞争中获胜了。它的后代逐渐占领了整个地球，而其他所有的生命形式都灭绝了。
这种够用就行的逻辑，在生命世界里无处不在。我们的视网膜是倒置的，有一个天生的盲点；我们的阑尾原始消化功能已经基本丧失，现在被认为可能是肠道菌群的储备库和免疫器官，但仍然容易发炎，严重时会导致死亡；我们的喉咙同时负责呼吸和吞咽，很容易被食物呛到。这些明显的设计缺陷之所以没有被淘汰，不是因为它们有什么隐藏的好处，只是因为它们还不够糟糕，不会在我们生育后代之前就杀死我们。进化不在乎完美，只在乎生存和繁殖。
既然自然界留存下来的东西并非最好，只是不太糟糕而已，那么人类对生命的优化改造，就不是不可理喻的，而是对进化“够用就行”逻辑的超越。
进化用38亿年证明了它能创造出“能活下来”的生命，但它从没有承诺过要创造出“对人类最好”的生命。而人类文明的全部历史，本质上就是一部不断超越自然的“够用”，去追求“更好”的历史。
（1）其实我们早就在改造生命了
很多人觉得“改造生命”是现代科技才有的可怕事情，但实际上，人类改造生命已经有上万年的历史了。我们今天吃的几乎所有食物，没有一种是自然界原本就有的样子。
·小麦：自然界的野生小麦，麦穗成熟后会自动碎裂，把种子撒到地上，这对于植物的繁殖来说是完美的设计。但对于人类来说，这太糟糕了，根本没法收割。于是我们驯化了小麦，选出了那些麦穗不会碎裂的突变体。
·玉米：自然界的野生玉米，叫做大刍草，只有不到10颗坚硬的种子，外面还包着厚厚的壳。经过几千年的改造，玉米变成了现在这个样子，一个棒子上有几百颗柔软的种子。
·奶牛：自然界的母牛只有在生完小牛之后才会产奶，而且只产够小牛喝的量。我们改造了奶牛，让它们一年到头都能产奶，而且产奶量是野生牛的几十倍。
这些改造，本质上都是在做同一件事：打破进化为生命设定的“够用”标准，让它们按照人类的需求去生长和繁殖。进化关心的是“这个物种能不能活下来”，而我们关心的是“这个物种能不能为我所用”。
（2）现代的“基因改造”，到底有什么不同？
既然我们已经改造了上万年的生命，为什么现在的基因编辑和合成生物学却引起了这么大的争议？
因为以前的改造，本质上还是在进化的框架内进行的。我们只是在自然界已经存在的变异中进行选择，等待偶然的突变出现，然后把那些符合我们需求的突变保留下来。这个过程是缓慢的、随机的、不可控的。
而现代的基因技术，第一次让我们跳出了进化的框架。我们不再需要等待偶然的突变，我们可以直接去创造我们想要的突变。我们不再需要在自然界已经存在的可能性中进行选择，我们可以去创造自然界根本不存在的可能性。这就是氨基酸字母表改造的意义所在。
（3）为什么我们必须“优化”生命？
进化用38亿年的时间，把生命的氨基酸字母表冻结在了20种，因为它觉得这“够用”了。但是在人类的需求面前，这是远远不够的，甚至是非常糟糕的。我们想要21种、22种，甚至更多，因为我们需要用这些新的字母，去写出进化永远写不出来的生命之诗。
·在医学上：进化让我们的身体足够活到把孩子养大，但它根本不在乎我们老了之后会得什么病。癌症、心脏病、老年痴呆，这些都是进化留下的“设计缺陷”。进化觉得这些缺陷不够糟糕，因为它们不会影响人类种群的繁殖。但对于我们现代人类来说，这些疾病是我们最大的痛苦来源。
·在环境上：进化创造了能够分解石油的细菌，但它们分解的速度太慢了，根本赶不上人类污染的速度。进化创造了能够吸收二氧化碳的植物，但它们吸收的速度太慢了，根本赶不上人类排放的速度。
·在能源上：进化创造了能够进行光合作用的植物，但它们的能量转化效率只有不到1%。这对于植物来说足够用了，但对于人类来说远远不够。
这些问题，进化永远不可能帮我们解决。我们前面说了，进化没有远见，它不会为了未来可能发生的危机而提前做好准备。只有人类，能够看到未来的危机，并且主动地去改造生命，去应对这些危机。
（4）当然，我们必须保持敬畏
说人类对生命的改造是合理的，并不意味着我们可以为所欲为。恰恰相反，正因为我们拥有了进化从未拥有过的力量，我们才必须更加谨慎和敬畏。
要记住，生命是一个极其复杂的系统，我们对它的理解还非常有限；进化的够用逻辑虽然不完美，但它经过了38亿年的检验；技术本身是中性的，它可以用来造福人类，也可以用来毁灭人类。
但我们不能因为害怕风险，就放弃了改造生命的努力。因为如果我们不改造生命，我们就永远无法解决那些进化留给我们的问题。我们就永远只能被困在进化的"够用"逻辑里，无法走向更好的未来。
进化是一个伟大的修补匠，它用38亿年的时间，用一堆东拼西凑的零件，造出了我们今天看到的这个丰富多彩的生命世界。但它也仅此而已。它永远不可能成为一个工程师，永远不可能从头设计一个完美的系统。
而人类，正在从进化的学徒，变成生命的工程师。我们不再满足于在进化留下的零件库里修修补补，我们开始自己设计新的零件，自己建造新的系统。我们不再满足于够用就行，一直在追求更好。
今天给大家读顶刊中关于20种氨基酸的故事，就是这个伟大转变的起点。它告诉我们：生命没有什么不可改变的铁律，没有什么神圣不可侵犯的设计。所有我们看到的一切，都只是38亿年无数次试错后留下来的、刚好够用的解决方案。
未来，我们将用AI设计自然界不存在的蛋白质，用基因编辑重写生命的遗传密码，用合成生物学创造出进化永远不可能产生的生命形式。这是人类文明发展的必然趋势。它充满了风险，但也充满了希望。而这条路的尽头，是一个由我们自己书写的未来。
参考文献
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