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王大虎:第三节 “人造生命”的发展

王大虎

据科学家介绍,“人造生命”在本质上应该具备以下三个方面的基本要素:第一,必须有一种细胞膜来容纳细胞物质;第二,要能进行新陈代谢,即细胞结构内营养物质的补充及更新能力;第三,具有自己的基因。从事“人造生命”研究的科学家相信,将来有一天,人造的生命形式将有潜力解决很多问题,从治疗疾病到防止全球变暖等等,意义可谓非常重大。

对许多人来说,简称DNA的脱氧核糖核酸并不陌生,它是携带生命遗传密码的重要载体。但如今,即便如此重要的载体也能被人工合成的物质替代了。

 

图050 人工合成XNA可实现DNA功能(图片来源:微图网)

英国医学研究委员会分子生物学实验室等机构的研究人员在最新一期美国《科学》杂志上发表报告说,他们人工合成了一种名为XNA的物质,在许多关键功能上可替代DNA,这对研究生命起源乃至“人造生命”具有重大意义。

据研究人员介绍,XNA也能像DNA一样存储遗传信息。由于它所用的“链齿”,也就是碱基,和DNA中的一样,因此XNA链条和DNA链条之间还可互相结合,实现遗传信息的传递。在实验中,研究人员将一个DNA链条上的遗传信息传递到XNA上,随后再传回另一个DNA链条,遗传信息传递的准确度高达95%以上。此外,如果满足一些前提条件,部分XNA聚合物在试管中还能如DNA一样进化成不同形态。

报告的作者之一菲利普·霍利格说,上述实验结果说明XNA已拥有DNA的两个关键功能——遗传和进化。由于人造的XNA在分子构成上与DNA并不完全相同,这说明DNA不一定是携带生命遗传密码的唯一载体。因此有观点认为,地球上的生物之所以都采用了DNA来携带遗传信息,是因为地球生命起源之初,环境中相应种类的分子数量较丰富。而在宇宙中其他地方,也许存在遗传方式不相同的生命形式。

王大虎

这项研究还被认为是在“人造生命”道路上迈出的重要一步,不过有专家认为,人类使用XNA来人工编制遗传信息并创造一种新生命,还有很长的路要走。

美国生物学家克雷格文特尔在实验室中制造出世界首个人造生命细胞。

克雷格文特尔将一种称为丝状支原体丝状亚种的微生物的DNA进行重塑,并将新的DNX段“粘”在一起,植入另一种细菌中。新的生命由此诞生,这种新生的微生物能够生长、繁殖,并产生一代又一代的人造生命。植入的DNX段包含约850个基因,而人类的DNA图谱上共有约20000个基因。这个人造生命被戏称为“人造儿”(synthia),它是人类科学史上一个革命性的成果。

 

图051 人造生命“人造儿”菌落图(图片及参考资料来源:《世界首个人造生命能自己生长繁殖》新华社,2010年5月21日,图片来源美国生物学家克雷格文特尔)

新华社消息报道,日本研究人员用简单有机化合物合成人造细胞。研究人员先利用类似界面活性剂的分子、催化剂以及水制成双层膜,然后把混有从大肠杆菌提取的DNA(脱氧核糖核酸)和DNA合成酶的水注入双层膜,让膜包裹着含DNA的水,形成外观像细胞的直径1~10微米的球体。通过让球体内液体的温度升高至95℃再下降到65℃。在不断重复这种温度变化的过程中,加上酶的效用,DNA成功复制,经过20次反复,DNA增加至100多万倍。DNA增加后,再添加制作膜的有机化合物,部分DNA就附着到双层膜X,人造细胞开始X,约4分钟后如同天然细胞分裂一样从中间断裂,形成新细胞。在实验中一个人造细胞能分裂出8~10个细胞。据介绍,虽然在这次研究中使用来自于大肠杆菌的DNA,不过即使使用人工合成的DNA,人造细胞也能实现同样的增殖。

 

图052 英科学家利用金属制造细胞气泡具有生命特征(图片及参考资料来源:《英科学家利用金属制造细胞气泡具有生命特征》新浪科技,2011年9月16日,图片来源格拉斯哥大学的李·克罗宁)

英国科学家用含有金属的巨型分子,成功地制造出了类似于细胞的气泡,并赋予它们一些类似生命的特征。研究人员希望诱使这些气泡演变成完全无机的能自我复制的实体。

王大虎

格拉斯哥大学的李·克罗宁通过将由钨(占大多数)和其他金属原子、氧、磷结合形成的多金属氧酸盐简单地在溶液中混合,让其自我组装成了像细胞一样的球体,把得到的气泡称为无机化学细胞。通过修改其金属氧化物骨架,让其拥有一些天然细胞膜的特征,让不同大小的化学物质有选择性的进出细胞膜,以此控制细胞内可发生何种化学反应(这是特定细胞的一个关键特征)。在气泡内创建出了模拟生物细胞内部结构的分隔。他们朝气泡填充物质,通过让一些氧化物分子与感光染料结合来进行光合作用。早期的研究结果表明,他能制造出一个膜,其受到光照时,可将水分解成氢离子、电子和氧,这是光合作用的第一步。克罗宁表示:“也有迹象表明,我们可以激发质子穿过该细胞膜以建立一个质子梯度,这是利用太阳能的另一个关键阶段。如果能将所有步骤有效地整合在一起,我们就能创造出一种带有类似植物代谢成分的自供电细胞。”

科学家利用3D打印机制造出“微型肝脏”:2013年4月,美国加州Organovo公司采用3D打印机逐层打印了大约20层活细胞,制造出微型肝脏器官,深度仅0.5毫米,宽度4毫米,但它却具有真实肝脏器官的多项主要功能,包括产生运输激素的蛋白质,将盐和药物送递至全身。伴随着细胞从血管抵达肝脏器官,送递营养物质和氧气,能保持5天的生命力。目前,这种微型肝脏可以生成固醇和细胞色素P450s,后者能在肝脏器官中新陈代谢药物,是一种具有解毒作用的酶。

2013年2月由麻省理工学与以色列合资的一家制造商公布了一项“4D打印”新技术,它使用水来激活并且为一连串自动折叠成为设计形状的材料提供能量。这个概念就是创造出一种能够在被打印出来之后发生改变的物体,而且它们能够进行自我调整。打印不再是创造过程的终结,而仅仅是一条路径。发布者Tibbits在一场采访中说道:“我们想要说的就是,你设计出产品并且打印出来,而它能够进化。它就像在材料中植入了智慧。”

麻省理工学院(MIT)和宾夕法尼亚大学的研究人员使用20毫秒的激光脉冲对经过转基因技术可表达光活化蛋白的骨骼肌细胞进行照射X,激光脉冲可导致肌肉出现独特的收缩,这样科学家就能在激光脉冲的控制下精心设计出复杂的组合运动。该技术的应用使得我们开启了新一波使用有机材料打造“生物融合体”机器人的研究热潮。

《自然·生物技术》杂志消息报道,美国研究人员利用硅树脂和老鼠心肌细胞制造出了“人造水母”,它在电流的X下能够在水中像水母那样游动。

美国哈佛大学和加州理工学院的研究人员报告说,这个“人造水母”的外形像一朵八瓣花,八个“花瓣”都是由硅树脂制成,在它的中心是附着在薄膜上的老鼠心肌细胞。把它放入水中,每次通上电流,心肌细胞就会收缩,并带动八个“花瓣”向中间收缩运动,在电流消失后,硅树脂的X会使得它恢复原状。整个过程和自然界中水母的运动方式非常相似。研究人员说,接下来将尝试为“人造水母”增加一个“大脑”,使得它能够控制划水的角度和方向,更加接近真实的水母。

这项研究可能会引发新的关于“人造生命”的讨论。过去的一些“人造生命”走的是人工合成类似DNA物质的路子,而本次研究直接模拟出了一种生物,这样使用生物的细胞来制成“新生物”,可能会引发各种不同观点的争论。

 

 

王大虎

总结:多分子聚合下的生命演化

 

本章从量子角度,讲量子演变为生命的三个要素。大量的事实证明奇特的量子具有很多神奇的特性,这为生命的量子起源奠定了理论的基础。正是量子不同结构的交错,不仅仅诞生了宇宙的物质世界,也使生命得以实现。

本章以碳为标准模型,阐述了量子因为结构不同,而导致的量子向物质与生命向两个方向变化:一个是向无机物质方向演变,一个向有机生命方向进化,以碳骨架为基础的量子分别分别构成了碳与铁等分子合作的无机钢铁的物质世界,及碳与氢氧等分子合作的有机生命的世界。这就是宇宙的多层聚合作用,使不同的结构拥有了不同的宇宙性质表现与感知结构系统。

系统感知力与多量子协调能力是量子向生命演化的必要基础,因为只有物质在有整体感知、内部协调信息互通的情况下,才会导致生命细胞体内有机物的活力选择,出现内部能量分配与自我取向,导致细胞内部有机大分子的协调能力。

建立在客观量子纠缠基础上的物质的记忆特征是物质得以复制、按秩序自我组装的驱动力。

物质的自我组织性,是物质向生命演化的基本条件。而本章探索的量子这几种特性就是为了证明物质与生命来源的一体化来源于量子。

霍金在《大设计》中关于生命的思考虽然笼统,理论基础也有些苍白,但是无疑为物理学及生命学发展指出了方向。他认为由于万有引力等定律的存在,宇宙能够而且也必定是无中生有、自我创造,无须祈求上帝之手让宇宙运转,自我创造是宇宙、人类存在的原因。

而本书提出的“聚合而生的多层”宇宙模型,恰恰不仅仅解释了万物的形成,也同时解释了生命是多层宇宙中的一个层次。在这个新模型里从宏观到微观,从量子到物质、生命,都有一个简单有秩序的逻辑。

王大虎

在生命进化过程中,在生物进化历史中,我们发现很多种中间体,比如人类与猴子、大猩猩的共同祖先来自古猿类,所有的生物都来自海洋,在陆地与海洋之间的两栖动物有青蛙、鳄鱼。动物能够拥有叶绿体,可以在不进食的情况下直接获取阳光的能量,而一些植物具有动物的特征,能像动物一样作出迅速反应,依靠吃小动物获取能量,我们会问在物质与生命之间到底有没有进化中间体?这个中间体应该是什么?为什么会有这种进化中间体?

人体胚胎能够在冷冻玻璃体状态下保持几年,还能够形成胎儿,被冰封的种子三万年后能够重新复活,有的细菌甚至在封闭环境中长达几千万年照样还能够重新复活,所有的证据都似乎将生命与物质之间的界限搞得模糊了。而最明显的就是鸡蛋(能够孵化的),虽然其能够依靠氧气呼吸,但是在其孵化之前,我们确实无法给予其生命体的特征,因为在人类看来那是无法感知的,无法及时规避危险。但是只要给予合适的温度,哪怕在被子里,孵化箱里,都可以变成一个活泼的生命。而所有关于,物质与生命的界限的疑问,生命意识的开始似乎都是模糊的,又是明显渐进的。

噬菌体是一种病毒,专门侵蚀病菌或者细胞,在病菌或者细胞外,不具有生命的任何特征,不能复制、传播,不具备活力。但是一旦接近目标,就会吸附在目标体上,把蛋白质外壳留在外面,并把自己的RNA注入细菌或者细胞体内,依靠寄主目标体内的物质进行复制、传播。

有一种蛋白质朊病毒,只有蛋白质,没有DNA,但是在细胞体内能复制、传播,具有生命特征,在细胞体外没有复制能力,不具备活力。还有一种没有外壳的RNA类病毒,没有蛋白质,在细胞体外也能够复制、传播,同样在细胞外是结晶体,不能定义为生命。

最近科学家研究发现,小RNA分子能够进入人体,并发挥作用,蛋白质是由氨基酸组成的,两三个氨基酸组小分子进入人体同样具有生理功能,而以色列科学家利用多种植物油与水混合成乳化剂,如果这源于进化赋予的某种抗御真菌与害虫的自然机制,这意味着某种成分具有抵御害虫的天然能力。人体汗液中的化学物质,汗腺抗菌肽能够在略带酸性的含盐汗液中激活,刺透有害细菌的细胞膜,最终杀死这些细菌。

病毒、类病毒、阮病毒等这些奇怪的生命相关的有机结构不被生物科学家承认为独立的生命体,但是又与生命表达密切相关。因为它们没有细胞结构,不能自己独立复制,像无机化合物一样形成结晶体。但是却奇怪的是,病毒只有核酸DNA或者RNA与蛋白质外壳,类病毒只有RNA,阮病毒只是蛋白质。但是他们具有传染性,比如噬菌体这种病毒,完全能够感染细胞,并在细胞中完成复制。现代科学在创造环境下,也终于发现病毒能够在细胞体外复制,类病毒可以依靠病毒传染,并侵入病毒内部复制,而蛋白质阮病毒不仅仅是疯牛病等脑部疾病的元凶,而且也有不依靠DNA、RNA的传染能力。这些病毒,包括类病毒,阮病毒突破了传统生命学的意义,却涉及到生命起源的逻辑。2010年,发现了一种大分子病毒更模糊了生命与物质之间的逻辑。

 

 

王大虎

从海洋到陆地的进化

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在生物进化历史中,所有生物都来源于海洋,鱼作为海洋里的常客,也进化出不同品种,有的会飞,有的会攀岩,有的甚至长出手来。

会飞的鱼:飞鱼长相奇特,胸鳍特别发达,像鸟类的翅膀一样。长长的胸鳍一直延伸到尾部,整个身体像织布的“长梭”。

 

图053 会飞的鱼(图片来源:微图网)

飞鱼凭借自己流线型的优X型,在海中以每秒10米的速度高速运动。它能够跃X面十几米,在空中停留的最长时间是40多秒,飞行的最远距离有400多米。飞鱼的背部颜色和海水接近,它经常在海水表面活动。蓝色的海面上,飞鱼时隐时现,破浪前进的情景十分壮观,是南海一道亮丽的风景线。

会攀岩的鱼:这是一种小虾虎鱼,它们生活在澳大利亚,这类鱼的寿命最长为8周。

 

图054 会攀岩的鱼(图片来源:微图网)

在夏威夷岛的溪流中,没有什么竞争者和猎食者。因为地势陡峭,水流湍急,所以很少有鱼,一般来说没有鱼能上游到这里来,但是一种来之大海叫小吓虎鱼的鱼,却能逆流而上,到达这里。小虾虎鱼是攀岩高手,它的腹鳍呈盘状,像个吸盘,对于小虾鱼来说,水滴下来如同X,失误会导致体力的浪费,有些鱼需要休息,有些鱼由于体力消耗太多,在半路上死掉,尽管困难重重,但仍有少数小虾虎鱼会如英雄般的到达瀑布的上面,找到完美的栖息地,小虾虎鱼能安宁的生长繁衍,最后,它们的后代会被水流冲走,流到大海,然后开始另一次宿命的轮回。

喜欢穴居的滩涂鱼:又名跳跳鱼、泥牛、滩涂虎。栖息于河口咸淡水水域,近岸滩涂处或底质烂泥的低潮区,对恶劣环境的水质耐受力强。

滩涂鱼喜穴居,X一般为Y字形,由孔道、正孔口和后孔口构成。正孔口用于进出,后孔口用于换气。依靠胸鳍和尾柄在水面上、沙滩、岩石上爬行或跳跃;匍匐于泥土上觅食底栖硅藻、蓝绿藻,也食少量桡足类及有机质;会捕食小鱼或昆虫。遇到危险便钻到泥土中或者飞快的跳走。这更像蜥蜴等爬行动物的前身。

长手的鱼:长期以来,人们一直对鱼的认识停留在传统的直观认识上,比如供人们吃的鱼,观赏的金鱼,教科书上的鲸鱼。其实,鱼在历史演化中有很多的不同变种,出现了后来丰富多彩的生物。比如最近科学家发现9种神秘鱼类用手行走——2010年5月25日,国家地理杂志网站介绍,最近科学家研究了九种长手的鱼。这些鱼类共同的特征就是长着“手”,而“手”其实指的是它们用来行走的鱼鳍。

 

图055 喜欢穴居的沙滩鱼(图片来源:微图网)

图056展示的是一种新命名的粉红色长手鱼,它们利用鳍在海床上行走,而不是用鳍游泳。最近,科学家对9种新命名的鱼类物种进行了描述,粉红色长手鱼就是其中之一,其余的还有斑点长手鱼,红色长手鱼,黄鳍长手鱼等。

 

图056 粉红色长手鱼(图片及参考资料来源:《科学家命名9种长手鱼:用鳍行走皮肤有毒》新浪环球地理,2010年5月25日,图片由澳大利亚联邦科学与产业研究小组提供。)

现在,长手鱼数量非常少,人们只在澳大利亚东南部水域发现长手鱼的踪影。澳大利亚联邦科学与产业研究组织的科学家指出,这种鱼类在大约5000万年前可能遍布世界各地,地中海便曾发现这种怪鱼的化石。

红树溪鳉鱼能在陆地生活60多天,它们体长在75毫米内,是生活在佛罗里达州至巴西境内沼泽中的小型热带鳉科鱼类。2013年7月,美国维克森林大学研究员本杰明-帕尔曼(Benjamin Perlman)最新一项研究表明,红树溪鳉鱼是唯一已知能够进行自我X繁殖的雌雄同体的脊骨脊椎动物,它们拥挤在X的腐烂红树原木中,甚至能够隐藏在旧啤酒罐和椰子壳里。在陆地生活期间,它们能够改变鱼鳃,通过皮肤进行呼吸。红树溪鳉鱼在陆地上生活的惊人能力来自于它们强大的跳跃。研究小组拍摄视频发现这种鱼搁浅时能够尾巴“弹跳”行走,放置在地面上能够卷曲头部之后弹跳尾部,从垂直和侧面方式推进身体前行。具有两栖能力的红树溪鳉鱼能够较好地适应陆地生活,并在地面上有方向地跳跃前行。这种能力使它可以脱离水池,在低氧浓度或者高硫化氢含量的环境中幸存下来,而硫化氢是一种对鱼类有毒的化学物质。

 

057 科学家最新观察发现红树溪鳉鱼能弹跳到陆地上生活两个月(图片及参考资料来源:《美洲神秘鱼类可弹跳到陆地生活两个月时间》腾讯科学,2013年07月10日,图片来源美国维克森林大学本杰明·帕尔曼)

 

058 研究人员借助跳跳鱼和虎螈来研究早期四足动物如何从水中转移到陆地(图片及资料参考来源:《从海洋到陆地:揭开远古四足动物的进化之谜〉腾讯科技,2013年7月9日,图片来源克莱姆森大学的一位研究生Sandy Kawano)

研究发现,大约3.9亿年到3.6亿年前,一种四足脊椎动物爬X面进化成了我们今天所看到的两栖动物、爬行动物和哺乳动物。科学家们已经确定这种动物起源于鱼类,而且在它过渡到陆地上之前就已经在水下进化出了四肢和足趾。

2013年7月,克莱姆森大学的一位研究生Sandy Kawano通过研究跳跳鱼和虎螈发现,这些两栖动物的四肢与早期四足动物非常相似。虎螈代表了登上陆地比赛的胜利者,而跳跳鱼则是失败者,虎螈四肢行走时的大部分推动力都来自于后肢。尽管前肢提供有限的推动力,但是能产生类似于后肢的垂直力,这就表明虎螈很好地适应了陆地行走。而跳跳鱼不仅使用它们的胸鳍向前移动,而且使用腹鳍进行支撑,当它们向前爬行的时候,大多数力量都不是集中垂直方向。Kawano认为这或许可以解释为什么跳跳鱼并没有进化成四足动物,它们的鳍骨无法负担陆地生存的垂直力。

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