生物學(xué)家做不出AlphaGO，但也在創(chuàng)造生命……

提到人造生命（Artificial Life），你會(huì)想到什么？

也許是希臘、瑪雅、中國(guó)神話故事里的人造生物，亦或者是科幻電影里可以執(zhí)行命令的機(jī)器人，也可能是這幾年以AlphaGo為代表的人工智能技術(shù)（AI）……

古希臘神話中，皮格馬利翁愛上雕塑，最終雕塑被賦予生命的故事，應(yīng)該是人們對(duì)于人造生命最早的最著名的闡述之一 | 圖源：[法]路易·戈菲耶，1763年

而真正將“人造生命”的概念科學(xué)化地闡述，并且嘗試付諸實(shí)踐的人，其實(shí)是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的“鼻祖”——馮·諾依曼（von Neumann）。

馮·諾依曼認(rèn)為，生命系統(tǒng)最重要的特征，是生命的自我復(fù)制，為此在20世紀(jì)50年代，他和斯坦尼斯瓦夫·烏拉姆合作，定義了元胞自動(dòng)機(jī)的概念。

隨后，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)出越來(lái)越多關(guān)于人造生命的詮釋：從簡(jiǎn)單的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)“自我復(fù)制”，到復(fù)雜的機(jī)器人，以及現(xiàn)在可以在圍棋上戰(zhàn)勝人類的人工智能AlphaGo。

馮·諾依曼，20世紀(jì)最偉大的天才之一，在計(jì)算機(jī)，量子力學(xué)，經(jīng)濟(jì)學(xué)甚至神經(jīng)科學(xué)中都給世人留下了濃墨重彩的一筆 | 圖源：Wikipedia

但這些并不是我們所熟知的，因?yàn)檎f(shuō)到生命，人們最直接想到的應(yīng)該是生命科學(xué)，那么在人造生命領(lǐng)域，又是否有生命科學(xué)家們的一席之地呢？

答案當(dāng)然是有，只不過(guò)時(shí)間要撥回到21世紀(jì)了。

合成生物學(xué)的不斷嘗試

提到生物上的“創(chuàng)造生命”，離不開合成生物學(xué)（Synthetic biology）這個(gè)21世紀(jì)以來(lái)蓬勃發(fā)展的學(xué)科。

顧名思義，合成生物學(xué)，就是利用合成的方法來(lái)創(chuàng)造新的生物信息，比如基因工程、合成蛋白質(zhì)、合成生物藥物，當(dāng)然，還有合成生命。

2010年，克雷格·文特爾（Craig Venter）帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)宣布，他們創(chuàng)造了世界上首例人工合成的生命結(jié)構(gòu)。

文森特是一位名副其實(shí)的“科學(xué)狂人”，人造生命只是他的眾多成就之一，想要了解更多可以點(diǎn)擊圖片鏈接看看關(guān)于他的故事 | 圖源：TED

他們利用化學(xué)合成的方法，合成出修改過(guò)的“絲狀支原體絲狀亞種”（Mycoplasma mycoides）的DNA，包含有901個(gè)基因、抵抗抗生素基因和一些沒有實(shí)際功能的人造DNA信息，再把它導(dǎo)入到受體細(xì)菌（山羊支原體）里。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的生長(zhǎng)、分裂，會(huì)出現(xiàn)正常細(xì)胞和只含有人造基因組的細(xì)胞。隨后借助抗生素殺死正常細(xì)胞，他們便能篩選出“人造生命”。

“辛西婭”的DNA信息 | 圖源：Gibson D G, et al. Science, 2010.

文特爾為他創(chuàng)造的“人造生命結(jié)構(gòu)”起名“辛西婭”（Synthia），意為“人造兒”。后來(lái)，文森特為了探索人造生命的極限，不斷地刪減基因，一次又一次地重復(fù)上面的步驟，來(lái)尋找細(xì)胞生存所必需的基因，以及生命所需最簡(jiǎn)單的基因組。最終，他們?cè)?016年創(chuàng)造出了僅含有473個(gè)基因的Syn3.0。

Syn3.0 的基因功能 | 圖源：Thomas Shafee

合成生物學(xué)就此掀起了一陣“合成生命”的熱潮，合成生物學(xué)家們紛紛開始嘗試用自己設(shè)計(jì)的DNA序列來(lái)合成更復(fù)雜的生物。

比如通過(guò)類似的方法，合成出比細(xì)菌更復(fù)雜的真核生物的染色體——2014年，多國(guó)研究者合作實(shí)現(xiàn)了酵母染色體的合成；后來(lái)2018年，中國(guó)科學(xué)家合成出了單條染色體結(jié)構(gòu)的人造酵母。

可以看到雖然染色體數(shù)量不一樣，但是人造的釀酒酵母形態(tài)結(jié)構(gòu)上和真正的釀酒酵母基本一致

| 圖源：覃重軍實(shí)驗(yàn)室

又比如可以改進(jìn)基因組信息，用更簡(jiǎn)單的基因信息來(lái)合成生命。自然界的DNA信息需要解碼成64個(gè)密碼子來(lái)合成蛋白質(zhì)，但2019年，研究者只使用59個(gè)密碼子，就合成出了大腸桿菌——換句話說(shuō)，他們?cè)O(shè)計(jì)出了比自然界原有生物更簡(jiǎn)潔的生物。

基因組合成的流程圖 | 圖源：Nature

那么，依靠合成生物學(xué)，我們可以實(shí)現(xiàn)人造生命嗎？

組裝生物機(jī)器人

我們?cè)倩氐介_頭對(duì)人造生命的探討：馮·諾依曼認(rèn)為人造生命的關(guān)鍵在于自我復(fù)制，但是“生命”其實(shí)不僅僅只有自我復(fù)制，如果你問(wèn)不同的人“生命是什么？”，相信大家給出的答案都不相同——自我復(fù)制，自我繁殖，自由行動(dòng)，甚至是自我的意識(shí)。

顯然，合成生物學(xué)給出的答案并不能實(shí)現(xiàn)著所有的特點(diǎn)——細(xì)菌、酵母雖然是人工合成，但都只是簡(jiǎn)單的單細(xì)胞生物。

那相對(duì)的，我們能夠從頭設(shè)計(jì)可以自由行動(dòng)的多細(xì)胞生物嗎？

2020年，計(jì)算科學(xué)家和生物學(xué)家之間的合作，制作出了由多細(xì)胞構(gòu)成的“生物機(jī)器人”：通過(guò)類似進(jìn)化的算法（evolutionary algorithm）反復(fù)模擬嘗試，計(jì)算科學(xué)家設(shè)計(jì)出了由收縮細(xì)胞和被動(dòng)細(xì)胞組成的生物體結(jié)構(gòu)。

生物學(xué)家再利用非洲爪蟾的胚胎，把爪蟾的心肌細(xì)胞（負(fù)責(zé)收縮）和表皮細(xì)胞（被動(dòng)細(xì)胞）“組裝”成設(shè)計(jì)的樣子——于是就得到了可以自由運(yùn)動(dòng)的“生物機(jī)器人”。

因?yàn)榧?xì)胞來(lái)自非洲爪蟾（Xenopus laevis），這個(gè)“生物機(jī)器人”也就被命名為“Xenobot”。

設(shè)計(jì)出來(lái)的模型（上圖）和實(shí)際構(gòu)造的Xenobot（下圖），可以看到Xenobot能完美實(shí)現(xiàn)預(yù)期的動(dòng)作 | 圖源：Kriegman S, et al. PNAS, 2020.

這個(gè)全新的“機(jī)器人”是自然界未曾出現(xiàn)過(guò)的，同時(shí)也是人為設(shè)計(jì)，多細(xì)胞人造生命的一種嘗試。

除了讓它動(dòng)起來(lái)，研究者還嘗試讓它攜帶小顆粒物體運(yùn)動(dòng)，來(lái)模擬可能的攜帶藥物功能；又或者是將它的一部分細(xì)胞切開，借助本身干細(xì)胞的特性使Xenobot可以通過(guò)細(xì)胞增殖來(lái)自我修復(fù)。

結(jié)合計(jì)算模擬設(shè)計(jì)，Xenobot還可以有規(guī)律地推動(dòng)小顆粒前進(jìn) | 圖源：Kriegman S, et al. PNAS, 2020.

類似的，2022年有研究者將兩層心肌細(xì)胞排布在人造小魚尾部的兩側(cè)，通過(guò)心肌細(xì)胞自主產(chǎn)生的收縮力，讓左右的心肌細(xì)胞可以產(chǎn)生相反的作用力，小魚就可以像心臟跳動(dòng)一樣，有規(guī)律地?cái)[動(dòng)尾巴游動(dòng)起來(lái)。

當(dāng)小魚游了一段時(shí)間，左右心肌細(xì)胞產(chǎn)生差異、不能配合后，再利用心臟起搏的原理，重新給小魚激活，小魚就又能游動(dòng)起來(lái)。

人造小魚的設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)心臟的構(gòu)造（圖A-C），分別設(shè)計(jì)出左右相互作用的肌肉（圖D）和可以發(fā)出自發(fā)啟播信號(hào)的G結(jié)點(diǎn)（G-node，圖E） | 圖源：Lee K Y, et al. Science, 2022.

這個(gè)人造小魚不僅可以自由運(yùn)動(dòng)，它的運(yùn)動(dòng)效率甚至遠(yuǎn)超普通的魚類，同時(shí)還能保持將近三個(gè)月的持續(xù)游動(dòng)（相當(dāng)于心肌細(xì)胞跳動(dòng)了3800萬(wàn)次）。

小魚在短短一秒內(nèi)的快速移動(dòng)動(dòng)作 | 圖源：Lee K Y, et al. Science, 2022.

真正的“缸中之腦”

能合成生物，又能設(shè)計(jì)生物的運(yùn)動(dòng)，那下一步呢？該考慮一下思想和意識(shí)了。

生物學(xué)家可能像AlphaGo一樣，設(shè)計(jì)出具有智能的生物嗎？

答案也是可以。他們做到了，他們?cè)O(shè)計(jì)出了只在科幻小說(shuō)中存在的“缸中之腦”（不過(guò)準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)應(yīng)該是“皿中之腦”）。

為此創(chuàng)辦了Cortical Labs公司的研究者們 | 圖源：Cortical Labs官網(wǎng)

這項(xiàng)研究來(lái)自于一個(gè)大膽的想法——基于硅，我們可以制作計(jì)算機(jī)芯片，那要是用神經(jīng)元來(lái)設(shè)計(jì)電路連接，是不是就能制造出具有智能的“芯片”呢？

于是，來(lái)自Cortical Labs的研究者們開始了嘗試。他們采集了小鼠的胎腦神經(jīng)元，并且將人類的多能干細(xì)胞誘導(dǎo)成神經(jīng)元，分別將它們培養(yǎng)在培養(yǎng)皿上，再搭建了一套DishBrain（我們可以稱為“皿中之腦”）的系統(tǒng)，通過(guò)上面密布的小電極，來(lái)檢測(cè)這些神經(jīng)元的電信號(hào)活動(dòng)，同時(shí)也能施加電刺激來(lái)給神經(jīng)元們提供信號(hào)。

基本的實(shí)驗(yàn)流程 | 圖源：Kagan B J, et al. bioRxiv, 2021.

之后，研究者訓(xùn)練這個(gè)“皿中之腦”玩一個(gè)很簡(jiǎn)單的乒乓球小游戲“Pong”（也是歷史上最早的游戲之一）：你要控制一塊小白條，把白色的小球打到對(duì)面去。

僅僅學(xué)習(xí)了5分鐘，這個(gè)“皿中之腦”就開始學(xué)會(huì)怎么玩這個(gè)游戲了，隨著游戲次數(shù)越來(lái)越多，它犯的失誤就越來(lái)越少。同時(shí)，研究者還發(fā)現(xiàn)人類神經(jīng)元表現(xiàn)出了比小鼠神經(jīng)元更強(qiáng)的性能。

右邊的小圖展現(xiàn)了皿中之腦玩游戲“Pong”的過(guò)程，背景則是對(duì)其中電信號(hào)激活的監(jiān)控過(guò)程 | 圖源：Kagan B J, et al. bioRxiv, 2021.

當(dāng)然，這個(gè)“皿中之腦”還遠(yuǎn)沒有達(dá)到科幻小說(shuō)里展現(xiàn)的意識(shí)，最終訓(xùn)練的結(jié)果也還沒有達(dá)到像人工智能AlphaGO一樣超凡的能力。但是，未來(lái)會(huì)怎么樣，誰(shuí)又知道呢？

人造生命，難道是為了取代人類？

看到這的你，不知道有沒有被生物學(xué)家們創(chuàng)造出來(lái)的人造生命震撼到？又或者你正在思考，這背后是不是存在著復(fù)雜的倫理問(wèn)題？人造生命在未來(lái)可能會(huì)取代人類嗎？

但是，我們不妨換一個(gè)角度來(lái)思考這個(gè)問(wèn)題：相信研究者們開發(fā)這樣的人造生命，除了滿足對(duì)于生命的探索之外，其實(shí)還有其他因素的考慮。

比如我們提到合成生物學(xué)創(chuàng)造出來(lái)的最小細(xì)胞“辛西婭”，研究者們?cè)谶@個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的細(xì)胞模型上建模、推導(dǎo)，對(duì)細(xì)胞內(nèi)的生物代謝過(guò)程有了更深入的理解；

對(duì)最小細(xì)胞Syn3.0的進(jìn)一步解析 | 圖源：Thornburg Z R, et al. Cell, 2022. e28.

又比如利用爪蟾胚胎和計(jì)算建模構(gòu)建出來(lái)的“生物機(jī)器人”Xenobot，科學(xué)家正在嘗試?yán)盟飳W(xué)的特性和高效的自我修復(fù)能力，來(lái)給藥物運(yùn)輸或者內(nèi)外科手術(shù)提供幫助；

而聽起來(lái)似乎已經(jīng)開始產(chǎn)生智能的“皿中之腦”DishBrain系統(tǒng)，則是對(duì)計(jì)算機(jī)芯片的一次突破嘗試——上百億的神經(jīng)元如果能有效連接運(yùn)轉(zhuǎn)工作，其背后帶來(lái)的計(jì)算效率將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

這樣再來(lái)看這些研究，人造生命是不是也沒那么駭人了呢？

參考資料

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• Thornburg Z R, Bianchi D M, Brier T A, et al. Fundamental behaviors emerge from simulations of a living minimal cell[J]. Cell, 2022, 185(2): 345-360. e28.