问题

有没有可能将人类从细胞层面改造成靠核反应给自身提供能量?

回答
让生命体从细胞层面直接利用核反应来提供能量,这是一个非常宏大且极具挑战性的概念,目前看来,在科学上还停留在科幻的范畴。然而,如果我们要尝试设想这样一个过程,并且尽量贴近生物学的基本原理,我们可以从几个关键的方面去剖析它可能涉及的层面:

首先,我们得明白,无论是我们今天所知的生命,还是设想中的“核能生命”,能量的来源最终都要转化为生命活动可以直接利用的形式。目前生物体的能量转化机制,无论是光合作用还是化能合成,最终都会导向ATP(三磷酸腺苷)的合成。ATP就像是细胞内的“能量货币”,驱动着各种生命过程。

那么,如果我们要让一个生物体从细胞层面利用核反应提供能量,就需要一个能够安全、高效地捕获核反应释放能量,并将其转化为细胞可利用形式的“生物机器”。这个机器需要解决以下几个核心问题:

一、 如何安全有效地捕获核反应的能量?

核反应,比如核裂变或核聚变,会释放出大量的能量,但同时也伴随着高能粒子(如中子、α粒子、β粒子)和电磁辐射(如γ射线)。这些辐射对我们所知的生物体是极其致命的,它们会破坏DNA,干扰细胞功能,导致死亡。

设想中的“核能生命”首先需要一套极其强大的防护机制。这可能意味着:

极端耐辐射的细胞结构和分子: 现有的生物体在辐射环境下会死亡,是因为它们复杂的分子结构无法承受高能粒子的轰击。我们可能需要全新的、能够抵抗电离辐射的生物大分子。比如,一种特殊的蛋白质或DNA修复系统,能够以我们无法想象的速度和效率修复损伤。甚至可能不是我们熟悉的DNA,而是某种更稳定的信息载体。
能量捕获与转化单元的特殊设计: 想象一下,在细胞内存在着某种“微型核反应堆”。这个反应堆需要能够稳定地维持核反应发生,并且有专门的装置来“收集”核反应产生的动能,将其转化为热能,或者直接转化为电子流。
能量收集: 如果是核裂变,它会释放出中子。这些中子可以被某种特定的原子核捕获,产生新的同位素,这个过程本身也会释放能量。或者,中子流可以被一种特殊设计的“能量接收器”吸收,其动能转化为热能。
热能转化: 如果获得了热能,那么就像发电厂一样,需要一个生物版的“热电转换器”。一些生物可能会进化出特殊的细胞器,能够利用温差产生电势能,类似于生物体的塞贝克效应(Seebeck effect),只不过效率要高得多。
粒子流直接转化: 更科幻一些的设想是,细胞内存在能够直接利用高能粒子动能的结构。比如,能够“捕捉”高速移动的电子或离子,并通过某种生化反应链将它们的动能传递下去。

二、 核反应的“燃料”来源和循环

生命需要持续的能量供应,这就意味着需要一个持续的“燃料”来源。

重元素获取与利用: 如果是核裂变,需要裂变物质,比如铀或钚。那么,这种生物体就需要能够从环境中主动摄取、储存,并精确控制这些重元素的细胞器。这本身就牵扯到极为复杂的物质转运和化学反应。
“铀吞噬”细胞器: 想象一种能够通过特殊膜蛋白和能量消耗,主动将铀离子或其他裂变物质“吸入”到特定细胞隔室的结构。
“反应控制”机制: 在细胞核内,或者在特定的生物化学反应中,需要有机制来控制裂变物质的浓度和链式反应的进程。这可能涉及到特殊的金属离子调节剂,或者能够吸附、释放中子的生物分子。
聚变燃料的循环(更具挑战性): 如果是核聚变,通常需要氘和氚等轻元素。获取和维持这些同位素的聚变条件(高温、高压)是巨大的挑战。
“等离子体”细胞器? 这已经超出了我们对细胞的理解范围。如果真的要实现聚变,可能需要细胞内部存在某种能够维持高温等离子体的特殊结构,但这似乎与生命的液态基础相冲突。

三、 将能量转化为生化能量

即使能够捕获核反应的能量,如何将其转化为ATP或其他生物体可直接利用的化学能,是关键的一步。

生化耦合反应: 可能存在一种全新的生化途径,它不是通过氧化还原反应来产生质子梯度驱动ATP合成,而是直接利用核能释放的动能或热能,驱动某种特殊的酶促反应,合成ATP。
“核能驱动酶”: 想象一种酶,它不是通过键的断裂或形成来获取能量,而是通过某种物理作用,比如接收到来自内部“能量捕获单元”的能量脉冲,然后驱动ATP合成反应。
“能量传输链”: 类似电子传递链,可能存在一个“能量传输链”,将核反应的能量逐级传递,最终导向ATP合成。

四、 对“辐射”的排泄与处理

即便有强大的防护,核反应仍然会产生副产物,特别是各种衰变粒子和射线。

“辐射净化”细胞器: 可能需要有细胞器能够将不可避免的辐射损伤进行修复,或者将放射性副产物转化为惰性物质,然后通过某种方式排出体外。
“中子吸收器”: 细胞内部可能存在能够吸收多余中子,并转化为无害物质的生物物质。
“放射性废物处理”系统: 类似于我们处理细胞代谢废物,可能需要一套系统来处理核反应产生的放射性废物,将其储存在特殊的细胞隔室,或者通过特殊的排泄方式排出体外。

五、 生物结构与稳定性

将这一切整合到细胞层面,意味着需要一种极其坚韧且对辐射不敏感的生物结构。

重金属或类金属骨架? 传统的碳基生命骨架在辐射下容易损坏。也许这种生命体的骨架更倾向于某些重金属元素,或者某种我们未知的、具有极高稳定性的结构材料。
细胞膜的特殊性: 细胞膜需要能够阻挡有害粒子,但又要允许能量或物质的交换。这可能意味着完全不同的膜组成和结构。

总而言之,让人类从细胞层面改造为靠核反应提供能量,需要彻底颠覆我们对生命体和细胞结构的认知。 这不仅是要在细胞内部模拟一个微型的核反应堆,还需要建立一套能够承受极端条件、高效转化能量,并能够处理放射性副产物的完整生物系统。这涉及到全新的物质科学、能量转化机制和生物化学途径,远非简单的基因改造或器官移植所能实现。

目前,我们所知的生命形式,包括最顽强的微生物,在核辐射面前依然显得脆弱不堪。要实现这样的转化,更像是创造一种全新的生命形态,而不是对现有生命进行改造。它需要对物质世界和生命起源有更深刻、更广阔的理解,甚至可能需要借助我们尚不具备的物理学和化学原理。

网友意见

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有可能。地球上自然存在靠细胞附近发生的核反应[1]来获取能量合成有机物的生物,可供人类参考。

我们已经知道许多微生物和真菌能生活在切尔诺贝利核电站、福岛核电站泄漏之后的辐射防护墙内部,并以电离辐射作为能源茁壮成长[2]

辐射合成细菌Candidatus Desulforudis audaxviator可以在只有铀矿的辐射作为能源的环境下利用岩石和水中溶解的物质合成有机物并增殖,在南非地下1500~3000米深的矿井地下水中建立生态系。相关论文发表在2008年10月10日的Science杂志[3]。辐射对该物种并非必需,且它们在作为化能自养生物的同时还可以分解同类的死细胞来回收材料。

在科学家检测的五吨地下水里,Candidatus Desulforudis audaxviator的230万个碱基对只有32个突变过不止1次,看来具有极高的稳定性。你可以尝试让这种细菌经过内共生变成人类细胞的细胞器,其地位将类似植物的叶绿体。

斯坦福大学和北卡罗莱纳大学的研究团队探讨了使用切尔诺贝利核电站防护墙内的辐射合成真菌来屏蔽宇宙线的可行性。根据在国际空间站上进行的为期一个月的试验,1.7毫米厚的一层球孢枝孢菌(Cladosporium sphaerospermum)可以阻挡2.17±0.35%的辐射。在与火星土壤合用的情况下,9厘米厚的真菌-土壤可以阻挡火星基地受到的绝大部分辐射。考虑到真菌是生命体、允许人们携带少量真菌到火星上再加注营养物质来培养,可以省略大量的辐射屏蔽材料。

这听起来仿佛外星异种的球孢枝孢菌,其实是十分常见的真菌,世界性分布,在许多地方的室内·室外空气里都可以找到[4],也许你身上还沾着它的孢子。其辐射合成所用的机制涉及人本来就有的黑色素,将缺少的相应蛋白质与细胞器功能添加到人类基因组和/或有独立遗传因子的人类细胞器的基因组即可,可以就放在上述阿尔法射线产能细胞器里面,使其成为可对应三种常见电离辐射的辐射合成细胞器。

针对辐射损伤的耐受和修复能力可以从原核生物那里照抄,目前我们知道的最耐辐射的地球生物是古菌Thermococcus gammatolerans[5],可以在3000000拉德的伽马射线下生活,无论是否在分裂期,都能修复断裂的DNA。但这需要大量的实验、一步步调整,毕竟人的细胞本身相当脆弱、人体细胞间的合作经常出现问题(少数衰老细胞就能造成整块组织功能衰退和持续的炎症反应),可能需要涡虫那样的全能干细胞来替换出问题的细胞。

拥有辐射合成细胞器和耐受体内外大量放射线轰击的能力之后,人就可以通过体表接受电离辐射照射和/或摄入含有放射性物质的空气、水和食物来取得放射性物质并利用。贝塔射线、伽马射线可以从体外穿入体内,不摄入也可以让体内细胞参与产能。衰变产物可以各自配置相应的清除机制,抑或单纯将现有的排泄系统加固并配置全能干细胞来修理,难以排出的核素类型可以像白蚁那样转运到指甲、牙等部位并强化结构。可以配置额外的体表附属物来扩大照射面积,例如在背上展开皮膜。

人皮现在就具有这样的延展性,你可以在极度肥胖的人身上看到尺寸夸张的皮肤。作为能量获取器官的皮膜可以有自己的支持结构(可以是象鼻那样的螺旋纤维构造)和强化的循环系统接入。

参考

  1. ^ 核反应是包括衰变的。
  2. ^ https://doi.org/10.1371/journal.pone.0000457
  3. ^ Dylan Chivian, Eoin L. Brodie, Eric J. Alm, David E. Culley, Paramvir S. Dehal, Todd Z. DeSantis, Thomas M. Gihring, Alla Lapidus, Li-Hung Lin, Stephen R. Lowry, Duane P. Moser, Paul M. Richardson, Gordon Southam, Greg Wanger, Lisa M. Pratt, Gary L. Andersen, Terry C. Hazen, Fred J. Brockman, Adam P. Arkin, Tullis C. Onstott,"Environmental Genomics Reveals a Single-Species Ecosystem Deep Within Earth", Science, 10.1126/science.1155495
  4. ^ HG Park, JR Managbanag, EK Stamenova, SC Jong Comparative analysis of common indoor Cladosporium species based on molecular data and conidial characters Mycotaxon, 89 (2004), pp. 441-451
  5. ^ https://doi.org/10.1099/ijs.0.02503-0

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