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[導讀] (文章來源:環(huán)球網(wǎng)) 眾所周知,至少自農(nóng)業(yè)出現(xiàn)以來,人類就一直在為自身利益操縱生物,基因編輯也越來越普遍。過去幾年里,人類已經(jīng)通過模仿其他動物的體型,制造出了一些人造生物,但研究小組表示

(文章來源:環(huán)球網(wǎng))

眾所周知,至少自農(nóng)業(yè)出現(xiàn)以來,人類就一直在為自身利益操縱生物,基因編輯也越來越普遍。過去幾年里,人類已經(jīng)通過模仿其他動物的體型,制造出了一些人造生物,但研究小組表示,這是有史以來第一次“完全從頭開始設計的生物機器”。大體上,xenobots的創(chuàng)造過程有兩步。

第一步,利用佛蒙特大學的佛蒙特高級計算核心(Vermont Advanced Computing Core)的DeepGreen超級計算機集群,研究團隊(包括第一作者和博士生SamKriegman)用了幾個月的時間,用進化算法為這一新的生命形式設計了上千個設計。

為完成任務(比如朝一個方向移動),計算機會一遍遍地將幾百個模擬細胞重新組合成無數(shù)的形式或身體形狀。隨著程序的運行——由關于單個青蛙皮膚和心臟細胞能做什么的生物物理學基本規(guī)則驅動——更成功的模擬生物被保存、優(yōu)化,而失敗的則被拋棄。在對算法進行100次獨立運行之后,科學家選出了最滿意的設計,用于下一步研究。

第二步,Michael Levin帶領的塔夫茨大學團隊和顯微外科醫(yī)生Douglas Blackiston要做的就是關鍵一步——將電腦設計變成現(xiàn)實。他們先從非洲蛙種非洲爪蟾的胚胎中收集干細胞,將其分離成單個細胞并孵育,然后用小鑷子和更小的電極,將細胞切割并在顯微鏡下連接,使其非常接近于計算機指定的設計。

這樣,這些細胞被組裝成了自然界從未見過的形體,隨后它們便開始一起工作了。經(jīng)過上述一番操作,皮膚細胞形成了一個更加被動的結構,而心肌細胞原本無序的收縮則在電腦設計的指導下,在自組織模式的幫助下,產(chǎn)生有序的向前運動,這也就是機器人實現(xiàn)自行移動的關鍵。當然,在研究過程中,難免會有一些意想不到的結果,但有時這些結果也促成了新的發(fā)現(xiàn)。

研究者們注意到,這些可重組的有機體能夠以一種連貫的方式移動,并且在胚胎能量儲存的驅動下,用數(shù)天甚至數(shù)周時間探索它們的水環(huán)境,但是反過來的時候卻失敗了,就像甲蟲翻跟頭一樣。后來,試驗表明,成群的xenobots會繞著圈移動,并集體自發(fā)地把一個小球推到中心位置。其他xenobots則在中間挖開一個洞,從而減少阻力。而在模擬過程中,科學家們發(fā)現(xiàn)把這個洞作為一個袋子,它們能成功地攜帶物體。

佛蒙特大學計算機科學與復雜系統(tǒng)中心教授JoshBongard表示:“這是電腦設計的生物向智能藥物輸送領域邁出的一步?!拔覀冎溃S多機器、硬件產(chǎn)品等都是由鋼、混凝土或塑料等材質制成的,這固然有其道理(比如質量有保證),但有時也難免會造成生態(tài)和人類健康問題——比如日益嚴重的海洋塑料污染

相比之下,Josh Bongard表示:“xenobots有自我再生修復機制,而且當它們停止工作、死亡時,通常也不會對外界環(huán)境帶來破壞,它們是完全可生物降解的。七天后當它們完成工作時,它們就只是死皮細胞?!绷硗?,筆記本電腦固然強大,但要是把它摔成兩半,可能就無法工作了。但科學家們把xenobots切成兩半后,發(fā)現(xiàn)它們可以自愈,然后繼續(xù)前進,這是傳統(tǒng)的機器無法做到的。

同時,研究者也表示,他們對細胞交流、連接潛力的研究,已經(jīng)深入到對計算科學和對生命的理解中。MichaelLevin說:“當前一個重要的問題便是理解決定形式和功能的算法?;蚪M能夠編碼蛋白質,但硬件如何讓細胞在各種不同的條件下合作,從而進行功能性解剖,這還等著我們去發(fā)現(xiàn)?!?/p>

同時,為了使有機體發(fā)展并起作用,有機計算一直在有機體的細胞內和細胞間進行,而不僅僅是在神經(jīng)元內。這些幾何特性是通過生物電學、生物化學和生物力學過程形成的,正如MichaelLevin所說:這些過程在DNA指定的硬件上運行,是可重新配置的,也使得新的生命形式成為可能。

如今,許多人擔心技術的飛速發(fā)展和越來越復雜的生物操作會帶來負面影響。對此,MichaelLevin表示:這種恐懼不是沒有道理,當我們開始擺弄連我們自己都不理解的復雜系統(tǒng)時,結果可能很難想象。如果人類要在未來生存下去,就需要更好地理解復雜的性質是以何某種方式從簡單的規(guī)則中產(chǎn)生的。大部分科學都集中在控制“低級規(guī)則”上,我們還需要了解“高級規(guī)則”。

Michael Levin認為,這項研究對于解決人們心中的恐懼有積極意義,這也是研究團隊的一項意外收獲。
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