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创世第二季Comments>>

发表于 2009-05-07 02:49 | Tags 标签:,

原文,译者:SNOW LEE(简介见后),另一译文在

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生命的形式众所周知,但此时此刻,就在地球上,我们对生命的认识即将被改变。”Bob Holmes

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1988年,当诺贝尔得奖物理学家Richard Feynman去世时,他的墓碑上刻着“我不能造出的东西,我就不了解。”由此观之,生物学家们仍然有很多东西需要学习,因为还没有人能够成功地将一锅化学汤变成有生命力、繁殖力和进化能力的生命形式。我们仍然停留在生命的1.0版本,早在35亿年以前这种形式的生命迅速崛起。至少就我们所知,从那时起地球上就未发现新形式的生命。

不过,现在这种状况似乎就要有所改变了。在世界各地,许多实验室正准备迈入第二种生命形式的门槛,这将会成为历史上影响最深远的科学突破之一。加州大学圣克鲁斯分校的生物化学家David Deamer三十年来一直认为在“5年或10年”内,科学家们就能合成生命。也许,他最终是正确的。“寻找新形式生命的势头越来越高涨,”他说,“我们正在敲开未知的世界的大门。”

与此同时,科学家们正在展开一项同样影响深远的研究:寻找“影子生物圈”。该研究旨在寻找与已知生命毫不相关的生命形式,这些新形式的生命是一种独立生命源的后代。我们能够确定生命在地球上萌发过一次,那为什么不会萌发两次?许多科学家认为另一种形式的生命没有不萌发的理由,他们的后代很可能跟我们生活在一起。

因此,“异生物”的出现似乎迫在眉睫。我们可能会发现自然生长的“异生物”或在实验室里培育出一个。无论哪种方式,这都是意义非凡的一步。到目前为止,生物学家对生命的理解只能建立在对现有的动植物和微生物的观察上,而它们都源自同一祖先。这些观察对寻找新形式的生命给不了多少启示。

“当只有一个样本时,你很难说它是否具有代表性”科罗拉多大学波尔得分校的科学哲学家、太空生物学家Carol Cleland说道。“如果你是一名想弄清楚哺乳动物的外星生物学家,而你的研究对象只有斑马,那么你很可能不会关注乳腺,因为只有一半斑马有乳腺。相反,你很可能会关注它们的条纹,因为这是所有斑马都有的。”

无论是发现还是培育出第二种形式的生命,其意义都不止于扩展我们对生命的认识。另一种生命形式会给生物技术学家提供不一样的分子和机能,它们或许能用以解决实际问题。人工合成、定制的生命系统有可能像一条自行维护、改进、修整的生产线一样,生产出小到药片,大到石化制品的产品。在下面四页中,我们将首先报道实验室里取得的研究进展,以及该领域的新闻。研究者们正你追我赶,争当这项可能是科学史上最具深远意义突破的第一人。

第一部分 制造新生命

Craig Venter是基因组测序领域的先锋人物,他的名字常常被人与探索如何为无生命物质注入生命联系起来。但是Craig Venter却并不这样认为。“我一直试图澄清,我们并不是从头开始创造生命”他说。

Venter的团队位于马里兰州洛克维尔的克雷格文特尔研究所,他们计划将细菌细胞中的基因组移除,并用他们自己设计的系统取而代之。如果成功的话,这将导致一种新的生命形式的诞生,但这与发现生命的第二种形式的最终目标仍然相去甚远,即使是Venter也这么认为。

然而,其它的研究小组正直接朝着最终目标的方向努力前进。他们中最雄心勃勃的甚至不依赖分子的标准模式,而是试图根据第一原则重新设计生命系统。如果成功的话,他们将创造出一种不同于任何一种现存生命的全新的生命形式,这种成就不亚于在别的星球上发现外星生命,但它也会带来新的伦理和安全问题。(见下图)

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四年前,《新科学家》曾报道过新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的Steen Rasmussen进行的类似的尝试(2005年12月12日,28页)。他并不是对现有的细胞系统进行模仿,即用一种油性膜将水溶性生物分子包裹其中,Rasmussen的“洛斯阿拉莫斯细菌”是由油滴表面镶嵌了生物分子构成的,就像在桔子表面插了丁香。

那时,Rasmussen曾希望在几年之内获得成功。如今,他变得更谨慎了。“目前还没有生命诞生”,他说道,“但是我们距离目标越来越接近了...我们正沿着我们的方向缓慢前进。”Rasmussen现在在丹麦欧登塞市的南丹麦大学,他和他的团队正在稳步地攻克一系列中间目标。例如,他们已成功促使最小的DNA基因组引导脂肪酸的合成,使油滴生长。这是他们细菌的基本生化过程的关键步骤。他们现在正试图证明当附着在油滴上的基因组也可以进行复制,而油滴也会随着基因组同步生长并分裂。

制造出合成生命将是一项可与在外星球发现外星生命相媲美的成就

与此同时,另一个研究小组已经领先了一步,他们发明了一种“信息携带”分子,这些分子可以自我复制。这是合成生命遇到的最大障碍之一。大多数专家认为,能进行自我复制的分子(极有可能是RNA)很可能在地球生命起源过程中起了作用,但目前尚无人能制得一个这样的分子。

加州拉霍亚市斯克利普斯研究院的Tracey Lincoln和Gerald Joyce尝试了一种略有不同的方法。他们造了两个,而不是一个RNA分子,其中任一个RNA分子都可以通过“缝补”由研究者提供的两个半分子,来合成出另一个RNA分子。

一些人认为最早的生命形式也是逐块进行自我复制的,随着生命的逐渐演化,“复制块”的大小不断减小,直到成为今天我们所见的DNA中逐字母的复制。如果真是这样的话,Lincoln和Joyce的交叉复制分子将是所有试图重新创造生命的人中最接近目标的一个。事实上,这些分子运转得非常好,他们的数量开始成倍增长(Science, DOI: 10.1126/ science.1167856)。“这在生物体以外还是首次发生。”Joyce说。

RNA甚至经历了初级的进化过程。当研究人员为其提供了不同种类的分子前体时,复制分子自发地选择了一个运转最有效的合成方式。

然而,这还远远不是真正的达尔文进化。从预先确定的范围中进行选择并创造新变体是不同于从无限制条件的分子中进行选择的。交叉复制分子只有满足了这个更困难的测试才能说明它是活的,Joyce说。

要跨越非生命与生命之间的界线他们还要通过其它两项测验:进行某种形式的新陈代谢过程和将自身以某种形式分割成几部分。Joyce的小组正尝试为系统构造新的功能以通过这些测试,但这也许还有很长的路要走。其它致力于从头设计活体细胞的研究者们,特别是哈佛大学的Jack Szostak和苏黎世瑞士联邦理工学院的Pier- Luigi Luisi等,他们的研究也同样不会很快实现这一目标。

然而,另有一条捷径值得关注。哈佛医学院的George Church和田纳西州范德比尔特大学的Anthony Forster认为与其回到画板上重新设计生命还不如利用我们所熟悉的现有细胞提供的分子作为工具来缩短设计的过程。他们打算从一堆无生命的分子开始组装出一个活的、可复制的系统,其工作原理就像一个爱好者用零件组装一辆车一样。“这虽然很复杂,但我认为人们开始意识到这可能是我们创造合成生命细胞的最好机会了”Forster说。

正如初次造车的人会省略巡航控制系统和空调而把车造得尽量简单,Forster和Church首先把分子工具拆分成最小的单元。他们最终得到了151个基本生物分子:它们是复制DNA、复制RNA以及将RNA转变为蛋白质分子时所必须的蛋白质和RNA。(Molecular Systems Biology, DOI: 10.1038/msb4100090)。剩余的分子可以由外部供应。例如,这个系统并不从阳光中吸取能量,也不将食物转变为携带能量的三磷酸腺苷(ATP),而是由研究人员提供现成的三磷酸腺苷。他们还计划暂时摒弃细胞膜,让整个系统在试管中的松散溶液里运行。

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“人们开始意识到这可能是我们创造合成生命细胞的最好机会了”

这个最小细胞的许多部件已经可以正常运转了。生物技术公司常规性地出售合成DNA,RNA和蛋白质的试剂盒。但这些试剂盒只能正常工作几个小时或几天,然后组分就被用尽,反应也就停止了。为了创建一个可无限运行的系统,Forster和Church需要加入编码了所有151个组件的DNA分子,以便系统可以生成所需的新组件。一旦他们将这些DNA与初始组件结合起来,他们从理论上就能获得一个复制和进化系统,简言之生命系统。

将如此多的复杂部件组装到一起仍然是一大挑战,但也许成功已指日可待。2008年10月在香港召开的合成生物学会议上,Church和他的哈佛合作者Michael Jewett报告了他们已经解决了合成中最大的问题之一:形成一个核糖体。

核糖体是细胞中制造蛋白质的机器,也是生命体中最复杂、最奇妙的分子之一,它由57种蛋白质和RNA分子以某种特定的方式组成。许多人已经试着去构造Church所谓的“生物中最大的集合体”。既然Jewett和Church已经成功了,我们有理由相信,我们能够制造出任何一种复杂分子机器。

那时候,这对搭档仅仅是用细胞中提取的组件合成了核糖体。如今他们已经可以利用合成版本的最大RNA组分完成这个组装过程。Church认为合并其余的合成RNA是一个相对较小的挑战。“按照我们的预期,在合成剩余RNA集合体时并不会遇见什么问题”他说。

即使这一困难已被排除后,当研究者们试图组装所有151个基因使他们的产物成为一个正常运作的整体时也很有可能会遇到无法遇见的问题。“没试过的东西你永远不知道会怎样”Forster说“不过话虽如此,我们知道既然细胞可以做到,我们应该也能做到,这是迟早的事。”

一些其他的子系统已经开始组装了。日本大阪大学Tetsuya Yomo带领的团队创造了一种与Church相似的系统,不同的是它由144个部件构成而不是151个,部分原因是他摒弃了形成DNA这一步骤。在Yomo的系统中,一个微小的RNA基因包含了制造单个蛋白质的信息,该蛋白质分子反过来帮助RNA分子进行复制。基因生成蛋白质,蛋白质生成基因。在合成系统中首次实现了闭合循环,这是Church的小组尚未完成的壮举(ChemBioChem, vol 9, p 2403)。“我们花了十年的时间才达到了这个水平”Yomo说。

合成生命还不是即将出现在报纸头条的新闻。但是每个研究团队已经开始报道良好进展,从无生命的化学物质中创造生命已不仅仅是一种模糊的可能性,而是如顺藤摸瓜般确信无疑。“我对未来5至10年的预测更加自信。”Deamer说。

第二部分 寻找影子生命

当一些研究者正试图在实验室中创造全新的生命时,另一些研究者则在火星上甚至是太阳系的其它地方搜寻外星生命。这一在天体生物学中迅猛发展的研究领域在地球上还有一个不太知名的分支:寻找“影子生物圈”,第二种独立的、与我们所知生命类型毫不相关的生命形式(Astrobiology, vol 5, p 154)。

毕竟,许多太空生物学家相信只要沸腾的时间足够长,在适当的条件下,任何充分复杂的分子溶液都很有可能孕育出生命。如果真的如此,那么生命在地球上已经出现不止一次而是多次这种说法也是合情合理的。新形式的生命在今天是不可能出现的,因为现有的生命会在这些即将获得生命的分子聚集数量超过临界值前将它们吞噬一光。然而,生命起源的机会可能在早期地球上存在了相当长的一段时期。其中一些原始生命体可能已经消亡,它们被其它形式的生命体给淘汰,但另一些可能仍然与我们生活在一起只是我们尚未发觉。

像达尔文一样伟大

“我认为如果我们能在地球上找到第二种生命形式的证据,那将会是和达尔文的进化论一样伟大的发现。”亚利桑那州立大学的宇宙学和太空生物学家Paul Davies说道“它将可以回答我们所能想象到的最根本的问题:我们是宇宙中唯一的生命吗?”

怀疑者们可能会嘲笑地认为影子生命怎么会过了这么久都未被确认,但是Davies和他的同事们却简单地反驳道:我们从来没有用适当地方式去寻找它们。这种生命极有可能以单细胞微生物的形式存在,我们不可能指望自然学者们像偶然发现一只稀有的鹦鹉一样去发现它们。而且微生物学家用于检测生命的技术如DNA染色、DNA测序以及在实验室中培养微生物等手段都只针对具有常规生物化学结构的微生物。

“他们不能探测到另一种生命形式的微生物”,科罗拉多大学波尔得分校的科学哲学家和太空生物学家Carol Cleland这样说道。鉴于人们仅人工培养或发现了不到百分之一的微生物,在我们的眼皮底下影子生命仍然有很大的生存空间。

然而,在地球上寻找影子生命的任务比在外星球上寻找生命更困难。“这个星球上充斥着我们已知的生命”科罗拉多大学的生物化学家Shelley Copley说道。这意味着研究者们不能仅寻找新陈代谢的证据或大量生物聚合物的存在,因为常规形式的生命会淹没影子生命发出的任何信号。因此,影子搜寻者们必须用更有创造性的方法。

一个可行的方法是到传统生命无法生存的极端环境去探索,例如超干燥的沙漠地区、冰原地区、高空大气层或最热的火山口。

另一个方法是设计出探测其它生物化学结构的手段。迄今为止只有阿拉巴马州亨茨维尔市的美国航天局国家空间科学和技术中心的微生物学家Richard Hoover进行了这类实验,寻找“镜像生命”。普通的生命体几乎无一例外都采用右旋糖和左旋氨基酸,并避免形成它们的镜像等价物。但是如果影子生命是以相反的偏好发展呢?Hoover和他的学生Elena Pikuta创建了只有左旋糖和右旋氨基酸的营养液,并向其中加入了不寻常的极端微生物,等着看是否有任何生长的物质出现。

“我们确实发现了一些可以生长的微生物,这令我们非常惊讶。”Hoover回忆道。但更仔细的检测发现这些影子微生物不过是具有特殊新陈代谢的普通细菌。

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“沙漠岩漆”究竟是影子生命的一个例证还是其它什么更普通的东西?

Cleland认为还可以在其它地方寻找影子生命。“我认为我们应该去寻找那些反常的东西。”她说。例如,一些研究者们曾报道过的纳米细菌,它比普通的细胞小得多但却显示了某些生命特征。

Cleland说, “沙漠岩漆”是一个更有可能是影子生命的反常物质,它是岩石表面形成的薄薄的富含锰的岩层,在炎热、干燥的地方尤其常见。“每个人都认为他们自己知道沙漠岩漆究竟是什么,但他们的解释却各不相同”Cleland说。“这些沙漠岩漆是由生命体造成的还是由非生命的自然过程产生的,这点研究者们还未达成共识。”这层岩漆看起来像是由原始微生物沉积成的叠层,但在大多数情况下人们都未找到微生物的踪迹。偶尔会在其中发现类似细菌的物质,但并不是在所有的沙漠岩漆中都能找到。“我不知道他们到底是什么。”在亚利桑那州立大学研究岩石漆的Ronald Dorn说。

2008年9月,Cleland和她的学生们采集了些沙漠岩漆的样本。他们想从中找到元素比例的异常状况,而这种异常状况又并非由我们熟悉的生命形式的新陈代谢过程所造成。他们希望在今年晚些时候能获得一些结果。

科罗拉多大学的微生物学家Norman Pace是Cleland聘请对沙漠岩漆进行检测的研究者之一,他认为检测结果不见得能如人们所愿。他说,“之所以寄希望于影子生命的唯一原因是我们完全不知道沙漠岩漆是如何产生的”。不过,他仍然愿意去检测确认一下。

Davies希望能有更多研究者参与到寻找影子生命的研究中来。即使他们没有找到,他们的研究也可能使人们发现我们所熟悉的这棵生命之树上前所未知的分支。“所以无论如何这项研究还是值得的,”他总结道,“即使最后它只是使我们确信我们就是宇宙中唯一的生命。” ■

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译者简介,SNOWLEE,又名"slowly",遥感专业博士,因爬行速度与科研速度同样缓慢而得名。喜欢运动,喜欢新鲜事物,喜欢探讨纯净的科学。坚信人生不止要为目标努力奋斗还要懂得欣赏沿途的风景(所以我慢慢爬)。

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9 Responses to “创世第二季”

  1. fwjmath说道:

    午夜沙发党再次出没~~~
    话说我是在Google reader里边看完再抢沙发的~~~

  2. laoke说道:

    小时候,立志长大搞天文,探索宇宙的奥秘
    中学时候,兴趣转向生化,认为这是最有发展前景的科学
    现在呢,已经忘记是如何选择读化学的了

    XX的环境就是这样慢慢扼杀了我们最初的兴趣
    显然,我们的意志也不足够坚定

  3. 泉水说道:

    当年我国能人工合成具有活性的结晶牛胰岛素相当具有划时代意义

  4. [...] 小红猪翻译小分队新一期:换个思路,寻找新形式生命——《创始第二季》。 [...]

  5. 摘星薯说道:

    机器有了,还差燃料

  6. margaretdi说道:

    那个。。第一部分跟我翻译的好像。。。

  7. Metaverse说道:

    制造生命……想起《科学新领域的探索》一书中所说的自催化系统,往后演变成生命过程,其中蕴含着某种包含无限种可能变化组合的数学模式。其实,如果把这种模式的运行过程用完全无机的介质来进行,不知道可否视为生命现象。

  8. BillLiv说道:

    合成生命,听起来感觉在将来是一个备受争议的话题,而且生命到底能不能合成,或以另一种生命形式出现,终究要靠后续的研究才能给我们答案!

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