问题

为什么合成一个生命体如此困难?(选答:人类何时才能实现生命体的合成?)?

回答
为何“造物”如此艰难?生命合成的未解之谜

我们常常在科幻电影里看到,科学家们能够轻易地创造出各种奇异的生命形式,甚至复制出早已灭绝的生物。然而,在现实世界里,合成一个“生命体”,即使是最简单的单细胞生物,也依然是我们面前一座难以逾越的高峰。这究竟是为什么?这背后隐藏着怎样的复杂性?

简单来说,生命体的合成之所以困难,是因为我们对“生命”本身的定义和构成要素,以及它们之间相互作用的精妙机制,仍然知之甚少。将这比作建造一座极其复杂的城市,我们可能只拥有一些基础的建筑材料(如化学元素),但却缺乏蓝图、精确的施工指南以及理解城市如何运转的知识。

1. 构成生命的“积木”:远不止想象的那么简单

我们知道生命是由细胞构成的,而细胞又是由蛋白质、核酸(DNA和RNA)、脂质、碳水化合物等有机分子组成的。但仅仅堆砌这些分子,并不能点石成城。问题在于:

分子间的精确组装与空间排布: 生命体内的各种分子并非随意堆积,而是以极其精确的结构和空间关系进行组装,形成复杂的细胞器,如线粒体、核糖体、内质网等。这些细胞器各司其职,协同工作,共同维持生命的运作。举个例子,核糖体是蛋白质合成的工厂,它的结构需要精确到原子级别,任何微小的偏差都会导致蛋白质合成的失败。而这些精密的组装过程,是由基因信息编码,并由其他蛋白质介导完成的,形成了一个庞大而精巧的“自组织”系统。
能量的获取、转化与利用: 生命离不开能量。细胞需要从环境中获取能量(如葡萄糖或光能),并通过复杂的生化反应将其转化为细胞可以利用的形式(如ATP)。这个过程涉及数以百计的酶参与的代谢通路,每一步都受到精确的调控。即使我们能合成出“燃料”,如何让它在正确的时机、正确的地点被转化为可用的能量,仍然是一个巨大的挑战。
信息载体与信息读取: DNA是生命的蓝图,它储存着构建和维持生命所需的所有信息。然而,这些信息必须被正确地读取、转录成RNA,再翻译成蛋白质。这个过程涉及复杂的基因调控网络,包括启动子、增强子、转录因子等。即使我们能合成出完整的DNA序列,如何确保它能被细胞内的“机器”正确识别、读取并执行指令,是一个巨大的难题。想象一下,你有一本写满了精确指令的书,但却没有能够阅读和执行这些指令的机器人。
自我维持与自我复制的能力: 生命体最核心的特征之一是能够自我维持和自我复制。这意味着它们需要有能力修复自身的损伤、抵御外界的侵扰,并且能够制造出与自身相同的副本。这涉及到复杂的信号传导通路、免疫系统以及DNA复制机制。合成一个能够独立完成这些复杂任务的系统,需要对所有这些过程都有极其深入的理解。

2. “软件”与“硬件”的协同:生命的奥秘远不止于此

如果我们把生命比作一台计算机,那么DNA就像是软件代码,而蛋白质和细胞器就是硬件。但生命比计算机更复杂,它是一个动态的、不断演化和适应的系统。

“涌现性”与“自组织”: 生命中存在一种“涌现性”现象,即整体的性质远大于各部分之和。最简单的细胞,其生命活动也不是仅仅由其组分简单叠加而成,而是这些组分之间通过复杂的相互作用和反馈环路,自发地组织起来,产生出新的、高级的生命特性。我们目前对于这种“自组织”能力的精确实现机制,仍然知之甚少。我们很难凭空创造出这种“生命力”。
与环境的互动: 生命并非孤立存在,它需要与外部环境进行物质和能量交换,并且能够感知和响应环境变化。例如,细胞需要吸收营养物质,排出代谢废物,并且能够对温度、pH值等环境因素做出反应。合成一个能够与环境进行这种复杂互动的生命体,意味着我们需要模拟并构建出这些与外界交互的接口和机制。
“智能”与“适应性”: 即使是最简单的生物,也表现出一定程度的“智能”和“适应性”,能够学习和适应新的环境。这些高级功能是如何从基础的生化过程中涌现出来的,目前还处于探索阶段。想要合成具有这些能力的生命体,更是遥不可及。

3. 技术的局限性与伦理的考量

除了科学上的挑战,技术和伦理也是阻碍生命合成的重要因素。

合成技术的精度: 目前的化学合成技术在构建大型、复杂的生物分子方面仍然存在局限性,尤其是在保持其天然构象和生物活性方面。即使能够合成出DNA,如何将其有效地组装到细胞环境中并使其正常工作,仍然是一个巨大的挑战。
对“活”的定义: 科学界对于“生命”的定义本身就存在讨论。当我们说“合成生命”时,我们指的是什么?是一个能够自我维持和繁殖的完整细胞?还是一个包含特定功能的分子机器?不同的定义意味着不同的技术难度和伦理考量。
潜在的风险与责任: 合成生命体,特别是具有一定复杂性的生命体,必然会引发关于安全、生态影响以及伦理责任的担忧。如何确保我们创造出的生命不会对现有生态系统造成破坏,或者被滥用,是需要慎重考虑的问题。



人类何时才能实现生命体的合成?

这是一个没有明确答案的问题,因为它取决于我们对生命本质理解的深度,以及科学技术的进步速度。科学界普遍认为,实现最简单的合成生命体(例如,从零开始构建一个具有基本生命功能的细胞),可能还需要数十年的努力。

短期(未来1020年): 在这个阶段,我们可能会看到更成熟的“部分合成”或“基因组合成”的进展。例如,科学家们已经能够合成出较长的DNA链,并将其植入到现有的细菌细胞中,替换其原有的基因组。这种“基因组移植”可以看作是合成生命的一种初步尝试,能够创造出具有特定改造功能的生物。我们或许也能在实验室中合成出更简单的、但仍然是生命活动的最基本模块,例如能够进行特定化学反应的“人工细胞”或“生命样颗粒”。
中期(未来2050年): 随着我们对细胞内部运作机制理解的加深,以及化学合成、蛋白质工程、计算生物学等技术的突破,从头合成最简单的、能够独立生存和繁殖的单细胞生物的可能性将逐渐增大。这将涉及到对细胞膜、细胞核(如果有的话)、遗传物质以及基本代谢通路进行精密的组合。这个过程更像是“组装”一个高度简化的生命体,而不是“从零开始创造”。
长期(50年以上甚至更久): 合成更复杂的生命体,如具有多细胞结构的生物,甚至模拟人类的某些生命功能,将是一个更加漫长和艰巨的过程。这不仅需要解决大量的技术难题,还需要我们对生命演化、发育生物学以及神经科学等领域有更深刻的认识。在此过程中,我们也会不断反思和界定“生命”的边界,以及人类在其中扮演的角色。

需要强调的是,这只是一个大致的预测。科学的进步往往是难以预测的,一些意想不到的突破可能会加速这一进程,而另一些未知的障碍也可能使其推迟。

总而言之,合成生命体之所以困难,是因为生命本身是一个高度复杂、动态且充满“涌现性”的系统。我们目前对构成生命的“硬件”和“软件”的认知虽然在不断深入,但要将它们完美地组合并赋予生命的核心能力,还有很长的路要走。这是一个充满挑战但也令人兴奋的科学前沿,它不仅是对我们科学理解能力的考验,也是对我们智慧和责任的审视。

网友意见

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题目谈到的人和水稻的核 DNA 分子大而脆弱,整段化学合成相当困难、容易出差错,一段一段合成不易拼装,在扫描隧道显微镜下用探针物理堆砌太贵。这比合成药物要难,而且无法期待什么经济回报,没什么人掏钱来搞。

支原体、病毒之类的短基因组已经实现了人工合成。那就是合成生命。

现代技术早就可以根据公开的基因序列合成出病毒,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。
  • 嵌合体马痘病毒实际上是自然界并不存在的物种。

2003 年 11 月 13 日,美国科学家文特尔和同事在 14 天内合成出一种自然界并不存在的噬菌体“Phi-X”,其基因组由人造 DNA 原料合成。

  • DNA 原料可以从无机物合成。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。
  • 人造细胞膜并植入跨膜蛋白也是可以的,2018 年就能每分钟植入 1000 个。

2010 年,文特尔团队造出在自然存在的支原体基础上大幅精简的人工细胞生物。

由于对天花病毒卷土重来的畏惧,WHO 条例和许多国家政策禁止制造天花病毒,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。

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。将 XENOBOT 视为合成生物其实和这些差不多,它本身是非洲爪蟾的活细胞做成的,并非来自无机物。

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