zouhua1210
第1楼2008/07/21
至于毁灭地球:就某种意义来说,生物细胞的集合已经破坏了地球。在生命出现之前,地球与今天的样子完全不同。它的表
面覆盖着无机矿石;它的大气富含二氧化碳。生命迅速而彻底的改变了这个星球:它用微生物污染了原始的地表,植物和有机物
就来源于它们。它从大气中驱除了二氧化碳,注入了大量的氧气。这是一个全面而彻底的变化。细胞——分子纳米机械自我复制的
集合——彻底改变了我们的行星的表面和大气。我们通常不认为这种转变“毁坏了星球”,因为我们就是在这个环境中发展起来
的,但是一个外部的观察者可能有不同的看法。
因此问题的关键不在于纳米尺度的机器能否存在——它们已经存在了——或者它们是否重要——我们通常把自己作为它们十分重要的一个范例——问题的关键在于我们可以从哪里获得设计的新思想。我们应该考虑通用汽车的装配线或者一个大肠杆菌细
胞的内部吗?让我们从比较生物纳米机械——特别是终极自我复制生物系统,亦即细胞——和纳米尺度的机械模型,这些机械是由我们身边大的机械缩小而成的。生物策略如何工作,它与基于制造宏观机械的纳米尺度版本的策略,或者装配工所暗示的新策
略,相比较又如何?
zouhua1210
第2楼2008/07/21
zouhua1210
第3楼2008/07/21
仿照人类尺度机械的纳米机械
我们能够通过制造我们所发明的大机械的微型“表兄弟”,而达到细胞纳米机械那样一流的效率吗?微加工已经成为了一项相当成功的技术,它用以制造微型电子器件——晶体管和芯片其他的组成部分。将这些技术应用于具有可移动部分的简单机械——机械振荡器和可移动反射镜阵列——在技术上是成功的。所谓的微机电系统(microelectromechanical system,MEMS)的发展
非常迅速。但是这些机械的功能还相当简单,它们是微小机械,不是纳米级的机械。第一个真正的纳米尺度MEMS(NEMS,纳米机电系统)仅仅在过去几年中才出现,并且只是实验性质的。
很多有趣的难题困扰着带有活动部分的纳米器件的装配。一个至关重要的问题是摩擦和粘性(在谈论微型器件的时候我们使用“粘着"这个缩写词 )因为微型器件表面积比率更大。表面效应——好的和坏的——变得比宏观器件更加重要。如果值得做,这样的问题最终会被解决,但是现在它带给人们的是困难的技术挑战。毫无疑问,我们将会发展出更复杂的纳米机械以及类似人类尺度机械的纳米机械模型,但是在我们制造出适合任何实际用途的纳米器件之前,还有很长的一段路要走。也没有任何理由认为纳米机械一定要和人类尺度机械相似。
这些系统能不能自我复制?目前,我们还不知道如何制造可以自我复制的机器,无论是任何尺度或者任何类型。根据最近的生物研究,我们知道了关于一个活的细胞最低水平的复杂程度,这个细胞可以维持自我复制:一个有300个基因的系统足以进行自我扶植。我们还不清楚如何把这一数字转化成为我们熟悉的那种机械,也不清楚如何设计一个自我维持的自我复制机械。我们
仅仅向自我复制的纳米机械迈出了第一步。
zouhua1210
第4楼2008/07/21
另一个问题更加棘手。哪里可以找到供纳米机械使用的动力?没有纳米尺度的电源插座。细胞使用特定的化合物进行化学反应提供动力;纳米尺度机械相应的策略尚待发展。能够自我复制的纳米机械如何贮存和使用信息?生物的策略是基于DNA的,它运行的很好,然而如果想使用一个不同的策略,我们就不清楚如何入手了。
有“抓取和放置”钳子的装配工消除了装配纳米机械的困难,也通过忽略消除了自我复制的困难:假设有一台机器能够消除令人烦恼的装配方面的问题,它能够通过一个一个的放置原子从而合成物质和建造任何结构。然而,在化学家来看,装配工似乎是行不通的。让我们考虑两个约束条件。
第一个是钳子,或者叫做装配工的爪子。如果它们能够灵巧的抓取原子,那么它们就要比原子还小。但是爪子只能是用原子构成的,而且要比它们“抓取和放置”的原子还要大。(想象一下用你的手指制造一块精致的手表,而不借助任何工具)。第二个是原子的本性。原子,特别是碳原子,与相邻的碳原子紧密的结合。当从某处拿走一个原子的时候需要能量(能量提供的问题),而把它安放的时候又会放出能量(冷却问题)更重要的是,一个碳原子几乎能与任何东西结合。很难想象什么样的装配工的钳子从原料中取出原子的时候不会被粘住。(相像一下用从另一只手表上拆下的零件装配你的手表,这些零件全都涂上了一层粘糊糊的胶水:如果你试图把零件分开,它们就会粘到你的手指上。)
如果我们能制造一台纳米潜艇,它能工作吗?一个人类尺度的潜艇可以在水中自如的运动,依靠的是螺旋桨推进器——旋转的螺旋桨把水推向后方从而使潜艇前进——和控制方向的舵。会游泳的细菌使用鞭毛结构,鞭毛看起来就像柔软的螺旋或者鞭子,但是能够起到类似于螺旋桨的功能。
水分子将会比纳米潜艇小,但是不会小的太多,并且在纳米尺度上它们的热运动是十分迅速的。碰撞使一个纳米尺度的物体迅速的反弹(这个过程被称作布朗运动),但是方向是随机的:任何控制运动方向的企图将会被迅速运动的水分子无情的碰撞所粉碎。纳米尺度的航海家需要适应布朗运动的风暴,这风暴可能撞毁他的船体。对于大约100纳米的船,大多数航行的目的都要听天由命,因为小船几乎无法掌舵,在某种意义上如同纳米潜艇。血流中的细胞——质量比纳米潜艇大10到100倍——不能控制自己的方向:它们仅仅是在血流中翻斤斗。一个纳米潜艇至多有希望选择一条大致的方向,但不会有特定的目的地。不管人们是否可以制造或者控制纳米器件,它们都不适于探测疾病这种复杂的工作。
用“微型潜艇”探测和消灭体内患病细胞——诸如癌细胞——的部分策略应该着眼于寻找猎物。为了这个目的,它们可能不得不模仿在我们体内运作的免疫系统的样子。对于“正常”细胞、病原体细胞和癌细胞的识别是一个复杂的过程,这需要一整套免疫系统,包括组成它的数以十亿计的专门细胞。癌细胞表面并没有标志表明它们是危险的。在癌细胞的许多特征中,它们和正常细胞没有太大的区别。充当癌细胞猎杀者的微型潜艇需要携带一套小小诊断实验室,因此实验室需要采样设备、试剂、反应容器和分析设备,它们的体积不会很小。操作这些设备同样需要能量。免疫系统的细胞使用与其他细胞相同的营养;微型潜艇也不得不这样做。
zouhua1210
第5楼2008/07/21
超越设计的进化
微型机械最终将被制造出来,但是制造它们的策略以及它们的用途,仍然还在设计中。生物学提供了一套超群的范例:在生物系统中,纳米机械确实存在,并且它们履行着格外复杂的功能。令人惊奇的是,在这些纳米机械中应用的策略和人类尺度机械中应用的策略是如此的不同。
再考虑如何制造纳米机械的时候,我们遇到了两条限制条件。第一个是考虑已有的纳米机械——存在与细胞中的——并且研究它们。我们毫无疑问可以从这些系统中得到概念和原理,从而能够制造出许多为我所用的纳米机械,以及具有崭新功能的纳米机械。遗传工程正在沿这条路前进。新型化学的发展或许使我们能够在没有蛋白质和核酸的分子系统中使用生物学的法则。
第二是从零开始独立发展全新类型的纳米系统。生物学为功能纳米机械的制作和合成提供了一条实用的方法,我们没有理由相信不会存在别的方法。但是这条道路将会非常艰难。看看我们身边的机械,使用通常的方法制造它们的纳米版本,一般是不实际的,甚至在某些情况中是不可行的。在纳米尺度上无法加工和焊接。更不用说在液体中直线运动或者用电磁铁产生磁场。用来制造电子器件的设备当然可以制造一些机械纳米器件,然而他们的用途将受到限制。
装配工的梦想有着诱人的吸引力,它似乎可以解决一切困难。但是吸引力是虚幻的:它更像一个吸引人的寓言而不是现实,与其等它解决问题,还不如期待奇迹出现。考虑到许多建造和操作纳米机械的限制,似乎用于制造它们的新体系可能最终看起来更像旧的生物学体系。这将是一个令人吃惊的挑战,即我们是否能够超越进化的设计。模拟最简单的细胞将是令人惊愕的成就。
生物纳米机械是尽头吗?它们是已有的最优化的结构吗?进化是否在所有的可能性中选出了最优的?对这个问题我们还有没通常的答案。哈佛大学的Jeremy R. Knowles断定,一种酶——磷酸丙糖异构酶,或者说TIM,是“完美”的:这意味着,没有任何其他的催化剂对于特定的化学反应比这种酶更有效。对于大多数酶,以及比酶还要复杂的结构,我们还没有找到替代物。
生物结构在水中运作,绝大多数的工作处于很狭窄的温度和盐浓度范围。它们通常不导电(尽管诸如叶绿体和线粒体会搬运周围的电子)。它们不能执行二进制的计算和通信。它们不是机械,因此,如果纳米机械要适应纳米生物环境,必须发明出很多功能。
那么我们能从灰色粘质导致的世界末日中学到什么呢?如果风险来自于纳米机械,那全是因为自我复制的能力。为了自我复制,一个系统必须包含自我复制所需要的全部信息,并且从环境中收集用以获得能量和装配(复制品)的原料。它还要能够加工和装配(或者允许装配)制造一个复制品所需的全部零件。生物学解决了所有这些问题,并且自我复制的生物系统——从致病细菌到癌细胞——对我们是一种危险。在计算机系统中,自我复制的比特串(计算机病毒),尽管不是物质实体,至少也有害,但是它对我们仅仅是间接的危险。
如果一个新的系统——任何系统——能够利用环境中的原料复制自我,它将会成为人们担心的理由。但是我们现在已经通过复制纳米生物系统得知我们能实现什么。在我看来,使用装配工进行装配并不是一个可行的策略,因此也不必担心。在可以预见的未来,我们不必害怕灰色粘质。如果强大的自我复微(或者纳米)结构最终产生了,它们将可能与像原始细菌那样的化学系统同样复杂。任何这样的系统将是令人难以置信的成就和让人仔细评估的理由。任何威胁将不会来自于失控的装配工,而是来自于不可思议的自我催化反应系统。
因此,生物学和化学而不是机械工程学的教科书,指出了我们所寻求的答案所在的方向——并且这也表明我们关于生物体和失控的自我复制器件的担心是非常正当的。在考虑自我复制系统以及“活”的系统时,我们应该从生物学开始,生物学提供了在高度复杂性上成功的丰富的设计和策略。在解决一个难题的时候,拜倒在一个熟练的师傅的脚下学习是明智的,哪怕它们是鞭毛,
不是脚。