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合成生物学将改变战争

2022年07月07日

专家评论:合成生物学技术作为现代生物技术发展的前沿与热点, 引起了社会各界人士的广泛关注,拥有巨大的应用价值。本文介绍了合成生物学的基本概念以及在医学、生命建筑、主动驾驶汽车等领域的应用前景。同时,根据美国海军分析与评估,其作为最具颠覆性的一项技术,将为海军装备带来全新的功能,对未来战场产生巨大的影响。

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合成生物学(synthetic biology)的出现是一个决定性的时刻,它可在生命的蛋白质水平上进行直接设计和控制。它与可编程物质以及机器人蜂群集成后,具有几乎无法想象的潜在颠覆性。可以想象一些经典科幻电影中的半机器人(cyborgs)(译注:机电控制的半人、半机器的生物。根据2018年全国科学技术名词审定委员会审定发布的生物物理学名词,cyborgs一词的中文是“控制论机体”,定义:由生物部分和人工部分(如电子器件或机械装置等)组成的整体。通常是指依靠技术装置增强了某种正常功能的生物体。英文同义词有:cybernetic organism):《终结者》(Terminator)中的液态金属人T-1000,《星际迷航》(Star Trek)中的虚拟生化人“达塔”(Data),《银翼杀手》(Blade Runner)中的复制人,或《外星人》(Aliens)中的机器人。虽然这些“控制论机体”(cybernetic organism)有朝一日可能会成为现实,但未来10年内的大多数发明都不会是这些类人控制论机体。相反,可编程生命物质(Programmable Living Matter,PLM)就像较大实体中的小尺度(甚至微、纳米级)组件。

考虑牙齿的情况。通过一个被称为“生物矿化”(biomineralization)的过程(译注:是指由生物体通过生物大分子的调控生成无机矿物的过程。与一般矿化最大不同在于有生物大分子生物体代谢、细胞、有机基质的参与),DNA受控的细胞产生蛋白质,生成矿物质和盐积淀的组织结构。这一过程基于细胞的自主组织在牙齿上产生不同形状和大小的硬牙釉质。牙细胞在此后的全寿命期中保护和维持牙釉质。通过控制3个主要的系统部件,PLM将镜像映射这一过程,这3个系统部件是:细胞、它们的组织和它们的DNA编程。这些部件不仅能用不同的方式来创造新的生命材料,还可以用来创造能源系统、通信系统、处理器、传感器和其他任何生命细胞可以创造的东西。

物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)曾将这一纳米/微米机器人领域描述为“底层的大量空间”。但到今日,随着纳米机器人和生物领域科学技术的显著进步,人类最终实现了他的想法并超越了他们。例如,美国国防先进研究计划局(DARPA)2006年将可编程物质(programmable matter)定义为“一种智能的或可编程的材料,它包含驱动和传感机制,在软件控制下,或对外界刺激作出反应后,它可‘改变形态’,使自己成为所期望的有用形状。”DARPA过去一直在研究“信息化学”(InfoChemistry),即直接将信息制成材料,但现在其概念已经从仅仅创建形状发展到创造效果。例如,DARPA的工程活体材料(Engineered Living Materials,ELM)项目寻求创造出能够建造和维护建筑的活体材料。

ELM和信息化学大多局限于将无机材料注入生物生命体的技术,如仿生叶子或自愈混凝土,为这些材料增加了对外界刺激的反应能力。如图1所示的仿生叶子,用一种生物催化剂将水分解为氢和氧,然后用细菌和氢生成大量的其它材料。自愈合水泥则采用了稍有不同的方法——在混凝土中注入长效细菌和营养胶囊。当水泥开裂后,胶囊破裂,加入水后,细菌会产生一种固定水泥的硬质填料。在过去几年中已经看到了这一领域的飞速进步,包括通过混合活性非休眠细菌和矿物质来形成自愈合粘合剂的水泥。可以通过添加一些沙和营养成分来修复这种类型的水泥。类似于牙齿的例子,遍布材料的活体细菌将生长和矿化。添加过多将超出维修范围而发生扩张。

经过40年的研究,已经出现了用于DNA靶向药物治疗和纳米机器人生产的纳米机器。新的控制方法快速进步,在未来10年内将可能取得重大技术突破。工程师和研究者们已经开发了人造的基于DNA的光控马达、基于DNA的电场控制的机械臂、以及由电磁信号控制的与DNA连接在一起的金属纳米颗粒。所有这些控制方法都已在实验室的理想条件下、及在给定时间和资源条件下实现,通过这项研究,将产生复杂的微尺度效应可编程动态控制能力。


控制单个细胞或一些细菌与控制大块肌肉中的数十亿个细胞不同。因此,要完全实现PLM,最后一步就是要组织大量的这种材料。在这方面,流体力学、细胞和纳米微粒方面的最新进展也大有希望。算法和物理技术的结合将驱动“蜂群”来完成这些任务。例如,麻省理工的自组装实验室(Self-Assembly Laboratory)已经用“蜂群”创造出一些惊人的成果,如:复制了园和一个自组装的椅子(译注:“自组装”是指基本结构单元(分子、纳米材料、微米或更大尺度的物质)自发形成有序结构(稳定、具有一定规则几何外观的结构)的一种技术)。迄今为止,大多数研究都集中在指挥“蜂群”朝向或远离环境中信息素的算法上。但许多化学信号或其它信号也能做同样的事,甚至能控制“蜂群”中的个体。因此,经过调整的算法最终将成为伪蜂群思维所需的群体控制算法。

军事应用

不难预测PLM的应用将在未来10年内取得突破。例如,与根系或苔藓系统相连的生命建筑(living building)能够抵御灾难性天气(译注:生命建筑是指含有智能材料、能自主对外界刺激做出反应并自我康复的一种仿生建筑);自愈道路能够用附近的材料修复自己;量子光学网能够自生长;主动驾驶汽车能够靠信息素进行导航等等。经济将经历一场“一切都是服务”的行业革命。

在对人类产生巨大影响的同时,这项技术也将对军事产生最具颠覆性的影响。例如,作为军事目标的PLM跑道、桥梁、或建筑物将如何修复自己?当用PLM创建静态海底通信和供电电缆时,海军的计划会受到什么影响?当PLM能用于治愈士兵的战伤时,会发生什么?当任何军队能够从水和细菌中生成油时,后勤供应链将会怎样改变?当任何感染了PLM的树或其它植物能够感知并跟踪运动时,海豹突击队(SEAL)队员如何自我保护?也许最可怕的是:敌人在人类身上使用PLM来控制和增强其能力,如果这样将会发生什么?

这些问题的答案能从根本上改变战争的性质,正如赛博战和太空战所做的那样。增材制造的能力将会被PLM所达到和超过,PLM可为许多系统和材料提供真正分布式、零长度的供应链。

由于PLM,美国军方将需要从小处着手,以实施有效的新战略。第1阶段可以是为建筑物、跑道、桥梁和大坝——任何需要水泥的构筑物替换通用建筑材料,接下来是替换各种管道、管线、光纤、照明、电线和天线等任何静止但可灵活改变的基础设施。这些设施在作战中经常损伤或被摧毁,用PLM替换掉它们将缩短或消除供应链。

下一阶段将出现功能飞跃,PLM系统将能替换计算、通信、存储器和其它硅基设备。形状变换的输入/输出设备可能很难进行逆向工程;被编程的DNA可以被用作嵌入式防火墙软/硬件系统,以挫败潜在的黑客。后续进展可能带来全新的功能——由PLM制成完整平台,也许有一天可由PLM构成新的物理世界。 

PLM最终可能会用在与载人舰船执行相同任务的自主或可选载人平台上,只是PLM舰船不会携载固定尺度和形状的有效载荷,而是在需要时生成有效载荷。任何化学反应都可用舰船上正确的基础化学物质来重现。对于敌方的PLM平台而言,动能命中可能并非最佳策略。相反,这类舰船可能会制造聚焦于PLM的生物装备,这种装备能分辨合成生物学和非合成生物学之间的不同,这是一项艰难但并非不可能的任务。

要实现这些成果,需要维持在研发方面的增长。美国国防部已经创立了投资达4 500万美元的三军研究项目,但还必须做得更多。海军应该扩大与学术界和工商界的伙伴队伍,特别是从事许多这方面研究的医学队伍。可编程生命物质正在到来,这是一场美国不想输掉的竞赛。

(来源:数字海洋与水下攻防 ,作者Whitehead 编译)

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