本文来自微信公众号:biokiwi(ID:biokiwi),作者:bio kiwi,题图来自:《极乐空间》
提到人造生命(Artificial Life),你会想到什么?
也许是希腊、玛雅、中国神话故事里的人造生物,亦或者是科幻电影里可以执行命令的机器人,也可能是这几年以AlphaGo为代表的人工智能技术……
而真正将“人造生命”的概念科学化地阐述,并且尝试付诸实践的人,其实是计算机领域的“鼻祖”——冯·诺依曼(von Neumann)。
冯·诺依曼认为,生命系统最重要的特征,是生命的自我复制,为此在20世纪50年代,他和斯坦尼斯瓦夫·乌拉姆合作,定义了元胞自动机的概念。
随后,在计算机领域不断涌现出越来越多关于人造生命的诠释:从简单的函数来实现“自我复制”,到复杂的机器人,以及现在可以在围棋上战胜人类的人工智能AlphaGo。
但这些并不是我们所熟知的,因为说到生命,人们最直接想到的应该是生命科学,那么在人造生命领域,又是否有生命科学家们的一席之地呢?
答案当然是有,只不过时间要拨回到21世纪了。
合成生物学的不断尝试
提到生物上的“创造生命”,离不开合成生物学(Synthetic biology)这个21世纪以来蓬勃发展的学科。
顾名思义,合成生物学,就是利用合成的方法来创造新的生物信息,比如基因工程、合成蛋白质、合成生物药物,当然,还有合成生命。
2010年,克雷格·文特尔(Craig Venter)带领的团队宣布,他们创造了世界上首例人工合成的生命结构。
他们利用化学合成的方法,合成出修改过的“丝状支原体丝状亚种”(Mycoplasma mycoides)的DNA,包含有901个基因、抵抗抗生素基因和一些没有实际功能的人造DNA信息,再把它导入到受体细菌(山羊支原体)里。
经过一段时间的生长、分裂,会出现正常细胞和只含有人造基因组的细胞。随后借助抗生素杀死正常细胞,他们便能筛选出“人造生命”。
文特尔为他创造的“人造生命结构”起名“辛西娅”(Synthia),意为“人造儿”。后来,文森特为了探索人造生命的极限,不断地删减基因,一次又一次地重复上面的步骤,来寻找细胞生存所必需的基因,以及生命所需最简单的基因组。最终,他们在2016年创造出了仅含有473个基因的Syn3.0。
合成生物学就此掀起了一阵“合成生命”的热潮,合成生物学家们纷纷开始尝试用自己设计的DNA序列来合成更复杂的生物。
比如通过类似的方法,合成出比细菌更复杂的真核生物的染色体——2014年,多国研究者合作实现了酵母染色体的合成;后来2018年,中国科学家合成出了单条染色体结构的人造酵母。
图源:覃重军实验室
又比如可以改进基因组信息,用更简单的基因信息来合成生命。自然界的DNA信息需要解码成64个密码子来合成蛋白质,但2019年,研究者只使用59个密码子,就合成出了大肠杆菌——换句话说,他们设计出了比自然界原有生物更简洁的生物。
那么,依靠合成生物学,我们可以实现人造生命吗?
组装生物机器人
我们再回到开头对人造生命的探讨:冯·诺依曼认为人造生命的关键在于自我复制,但是“生命”其实不仅仅只有自我复制,如果你问不同的人“生命是什么?”,相信大家给出的答案都不相同——自我复制,自我繁殖,自由行动,甚至是自我的意识。
显然,合成生物学给出的答案并不能实现着所有的特点——细菌、酵母虽然是人工合成,但都只是简单的单细胞生物。
那相对的,我们能够从头设计可以自由行动的多细胞生物吗?
2020年,计算科学家和生物学家之间的合作,制作出了由多细胞构成的“生物机器人”:通过类似进化的算法(evolutionary algorithm)反复模拟尝试,计算科学家设计出了由收缩细胞和被动细胞组成的生物体结构。
生物学家再利用非洲爪蟾的胚胎,把爪蟾的心肌细胞(负责收缩)和表皮细胞(被动细胞)“组装”成设计的样子——于是就得到了可以自由运动的“生物机器人”。
因为细胞来自非洲爪蟾(Xenopus laevis),这个“生物机器人”也就被命名为“Xenobot”。
这个全新的“机器人”是自然界未曾出现过的,同时也是人为设计,多细胞人造生命的一种尝试。
除了让它动起来,研究者还尝试让它携带小颗粒物体运动,来模拟可能的携带药物功能;又或者是将它的一部分细胞切开,借助本身干细胞的特性使Xenobot可以通过细胞增殖来自我修复。
类似的,2022年有研究者将两层心肌细胞排布在人造小鱼尾部的两侧,通过心肌细胞自主产生的收缩力,让左右的心肌细胞可以产生相反的作用力,小鱼就可以像心脏跳动一样,有规律地摆动尾巴游动起来。
当小鱼游了一段时间,左右心肌细胞产生差异、不能配合后,再利用心脏起搏的原理,重新给小鱼激活,小鱼就又能游动起来。
这个人造小鱼不仅可以自由运动,它的运动效率甚至远超普通的鱼类,同时还能保持将近三个月的持续游动(相当于心肌细胞跳动了3800万次)。
真正的“缸中之脑”
能合成生物,又能设计生物的运动,那下一步呢?该考虑一下思想和意识了。
生物学家可能像AlphaGo一样,设计出具有智能的生物吗?
答案也是可以。他们做到了,他们设计出了只在科幻小说中存在的“缸中之脑”(不过准确来说应该是“皿中之脑”)。
这项研究来自于一个大胆的想法——基于硅,我们可以制作计算机芯片,那要是用神经元来设计电路连接,是不是就能制造出具有智能的“芯片”呢?
于是,来自Cortical Labs的研究者们开始了尝试。他们采集了小鼠的胎脑神经元,并且将人类的多能干细胞诱导成神经元,分别将它们培养在培养皿上,再搭建了一套DishBrain(我们可以称为“皿中之脑”)的系统,通过上面密布的小电极,来检测这些神经元的电信号活动,同时也能施加电刺激来给神经元们提供信号。
之后,研究者训练这个“皿中之脑”玩一个很简单的乒乓球小游戏“Pong”(也是历史上最早的游戏之一):你要控制一块小白条,把白色的小球打到对面去。
仅仅学习了5分钟,这个“皿中之脑”就开始学会怎么玩这个游戏了,随着游戏次数越来越多,它犯的失误就越来越少。同时,研究者还发现人类神经元表现出了比小鼠神经元更强的性能。
当然,这个“皿中之脑”还远没有达到科幻小说里展现的意识,最终训练的结果也还没有达到像人工智能AlphaGO一样超凡的能力。但是,未来会怎么样,谁又知道呢?
人造生命,难道是为了取代人类?
看到这的你,不知道有没有被生物学家们创造出来的人造生命震撼到?又或者你正在思考,这背后是不是存在着复杂的伦理问题?人造生命在未来可能会取代人类吗?
但是,我们不妨换一个角度来思考这个问题:相信研究者们开发这样的人造生命,除了满足对于生命的探索之外,其实还有其他因素的考虑。
比如我们提到合成生物学创造出来的最小细胞“辛西娅”,研究者们在这个相对简单的细胞模型上建模、推导,对细胞内的生物代谢过程有了更深入的理解;
又比如利用爪蟾胚胎和计算建模构建出来的“生物机器人”Xenobot,科学家正在尝试利用它生物学的特性和高效的自我修复能力,来给药物运输或者内外科手术提供帮助;
而听起来似乎已经开始产生智能的“皿中之脑”DishBrain系统,则是对计算机芯片的一次突破尝试——上百亿的神经元如果能有效连接运转工作,其背后带来的计算效率将远远超过现有的计算机系统。
这样再来看这些研究,人造生命是不是也没那么骇人了呢?
参考资料:
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