互动科普

直到今天人类也无法从零开始创造一个生命体。生命体是如何创造出来的？是如何维持的？其机制是什么？诸如此类的未解之谜尚有许多。让我们从几个方面来看看科学家是怎样力图通过“人造生命”来破解生命之谜的。

自发形成有序的结构、不断运动、摄取营养、把多余的废物排出体外……生命日复一日地从事着如此复杂的工作。生命究竟是利用怎样的“物理装置”来出色完成工作的呢，至今仍然是一个待解之谜。

因此，科学家开始了“再现生命”的探索，力图合成比实际细胞简单的“人造细胞”，从而找到操纵生命的物理原理。

普通水滴的不平常之处——像生命那样活动

研究人员希望通过下面的实验能找到细胞活动的物理原理。因为水和油不能溶解在一起，所以油中的水滴会被周边的油隔开，就像一个球状的小容器一样漂浮在油中。水滴的直径约0.01～1毫米，大小与生物的细胞差不多，因此可以把油中的水滴当作细胞来进行研究。

通过一条极窄的流路，让另外一颗水滴慢慢靠近这个“人工细胞”（水滴），这时，研究人员发现，这颗水滴的一部分与“人工细胞”融在一起，过一会儿后又与“人工细胞”分开了，而且不断地重复着这个过程。这与活的细胞不断吸收营养物质，并把多余的废物排出体外的机制非常类似，它是基于水和油的物理特性自发形成的。

在注入的水滴（搬运用的水滴）中加入相当于营养物质的分子，并不断改变注入频率。结果发现，分子融入“人工细胞”后又分开的现象一会儿出现，一会儿消失，很有节律感。可以说，有节律的状态就相当于“活着的状态”，无节律的状态则相当于“死亡状态”。搬运用的水滴数量过多或过少的话，“人工细胞”就会死亡。只有当水滴数量不多不少正好的时候，才会产生这种节律。在上面的实验中，研究人员用水滴模拟细胞，如果能找到适合生命诞生的条件的话，就会找到操纵细胞的原理。

研究人员认为，“通过物质交换，在内部发生化学反应，从而保持动态活动，这对活着的细胞来说至关重要。活细胞的本质是一种物理现象。只有在能一直不断地与外界进行物质交换的状态下，才有可能在人工细胞中形成节律等类似生命的东西”。这表明，生命现象就是一个普利高津所提出的耗散结构。

生物是如何形成节律的？

除此以外，研究人员还把目光集中在生物内在的“节律”和“协同性”上，希望能揭示其物理机制。例如，心脏的跳动就是一种典型的生物节律。只要生命不息，心脏就跳动不止。构成心脏的多个细胞同时活动，按同一强度有规则有节奏地跳动。

研究人员做了这样一个实验：在玻璃板上倒上薄薄的一层水，然后滴上几滴油，并向水中加入表面活性剂（一种能够提高水和油的可溶性的物质）。结果发现，油滴随着玻璃板的形状，做直线来回运动或旋转运动。进一步观察水或油的分子，结果发现，每个分子都在各个方向上剧烈地无序地运动，但是，油滴却作为一个整体显示出有序的运动。

在实验中，课题组还尝试了让与生物细胞运动密切相关的微管（一种蛋白质）在特定条件下进行运动。结果发现，最初不规则运动的微管开始慢慢地朝向同一个方向，最终形成了涡旋状的结构。此外，他们还成功地用数学公式表现了这种涡旋的产生机制，并模拟了其形成过程。可以说，这项研究成功地揭示了支配生命现象的物理原理。

破解生命之谜之日即将到来！

随着生命科学的飞速发展，科学家对DNA、蛋白质等细胞“元件”的认识越来越深。但是，当这些细胞元件聚集到一起，作为一个整体，它们又是怎样运动的呢？在现阶段，这方面的研究尚未取得突破性进展，尚待继续努力。

有研究人员认为，今后在像细胞那么小的空间里，在与外界有物质和能量交换的“非平衡开放系”的情形下，如何探寻组成细胞的分子的空间布局和运动、数量及时间变化，将是一个至关重要的课题。如今，科学技术取得了飞跃性发展，终于有机会去实现这些想法，而人工细胞研究就是其中的一个例子。

相对论和量子论创立于20世纪初，但是把这些理论真正应用于化学和电子学领域却花费了50多年的时间。与之类似，耗散理论对破解生命之谜至关重要，但它也不过是在20世纪中期才创立的，所以，探索“生命是什么”的研究，现在其实才刚刚进入主题。

展示了用来搬运分子的水滴与“人工细胞”（油中的水滴）融在一起，然后又分开的过程（1～8)。“人工细胞”装在用硅树脂制成的极窄流路侧面的“凹腔”内（参照右下角的构造图）。水滴随着油的流动慢慢靠近“人工细胞”，结果出现如图所示的融合、分裂等现象。研究人员可以通过调节电极上的电压来控制水滴是否与“人工细胞”融合在一起。（图片提供：日本东京工业大学 泷上正浩）

（本文发表于《科学世界》2013年第10期）