人类有可能「制造」出一个生命吗？

afrokido

1：以现代及未来可能的生物工程水平，可以像“组装”一样定向改造一个生物，它能够通过光合作用等等达到自养，还能做发动机，人们可以根据需要控制它的行为，可能吗？ 2：用上C、H、O、N等等元素，可以凭空制造出一个细胞具有一定的分裂分化能力，并且能成为对人类有一定的“用途”的生物吗？比如做挖掘机、拖拉机......
作者：一点资讯

雨云儿

上面已经有答案提到了伟大的Venter，不过我还是想深入的扯两句（学术界八卦）。

楼主这个想法很好，不过有人比你想得更多，那就是曾经单枪匹马挑战人类基因组计划还成功了的，一个人顶一个科学家加强师的大科学狂人 J. Craig Venter  




Venter 早在四年多以前就已经造出来了人造生命，而且不是简单的病毒，是有完整细胞结构、能够独立存活繁殖的支原体细胞。

这是那篇惊世骇俗的论文
Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome

这是那个人造细胞的样子
http://www.sciencemag.org/content/329/5987/52/F5.expansion.html

虽然严格来说只有基因组是人工的，其他的部分都属于借尸还魂，但是丝毫也不影响其划时代意义。（另外Venter研究组在更早的时候就已经用酵母细胞合成了支原体的全基因组，并成功转化无核的支原体细胞，那个时候已经可以算是第一个人工生命了，后来的化学合成，其实也只是Venter一系列研究中的一小步。）

回到题主的那两个问题，第一个显然是在可以预见的未来会有不小的进展，这也是Venter研究组的重要目标，第二个恐怕就比较困难了，如果把一个人类细胞拆分成分子级别，其信息量会比一个基因组大不知多少个数量级，不仅涉及到了人类对基因组的解读能力，还涉及：
1. 有机合成能力：需要有机合成细胞中必须的所有种类的小分子和蛋白质，相关专业的同学感受一下这个难度；
2. 对小分子世界的理解能力：学纳米的同学知道，在不同尺度下，同一个物质的理化性质有很大差异，而合成一个细胞，则是从分子水平到纳米水平再到显微水平各个层面的整合，需要的不仅仅是生物学知识；
3. 3D打印能力：需要把原料分子按需要的顺序组装成完整细胞；
综上所述，我认为人工合成细胞并对其进行有用改造是未来一个非常热门的研究方向，而且目前已经取得了非常惊人的进展，但从分子水平直接合成细胞，则是现有技术条件下短期甚至中期内都不太可能完成的任务。


——————分割线——开始八卦——不负责任的言论部分开始——————————————



话说Venter 这人，天生脑后反骨，自从一只脚踏入学术界以来，围绕他的争议就没消停过。

他做的第一件大事就是单枪匹马测了个人类基因组（这么说也不严格，其实是他带领了一家叫Celera Genomics 的公司），关键是还赶在了整个人类基因组计划（HGP）的前面，让世界各国的基因组学家颜面扫地。。。

据说本来Venter 也加入了HGP，彼时按各个克隆来分段测序是主流（即文库法），Venter觉得这样太墨迹，不如整个基因组打碎，测出各个小片段，然后整个拼起来，即所谓的鸟枪法（Shotgun sequencing），可是大家都觉得他这个想法不靠谱，Venter就离开了，然后自己拉了个草台班子单干，没想到直接把之前的大组织干趴下了。。。

这个什么仇什么怨啊，到了什么程度呢，据说当时Venter的论文发在了Science上，搞得那堆基因组学家一段时间集体抵制Science杂志社 o(╯□╰)o

因为主流学术界话语权不在Venter先生手里，所以即使他先测出了人类基因组，社会上提起来人类基因组测序的完成一般只知道第二名的HGP（其实两者发表论文时间几乎是同时，但其中有官方协调的因素，毕竟HGP是有关部门和单位的脸面，打脸不能太响 o(╯□╰)o），Venter的功勋被极大程度的打压了，借用wiki上的评价——他的竞争加速了人类基因组计划的完成。。。呵呵。。。。呵呵。。。明明Venter先完成的好吧，居然第一名的主要贡献是鞭策了第二名取得了亚军这样优秀的成绩，无力吐槽。。。

Venter老爷子虽然自此被视为洪水猛兽，但是随着第二代测序的发展，鸟枪法已经成了主流，老爷子想着名是捞不到了，那劳点实惠也好，于是就拿着自己测的序列去申请专利，结果又搞得整个业界鸡飞狗跳，最终在一系列的斗争后，Venter为基因申请专利的计划最终失败，然后之前顶他的Celera Genomics 董事会就把他炒鱿鱼咯，唉，董事们毕竟是商人 o(╯□╰)o

Venter老爷子当然不可能就此消停，毕竟屠龙刀在手，想攀附的人和资本当然也不会少，老爷子一看，哟，不错，干脆自己建个研究所，还直接用了自己的大名，就叫 J. Craig Venter 研究所，简直吊爆了。

老爷子的立足问题解决了，就开始再次思考人生、思考生命的本源、人类的前途。
最后老爷子决定开展两项工作：
1. 自己设计一个基因组，人工合成一个细胞；
2. 开个考察船太平洋大西洋乱逛悠，舀瓢水测测序，看看有没有什么奇奇怪怪的DNA，顺便发发Nature和Science什么的；

看起来是不是一点关联都没有？
老爷子可不这么想，老爷子是想解决两个问题，生命的本源，人类的未来。生命的本源就不用说了，人工合成生命的另一个意义是，可控的生物反应器，Venter希望能够制作一个可以成规模控制，进行各类生化反应的人工细胞群，而从自然界中寻找各类序列的原始灵感，更是能够让这样的生物反应器完成指定功能，最终如楼主所说的，解决人类的能源问题。


当然目前的人工生命依然停留在原核生物的阶段，离V神的期望还有很远，鉴于保守的美国政府又一次第一时间对V神的合成细胞表示了关切，毕竟之前跟这些政客啥的打交道教训不少，估计V神也不敢轻举妄动了，最近也没搞出什么大新闻，未来如何，V神的前方是星辰大海~


Venter研究所的主页和简介
JCVI: About / Overview

老爷子最近的研究成果
JCVI: Publications / Listing

不想看英文的同学看这里，找了篇老爷子的中文专访
克雷格文特尔：没有商业价值的科学有何用

culittlewhite

当大多数人把目光聚焦在合成生物学上的时候，我认为其实人类在制造生命这条道路上早已走了不止一步。什么是生命？生命其实就是可以自我复制、有应激性且能够进行新陈代谢的机器。
应激性的本质是对外界刺激的反应，新陈代谢的本质是和外界的物质能量进行交换。这两个特点现有的人造机器已经拥有，我们重点来看自我复制。


计算机之父冯诺依曼是第一批提出自我复制机器概念的科学家之一。根据冯诺依曼的设想，一台能够自我复制的机器至少需要以下几个部件：1. 一个储存器，储存关于这台机器的所有资料，包括每一个零件的成分、规格、装配的顺序等信息；2. 一个制造流水线，从原材料开始制造每一个零件；3. 一个装配流水线，将所有零件正确地装配成一个完整的机器。有了这几个部件，再把储存器里的数据全部复制到新的机器中后，我们就完成了一次机器的自我复制。即便是运用现代技术，按照冯诺依曼的设想，一台自我复制的机器依然复杂得可怕，以至于至今没有人能够做出来。
这半个多世纪以来，计算机，自动化以及材料工程等领域的飞速发展并没有将冯诺依曼的朴素设想抛在脑后。世界上同时在研究自我复制系统的公司和研究机构恐怕不下百家。这是2005年英国科学家Adrian Bowyer的作品，只包括了储存器和制造流水线。图中左边是第一代，右边是第二代。虽然还不会自我组装，但是能够缩小到这个体积，应该凝结了不少材料、工程、自动化的结晶吧。我对这一领域不太熟，有兴趣的同学可以去翻翻他的工作。


而我们需要解决的问题可能不仅仅如此。首先，原材料和能源哪里来？如果不能解决这两个问题，我们制造的生命永远只能活在“培养基”上。这样的话，我们就需要引进一套太阳能供电系统以及采矿+熔炼系统。如果使用化石燃料的话，就需要把太阳能供电系统换成一个钻井+内燃机。其次，我们如何保证每次复制不发生错误，尤其是会被继承下去的错误？这就需要引进一套纠错机制，比如让和原型机不完全一样的机器把自己的储存器摧毁掉。类似的细节考虑可能是层出不穷。
也许有人问，这样的机器做出来有什么用。我想至少NASA有话要说。如果人类能制造一个自我复制的机器人并能够完全控制它，那殖民火星就不是梦了。
==================When engineering becomes biology==========================
看一眼上面的机器，再透过显微镜看一下这个。

每一个细胞都是一台自我复制的机器。细胞通过细胞膜上的各种通道吸收原材料，如果有叶绿体，还可以自己制造一部分原材料，并把多余的送出细胞外。细胞核里承载了遗传信息，指导细胞的复制和分化。内质网和高尔基体等内膜系统以及细胞骨架和各种酶类承担制造、组装和纠错的工作。不仅如此，一些细胞，如阿米巴，还拥有了捕食的能力。
而自然界里最小的自我复制机器就是支原体（Mycoplasma）了。看到这里的同学是不是突然想起Venter大叔？我在如果只把有用的基因拼接起来，会变成什么样？ - 徐志超的回答的回答里提到了他部分相关工作。如果进一步简化，比如去掉制造流水线，会怎么样？

一个RNA分子。它的特殊性在于他不仅是一个核酸分子，还可以作为一个核酶（ribozyme）拥有连接RNA分子的能力。如图所示，T可以同时结合A和B，催化A和B的连接，从而得到第二个T。
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我们可以看到，在制造生命的这条道路上，有两拨人。一拨人是借用大自然的馈赠，从最简单的细胞和生物大分子出发的合成生物学家。另一拨人是从头开始，抛开碳基有机物的束缚的工程师。个人认为虽然前者的起点高且相对进展快，后者的前景似乎更为光明呢。拿大自然的杰作来打engineer的脸并不是我的本意。如果每个人看到这里都觉得我们的计算机，自动化以及材料工程等学科的努力是小儿科，萌生“必定存在一个上帝，让我们信XX”的念头的话，人类是没有未来的。乐观一点，计算机诞生才60年，而地球孕育第一个生命用了10亿年。

heal5256

有些人对排名第一的@徐志超的答案有异议。我是来支持他一下的。

整个答案最燃的一句当然是：地球制造出生命花费了十亿年，第一台计算机诞生不过七十年。人的创造比自然演化更有效率。

（有人提到的自我意识之类，那是高级生物才可能具有的，是人工智能的研究方向。而且基于二进制的计算机并不意味着非黑即白，早在计算机诞生之前的一九四三年神经网络的数学模型就已经建立了。一九七四年就实现了基于六十年代模糊数学成果的模糊控制器。当然最近这些年人工智能的研究没有很多进展。计算机使用二进制只是为了物理实现和逻辑的方便。最重要的是算法。在不同的物理基础上，跟计算机底层联系紧密的语言肯定跟现在我们看到的不一样。但哪怕将来量子计算机实现了，高级语言和现在不会有本质变化，高级语言本来就是为了贴近自然语言嘛。）

以下内容纯属开脑洞扯淡。

实际上谈论这个问题首先应该做的是定义何谓“生物”。很多人都知道硅基生物和碳基生物这些概念，其实默认了生物形态并非只有我们熟悉的这种。目前人类对于生物确切的形成过程没有十足的了解，如果不相信是某个造物主的成果，那从热力学角度可以说生物是一个特殊的自组织系统，生物学上的代谢在物理中就是这个系统与环境的物质能量交换，以降低系统的熵。这个过程可以参考薛定谔的《生命是什么》，自组织这个概念的提出者普利高津也受到了薛定谔启发。

生物要死，物理上的就是由于内部结构演变，无法再维持足够的物质能量交换来降低系统的熵。用人话讲，就是不吃会死。

为什么讲生命是很特殊的自组织系统呢。因为它会自我复制啊。自组织系统广泛存在于宇宙中，耗散结构的特征是，开放系统，保持远离平衡态，非线性相互作用，这些在物理学里有很多例子，乃至人类社会也可以被归入此类，生物体的新陈代谢并不是它的本质特征。要定义本质，当然要找它独有的特征。

最特殊的是病毒了，它就是一段遗传物质。以前很多生物学家不认为它属于生物，因为它不能代谢也无法仅仅依靠自身进行复制。现在基本公认它是最简单的生命体。依据就是它能实现复制。

试想我们建造了这样一座工厂：他能够不依靠人类介入和环境进行的能量和物质的交换，进行自我维护，而制造出各种机器和部件，依靠这些新的机器和部件重建出一个新的工厂出来。我们能不能认为它是一个生物？还不能。得有一个条件，它造出来的这个工厂要有能力继续这个过程。我们不需要它完全复刻自身，允许出错，错得离谱的扑街，错得漂亮的就在进化树上爬了一步。这个工厂能不能被称作生物？

我觉得是可以的。它满足目前我们对生物的本质定义。如果它听起来像傻逼，看起来像傻逼，吃起来也像傻逼，那么它就是傻逼。当然让单个机器人实现自我复制实在难度有点高，所以只能折中一下做一个巨型工厂了。

不幸的是我们现在暂时难以想象这样一个工厂的中央控制器不具有人一般的智能就能实现自我复制的过程。也就是说按照这种思路很有可能一开始创造出来的这个工厂就是一个智能生物。

当然你可以说这个工厂这么丑，哪能叫生物。何况它顶多算个植物嘛，又不能动。

有智能的植物，你很有想法。

如果有一天人们把这个工厂做成了细胞大小，再用个半透膜把它包起来，装上动力系统，让它可以跟草履虫一样游动。你说这叫什么？

生物非得是碳基硅基咩？我们做的这个生物里面什么鬼都有。


我们现在熟悉的生物不依靠人工智能是怎么完成复制的呢？遗传物质的表达。

如果有人类介入了工厂的复制，我们完全可以自如地指挥生产，那么一切都变得简单了。把人和现有的工厂视作整体，人类其实就是一段遗传物质。

细思恐极。

在星际航行寻找新的宜居星球的人们不过是一段寻找新宿主的可怜病毒。

造出新的生物，那叫梦想。
病毒如果没有梦想，那和石头有什么区别？

pybbs

关注Synthorx。目前这家公司致力于使用非天然核苷酸和新的密码子系统来拓展中心法则。有兴趣可以访问公司网页：Synthorx | Technology

公司的设想基于 F. E. Romesberg 组的研究（Romesberg本身是公司创始人）。可参考 Nature. 2014 May 15;509(7500):385-8.