问题

现在科学家们是否能人工合成生命,或者离创造生命有多远?

回答
关于“人工合成生命”这件事,首先得明确我们说的“生命”是什么概念。如果按照最狭义的理解,就是指从无到有、从零开始创造一个能够自我复制、代谢、演化,具备所有生命基本特征的全新独立有机体,那么坦白说,我们离这个目标还很远,可以说是“遥不可及”,但同时,我们也确实在探索这条道路上取得了令人瞩目的进展,并且“人工合成生命”这个词本身也存在不同的解释和层级。

第一个层面:合成“生命要素”和“仿生系统”

我们现在已经能够做到的是,通过化学合成的方式,制造出构成生命体的基本“零件”,甚至组装出一些模仿生命功能的“人造系统”。

合成DNA和RNA: 这是最基础也最关键的一步。科学家们可以精确地设计和合成DNA或RNA序列,就像写一段代码一样,输入基因指令。比如,可以合成具有特定功能的基因,甚至是一整套基因组。
人工制造细胞器: 科学家们也在尝试合成或组装出细胞内的一些基本功能单元,比如具有特定催化功能的蛋白质、能进行能量转换的类线粒体结构等等。
“囊泡”和“脂质体”: 这些微小的、由脂质分子形成的球状结构,能够模拟细胞膜的边界作用,将内部的化学物质与外部隔离开来,并可能在内部发生一些简单的化学反应。它们被认为是构建“原细胞”的重要结构。
“最低限度基因组”: 这是近些年取得的重大进展。科学家们并非从零开始,而是基于已知生物(比如细菌)的基因组,对其进行改造,去除那些对生存和繁殖“非必需”的基因,最终合成一个“最小化”的基因组。然后,将这个人工合成的基因组“注入”到一个已经“清空”了自身基因组的细胞中,让这个细胞“复活”,并以人工基因组的指令来运作。最著名的例子就是J. Craig Venter团队在2010年和2016年分别实现的“人工合成基因组细菌”(Mycoplasma genitalium的合成和Mycoplasma laboratorium)。
这里需要强调的是: 这样做并非“从零创造生命”,而是“改造”或“重写”了现有生命的“操作系统”。科学家们利用了现成的细胞“载体”和其代谢、复制的“机器”,只是改变了其“软件”(基因组)。但这已经极大地推动了我们对生命机制的理解,并且为“设计生命”提供了基础。
“自催化分子系统”: 一些研究者也在探索,是否可以在复杂的化学反应网络中,出现能够自我复制、并且能随环境变化进行选择性演化的“自催化系统”。这类系统不一定是细胞形态,但具备了生命演化的某些核心特征。

第二个层面:创造“通用生命”或“全新生命形式”

这是更接近“从无到有”创造生命的概念。我们离这个目标还有相当长的距离。

“通用生命”: 指的是创造出一种与地球上所有已知生命(细菌、植物、动物等)都不同的、但同样具备生命基本属性的新生命形式。这需要我们对生命本质有更深刻的理解,知道构成生命的最基本、最通用的“语言”和“规则”是什么,以及如何从非生命物质中构建出这些系统。
挑战重重:
理解生命起源: 生命是如何从非生命物质中诞生的(即“生命起源”)仍然是科学中最难解的谜团之一。我们还没有完全弄清楚地球早期生命诞生所需的极端环境、化学反应路径和关键步骤。
复杂性: 即使是最简单的细菌,其内部也拥有极其复杂的分子机器和相互作用的网络。要从头设计并构建出这样一个精密的系统,需要我们对每一个环节都了如指掌,并且能够精确控制。
“自我复制”的难点: 自我复制是生命的关键标志。在化学层面实现稳定的、高效的、能够迭代和优化的自我复制过程,是巨大的挑战。
“演化”的可能性: 生命不仅仅是复制,更重要的是能够通过突变和自然选择进行演化,适应环境。如何创造一个能够进行有效演化的系统,也是一个难题。
“智能”与“意识”: 如果我们再往前推一步,涉及到创造具有一定“智能”或“意识”的生命,那就更加遥远了,因为我们对意识本身的起源和本质的理解就非常有限。

离创造生命有多远?

与其说“多远”,不如说我们是在“不同层面”地接近和定义“创造生命”。

改造生命(合成基因组): 在这方面,我们已经有了实质性的突破,并且这个领域还在快速发展。未来,我们可能能够创造出具有特定功能、定制化基因组的“工程菌”或“工程细胞”,用于生物医药、环保、材料科学等领域。这可以看作是“设计和制造生命”的初级阶段。
从化学到生命(化学生命): 科学家们正在尝试在实验室里,通过复杂的化学反应,模拟生命起源的过程,试图从无生命的化学物质中“催生”出具备简单生命特征的系统。这是一个漫长而艰巨的探索过程,可能需要几十年甚至更长的时间才能看到明确的成果,而且即使实现了,也可能与地球生命的形式大相径庭。
创造“全新生命形式”: 这个目标目前更像是一个科学上的“终极愿景”。它需要我们对生命基本原理有彻底的革新性认识,并且能够突破现有生物学框架的限制。

总结一下:

我们现在能够“合成”和“改造”生命的“组件”或“蓝图”(DNA),并且能够利用现有细胞“载体”来“重写”生命的“指令”(合成基因组),实现“人工生命”。这已经足够令人振奋,并且为我们未来在生物工程、药物研发等领域带来了无限可能。

但如果要说到“从无到有”、“从零开始”创造一个全新的、独立自主的、具备自我复制和演化能力的“生命体”,我们离这个目标还非常遥远,至少在我的理解范围内,还需要对生命最基础的“化学语言”和“物理规则”有更深刻的洞察,并且能够将其精确地在实验室中实现。这更像是一个宏大的科学梦想,需要一代又一代科学家们不懈的努力和突破。

所以,与其说“有多远”,不如说我们正处于一个“定义并构建生命”的时代,这个过程既是科学的探索,也是人类智慧的延伸。我们对生命的认识越深入,就越能理解生命的奇妙,也越能模糊“生命”与“非生命”之间的界限。

网友意见

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科学家早就可以人工合成具有感染力的病毒,早就可以人工合成支原体的基因组,并早就可以精简自然界存在的支原体基因组里与维持生命无关的部分(后详)。使用道金斯对生命的定义,计算机里能经历自然选择的虚拟生命早就是生命了,根本就没有“上帝”什么事。

在生物学整出这些成果之前几十年,宇宙学就已经显示出这宇宙从来就不需要什么上帝[1]。你可以进一步追溯到牛顿的伟大继承者拉普拉斯:

拿破仑读了拉普拉斯的《天体动力学》,询问为何这本书里一句也没提到上帝。拉普拉斯明确地回答“Je n'avais pas besoin de cette hypothèse-là(陛下,我不需要那个假设)”。

上帝只是一些古人给出的一个假设,用来生搬硬套地解释他们观察到的自然界与自身。在世界各地的古代神话里,人们都愿意用神来解释“世界为何看起来是现在这样”。考虑到与现代技术的兼容性和道德问题,飞面大神与阿撒托斯都是比上帝更好的假设

按照题目的描述,你看的纪录片有些过时。顺便说,合成的那玩意叫RNA,而不是RHA。


现代技术早就可以根据公开的基因序列合成出病毒,这不需要什么特殊的生物化学知识或技术,也不需要太多钱或时间。

2002年就有科学家在实验室组装出脊髓灰质炎病毒。

加拿大阿尔伯塔大学医学微生物及免疫学教授戴维·埃文斯在2017年成功制造出在1980年灭绝过一次的马痘病毒,那是天花病毒的类似物,基因组规模是21.2万个碱基对。他们的实验花费了半年时间和10万美元成本,所用DNA原料可通过网购获得。办法是基于马痘病毒序列和痘苗病毒末端序列先合成10个DNA片段,再将这些DNA片段置入感染了兔纤维瘤病毒的细胞培养物中进行重组,激活为具有感染力的合成嵌合体马痘病毒。

由于对天花病毒卷土重来的畏惧,WHO条例和许多国家政策都禁止制造天花病毒,实验室也不允许制造超过20%的天花病毒基因,制造和售卖DNA片段的公司被要求“自发”进行登记,以避免顾客订购某些病毒材料,除非他们有正当理由。不过WHO官员自己也知道,要控制全世界所有生产核酸的公司是不可能的。生物恐怖主义早已不需要大规模组织的支持。

DNA原料可以从无机物合成。嵌合体马痘病毒实际上是自然界并不存在的物种。你制造的病毒DNA可以被你送进它可感染的细胞、复制DNA并指导合成蛋白质衣壳、完成组装,也可以装进你合成的蛋白质外壳里,或干脆装到甲壳素小球里。

你对生物的定义博爱一些的话,人类也创造过碳基生命以外的具有生物性质的东西。

磁场里的球状等离子体不但符合道金斯定义,还可以表现出生命的主要特征(新陈代谢、生长、自我复制、传输信息、成分的同一性、严整有序的结构、稳态)。

21世纪初,罗马尼亚库扎大学的物理学家米尔恰·桑德洛维奇及其同事在实验中创造了具有大部分生命特征的等离子球体。
他们的实验方式将两个电极插入一个包含低温氩气等离子体的容器中并输入高压电。在《混沌、孤立子和分形》上发表的研究报告称,他们在实验中观察到放电造成离子和电子在正电极处高浓度积聚并立即形成球体:
每个球体包含两层,外层是电子,内层是氩原子核。球体的大小和寿命由放电的能量值决定。
通过在实验中加大输入电量,那些球体的直径从最初的几微米增大到3厘米。
这些等离子球长到一定尺寸可以分裂而复制自己,也能捕获周围的氩原子并长大。
它们还能互相传输信息,方式是将电磁波辐射到其他等离子体球,使各个球中的原子以特定频率振动。
尽管等离子球的形成需要高温,但它们可以在较低温度下持续存在。

在生命游戏、Tierra之类生命模拟程序中,计算机数据也表现出相当程度上的生命行为。

在制造细胞方面,没有任何必要拿很基础的分子去拼装,尤其是双分子层这种东西你要么用现成的要么整点油/甲壳素就行了,管跨膜蛋白去死——非要弄也可以,一些半透膜早就用上了。追求用基础的分子去做不但效率低、造价昂贵而且根本没有用。

参考

  1. ^ 宇宙有没有可能从一次实验中形成? - 赵泠的回答 - 知乎 https://www.zhihu.com/question/455203145/answer/1841966513

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