2015-01-28科學 當大多數人把目光聚焦在合成生物學上的時候,我認為其實人類在制造生命這條道路上早已走了不止一步。什麽是生命? 生命其實就是可以自我復制、有應激性且能夠進行新陳代謝的機器。 應激性的本質是對外界刺激的反應,新陳代謝的本質是和外界的物質能量進行交換。這兩個特點現有的人造機器已經擁有,我們重點來看自我復制。 電腦之父馮諾依曼是第一批提出自我復制機器概念的科學家之一。根據馮諾依曼的設想,一台能夠自我復制的機器至少需要以下幾個部件:1. 一個儲存器,儲存關於這台機器的所有資料,包括每一個零件的成分、規格、裝配的順序等資訊;2. 一個制造流水線,從原材料開始制造每一個零件;3. 一個裝配流水線,將所有零件正確地裝配成一個完整的機器。有了這幾個部件,再把儲存器裏的數據全部復制到新的機器中後,我們就完成了一次機器的自我復制。即便是運用現代技術,按照馮諾依曼的設想,一台自我復制的機器依然復雜得可怕,以至於至今沒有人能夠做出來。 這半個多世紀以來,電腦,自動化以及材料工程等領域的飛速發展並沒有將馮諾依曼的樸素設想拋在腦後。世界上同時在研究自我復制系統的公司和研究機構恐怕不下百家。這是2005年英國科學家Adrian Bowyer的作品,只包括了儲存器和制造流水線。圖中左邊是第一代,右邊是第二代。雖然還不會自我組裝,但是能夠縮小到這個體積,應該凝結了不少材料、工程、自動化的結晶吧。我對這一領域不太熟,有興趣的同學可以去翻翻他的工作。 而我們需要解決的問題可能不僅僅如此。首先,原材料和能源哪裏來?如果不能解決這兩個問題,我們制造的生命永遠只能活在「培養基」上。這樣的話,我們就需要引進一套太陽能供電系統以及采礦+熔煉系統。如果使用化石燃料的話,就需要把太陽能供電系統換成一個鉆井+內燃機。其次,我們如何保證每次復制不發生錯誤,尤其是會被繼承下去的錯誤?這就需要引進一套糾錯機制,比如讓和原型機不完全一樣的機器把自己的儲存器摧毀掉。類似的細節考慮可能是層出不窮。 也許有人問,這樣的機器做出來有什麽用。我想至少NASA有話要說。如果人類能制造一個自我復制的機器人並能夠完全控制它,那殖民火星就不是夢了。 ==================When engineering becomes biology========================== 看一眼上面的機器,再透過顯微鏡看一下這個。 每一個細胞都是一台自我復制的機器。細胞透過細胞膜上的各種通道吸收原材料,如果有葉綠體,還可以自己制造一部份原材料,並把多余的送出細胞外。細胞核裏承載了遺傳資訊,指導細胞的復制和分化。內質網和高基氏體等內膜系統以及細胞骨架和各種酶類承擔制造、組裝和糾錯的工作。不僅如此,一些細胞,如阿米巴,還擁有了捕食的能力。 而自然界裏最小的自我復制機器就是黴漿菌(Mycoplasma)了。看到這裏的同學是不是突然想起Venter大叔?我在 如果只把有用的基因拼接起來,會變成什麽樣? - 徐誌超的回答 的回答裏提到了他部份相關工作。如果進一步簡化,比如去掉制造流水線,會怎麽樣? 一個RNA分子。它的特殊性在於他不僅是一個核酸分子,還可以作為一個核酶(ribozyme)擁有連線RNA分子的能力。如圖所示,T可以同時結合A和B,催化A和B的連線,從而得到第二個T。 *********************************************** 我們可以看到,在制造生命的這條道路上,有兩撥人。一撥人是借用大自然的饋贈,從最簡單的細胞和生物大分子出發的合成生物學家。另一撥人是從頭開始,拋開碳基有機物的束縛的工程師。個人認為雖然前者的起點高且相對進展快,後者的前景似乎更為光明呢。拿大自然的傑作來打engineer的臉並不是我的本意。如果每個人看到這裏都覺得我們的電腦,自動化以及材料工程等學科的努力是小兒科,萌生「必定存在一個上帝,讓我們信XX」的念頭的話,人類是沒有未來的。樂觀一點,電腦誕生才60年,而地球孕育第一個生命用了10億年。
當大多數人把目光聚焦在合成生物學上的時候,我認為其實人類在制造生命這條道路上早已走了不止一步。什麽是生命? 生命其實就是可以自我復制、有應激性且能夠進行新陳代謝的機器。 應激性的本質是對外界刺激的反應,新陳代謝的本質是和外界的物質能量進行交換。這兩個特點現有的人造機器已經擁有,我們重點來看自我復制。 電腦之父馮諾依曼是第一批提出自我復制機器概念的科學家之一。根據馮諾依曼的設想,一台能夠自我復制的機器至少需要以下幾個部件:1. 一個儲存器,儲存關於這台機器的所有資料,包括每一個零件的成分、規格、裝配的順序等資訊;2. 一個制造流水線,從原材料開始制造每一個零件;3. 一個裝配流水線,將所有零件正確地裝配成一個完整的機器。有了這幾個部件,再把儲存器裏的數據全部復制到新的機器中後,我們就完成了一次機器的自我復制。即便是運用現代技術,按照馮諾依曼的設想,一台自我復制的機器依然復雜得可怕,以至於至今沒有人能夠做出來。 這半個多世紀以來,電腦,自動化以及材料工程等領域的飛速發展並沒有將馮諾依曼的樸素設想拋在腦後。世界上同時在研究自我復制系統的公司和研究機構恐怕不下百家。這是2005年英國科學家Adrian Bowyer的作品,只包括了儲存器和制造流水線。圖中左邊是第一代,右邊是第二代。雖然還不會自我組裝,但是能夠縮小到這個體積,應該凝結了不少材料、工程、自動化的結晶吧。我對這一領域不太熟,有興趣的同學可以去翻翻他的工作。 而我們需要解決的問題可能不僅僅如此。首先,原材料和能源哪裏來?如果不能解決這兩個問題,我們制造的生命永遠只能活在「培養基」上。這樣的話,我們就需要引進一套太陽能供電系統以及采礦+熔煉系統。如果使用化石燃料的話,就需要把太陽能供電系統換成一個鉆井+內燃機。其次,我們如何保證每次復制不發生錯誤,尤其是會被繼承下去的錯誤?這就需要引進一套糾錯機制,比如讓和原型機不完全一樣的機器把自己的儲存器摧毀掉。類似的細節考慮可能是層出不窮。 也許有人問,這樣的機器做出來有什麽用。我想至少NASA有話要說。如果人類能制造一個自我復制的機器人並能夠完全控制它,那殖民火星就不是夢了。 ==================When engineering becomes biology========================== 看一眼上面的機器,再透過顯微鏡看一下這個。 每一個細胞都是一台自我復制的機器。細胞透過細胞膜上的各種通道吸收原材料,如果有葉綠體,還可以自己制造一部份原材料,並把多余的送出細胞外。細胞核裏承載了遺傳資訊,指導細胞的復制和分化。內質網和高基氏體等內膜系統以及細胞骨架和各種酶類承擔制造、組裝和糾錯的工作。不僅如此,一些細胞,如阿米巴,還擁有了捕食的能力。 而自然界裏最小的自我復制機器就是黴漿菌(Mycoplasma)了。看到這裏的同學是不是突然想起Venter大叔?我在 如果只把有用的基因拼接起來,會變成什麽樣? - 徐誌超的回答 的回答裏提到了他部份相關工作。如果進一步簡化,比如去掉制造流水線,會怎麽樣? 一個RNA分子。它的特殊性在於他不僅是一個核酸分子,還可以作為一個核酶(ribozyme)擁有連線RNA分子的能力。如圖所示,T可以同時結合A和B,催化A和B的連線,從而得到第二個T。 *********************************************** 我們可以看到,在制造生命的這條道路上,有兩撥人。一撥人是借用大自然的饋贈,從最簡單的細胞和生物大分子出發的合成生物學家。另一撥人是從頭開始,拋開碳基有機物的束縛的工程師。個人認為雖然前者的起點高且相對進展快,後者的前景似乎更為光明呢。拿大自然的傑作來打engineer的臉並不是我的本意。如果每個人看到這裏都覺得我們的電腦,自動化以及材料工程等學科的努力是小兒科,萌生「必定存在一個上帝,讓我們信XX」的念頭的話,人類是沒有未來的。樂觀一點,電腦誕生才60年,而地球孕育第一個生命用了10億年。