分子机器与智慧设计——从2016年诺贝尔化学奖谈起

科学
2016年诺贝尔化学奖的几位获奖者,开发出了比人类头发丝直径还要小1,000倍的分子机器。他们的获奖在于成功地合成了各类分子机器,“是在以人工智能的方法模拟细胞中的精密零件配套”。分子机器中的精密协调指向智慧设计。
文/ 潘柏滔
控制分子活动的技术

 

3名科学家因为在分子学上的突破性研究,获得了2016年诺贝尔化学奖,他们在分子学领域的研究,为发展号称世界上最小的机器——超微型机器奠定了基础,被看成是开拓此一领域的先锋。他们所倡导或者发展的超微型机器,厚度不到人类头发一般厚度的千分之一,所以这类机器可以用在人体之内。例如将药物直接送到病患的病灶之处,比如将抗癌药物送入癌细胞,等等。这种纳米科技也可以应用在所谓的“智慧”材料上,诺贝尔奖委员会形容他们“掌握了如何控制分子活动的技术”。

分子机器与智慧设计——从2016年诺贝尔化学奖谈起
理查德·菲利普斯·费曼(Richard Phillips Feynman)

1965年诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼(Richard Feynman)在1984年曾预测科学家可以制造有可移动部件且非常微小的机器,他以细菌鞭毛为例,它有四十多个如开瓶塞钻形大分子的零件配套,当它们协调旋转时,就能使细菌前进,制造机器如此之小,需要一个电子显微镜来观察他们。

这3名科学家成功地建成不同的分子结构,有精密的协调,可媲美细胞中的分子机器。

这个纳米科技实在是“智慧”材料的应用。与如细菌鞭毛的生物界众多分子机器不可化约的复杂性(Irreducible Complexity)有关,这个理论声称,有些生化结构和功能十分复杂,一定要有正确的数目和精密的协调才能运作,用进化机制不能恰当地解释,用智能设计的原则来解释它们才更合理。

诺贝尔奖得主的划时代发现,乃是揭晓大自然的奥秘,和应用这些科技来造福世界。2016年化学奖得主,其实是在以人工智能的方法模拟细胞中的精密零件配套。

细胞中不但有精密的零件配套,细胞之间也有精密协调的细胞网络,这些彼此协调的合作过程是生命的基本功能。

 

细胞网络的精密协调

 

著名的《美国国家科学院期刊》(Proceedingsof the National Academy of Sciences,USA,PNAS,September13,2016,vol.113,no.37,p.10334-10339)最近报导细胞网络的精密协调性能,指出:“要了解细胞如何能感应环境的扰动,如化学传感,光和机械的刺激,一直都是有关我们生命系统的重要资讯。迄今为止,细胞蜂窝效应(按:细胞因其数量的多少来决定其集体运作,如细菌要达到某数量才引致对抗生素的抗衡)的大多数研究都集中在单个分离的细胞或细胞族群的平均值。从这些研究而来的新兴现象是一套关于细胞讯号通路的设计原则:这些途径被组织成彼此连结而常常是冗赘的网络结构,与细胞信息处理的强健性能息息相关。”

研究人员发现,细胞间沟通的机制,有助于解释生物系统如何运作与行动——从一颗跳动心脏的节奏,到一只鸟在飞行中的肌肉协调,或身体修复伤口时细胞族群的彼此合作。在这个过程中,一个名为ATP功能(ATP是生命活动能量的直接来源——编按)的信号分子,导致细胞钙水平上升和下降,趋使一个细胞起来完成它对化学刺激的反应——无论是被发送的神经启动讯号或其他身体功能。

关键是单个细胞对环境的感应过程可能会犯错误,但在一起工作的许多细胞的集体感知能力通常会引起正确的反应,这种集体的沟通是必不可少的生命过程。

细胞之间有“投票共识”的一种方式:“许多实例表明,许多细胞的相互作用集体感测,可为细胞如何处理环境改变提供另一方面的线索。例如为细菌蜂窝感应,昆虫和哺乳动物的嗅觉,胰岛素对葡萄糖浓度的反应,并眼球内视膜神经节细胞的视觉功能,提供了在众多感官细胞的上下文,使我们要重新检查环境信息在细胞族群中效应的处理,因为即使是细胞之间的微弱相互作用,也会大大影响细胞族群的网络动态。

“我们尝试检察分离的细胞和细胞族群如何面对不同环境时的反应,通过控制细胞间的通讯,我们企图在这两个极端之间作一些调整。我们研究身体纤维细胞的细胞群体如何响应化学刺激(ATP)和分子交换通信。结合实验和数学模拟,我们发现细胞的表现是刺激钙质浓度的振荡,这现象不仅是对ATP的响应,也是对细胞间通讯的增加的响应。我们的结果表明:当细胞在一起时,它们的感觉反应,不单响应外来的刺激,也在于细胞族群之间的合作水平。”

其中一位作者孙博士(Dr.Bo Sun)说:“细胞集体感应传播的过程一般是准确的,但有时效果做得更好但也会做错。即便如此,这个过程让生命成为可能。而当一切都恰到好处时,其结果可能是显著的。”

这种细胞合作功能是否可被解释为物竞天择的进化产品?作者看到团队精神来源于一个设计原则——在进化论雄踞的学坛也不忌讳作此声明,客观地带出真正的科学精神。其实,类似的言论也在其他包括人类基因计划科学的论坛中出现过,“这项研究提供了首次详细分析人类如何监管(基因)信息的组织,从中涌现一些明确的设计原则。”

分子机器与智慧设计——从2016年诺贝尔化学奖谈起
人体的精密细胞

 

智慧设计的科研前景

 

智设论者所言虽然与神学家和创造论者捍卫圣经的立场有吻合的地方,但智设论不是一种护教工具,它只是研究数据的一种新方法。智设论者研究的对象是模型和设计,不一定是设计者。设计者的身份是哲学和神学的课题,设计的存在和测量是科学的问题。所以,智设论者除基督徒外,还包括其他宗教信徒和无神论者。智设论也不是年轻地球创造论,智设论不反对微进化,因为微进化声言生物藉天演而异化(如世上三大人种同出一源,已有大量科学证据证明)。因此,若学界没有先入为主的进化论立场的话,智设论也可以作为科研的一个有用的哲学先设。

其实,在新发展的合成生物学(SyntheticBiology,设计不存在于自然界的新生物系统)中,智设论已经大派用场,如大量制药、能源、除污、以人造细菌治癌症,甚至制做生物武器,等等。

智设论的争议在于智设者是谁?学坛已普遍接受智设论在某些来源科学的应用,如法医学(Forensic Science)、考古学(Archeology)和搜寻外星文明计划(SETI:Search for Extraterrestrial Intelligence),若科学界能以比较客观的精神治学,不用任何前设意念来分析数据,而让客观事实来引导科研的结论,是否能促进更多如制做分子机器的划时代科技发展?

 


本文成文参考以下资料:

https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2016/popular-chemistryprize2016.pdf

http://www.pnas.org/content/113/37/10334.abstract

http://www.nature.com/nature/journal/v489/n7414/full/nature11245.html

http://www.evolutionnews.org/2016/09/design_paper_hi103156.html

http://www.academia.edu/6554409/Intelligent_Design_synthetic_biology_and_creationism

“智慧设计论的当代争论”,关启文等编,天道出版社,香港,2014年7月初版,9月第二次印刷

http://blog.sina.com.cn/s/blog_6a5826b6010181u6.html

 

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