生物谷评论:人工生命能否真正实现?

关键词:人工生命

        生物谷报道:有关人工生命的报道,近两年十分多。两年前,科学家们意外地发现,脊髓灰质炎病毒能够在试管中的化学合成物中自动复制。由此,美国洛克菲勒大学的生物学家埃尔伯特·里勃切特得到启发,希望借助某种化学反应,制造出像活细胞一样可以自己生长的生命形式。

        近日,里勃切特博士领导的研究小组宣布,他们对创造人造生命的尝试已进入实验阶段。这种人工生物叫做“囊生物反应器”,它很像某种低级的生物细胞,组成部分来自不同的生物材料。其柔软的细胞壁由蛋清中的脂肪分子制成,而细胞构成则是从诸如大肠杆菌之类活着的生物中得到。 生物谷对此作了详细的报道:http://www.bioon.com/biology/advance/cell/200412/86371.html



        要成为一种生命体,就必须有一套生物系统生成蛋白质,这是生命必不可少的特征之一。美国洛克菲勒大学的科学家令能够生产蛋白质的生物分子混合物悬浮在油中,形成微小颗粒。然后,他们在这些颗粒外包裹两层肥皂膜状的磷脂分子,像细胞膜一样将生物分子混合物颗粒包裹在其中。观察发现,用分子膜包裹之后,生物分子持续生产蛋白质的时间比原来延长了1倍。为了进一步延长生物分子生产蛋白质的时间,科学家还在“细胞”中加入了一种细菌基因,这种基因可以控制生成一种名为α-溶血素的蛋白质。该蛋白质形状类似桶,能够插入细胞膜形成小孔,环境中的营养物质便可通过这些小孔进入“人造细胞”,自动补充制造蛋白质的原材料,这样,“细胞”就可以连续数日生成蛋白质。 研究人员称,这种“人造细胞”像一个微型“工厂”,可生成具有工业和医学价值的蛋白质。

人造生命的3项基本要素

        从实验结果来看,里勃切特领导的研究小组似乎成功制造出了一个人造细胞。但实际上,这些实验中的生物反应器并不能算是活着的,因为它们只能生活在配置好的化合物中,且仅存活数天。但是,这项研究距离合成生物这个新领域只有一步之遥,合成生物的目的是制成新的生物体。里勃切特在接受采访时说:“如果这一切成为可能,我们就该重新思考一下生命究竟是什么。与其说这是个科学问题,不如说是个哲学问题。对我来说,生命就像一个机器,一个由电脑程序控制的机器,仅此而已。”

像核技术一样,此项新技术既有巨大潜在利益也有许多风险。一旦这样的有机体被制造出来,就可以让它们完成人类不能完成的事情。例如,可以把这种有机体投放到被原油污染的海水中。让它们吃掉所有原油并把原油分解成无害的成分,等海水中的原油被消化完,它们也随即死去。然而此项技术的风险来自这样一个事实:虽然它们是人造物,但却是活的,它们可以从其环境中获取材料构建自身,并进行自我复制、取得进化。

        应该说,里勃切特通过实验制造出的一些生命物质,只是生物大分子的基本构成单元,还远远不是生命。那么,怎样才算是生命?尽管目前科学家对生命定义的一些细节还存有争议,但他们都同意生命至少要具备3个特征:第一,生命必须有一个容器,如细胞的细胞膜,人的身体等;第二,生命能进行新陈代谢,可在酶的催化作用下与环境做物质和能量的交换;第三,生命具有可以被储存和复制的化学指令,这些指令控制着生命活动,并且能复制遗传。

        目前,这3项基本要素已经在实验室里分别模拟成功,科学家们宣称他们已经做好创造人造生命的一切准备工作。不久前,欧盟曾为开展这方面的研究拨发专款,还在意大利威尼斯专门成立了世界上首家人造生命研究所——欧洲生命工程中心。 美国马萨诸塞综合医院的微生物学家马丁·汉泽克认为,现在是开始实践性研究和着手全面实验的时候了。此项实验一旦取得成功,将开辟人类生命工程的新纪元。

基因大师的造物计划

        按照达尔文进化论的观点,当今五彩缤纷的生物世界,都是由一个共同祖先即原始生命体演化而来。原始生命体是怎样产生的?这一直是一个困扰科学界的谜团。近50多年来,科学家们为了解开这个谜,一直进行“人造生命”的探索。

        早在2001年11月21日,世界著名的基因大师、美国塞莱拉公司前总裁克雷格·文特尔就宣布开展一项新的研究,目标是利用人工合成的遗传物质,在实验室里制造一种在自然界中并不存在的新物种。

        新研究计划将生殖支原体作为研究对象,这种寄生在人体内却不引发疾病的细菌只有一条染色体,其中包含517个基因,是已知基因组最小的生物。文特尔等人准备首先将天然生殖支原体细胞内的遗传物质全部去除,然后合成出含有细菌生存所需最少基因数目的人造染色体。人造染色体最终将注入去除遗传物质的中空生殖支原体细胞,以进一步研究这种人造细胞能否存活繁殖。

        文特尔解释说,他们的研究纯粹是基础性的,不是彻底人工制造一个全新的生物,而是一种对生命体的改造。他认为,这项研究可以使人们从根本上加深对细胞生存最关键条件的理解。如果初步实验取得成功,他们更长远的设想,是不断为其添加新功能,比如分解火力发电厂排放的二氧化碳,或生产可用作燃料的氢等,从而为低成本、高效率制造生物能源找到一条新出路。

        尽管专家们从这种新技术中看到了无穷的好处,但很多人对于它可能给人类伦理观念带来的冲击,以及人类最终可能失去对新物种的控制等问题感到担忧。因为任何人造生命都有可能演化成与地球上现有的生命形式完全不同的生命,成为无法控制的生物。对此,美国加利福尼亚大学分子生物学教授戴维·迪默却认为,人类制造的任何东西都不可能与那些在自然界中进化了30亿年的生物竞争。而且科学家们还在设计另一层保护措施:所有人造生命都将依赖自然界不存在的化学物质,这些关键性的化学物质一旦消除,人造生命便即死亡。因此,人造生命失控的风险极其微小。

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附:

人工生命
史忠植

   人工生命是指具有生命特征的人造系统。在信息科学技术领域中的人工生命,是以计算机为研究工具,模拟自然界的生命现象,生成表现自然生命系统行为特点的仿真系统。人工生命是20世纪80年代后期开始兴起的一种新的学科领域,也是计算机科学继人工智能之后出现的新的发展方向之一。世界上首先提出“人工生命”概念的人,是美国洛斯·阿莫斯国家实验室的克里斯·兰顿博士。他在1987年时指出:生命的特征在于具有自我繁殖,进化等功能。地球上的生物只不过是生命的一种形式,只有用人工的方法,用计算机的方法或其他智能机械制造出具有生命特征的行为并加以研究,才能揭示生命全貌。

   人工生命的研究现状与人工智能早期历史可以说是并行的。40年代末,50年代初,冯.诺伊曼提出了机器自增长的可能性理论。以计算机为工具,迎来了信息科学的发展。 1956年达特默斯的夏季讨论会上麦卡锡提出人工智能的术语。正式形成人工智能学科的研究。人工生命许多早期的工作也源出于人工智能。60年代,罗森勃拉特(Rosenblatt)研究感知机,斯塔勒(Stahl)建立了一些细胞活动的模型,他把图灵机用作“算法酶”,将生化表示成字符串。60年代后期,林登麦伊尔(Lindenmayer)提出了生长发展中的细胞交互作用的数学模型,现在称为L-系统。这些相当简单的模型,可以明显地显示复杂的发展历史,支持细胞间的通信和差异。 70年代以来,科拉德(Conrad)和他的同事研究人工仿生系统中的自适应、进化和群体动力学,提出了不断完善的“人工世界”模型。 后来侧重研究系统突发性的个体适应性。乔姆斯基(Chomsky)的形式语言理论应用在程序设计语言的规范说明和开发编译程序。细胞自动机应用于图象处理。科伟(Conway)提出生命的细胞自动机对策论。

   人工生命是形成新的信息处理体系强大的推动力,并成为研究生物的一个特别有用的工具。人工生命的研究可能将信息科学和生命科学结合起来,形成生命信息科学。在21世纪初人工生命的研究将会蓬勃发展,并取得突破性进展。

   人工生命研究的科学问题如下:

  

  • 生命自组织和自复制:研究天体生物学、宇宙生物学、自催化系统、分子自装配系统、分子信息处理等
  • 发育和变异:研究多细胞发育、基因调节网络、自然和人工的形态形成理论。目前人们采用细胞自动机、L-系统等进行研究。细胞自动机是一种对结构递归应用简单规则组的例子。在细胞自动机中,被改变的结构是整个有限自动机格阵。典型的形态形成理论是1968年Lindenmayer提出的L-系统。L-系统由一组符号串的重写规则组成,它与乔姆斯基(Chomsky)形式语法有密切关系。
  • 系统复杂性:对生命从系统角度来看它的行为,首先在物理上可以定义为非线性、非平衡的开放系统。生命体是混沌和有序的复合。非线性是复杂性的根源,这不仅表现在事物形态结构的无规分布上,也表现在事物发展过程中的近乎随机变化上。然而,通过混沌理论,我们却可以洞察到这些复杂现象背后的简单性。非线性把表象的复杂性与本质的简单性联系起来。
  • 进化和适应动力学:研究进化的模式和方式、人工仿生学、进化博弈、分子进化、免疫系统进化、学习等。在自然界,通过物种选择实现进化。遗传算法和进化计算是目前极为活跃的研究领域。
  • 智能主体:智能主体是主体是具有自治性、智能性、反应性、预动性和社会性的计算实体。研究理性主体的形式化模型、通信方式、协作策略;研究涌现集体行为、通信和协作的群体智能进化、社会语言系统。
  • 自主系统:研究具有自我管理能力的系统。自我管理具体体现在以下四个方面:自我配置:系统必须能够随着环境的改变自动地,动态地进行系统的配置;自我优化:系统不断的监视各个部分的运行状况,对性能进行优化;自我恢复:系统必须能够发现问题或潜在的问题,然后找到替代的方式或重新调整系统使系统正常运行;自我保护:系统必须能够察觉、识别和使自己免受各种各样的攻击,维护系统的安全性和完整性。
  • 机器人和人工脑:研究生物感悟的机器人、自治和自适应机器人、进化机器人、人工脑。
  • (责任编辑:admin)

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