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活体细胞重组机器人?活体机器人能制造出来吗?(3)

来源:网络整理时间:2022-09-01 14:18编辑:小康

当然,这并不是真正意义上的生物体繁衍方式,活体机器人不会细胞分裂,所以母体细胞不会将遗传物质传递给后代,相反,该行为看起来更像一些由可重新构建组件制成的机器人,它们已被证明能在提供组件时组装自己的复制品。活体机器人不能以该方式进化,它们必须被赋予组件,莱文和同事将这个过程称为“自复制运动学”——通过运动而不是生物繁殖来复制。邦加德说:“复制是那些自身无法吸收新质量的实体所能获得的,它们可以发生行为,却不能成长,这些系统仅能将外部环境中的物质组合成自身副本。”

该项研究表明,通过将活体机器人与人工智能的探索能力结合在一起,就有可能制造出一种有目的的“活机器人”,邦加德说:“人工智能可以用于夸大一种与生俱来的能力,可以通过重新排列生物形态而不是基因,‘编程’生物的新行为,研究人员希望知道,这些模拟行为能否识别出其他可以组装不同结构的形状,或者可能完全执行其他任务。我对该项目的主要兴趣是,人工智能可以多大程度地以脱离自然进程的方式产生活体机器人,我们正在致力于通过人工智能设计几种新类型行为,融入这种活体机器人中。”

该观点需要一种新的方式思考细胞——它们不是按照基因蓝图组装起来的积木,而是具有自主能力的实体,可用于制造各种各样的生物体和生命结构,人们可以将它们想象成智能化、可重新编程的变形机器人,它们可以移动、粘在一起,甚至彼此发送信号,通过这些方式,它们将能自己构建成精致的“人造品”。

这可能是以一个更好的方式概念化人体是如何在胚胎发育过程中形成,生长是一个循序渐进的过程,每一步都在为下一步创造条件,至关重要的是,这种转变包括细胞自身状态的变化,由周围环境的信号触发,例如:当一层细胞在被胚胎其他部分限制在其边缘的组织中生长时,这些细胞将被迫弯曲。突出顶端的机械力可能会被细胞表面的传感器检测到,进而触发传递给基因的化学信号,之后基因活性被激发出来,从而改变细胞属性,使它们的黏性更低,流动性更强,例如:为身体组织的形状创造出新的选择。在细胞外和细胞内发生的事件之间,以及成长胚胎整体结构形状结构和内部成分遗传活动之间,都有“持续对话”。

这种丰富而微妙的对话使得我们很难预测人类细胞会长成什么形状,与细菌不同的是,人体细胞从通用胚胎干细胞分裂生长成特殊组织的过程中,会永久地改变自己的基因活动,关闭一些基因,并开启其他基因,这使得预测变得更加困难。一门叫做“合成形态学”的新学科试图适应,甚至利用这种复杂性,以便利用细胞的构建能力来制造全新、非自然的多细胞结构。如果它能预测和指导结果,这项努力将很可能依赖莱文和同事部署的人工智能和其他计算资源来完成。

生物体最吸引人的方面是整体形状结构,但这可能是最“肤浅”的编码。

假设合成形态学(包括制造全新生物)的可能性并不牵强,那么由细胞组成的活体机器人能被认为是一种生物形式,尽管这些微小的细胞团并不起眼。数学生物学家称之为“吸引子状态(attractor states)”的青蛙细胞组装计算解决方案,是否可形成完全不同的肉眼可见组织——类似鱼一样,或者像蠕虫一样?

邦加德说:“我们希望人工智能告诉我们更多非洲爪蛙的秘密,到目前为止,通过人工智能现已发现非洲爪蛙两个吸引人的特征,是否该物种还有更多的秘密亟待揭晓?是否还有类似于非洲爪蛙的神秘物种吗?”

这种观念可能会违背我们对生命如何演变的直觉认知,但事实上,生物体最引人注目的方面——它们的整体形状结构,实际上可能是最“肤浅”的编码,与其说是由深层遗传资源决定,不如说是由组装规则在任何特定情况下碰巧发生的方式而决定。在某种意义上,蝌蚪和青蛙(更不用说活体机器人)作为非洲爪蛙基因组可行产物的存在,证明了这一假设——蝌蚪是形态上的迷你青蛙,不像婴儿或者侏儒成年人,而是它们作为有机体以自己的方式“运行”。

细胞形态潜能揭示了为什么人类与进化近亲具有基因相似性——与黑猩猩有99%的基因重叠,与狗有84%的基因重叠,人类大部分遗传物质似乎都是用于创造和维持人体细胞的构建能力,它们究竟构建了什么形态?从这个角度来看,要区分人类和狗的身体,只需要对支配发育的规则进行微调,当然,这些差异对于生物体所处的生态龛位的进化成功至关重要,但即便如此,形态学在生物发育研究报告中也仅是微不足道。

确实是进化遗传学似乎在告诉我们一些重要线索,自从7.5亿年前地球最早期多细胞生物——后生动物(metazoans)出现之后,生物基因并未出现太多创新变化。基于人类基因组计划(Human Genome Project)提供的相关数据,我们吃惊地发现人体蛋白质编码仅与微小土壤蠕虫秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)一样多,秀丽隐杆线虫体内只有2000-3000个细胞,这可能在很大程度上伤害了人类的自豪感,或许让人们认为人类根本没有那么特殊。这或许表明,科学家从一开始就对这些遗传资源的用途产生错误观点——它们不提供计划,只是帮助生物创造选择条件。

毕竟,多细胞生命的生存方式所需的大部分基因和能力,甚至都存在于单细胞祖先物种,当时它们已拥有彼此发送信号的能力,从而实现合作行为,粘在一起,并分化成不同的细胞类型。目前,我们能在单细胞变形虫身体上看到这种能力,例如:网柄菌(Dictyostelium discoideum)黏液,当它们承受压力时就能组装成多细胞体。

特里洛和同事认为,这种多细胞行为所需的遗传资源主要来自于基因调节机制——开启和关闭它们,而不是来自基因自身的任何创新。他们指出,在向多细胞生物过渡的过程中,基因内容上的很多创新都植根于对现有基因家族的“修修补补”。研究人员通过对Capsaspora owczarzaki变形虫的研究获得该结论,这种变形虫是进化方式最接近早期多细胞的近亲物种之一,它比其他任何单细胞生物都有更多的基因参与调控功能,大部分编码蛋白质称为转录因子。特里洛发现,这些蛋白质在Capsaspora owczarzaki中控制的生物分子相互作用网络也经常存在于动物体内,换句话说,在真正的多细胞兴起之前,这些蛋白质网络已“准备就绪”。