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生命是什么?图灵测试或许会给予答案

当前,科学家们对生命的定义并没有真正达成一致。在大多数时候,我们可能会觉得生命无非就是活着的生物,但每当试图用一定的标准来定义生命时,总会有特例蹦出来破坏我们的定义。然而,如果对生命没有一个清晰的认识,我们真的可以在其他星球上寻找生命,或者了解这个星球上生命的最早阶段吗?

康奈尔大学应用数学教授Steven Strogatz在其发布的合集“The Joy of Why”中,就当今重大的科学问题与相关的研究人员进行了探讨。在“What is Life?”这一主题下,Strogatz采访了加拿大艾伯塔大学(University of Alberta)的化学教授 Sheref Mansy,后者的视角或许会帮助我们思考这个问题。

采访、撰文 | Steven Strogatz

编译 | XZ

左:Steven Strogatz;右:Sheref Mansy

 

Q:很高兴你能接受我们的采访。当前对生命的看法存在着诸多矛盾,你怎么看待?

A:在我所处的领域中,我周围的一些同事有时会说一些比较极端的话语,比如有人说,生命是一个只属于诗人的术语,科学家们没有使用它的资格。对于这一点,我是非常不赞同的。当前,世界各地的科学家们都在试图建造一些东西,但我们甚至不能说我们正在试图建造的是什么,在这种情况下,科学怎么能有进展呢?

此外,我认为最大的问题是,每当有人提出生命的定义时,总会有人跳出来举个例子来反对。有些东西被认为有生命,但不符合定义,而有些东西似乎符合定义,却被认为是无生命的。比方说为什么办公桌没有生命?答案一般是桌子没有繁殖能力,因此不具备生命;但我们常见的骡子呢?它也不具备繁殖能力,为什么被认定是有生命的?又或者可以从反方向来举例,比如常见的食盐晶体。在晶体学领域中,大多数晶体学家获取晶体的主要方式是将晶体粉碎,之后利用晶体的小碎片来生长出更多的新晶体。这种现象似乎也可称之为繁殖,但没有人会将食盐与生命联系在一起。

Q:这么说,给生命界定一个必要充分条件或者设置一个清晰的边界似乎不是很有用,因为总是能不断找到例外。但是,从另一个角度来说,如果我们想在其他星球上寻找生命的痕迹,又必须对生命有一个定义。对此你怎么看?

A:其实,所有的事物最终都将趋向于无序状态。生物本身就是一种不平衡的化学系统,这也类似于热力学的第二定律(系统不可能从单一热库吸收热量并全部转变为功,而不产生其它影响)。

所以,如果生物丧失生命力,就会在某种程度上衰变回到它们无序的组成部分,这也就是我们所说的死亡。生物是否可以永久保持高度有序的状态呢?答案当然是不能了,生命总会迎来死亡,回归无序状态。与无生命的东西相比,有生命的物质能够长时间的持续做一些事情,如移动、与周围环境进行信息交流等。一个有机体之所以能够长时间存活,正是由于它避免了快速衰变到丧失活力的无序状态。那活着的有机体是如何避免这种衰变的呢?有些人可能想到用“新陈代谢”这个词来回答,也就是分子A转化为分子B,然后再转化为分子C。但他们在使用这个词的时候,似乎并没有真正去思考生物究竟是用什么样的技巧来使自己远离无序状态,并在时间的流逝中保持这种高度有序的状态。

Q:听说你最近在做细胞图灵测试的研究工作,这和生命的定义有什么联系呢?可以介绍一下吗?

A:当然可以。图灵测试最开始是用于人工智能领域,即被测试者(机器或人)回答一系列由人类测试者提出的问题,如果人类测试者无法分辨回答的是人还是机器,那么该机器就具备人工智能了。而在给生命下定义的时候,我们可以照葫芦画瓢,想象一下,你正在玩手机,和朋友聊天或者发短信,你的朋友被一个电脑程序取代了,你是否能察觉出异常?如果你不能区分你朋友和代替你朋友的计算机程序,那么机器或程序就已经通过了测试,具备了潜在的生命。

因此,图灵测试可以是一种间接定义生命的方式。相反,如果测试失败了,不管失败的原因是什么,你总能察觉到程序与你朋友的不同,那么你必须回到开发界面,研发一个更好的程序或更好的机器。因此,对我而言,图灵测试给予了我灵感:能不能构建一个人造细胞,可以诱骗活细胞“认为”它正在与另一个天然活细胞对话,而不是将其视为“仿品”。

Q:让活细胞被人造细胞忽悠,真的是一个很有意思的想法。目前你在这个方向做了哪些工作?

A:我们是从简单的生物——细菌开始着手。在细菌中,高丝氨酸内酯(acyl-homoserine lactones)是其参与信号交流的重要分子。于是研究人员在人造细菌中设计出相同类型的信号分子途径,使其分泌高丝氨酸内酯,与那些天然存在的细菌进行交流。因此,我们的基本目标是利用类似的方法在人造细胞中重建同样的东西。

事实证明,科学总是比我们预期的更具挑战性。虽然我们能在人造细胞中合成并释放某种信号分子,但释放的信号分子却很难让其它天然的细胞产生响应。至于为什么无法响应,我也没有一个很好的答案。当前,我们在人造细胞中重建的最成功的系统是费氏弧菌(Vibrio fischeri,一种自然发光的海洋生物,当其密度达到一定程度时会自然发光)中的发光信号通路。我们对这个系统进行了一个简单的测试:首先将基因表达元件放入脂质囊泡中,以在某种程度上模仿细胞中的信号通路;之后将这种细菌培养到发光所需密度的一半,再加入我们的人造细胞,以弥补缺失的一半天然细胞,结果这些天然细胞都发光了。这是我们做过最令人满意的实验,因为至少在视觉上我们得到了期待的效果。

Q:也就是说,当这些细菌的密度足够高时,人造细胞可以充当细菌的替代品,“诱导”细菌将其视为同类,让它们认为已经达到了发光所需密度,因此天然的细菌就会发光。是否能谈谈人造细胞的更多信息,比如脂质囊泡里面包含了什么?

A:在这个囊泡里面,我们放入了我们构建的DNA片段,这些DNA可以编码信号通路中的各种分子;此外,还放入了转录和翻译所必需的元件,可以促使 DNA转录为RNA,再翻译成蛋白质,从而发挥作用。在细胞图灵测试的部分实验中,我们使用了来自大肠杆菌提取物中的转录和翻译元件进行基因表达。

Q:在细胞图灵测试实验中,可以看到细胞间信息交流的重要性,是否可以将其视为生命的一个重要特征?

A:我们所制造的人造细胞无法分裂和增殖,它所能做的基本上就是释放和接收“信息”,从而与周围细胞进行交流。这种信息交流能力虽然在生命的定义中并不经常出现,但我认为这是有机生命体中的一个重要特征。生命体往往不会单独出现,它们大多数都以群体形式存在,这类似于人类中的社区,在社区中,一个人就是一个生命体,这些生命体互相交流以维持社区的稳定。

因此,如果在另一个星球上发现了生命,我们不会只找到一个有机体或一个细胞,至少从生物学角度看不是这样的。

Q:你刚刚说人造细胞不能分裂和增殖,那它们是否能长时间运作呢?

A:很遗憾,我们所制造的细胞可以用“一次性”来形容,它们只能与天然细胞交流一次,无法进行更长时间的“对话”。这在很大程度上也反映了我之前所说的,生命是在时间流逝中持续存在的。人造细胞无法通过新陈代谢来长时间维持这种“社交”活动,这是令我非常沮丧的。如果人造细胞想更好地模仿生命体,那么就必须坚持更长的时间。

Q:这些人造细胞是否能与神经元进行“互动”呢?

A:这点我们在做细胞图灵测试的时候就考虑到了,并且我认为这是可能实现的。

当前,像帕金森病这样的神经退行性疾病,患者的多巴胺产量会随着年龄的增长而逐步减少。如果能够制造一种可感知多巴胺浓度的细胞,当机体内的多巴胺浓度过低时,这些人造细胞就会合成多巴胺,这似乎是一种不错的疗法,但要实现这一目标还有很多工作要做。

Q:如果人造细胞能够长时间存在,并做一些“智慧”的事情,比如感知癌细胞的存在,当细胞发生癌变时,这些人造细胞就会合成相应的抗癌药物去清除癌细胞,这是一种美好的愿景,对吗?

A:是的,我们也做过类似的实验。我们构建了一种可以合成并释放脑源性神经营养因子的人造细胞,顾名思义,这是一种神经营养因子,可以影响神经元从不成熟到成熟的分化。我们将不成熟的神经元与人造细胞一起培养,之后加入细菌分泌的信号分子。结果发现,这些人造细胞可以感知这种信号分子,并做出反应,合成和释放某些物质,在某种意义上引导神经干细胞的分化。这看起来很简单,但实际上,这花了四五年的时间才看到效果。

诚然,生命是自然界中最复杂的现象之一,也呈现出不同的特征,如生长与繁殖、遗传与进化、信息交流、新陈代谢以及死亡的必然性等,似乎没有一种单一的属性能够定义生命。要么赋予生命的属性过于宽泛,以致于许多非生命系统也具有这类特征;要么过于具体,以致于总能找到一些不满足这类具体特征的反例,从直觉上能判断这个反例是活的东西。

因此,对于生命的解读仍然是一个悬而未决的问题。

 

原文链接:https://www.quantamagazine.org/what-is-life-20220615/

 



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