第三節：“人造生命”的三個要素

據科學家介紹，“人造生命”在本質上應該具備以下三個方麵的基本要素：第一，必須有一種細胞膜來容納細胞物質；第二，要能進行新陳代謝，即細胞結構內營養物質的補充及更新能力；第三，具有自己的基因。從事“人造生命”研究的科學家相信，將來有一天，人造的生命形式將有潛力解決很多問題，從治療疾病到防止全球變暖等，意義非常重大。

對許多人來說，簡稱DNA的脫氧核糖核酸並不陌生，它是攜帶生命遺傳密碼的重要載體。但如今，即便如此重要的載體也能被人工合成的物質替代了。

2012年4月，英國醫學研究委員會下的實驗室等機構的研究人員在最新一期美國《科學》雜誌上發表報告說，他們人工合成了一種名為XNA的物質，在許多關鍵功能上可替代DNA，這對研究生命起源乃至“人造生命”具有重大意義。

DNA擁有雙螺旋結構，由兩條反向平行的多核甘酸鏈相互纏繞形成。打個簡單的比方，這就像衣服上的拉鏈，由兩個鏈條組成，每個鏈條上有用於相互咬合的鏈齒和承載鏈齒的布條。在DNA的鏈條中，鏈齒是一些堿基，而承載它們的支架由糖類和磷酸分子組成。

據研究人員介紹，XNA也能像DNA一樣存儲遺傳信息。由於它所用的“鏈齒”，也就是堿基，和DNA中的一樣，因此XNA鏈條和DNA鏈條之間還可互相結合，實現遺傳信息的傳遞。

在實驗中，研究人員將一個DNA鏈條上的遺傳信息傳遞到XNA上，隨後再傳回另一個DNA鏈條，遺傳信息傳遞的準確度高達95%以上。此外，如果滿足一些前提條件，部分XNA聚合物在試管中還能如DNA一樣進化成不同形態。

報告的作者之一菲利普·霍利格說，上述實驗結果說明XNA已擁有DNA 的兩個關鍵功能——遺傳和進化。

由於人造的XNA在分子構成上與DNA並不完全相同，這說明DNA不一定是攜帶生命遺傳密碼的唯一載體。因此有觀點認為，地球上的生物之所以都采用DNA來攜帶遺傳信息，是因為地球生命起源之初，環境中相應種類的分子數量較豐富。而在宇宙中其他地方，也許存在遺傳方式不相同的生命形式。

這項研究還被認為是在“人造生命”道路上邁出的重要一步，不過有專家認為，人類使用XNA來人工編製遺傳信息並創造一種新生命，還有很長的路要走。

美國科學家通過擴展大腸杆菌的遺傳代碼，成功地修改了大腸杆菌的蛋白質製造機製，科學家們可借此合成能模擬自然狀態或疾病狀態的蛋白質形式，耶魯大學研究團隊在分子生物物理學和生物化學教授迪特·索舍爾的領導下，找到了一種可影響蛋白質行為的新方法。蛋白質幾乎能執行生命的所有功能。研究團隊通過誘導磷酸化過程（出現於所有生命形式中的一個基本過程）明顯改變了蛋白質的功能。蛋白質磷酸化的指導規則並沒有直接編入DNA中，而是出現在蛋白質製造出來之後，因此他們擴展了大腸杆菌的遺傳代碼，將磷酸絲氨酸涵蓋進DNA中，修改了這些規則，從而首次通過DNA引導了蛋白質的磷酸化過程。

美國生物學家克雷格文特爾在實驗室中製造出世界上首個人造生命細胞。

克雷格文特爾將一種稱為絲狀支原體絲狀亞種的微生物的DNA進行重塑，並將新的DNA片段“粘”在一起，植入另一種細菌中。新的生命由此誕生，這種新生的微生物能夠生長、繁殖，並產生一代又一代的人造生命。植入的DNA片段約包含850個基因，而人類的DNA圖譜上共有約20 000個基因。

這個人造生命被戲稱為“人造兒”（synthia），它是人類科學史上一個革命性的成果。

2011年9月，新華社消息，日本研究人員用簡單有機化合物合成人造細胞。研究人員先利用類似界麵活性劑的分子、催化劑以及水製成雙層膜。然後把混有從大腸杆菌提取的DNA（脫氧核糖核酸）和DNA合成酶的水注入雙層膜，讓膜包裹著含DNA的水，形成外觀像細胞的直徑1至10微米的球體。通過讓球體內**的溫度升高至95攝氏度再下降到65攝氏度，在不斷重複這種溫度變化的過程中，加上酶的效用，DNA成功複製，經過20次反複，DNA增加至100多萬倍。DNA增加後，再添加製作膜的有機化合物，部分DNA就附著到雙層膜內壁，人造細胞開始膨脹，約4分鍾後如同天然細胞分裂一樣從中間斷裂，形成新細胞。在實驗中一個人造細胞能分裂出8到10個細胞。據介紹，雖然在這次研究中使用來自於大腸杆菌的DNA，不過即使使用人工合成的DNA，人造細胞也能實現同樣的增殖。

2011年9月，英國科學家用含有金屬的巨型分子，成功地製造出了類似於細胞的氣泡，並賦予它們一些類似生命的特征。研究人員希望誘使這些氣泡演變成完全無機的能自我複製的實體。

格拉斯哥大學的李·克羅寧通過將由鎢（占大多數）和其他金屬原子、氧、磷結合形成的多金屬氧酸鹽簡單地在溶液中混合，讓其自我組裝成像細胞一樣的球體，把得到的氣泡稱為無機化學細胞。通過修改其金屬氧化物骨架，讓其擁有一些天然細胞膜的特征，讓大小不同的化學物質有選擇性的進出細胞膜，以此控製細胞內發生何種化學反應（這是特定細胞的一個關鍵特征）。在氣泡內創建出模擬生物細胞內部結構的分隔，他們朝氣泡填充物質，通過讓一些氧化物分子與感光染料結合進行光合作用。早期的研究結果表明，他能製造出一個膜，其受到光照時，可將水分解成氫離子、電子和氧，這是光合作用的第一步。克羅寧表示：“也有跡象表明，我們可以激發質子穿過該細胞膜以建立一個質子梯度，這是利用太陽能的另一個關鍵階段。如果能將所有步驟有效地整合在一起，我們就能創造出一種帶有類似植物代謝成分的自供電細胞。”

克羅寧早在去年就已證明，可讓多金屬氧酸鹽彼此互為基質來實現自我複製。他現在正大規模地製造氣泡，並將其注入裝滿了酸堿度不同的物質的試管和燒瓶陣列中。他希望這種混合環境隻使最適合的氣泡生存。他表示，從長遠來看，真正的考驗是細胞能否修改自己的化學性質從而適應不同的環境。克羅寧暗示，他的最新研究能證明這一點，他們最新展示的就是第一個可以進化的氣泡。

克羅寧的氣泡永遠不會成為像生命一樣的物質，除非它們能攜帶類似DNA（脫氧核糖核酸）的物質以實現自我複製和進化。這說明很可能存在著一些並不基於碳的外星生命，比如水星上的物質就和地球上的物質大相徑庭，可能存在由無機成分形成的生物。盡管克羅寧暫時還無法證明這一點，但他指出了一個新方向。

科學家利用3D打印機製造出“微型肝髒”： 2013年4月，美國加州Organovo公司采用3D打印機逐層打印了大約20層活細胞，製造出微型肝髒器官，深度僅0.5毫米，寬度4毫米，但它卻具有真實肝髒器官的多項主要功能，包括產生運輸激素的蛋白質，將鹽和藥物送遞至全身。伴隨著細胞從血管抵達肝髒器官，送遞營養物質和氧氣，能保持五天的生命力。目前，這種微型肝髒可以生成固醇和細胞色素P450s，後者能在肝髒器官中新陳代謝藥物，是一種具有解毒作用的酶。

2013年2月26日由麻省理工學與以色列合資的一家製造商公布了一項“4D打印”新技術，它使用水來激活並且為一連串自動折疊成為設計形狀的材料提供能量。這個概念就是創造出一種能夠在被打印出來之後發生改變的物體，而且它們能夠進行自我調整。打印不再是創造過程的終結，而僅僅是一條路徑。發布者Tibbits在一場采訪中說道：“我們想要說的就是，你設計出產品並且打印出來，而它能夠進化。它就像在材料中植入了智慧。”

根據《自然·生物技術》雜誌消息，美國研究人員利用矽樹脂和老鼠心肌細胞製造出了“人造水母”，它在電流的刺激下能夠在水中像水母那樣遊動。

美國哈佛大學和加州理工學院的研究人員報告說，這個“人造水母”的外形像一朵八瓣花，八個“花瓣”都是由矽樹脂製成，在它的中心是附著在薄膜上的老鼠心肌細胞。把它放入水中，每次通上電流，心肌細胞就會收縮，並帶動八個“花瓣”向中間收縮運動，在電流消失後，矽樹脂的彈性會使得它恢複原狀。整個過程和自然界中水母的運動方式非常相似。研究人員說，接下來將嚐試為“人造水母”增加一個“大腦”，使得它能夠控製劃水的角度和方向，更加接近真實的水母。

這項研究可能會引發新的關於“人造生命”的討論。過去的一些“人造生命”走的是人工合成類似DNA物質的路子，而本次研究直接模擬出了一種生物，這樣使用生物的細胞來製成“新生物”，可能會引發各種不同觀點的爭論。

美實驗室意外合成二維有機準晶體：據國外媒體報道：美國聖母大學的物理化學家亞曆克斯·坎德爾（Alex Kandel）所在的實驗室意外發現了一種有機分子形成的二維準晶體，並將這項發現發表在期刊《自然》上。坎德爾的研究小組當時實際是希望研究電子是如何在二茂鐵甲酸裏分布的，後者也是準晶體形成的原始分子。

這是一種由自我裝配的有機分子形成的二維準晶體。這種奇特的準晶體是扁平的，由單層的五邊環分子組成。這個分子組奇特的裝配方式導致這一層裏的其它分子形成了各種各樣的形狀，包括五角形、星形、船形和菱形。

如果這是一個規則的古老晶體，那麽這些群體和形狀會在每一層裏以可預測的方式反複出現。但是，在準晶體裏，同一層裏反複出現相同的形狀，但似乎不是以有組織的形式出現。準晶體的結構是部分晶體部分紊亂的，是介於重複對稱單元的結構和完全無序的建構單元結構之間。

亞曆克斯·坎德爾等人表示，導致這些準晶體與其他晶體區別開來的關鍵是它的有機材料和自我裝配的部件。“它與其它晶體有著顯著的不同”，之前知道的準晶體大多數都是金屬的，並且通過強大的離子鍵，而非微弱的氫鍵緊密聯係在一起，氫鍵常見於複雜的有機分子，例如DNA裏。

有關自我裝配的意思，不少科學家們也表示異議。維德拉認為這個術語可以應用於所有的準晶體結構，而不僅限於新發現的這個。坎德爾辯論稱由強大的化學鍵組成的結構——正如其它準晶體一樣——其實並非是自我裝配的。這些強大的化學鍵“壓倒了”單個建造單元互相結合的力量，使得材料別無選擇隻能形成組織。而在這種新的準晶體裏，這些建造單元是由微弱的氫鍵結合在一起的。“自我裝配非常有趣，因為驅動組織形成的力量遠比單個結構形成的力要更微弱。” 坎德爾說道。

美新發現自旋納米粒子會自我組裝成“活著的晶體”： 2014年02月26日據中國科技網，每日科學網報道，美國密歇根大學化學工程、材料科學和工程教授莎朗·格洛特茲領導的研究團隊在解決納米粒子自我組裝時發現，隻是讓納米粒子自旋就會誘導它們組成科學家們所謂的“活著的旋轉晶體”，這種晶體或許可以用作納米泵，在設備內運輸物質；也能順帶解釋生命的起源。科學家們之所以稱這種晶體為“活著的”，是因為從某種程度上來說，它們自己就采用一種非常簡單的規則呈現出了生命的形式。

包括格洛特茲在內的科學家一直在探索納米粒子像生命剛開始，是如何從無序狀態，自然演變成有序狀態的。而格洛特茲團隊解決這一組裝挑戰的方式是，持續不斷地添加擁有能量的組件，用這種方式來處理納米粒子。結果，研究人員最近發現，如果粒子從基本運動（比如朝一個方向移動）就開始獲得能量，那麽，它們會相互影響，形成群體，而格洛特茲團隊發現，旋轉的粒子會自我組裝。該研究團隊認為，盡管計算機模擬是二維的，旋轉的粒子也能變成“活的”三維晶體，因此，或可用於解釋生命的起源。

多分子聚合下的生命演化

本章從量子角度，講量子演變為生命的三個要素。大量的事實證明奇特的量子具有很多神奇的特性，這為生命的量子起源奠定了理論基礎。正是量子不同結構的交錯，不僅僅誕生了宇宙的物質世界，也使生命得以實現。

本章以碳為標準模型，闡述了量子因為結構不同，而導致的量子向物質與生命兩個方向變化：一個是向無機物質方向演變，一個向有機生命方向進化，以碳骨架為基礎的量子分別構成了碳與鐵等分子合作的無機鋼鐵的物質世界，及碳與氫氧等分子合作的有機生命的世界。這就是宇宙的多層聚合作用，使不同的結構擁有了不同的宇宙性質表現與感知結構係統。

係統感知力與多量子協調能力是量子向生命演化的必要基礎。因為隻有物質在有整體感知、內部協調信息互通的情況下，才會導致生命細胞體內有機物的活力選擇，出現內部能量分配與自我取向，導致細胞內部有機大分子的協調能力。

建立在客觀量子糾纏基礎上的物質的記憶特征是物質得以複製、按秩序自我組裝的驅動力。

物質的自我組織性，是物質向生命演化的基本條件。而本章探索的量子這幾種特性就是為了證明物質與生命來源的一體化來源於量子。

霍金在《大設計》中關於生命的思考雖然籠統，理論基礎也有些蒼白，但是無疑為物理學及生命學發展指出了方向。他認為宇宙能無中生有、自我創造，自我創造是宇宙、人類存在的原因。而無中生有，萬物生於有，有生於無，不僅是惠勒的觀點，也是中國的傳統哲學觀點。

而本書提出的“聚合而生的多層”宇宙模型，恰恰不僅僅解釋了萬物的形成，也同時解釋了生命是多層宇宙中的一層。在這個新模型裏從宏觀到微觀，從量子到物質、生命，都有一個簡單有秩序的邏輯。