文｜觀察未來(lái)科技
21世紀(jì)也是生物革命的一個(gè)世紀(jì)。作為生物革命的一部分，人類(lèi)正日益了解與我們?nèi)梭w和大腦有關(guān)的所有重要數(shù)據(jù)，并根據(jù)個(gè)人及社會(huì)的需要改變和強(qiáng)化它們。當(dāng)然，想要達(dá)到改變和強(qiáng)化人體的效果，還需要一定的工具，是這些工具賦予了人類(lèi)前所未有的能力，增強(qiáng)了人類(lèi)軀體那些天生的、有限的能力。
其中一項(xiàng)重要的工具，就是當(dāng)前正在高速發(fā)展的納米技術(shù)。實(shí)際上，納米技術(shù)在很多領(lǐng)域內(nèi)都展現(xiàn)出無(wú)限的潛力，但納米技術(shù)最重要的應(yīng)用之一，還是在于對(duì)人體的改變。人體中的納米機(jī)器與現(xiàn)在的大型機(jī)械和電子設(shè)備不同，它們將會(huì)具備幾乎全面的生物屬性，并與人體無(wú)縫結(jié)合，為疾病治療帶來(lái)全新的未來(lái)圖景。
回到分子世界
眾所周知，納米，是長(zhǎng)度單位。
舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，4歲孩子的平均身高是1米。1米的千分之一，就是1毫米，這大概就是孩子頭上一個(gè)虱子的長(zhǎng)度。1毫米的十分之一，就是100微米，也就是1米的一萬(wàn)分之一大，概是就是人類(lèi)頭發(fā)絲的直徑。
把頭發(fā)的直徑再除以10，就是10微米，一個(gè)普通的人類(lèi)細(xì)胞的直徑。這個(gè)時(shí)候，人肉眼已經(jīng)難以看見(jiàn)。細(xì)胞的直徑再除以10，就是1微米，這是大部分細(xì)菌的長(zhǎng)度?，F(xiàn)在，取一個(gè)細(xì)菌，把它的長(zhǎng)度再除以1000，結(jié)果才是1納米，相當(dāng)于十億分之一米。這就是分子大小的度量單位。
分子是原子相互結(jié)合而成的。要知道，人體的每一種疾病都是自分子始，以分子終的。有些疾病會(huì)導(dǎo)致分子在某一區(qū)域過(guò)度集中。如果膽固醇和斑塊淤積，動(dòng)脈就會(huì)變得狹窄，最終可能導(dǎo)致心臟病發(fā)作；或者分子在神經(jīng)中集聚，造成克拉伯病，影響神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)傳輸，就會(huì)出現(xiàn)代謝紊亂。
而這個(gè)時(shí)候，試想，如果人類(lèi)能開(kāi)發(fā)一種技術(shù)，能進(jìn)入所有的細(xì)胞，或者到達(dá)動(dòng)脈內(nèi)部，消除這些有害分子，就可以治愈很多疾病。可是要達(dá)到這個(gè)目的，就需要數(shù)十億個(gè)微型鑷子，穿透人體細(xì)胞去清理數(shù)萬(wàn)億個(gè)有害分子。對(duì)人類(lèi)醫(yī)生來(lái)說(shuō)，這是不可能完成的任務(wù)，但納米機(jī)器卻有望勝任。
具體來(lái)看，對(duì)人類(lèi)醫(yī)生來(lái)說(shuō)，如果我們要修改人體內(nèi)的某個(gè)地方，比如去除動(dòng)脈內(nèi)的動(dòng)脈粥樣硬化斑塊，就需要開(kāi)刀，侵入人體去清除阻塞。但是，如果能人類(lèi)能夠控制分子，就可以直接溶解斑塊，再把它移到不那么危險(xiǎn)的地方。
如今，計(jì)算機(jī)已經(jīng)可以控制我們?nèi)祟?lèi)周?chē)暮芏鄸|西，但暫時(shí)還不能控制體內(nèi)的分子。為了實(shí)現(xiàn)突破，納米機(jī)器人順勢(shì)誕生，未來(lái)，納米機(jī)器人將能夠與生物體內(nèi)分子相互作用。這些機(jī)器能夠進(jìn)入人體，與人體共處，還可以充當(dāng)人體與這些分子間的接口。而人類(lèi)需要做到的，就是給這些機(jī)器編程來(lái)指揮它們的行動(dòng)。
試想，在不遠(yuǎn)的未來(lái)，納米機(jī)器人能夠在血液中攜帶分子，而且只有在靠近特定類(lèi)型的細(xì)胞時(shí)才會(huì)釋放分子，尤其是對(duì)于摧毀癌細(xì)胞來(lái)說(shuō)。事實(shí)上，癌性腫瘤無(wú)非就是一群瘋狂分裂擴(kuò)散的細(xì)胞。如果納米機(jī)器人能夠精準(zhǔn)殺滅這些癌細(xì)胞，也就戰(zhàn)勝了腫瘤。
另外，大量納米機(jī)器人還會(huì)幫人類(lèi)在體內(nèi)進(jìn)行微小手術(shù)：切斷和分解有害分子，清除壞死組織，或者將某種藥物輸送到有需要的特定細(xì)胞中。并且，經(jīng)過(guò)適當(dāng)編程的納米機(jī)器人還可以交流，并沿著切口和傷口構(gòu)建起架狀結(jié)構(gòu)。這些支架會(huì)幫助生物細(xì)胞正確重組，重建受損組織。這樣一來(lái)，納米機(jī)器人就能幫助身體迅速有效地恢復(fù)。
此外，納米機(jī)器人還可以做一些基礎(chǔ)的計(jì)算。實(shí)際上，計(jì)算機(jī)也不過(guò)是一堆以某種方式連接起來(lái)的晶體管，它們相互反應(yīng)，形成有序的邏輯門(mén)，從而支持某些計(jì)算。在理論基礎(chǔ)支持下，可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)，這些納米機(jī)器人也可以在我們的體內(nèi)穿行時(shí)，評(píng)估人體的健康狀況，并計(jì)算出需在何時(shí)釋放特定的藥物。
納米機(jī)器人的準(zhǔn)備
可以說(shuō)，納米機(jī)器人能夠許諾給人類(lèi)的未來(lái)場(chǎng)景是極其美好的。每天早晨，人們可以服用一個(gè)裝有納米機(jī)器人的膠囊，它可以識(shí)別體內(nèi)感染、組織損傷、機(jī)體傷病、激素失衡等情況。
這些機(jī)器人還能夠執(zhí)行我們?cè)O(shè)定的程序，去除體內(nèi)過(guò)量的有害分子——納米機(jī)器人會(huì)給人類(lèi)帶來(lái)更好的生活，并改善人類(lèi)與周?chē)澜缃换サ姆绞?。而納米機(jī)器人之所以能夠許諾給人類(lèi)如此美好的未來(lái)場(chǎng)景，離不開(kāi)兩方面的技術(shù)支持。
一方面，納米機(jī)器人雖然說(shuō)是機(jī)器，但由于需要植入人體，因此，納米機(jī)器人應(yīng)當(dāng)由我們常見(jiàn)的生物材料構(gòu)成的，即DNA和蛋白質(zhì)，以方便人體的吸收。另一方面，納米機(jī)器人還需要具有可編程的能力，只有讓身體計(jì)算機(jī)化，治療才可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)。于是，為了實(shí)現(xiàn)納米機(jī)器人的可吸收和可計(jì)算，DNA納米機(jī)器人技術(shù)由此誕生。
具體來(lái)看，在兩條互補(bǔ)的DNA單鏈靠得很近時(shí)，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)就會(huì)自然形成。這是因?yàn)?，?gòu)成DNA的4種堿基（腺嘌呤、鳥(niǎo)嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶）可以分為兩個(gè)互補(bǔ)的堿基對(duì)：A和T結(jié)合（且僅與T結(jié)合），而G與C結(jié)合；用生物學(xué)的書(shū)寫(xiě)方式表達(dá)就是A≡T，G≡C。脫氧核糖核苷酸的互補(bǔ)性，賦予了DNA分子在形成雙螺旋結(jié)構(gòu)之外，成為可編程構(gòu)建材料的可能性。
原則上，科學(xué)家們可以通過(guò)設(shè)計(jì)并合成DNA鏈搭建出任意模板，其中的核苷酸被精心定位，因此它們能夠與另一鏈段上與它們互補(bǔ)的堿基結(jié)合，創(chuàng)造出能夠被折疊成特殊形態(tài)的納米結(jié)構(gòu)。除了互補(bǔ)性以外，DNA還有個(gè)關(guān)鍵特性——在相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間里，可以在結(jié)構(gòu)上保持穩(wěn)定和剛性。
另外，由于納米的尺度微小，因而很難采用機(jī)械操作。如果沒(méi)有最先進(jìn)的顯微鏡，甚至都看不見(jiàn)它們，而DNA折紙術(shù)則為此帶來(lái)了突破——人們意識(shí)到可以利用DNA的小碎片充當(dāng)“訂書(shū)釘”，從而穩(wěn)定地折疊DNA長(zhǎng)鏈。
保羅·羅特蒙德在2006年證明，借助計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的DNA短鏈“訂書(shū)釘”，可以將一些DNA長(zhǎng)鏈結(jié)合在一起，使其能夠自組裝成任意形狀，這樣一來(lái)，任意形狀都可以由長(zhǎng)鏈DNA折疊而成。這些“訂書(shū)釘”被設(shè)計(jì)成與長(zhǎng)鏈DNA的一些特殊部位互補(bǔ)；當(dāng)它們結(jié)合時(shí)，可以引導(dǎo)折疊的進(jìn)程。
此外，DNA陣列還被組裝到人造的脂質(zhì)膜上，這讓它們有潛力構(gòu)建出小區(qū)室以及更高階的結(jié)構(gòu)?；诖?，將DNA結(jié)構(gòu)附著到活體生物的膜上，就可以被用作細(xì)胞上的把手，遠(yuǎn)程調(diào)控細(xì)胞功能?！癉NA折紙術(shù)”的優(yōu)勢(shì)在于，設(shè)計(jì)與構(gòu)建都很簡(jiǎn)單，也很便宜，因?yàn)樵嫉腄NA不需要再被合成。
穩(wěn)健的DNA結(jié)構(gòu)不再搖搖晃晃，這一結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)才終于讓構(gòu)建納米機(jī)械設(shè)備——具備可控運(yùn)動(dòng)能力的納米機(jī)器人成為可能。在1999年，第一臺(tái)DNA納米機(jī)器人就已經(jīng)被制造出來(lái)了，第一臺(tái)納米機(jī)器人是納米步行者，靈感來(lái)自馬達(dá)蛋白的跨步行為，比如肌球蛋白行走動(dòng)作。
讓身體可計(jì)算
如今，在各類(lèi)生物科技的變革下，人體越來(lái)越成為一個(gè)充滿計(jì)算元素的系統(tǒng)。實(shí)際上，一直以來(lái)，都有科學(xué)家稱(chēng)，每個(gè)身體細(xì)胞都是一臺(tái)裝有小型計(jì)算機(jī)的機(jī)器。肌肉細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞和肝細(xì)胞等都接受細(xì)胞核DNA的指令，而細(xì)胞核DNA就像一臺(tái)微型生物計(jì)算機(jī)。
也就是說(shuō)，如果我們能控制細(xì)胞內(nèi)的計(jì)算過(guò)程，或者至少能控制執(zhí)行的指令，那人類(lèi)的身體對(duì)我們而言，就會(huì)像陶藝家手中的黏土。我們就能指導(dǎo)肌肉細(xì)胞的生長(zhǎng)和繁殖而不消耗體力，讓骨骼組織以同樣的速度持續(xù)產(chǎn)生新細(xì)胞來(lái)避免骨質(zhì)疏松癥，或者讓頭皮上的毛囊再長(zhǎng)出頭發(fā)。
而這些，都將是生物納米機(jī)器能夠到達(dá)的未來(lái)——將來(lái)，納米機(jī)器人就能像真正的微型計(jì)算機(jī)一樣工作，成為DNA計(jì)算機(jī)。
實(shí)際上，1998年，以色列魏茨曼科學(xué)研究所的埃胡德·夏皮羅（Ehud Shapiro）提出這個(gè)概念時(shí)，當(dāng)時(shí)，大多數(shù)的人們還并不認(rèn)可要把DNA當(dāng)作一種編程語(yǔ)言和計(jì)算元素來(lái)使用。彼時(shí)，夏皮羅還介紹了一種假想的機(jī)械圖靈機(jī)，并表示，在此基礎(chǔ)上，可以創(chuàng)建分子圖靈機(jī)。
如今，事實(shí)已經(jīng)證明，用DNA制造分子計(jì)算機(jī)并非不可能。比如，哈佛大學(xué)的研究人員已經(jīng)證明了一種能將大量信息壓縮到生物介質(zhì)中的新方法，在1克DNA中壓縮700太字節(jié)的信息。
這么多的信息相當(dāng)于100萬(wàn)張CD，或者233個(gè)容量為3000千兆字節(jié)的硬盤(pán)，總重約150公斤一項(xiàng)研究表明，如果改變基因代碼某些區(qū)域的狀態(tài)來(lái)代表1和0，模擬計(jì)算機(jī)比特，就有可能把DNA變成真正的計(jì)算機(jī)。這種計(jì)算機(jī)可以判斷一個(gè)細(xì)胞是否有癌變特性。如果有，就將其殺死。當(dāng)然，或許人們可能還要很久才能造出一臺(tái)萬(wàn)能的DNA計(jì)算機(jī)，但這并不妨礙人們?yōu)榇硕Α?/p>
當(dāng)然，隨著納米機(jī)器人到來(lái)的，除了美好前景，更有潛藏的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)，其中最重要的一點(diǎn)，就是對(duì)納米機(jī)器人的控制。無(wú)疑，納米機(jī)器人是極具顛覆性的發(fā)明，而這種發(fā)明必須有一個(gè)緊急按鈕，可以關(guān)閉，并把它從人們身體上移走。要確保這些機(jī)器不能復(fù)制，也不能在人與人之間傳播。
對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)，要掌控這些能夠自我復(fù)制的機(jī)器并不是一件簡(jiǎn)單的事情。如果失控，這些機(jī)器就可能會(huì)被釋放到環(huán)境中，而人類(lèi)卻無(wú)法把它們都關(guān)閉。這也就是為什么科學(xué)家們現(xiàn)在正在研究各種開(kāi)關(guān)，植入細(xì)菌或其他生物機(jī)器中，以便這些機(jī)器在跑進(jìn)外界環(huán)境一定時(shí)間后自毀。
毫無(wú)疑問(wèn)，生物機(jī)器將在未來(lái)幾十年幫助人類(lèi)應(yīng)對(duì)各種各樣的疾病。它們會(huì)比目前任何一種藥物都有效，而且副作用更小。它們可能會(huì)讓數(shù)十億人的生命延長(zhǎng)許多年，還能拯救很多人的生命。
但這還只是一個(gè)小小的預(yù)言，更大的預(yù)言，是人類(lèi)即將走向一個(gè)增強(qiáng)的世界，未來(lái)的人類(lèi)將是升級(jí)版的人類(lèi)，而升級(jí)版的人類(lèi)也必將面臨我們今天所不曾想到的挑戰(zhàn)。