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探究人工生命的意義

上網時間: 2006年04月17日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:人造生物  人造器官  人工生命  VLSI  生物系統 

建構人造生物的組成要素,以及將來或許有一天能夠建構人造器官的能力,為有關人工生命的議題賦予了新詮釋,而該技術主要與矽晶片電路有關。爭論焦點在於,當VLSI系統達到足夠高的複雜性時,基本上它們將與有生命的生物系統一樣存活。

這項研究由多家專門研究人工生命議題的公司所組成的協會所帶領,因為必須為合成生物學(synthetic biology)定義並分類不同分支的組成基礎。該研究的一份報告指稱,被廣泛定義為採用分子生物機制和系統工程原理的合成生物學,將工程領域和整體人類社會帶來廣泛的影響。

該報告主要由德國ATG:Biosynthetics的Hubert Bernauer為領導協會的Sociedade Portuguesa de Inovacao所撰寫。

這項研究的第一階段於去年10月完成。而下一階段預計在今年6月完成,主要目標是探索新研究成果與新創公司。該報告引用研究論文作為該領域內活動的衡量指標,聲稱美國以佔全球68%的論文數量引領了研究成果。歐盟以24%位列其後,接著是以色列和日本各為3%。美國的大多數工作都是在加州進行的,麻州其次。

由於這是一個嶄新的領域,該報告作者不得不提出了一個工作定義,即何種行動應該被確切地納入到「合成生物學」內。在作出定義時,報告可能就透過其嘗試性的定義對該領域產生影響。

報告指出,「合成生物學是對大自然中不存在的生物組成要素和系統進行工程化,以及對現有生物元素的再造;它專注於人工生物系統的意識設計,而非基於對自然生物的瞭解。」

MIT的BioBrick計劃──標準DNA序列的目錄,它針對特定的細胞功能進行編碼──這象徵了一個全新領域。DNA是自然系統用於自我組合的數位碼。近期推動合成生物的一項技術是能依照預先確定的數位序列可靠合成DNA序列。提供這種服務的公司已經出現,任何從事生物醫學研究或生物工程的人士都可利用人造DNA進行研究工作。

生命的元素

目前與電腦相關的領域包括基因演算法、自主性代理人(autonomous agent)、類神經網路(neural network),以及生活系統的人工智慧等所有擬人化設備。但它們與現實中的生命器官有多接近?差距不僅僅是複雜性的問題,作者們爭論道:它還嚴重依賴資訊和描述資訊的實體系統之間的關係。

生物學家已確認任何一個有生命系統所必須體現的三種關鍵原理:它們必須能夠自行創造、自行組織和自行維持。自我維持的能力包括複製元素、流程資訊及從環境中穩定消耗能量的能力。儘管電子系統極為擅長資訊處理,它們不能自我複製,除了在軟體層面,而且它們只消耗一種類型的嚴格定義的電能。相較之下,生物系統擁有優秀的自我複製能力,而且它們從環境中消耗能量的策略極為多樣化。

該報告對基於矽晶片的系統能複製生命系統所需資訊處理和實體複製通用指令的可能性表示悲觀。這主要歸咎於人工和生物生命所基於的材料的本質:前者是矽,後者是碳。碳在與其自身或其它通用元素如氫形成新型配置方面具有很高的靈活度,使複雜的資訊處理系統能在對應的材料系統內展現出來。與之對照的是,用電子系統實現的人工生命系統沒有相應的分子配置。而實現生命系統所有基本元素的軟體程式可在矽電路上執行──它們未來可能變得相當複雜──人工系統將永遠無法緊密地與相應的矽分子系統整合。

透過採用與生命系統相同的分子策略來創造人工生命系統,合成生物將能夠補救這一問題。有幾種途徑可以實現這一點。

在從頂至下的方法中,研究人員嘗試發現創造生命系統多種元素的進化原理,並把它們應用到奈米結構以創造人造器官的新輪廓。

另外一種方法採用由底至上的建構模組策略。特定的單元功能被確定、標準化,然後在DNA序列中進行編碼。在無機工程系統內,更多複雜的功能透過比較簡單的建構。其意圖是,在某些程度上,依照這種標準工程路線可製造出自我維持的系統。

作者們期望這種方法能創造出新型的生物範例。新領域將被稱為「模組化生物」,而不是「分子生物」。

在第三種途徑,即規則方法中,研究人員嘗試識別單元用以改變生長和行為的發信系統。透過使這些系統可程式化,可望重新讓生物系統實現工程目標。

就合成生物的另一個分支而言,該研究會採用DNA和RNA的組合特性,執行試管實驗測試來建造奈米結構。這些分子能被奈米束或其它人造結構組合,來建造醫療和生物研究領域專門應用的系統。目前該領域已經知道就像是「在試管內(in vitro)」的合成生物。

複雜的生物系統電腦模擬也被歸類到合成生物領域內,儘管這些系統的目標是為建模並預測自然或工程化生物行為提供一種CAD系統。這些系統稱為「in silico」,電腦模型可在這種系統內成為工程化生物系統進化的主幹。

電腦系統的願景與EDA產業類似,即標準的加工製程使某些具有電路設計專業經驗的人有可能在電腦上探索出一種概念,模擬並指定如何實現──這讓實際在工作的矽晶片能經由設計被製造出來。在合成生物的世界?,這種能力將大幅加速整個領域的進展,使研究人員和工程師能快速在以往的經驗和實驗上實現人工生命系統。

(Chappell Brown)




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