互动科普

未来学家对分于机器人的想象无论如何精巧，与自然界的生物相比也是望尘莫及

在纳米技术形形色色的预期成果中，最抢眼的莫过于微型机器了。微型机器的吸引力是显而易见的。大型机器(如飞机、潜艇、自动焊接机、烤箱等)无疑有它们的用处。如果把设计这些装置的构想拿过来，用于打造不知要小多少倍的微型机器，那么谁知道这类机器会有什么样的用途呢？对两种微型机器的想象——其中一种与现有的机器相似，而另一种则属于全新的发明——已经引起了人们广泛的注意。第一种机器是纳米尺度上的潜艇，其大小只有几纳米(1纳米为l0亿分之l米)，即相当于几十个或几百个原子的长度。据说，这种微型潜艇在医学上可能大有用武之地——它们穿过血液巡航，寻找有病的细胞并将其消灭。

第二种机器(即所谓的装配机)是一项更加激进的设想，它最初是未来学家K. Eric. Drexler提出来的。在宏观世界里找不到与此种机器相类似的东西(在考虑它的最终实用性时，这个事实将起着重要的作用。)它是一类新的机器——万能制造机。这种机器能够进行原子尺度上的“挑选并安装”操作，即用一组纳米镊子从其周围环境中拾取单个原子，并把它们放置到适当的地方，通过这种方式它能制造出任何一种结构，包括它自身。Drexler的幻想勾画出了一幅微型机器(它们能够在几个小时内不花分文地制造出电视机或计算机)永远地改变社会这样一幅图景。但装配机也有不好的一面。装配机自我复制的潜力使我们可能面临一种“灰雾笼罩世界的前景：大量的自复制纳米装配机源源不断地制造出不计其数的自身拷贝，横扫整个地球而使我们遭受灭顶之灾。

纳米尺度机器的构想是否站得住脚？它们能制造出来吗？如果能制造出来，它们会不会实际上就是我们所熟悉的大尺度机器的微型翻版呢？或者它们是不是有另外的工作原理呢？它们真的可能把地球搅得乱七八糟吗？

为了回答这些引人入胜的问题，我们首先来看一个更普通的问题：什么是机器？机器的定义不胜枚举，但我倾向于这样一种定义，那就是把机器看成“执行某一任务的装置”。更进一步，我们可以说一台机器有某种设计，按照一定的程序制成，使用动力、并且根据在制造时输入其内的信息运行。我们通常认为机器是人类设计与意图的产物，但为什么不能把执行一定功能的复杂分子系统也看成是机器，即使它是进化——而非设计——的产物？

如果我们把目的论的问题撇在一边不谈，并接受这个关于机器的比较广泛的定义，则纳米尺度的机器的确已经存在，其表现形式就是活细胞的类别极其繁多，极为精巧复杂的各种功能性分子成份，例如蛋白质或RNA分子，分子集合、以及细胞器(“小器官”)等。因此关于纳米尺度机器是否存在这个比较一般的问题，生物学家早在许多年以前就给出了肯定的回答。现在的问题是，用于未来纳米机器的最令人感兴趣的设计方案是哪些？它们将带来哪些风险(如果有风险的话)？

细胞包括某些与我们熟悉的宏观机器似乎相似的分子机器。例如，固定在某类细菌的膜中的一种旋转马达使一根轴旋转，表面上看来它与电动机十分类似。其它一些分子机器也有其宏观世界的对应物，但它们之间的相似性就更勉强了。例如，RNA和蛋白质的组合——核糖体——通过一种与组装线相似的过程来制造蛋白质。还有一些分子机器在宏观世界中找不到显而易见的对应物。例如，一种名为topoisomerase的蛋白质就是如此。该蛋白质的作用是当双股DNA绕得太紧时使它松开一些。这些细胞器在细胞中制造出来的过程实现了高效的长链分子合成与分子自组装的完美结合，堪称精打细算，组织严密的典范，与人们为装配机设想的那种蛮干方法有天壤之别。

至于横扫地球的问题，在某种意义上，一群群的生物细胞早就已经横扫地球了。在生命出现之前，地球与它今天的情况大不相同。当时地球的表面是由无机矿物质构成的，它的大气则富含二氧化碳。生命迅速地、彻底地重新塑造了地球。它使地球的原始表面布满了微生物、植物以及微生物和植物产生的种种有机物质。它把大部分二氧化碳从地球大气中除去，同时又向大气中注入了大量氧气。总而言之，生命给地球带来了根本的变化。细胞——自我复制的分子纳米机器的集合体——彻底的改变了地球的表面与大气。通常我们并不认为这种变化就是“横扫地球”，因为我们在目前的条件下依然过得很好，但是据外的旁观者可能不这样想。

因此，问题并不在于纳米机器是否能够存在（它们已经存在了），也不在于纳米机器是否重要（我们常常认为我们自己就是纳米机器十分重要的证明），而在于我们应该到哪里去寻找新的设计构思。我们是应当考虑通用汽车的组装线呢，还是应当考虑一个埃希氏菌细胞的内部呢？让我们首先对生物纳米机器（特别是最终的自复制系统，即细胞）和模拟目前充斥着我们这个世界的宏观机器的纳米机器做一个对比。生物策略是如何起作用的？与制造现有机器的纳米级翻版这一策略（或者是装配机所提示的那种类型的新策略）相比，生物策略究竟有何优劣？

分子复制机

细胞是一种自我复制的结构。它从其周围环境中取得分子，而把其它一些分子再加工成它所需要的片段，供它在复制、维持、移动并保护自身时使用。DNA存储了细胞在代代相传的过程中进行制造和维持运作所需要的信息。有一类RNA（新式RNA，即mRNA）起着这种信息的临时转录本的作用，“告诉”核糖体该合成什么蛋白质。细胞膜形成了把各个功能成分维护起来的小室，膜上的出入口控制着进进出出的细胞的分子流，此外膜上还有一些分子负责探测细胞周围的环境。蛋白质（常常与其他分子合作）制造细胞内的所有东西，并在细胞的成分需要挪动时使它们移动。

细胞用来制造其各种成份（从而复制并保持自身）的策略以两项构想为基础。第一项构想是利用一种概念上简单明了的化学过程（即聚合反应）来制造线性大分子。第二项构想则是制造能够自发的折迭成三维功能结构的分子。这种分两步走的策略并不需要困难而复杂的三维“取一安装”制造过程，它只要把许多珠子(例如氨基酸)串成一条项链(即多肽)、然后让这条项链自组装成一台机器(蛋白质)就行了。因此，晨终的三维功能结构的信息编码在这些珠子的顺序里。细胞中三类最重要的分子(即DNA、RNA和蛋白质)全是通过这一方法制造的，然后蛋白质再制造细胞中的其它分子。在许多情况下，蛋白质也自发地同其它分子(包括其它蛋白质、核酸、小分子等)结合起来，形成更大的功能结构。作为建造复杂三维结构的策略，这种先合成线性分子然后再进行不同程度的分子自组装的方法其效率之高可能令其它任何方法都望尘莫及。

实质上，细胞是各种催化剂(即促进化学反应发生但本身又不参与反应)和其它功能性成份(包括传感器、结构部件、泵、马达等)组成的大杂烩。因此，细胞中的纳米机器绝大部分归根结底都是分子催化剂。这些催化剂承担了细胞的大部分工作：它们形成脂族化合物(例如脂肪)、而这些化合物又自组装成把细胞围起来的柔性薄片；它们制造自复制所需的各种分子成份；它们生产细胞所需的能量并调节其能量的消耗；它们记录并存储档案信息和工作信息；最后，它们使细胞内部环境的运行参数保持在适当的范围内。

在细胞所使用的众多神奇的分子机器中，我最喜爱的有四种其中核糖体——由核糖体RNA(rRNA)和蛋白质构成—起着关键的作用：它位于信息与行为(即核酸与蛋白质)之间的结合郜核糖体是一种极其复杂的机器，它接受mRNA中存储的信息，并用它来建造蛋白质。

存在于植物细胞和藻类中的叶绿体是一种较大的结构。叶绿体内的分子阵列起着调谐光学天线的作用，收集太阳光中的光子并利用它们来生产化学燃料。这些化学燃料可以存储在细胞内，为细胞的众多功能提供动力。顺便说一下，叶绿体也把水转变为在生命诞生之初曾使地球大气遭受污染的氧——人类的生命一刻也离不得的这种物质当初不过是细胞收集光的过程产生的一种废物而已。

线粒体起着发电站的作用：细胞内的有机分子(通常是葡萄糖)在它的控制下进行燃烧，产生整个系统所需的动力线粒体不是让电流流过导线来推动电机旋转，而是产生二磷酸腺苷(ATP)分子，这些分子再通过扩散穿越细胞，成为许多生物反应的必不可少的参与者。细菌的鞭毛运动器是一类特殊的但也特别令人感兴趣的纳米机器，因为它与宏观的电动机似乎很相似。鞭毛运动器是一种高度结构化的蛋白质集合体，它固定在许多细菌细胞的细胞膜内产生使鞭毛转动的旋转运动。(鞭毛是一一种长长的鞭状结构，它充当这些细胞的推进器，使其能在水中四处游动。)同电动机一样，鞭毛运动器有一根轴，而围绕着这根轴的结构则与电动机的电框相似。但鞭毛运动器与电动机之间的相似性大部分只是表面上的东西。鞭毛运动器并不是利用电流来产生运动磁场从而实现其旋转的。实际上它是通过ATP的分解来引起分子形状的变化，而这一变化再加上一种复杂的分子棘轮的作用，就产生了蛋白质轴的旋转运动。

模拟宏观机器的纳米机器

我们能不能够通过打造我们已经发明的宏观大机器的微型翻版来追上细胞纳米机器那令人惊叹不已的高效率呢？作为生产微型电子功能器件(晶体管和芯片上的其它元件)的一门技术，微制造的发展已经取得了极其辉煌的成功，把微制造的方法运用于有运动部件的各类简单机器(如机械振荡器和移动反射镜等)在技术上一直是很成功的。这些所谓微机电系统(MEMS)目前的发展十分迅速，但是它们的功能仍然比较粗糙，而且它们属于微米级而非纳米级的机器，第一批真正的纳米级MEMS(即NEMS，nanoelectromechanlcal system的缩写)。只是在过去几年中才制造出来，而且仍处于实验阶段(见本刊2001年第l期《打造自我复制机器》一文)。

许多令人感兴趣的问题围扰着有运动部件的纳米装置的制造。其中一个关键的问题是摩擦与粘着的问题。在谈论微型器件时，有时我们把摩擦与粘着合并起来用“静摩擦力”(sliction)这个术语代表。微型器件的表面积与体积之比非常大，因此表面效应(它既有好的一面，也有坏的一面)对微型器件的影响比对大型器件的影响重要得多。这类问题中如果有一部分成了非解决不可的拦路虎的话，那它们最终将得到解决，但眼下它们是十分棘手的技术挑战。毫无疑问我们将继续朝着制造更为复杂的模拟宏观机器的微米器件和纳米器件这一方向前进，但我们还要走很长一段路才能够批量生产有实际用途的纳米机械器件。

此外，现在我们也没有任何理由认为纳米机器必定与宏观机器相似。这些系统能够自我复制吗？目前，我们还不知道如何建造自我复制的机器，无论其大小或类型如何。不过，从最新的生物学研究中，我们得知了一个活细胞要维持自复制能力，其复杂程度所应达到的底线：一个系统拥有大约300个基因，便足以进行自复制了。我们几乎不知道如何把这一数字转换成我们更熟悉的那些机械装置中相应的数字，而且完全不知道如何设计一个能够自我维持、自我复制的机械系统。我们向着非生物系统中的自复制这一目标才刚刚迈出最初几步(见本刊2001年11月号Moshe Sipper与James A. Reggia所著《打造自我复制的机器一文)。

其它一些问题也不是省油的灯。一台自主的纳米机器所需动力来自何处?纳米器件上找不到电气插座。细胞利用一些特殊化合物的化学反应所提供的动力来从事各种各样的活动，而纳米机器如何运用类似的策略来产生动力尚待研究开发。一台自复制的纳米机器将如何存储并利用信息呢？生物学已经展示了一条以DNA为基础的策略，因此信息的存储与利用是能够解决的，但如果我们想要采用另外一种策略的话，那现在尚不清楚从何着手使用“拾取-安装”式钳子的装配机对付制造纳米机器时所遇到的这种棘手问题以及自复制的许多问题的办法是把它们全撇到一边；通过一次安放一个原子的方式，装配机可以制造出任何一种成分和任何一种结构，从而避开了一些最令人感到恼火的技术问题。然而，在化学家看来，装配机似乎是难以实现的空中楼阁。我们现在只考虑一下这一设想的两种局限性。

首先是装配机的钳子(即夹爪)。如果要使钳子比较灵敏地拾取原子，那么它们就应当比原子小，但是钳子是由原子制成的，因此它们比它们所要拾取和安放的原子大(想象一下如何不用工具的帮助，单靠你的手指来制作一只高级手表)。其次则是原子的本性。原子——特别是碳原子——与其周围的原子有相当强的结合力。要把一个原子从它所在的位置上拖开，需要相当的能量(这就给能量供应造成了问题)。而当原子被安放就位时，它又有相当多的能量释放出来(这又带来了冷却问题)。更重要的是，碳原子能与几乎任何一种原子形成键。我们很难想象如何建造装配机的夹钳，使得它们在把原子从其起始材料上拖开时，自己不会被粘住。（试想想下面这种情况：你在制作手表时用的是从另一只手表回收的零件，但所有零件全部涂上了一层粘性特别强的胶水。即使你得以设法把这些零件分开，它们还是会粘在你的手指上。)

如果能建造出一种纳米潜艇，它会起作用吗？宏观的潜艇很容易在水中运动，因为它有旋转的推进器提供前进的动力(推进器在转动时把水向后推，而潜艇则向前运动)，并有可动的翼面控制其运动的方向。在水中游动的细菌实际上使用的是看起来似乎像柔软的弹簧或鞭子，但其作用却类似于推进器的一种结构，即鞭毛细菌通常不是朝着一个目的非常明确的方向运动，而是四处乱闯，但如果一切顺利的话，它一般是把有食物的地方作为其运动的大方向。对于纳米物体来说，即使我们能够为它制造出一种推进器，它仍然会遇到一个新的大问题，即水分子的随机撞击。这些水分子比纳米潜艇小，但不会小很多。在纳米尺度上水分子的热运动是很快的。水分子的撞击使纳米物体迅速地跳动(这一过程称为布朗运动)，但其跳动的方向是随机的。即使纳米物体打算朝着一个目的比较明确的方向移动，但迅速运动的水分子的不停撞击将使它的一切努力化为泡影。纳米尺度上的航海者不得不设法适应无时无刻不在撞击他们船体的布朗运动风暴。对于大小约为100纳米的船只来说，绝大多数航行的最终目的地完全是任人摆布，因为这些微小的船只可能无法控制，至少是无法进行潜艇乘员熟悉的那种意义上的“控制”。血流中的细胞(它们比微型潜艇重50到100倍)根本就不会掌握自己在血流中的运动，它们只是跟着血流跑。微型潜艇至多可以选择一个总的运动方向，而不是选择一个具体的目的地。无论我们是否能够造出或控制纳米尺度上的器件，它们都不会完成探测疾病所要求的那样一类复杂任务。

以“微型潜艇”为基础的寻找并消灭人体中有病细胞(如癌细胞)的策略，其任务之一是如何发现它们的目标。在寻找目标的过程中，它们可能必须模仿现在在我们的机体内发挥作用的免疫系统的某些功能。识别一个细胞是正常细胞还是病原细胞或癌细胞，这是一个极其复杂的过程，需要我们的免疫系统使出浑身解数，包括动员构成免疫系统的数十亿个特化细胞。绝大多数癌细胞不会在外面贴上一个简单的标记招摇过市，让大家都知道自己是危险分子。就其许多特性而言，癌细胞与正常细胞并无多大不同。一般负责寻找癌细胞并对其格杀勿论的微型潜艇必须随身携带一个微型的诊断化验室。而由于该化验室需要配备取样装置、试剂、反应室以及分析工具等等，它就不可能做得很小。操纵这样一套装置也需要能量。免疫细胞使用的是与其它细胞相同的养料，微型潜艇或许也必须如此。

超越进化

微型机器最终将制造出来，但是制造微型机器的策略以及微型机器的用途仍然有待仔细策划。生物学已经为我们提供了一批高度成熟的实例：在生命系统中，纳米机器的确存在，而且它们的确承担着极其复杂的功能。引人注目的是这些纳米级机器所采用的策略与宏观机器所采用的策略有多大不同。

在思考怎样才是制造纳米机器的最佳方法时，我们遇到了两种限定性的策略。第一种策略是借鉴现有的纳米机器，也就是存在干细胞中的纳米机器。毫无疑问我们将能够从这些系统中汲取有用的观念和原理，使我们能够制造出模仿它们的纳米机器，其中一部分将为我们的需要服务，而另外一些则具有全新的功能。遗传工程已经在沿着这一方向前进，而新型化学的发展或许将使我们能够把生物学原理运用于蛋白质和核酸以外的分子系统中。

第二条途径就是从头开始，独立地开发全新一类纳米系统。生物学已经开创了一种制造与合成功能性纳米机器的切实可行的方法，我们没有理由认为不可能存在其它的方法。但这条途径将是相当艰难的。看看我们周围的机器就预期我们能够仅凭与我们在宏观尺度上运用的过程相似的方法来制造这些机器的纳米翻版，这种期望通常将是不切实际的，而在许多情况下是完全行不通的。在纳米尺度上不存在与机械加工和焊接相应的操作。诸如沿着一条直线穿过流体运动以及用电磁铁产生磁场等过程在纳米世界里也不存在相对应的东西。我们为制造电子器件而设计出来的方法肯定将能够制造某些简单的机械纳米器件，但它们所能执行的功能将是比较有限的。

装配机之梦具有诱人的魅力，因为它似乎能绕过这数不清的种种麻烦。但这一梦想其实是虚幻的：作为一种比喻它相当迷人，但成为现实的可能性就很不乐观了，与其说它是解决问题的可行方案，不如说它只是在期待奇迹的出现。考虑到建造并运行纳米机器所受到的许多限制，看来建造纳米机器的新系统最终可能还是要向古老的生物系统看齐。我们能否胜过进化，这对人类将是一个惊人的挑战。哪怕是模拟最简单的活细胞，也堪称一项令人瞠目的成就了。

那么，生物纳米机器是否就代表了发展的终级呢？生物纳米机器是否就是优化得最彻底的结构？生物进化过程是不是对所有各种可能性都进行了筛选，从而得到最佳方案？对于这个问题，我们现在还没有一般的答案。哈佛大学的Jeremy R．Knowles已经证明，有一种酶——丙糖磷酸盐异构酶(triosephosphate isomerase，缩写为TIM——是“完美”的，也就是说，对于这种酶所催化的那一特定的化学反应没有一种催化剂能干得比它更好。对于大多数酶以及所有比酶更复杂的结构，我们并没有开展寻找其替代物的工作。

生物系统在水中运行，而且大多数生物系统只能适应相当狭窄的温度范围和盐类浓度范围。总的说来生物系统不具备良好的导电能力(不过，某些生物系统——侧如叶绿体和线粒体——能够非常精巧地使电子四处运动。)生物系统不进行二进制计算和通信。它们的机械强度也不是特别高。因此，如果要让纳米机器在非生物环境中取得成功，还必须开发大量各种类型的功能。

关于“灰雾”的悲观预言，我们从上述讨论中获得了一些什么样的启示呢？如果纳米机器真的会带来什么危险，那它将与纳米机器的自复制能力有关。一个系统要想具备自我复制的能力，它就必须包含进行自我复制所需要的全部信息，而且必须能够从它所在的环境中收集能量供应和制造过程所需要的全部材料。它还必须能够制造并组装复制自身所需要的全部成份。生物学已经解决了这些问题，而从病原菌到癌细胞之类的自复制生物系统确实对人类构成了危险。在计算机系统中，能够自我复制的二进制数字串(计算机病毒)尽管并非物质实体，至少也是非常令人讨厌的东西，不过它对我们构成的危险仅是间接的。

如果有一种新的系统——不管什么系统——能够使用环境中的材料复制自身的话，那它将值得关注。但是现在我们已经拥有足够的知识，清楚地意识到我们距离在非生物系统中重现自我复制功能这一目标有多么遥远。在我看来，通过装配机的原理来制造纳米器件不是一条可行的策略，因而无须关注在可以预见的将来，我们根本用不着为灰雾操心。如果强健的自复制微米(或许是纳米)结构最后终于出现的话，那它们多半将是其复杂性与原始细菌相当的化学系统。任何一个这类系统既是令人难以置信的成就，同时也需要我们加以仔细的评估。如果纳米机器对人类有任何威胁的话，那么这种威胁将不是来自横扫世界、胡作非为的装配机而是来自现在还无法想象的自催化反应系统。因此，生物学与化学——而不是机械工程教科书——为我们指出了寻找答案的方向，而有机物或人造装置的繁殖可能将失控这种忧虑也正是在这一点上值得我们认真关注。在思考自复制问题以及哪些特征使一个系统有资格成为生命系统的问题时，我们应该从生物学着手，因为生物学向我们展示了许许多多在进化史上取得辉煌成功的极其精巧复杂的创意与策略。在对付一个棘手的课题时，首先拜高手为师是合乎情理的，即使这些“高手”不过是细菌的鞭毛而已。

【徐彬／译 向俊／校】