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【转贴】纳米机械的过去和未来【已搜无重复】
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纳米机械的过去和未来 George M. Whitesides （柯南译自《科学美国人》 ） 在纳米技术所允诺的成果中，微型机械总是非常引人注目。 它们的吸引力是直截了当的。大的机械——飞机、潜艇、焊接机 器人、烤面包机——毫无疑问是非常常用的。如果有人带着设计 这些机械的理念去设计尺寸非常小的装置，又有谁知道它们能干 什么呢？想象一下两种微型机械——一种和已有的机械类似，另 一种则是全新的——它们已经得到了广泛的关注。前者是一个纳 米尺度的潜艇，尺度仅有数十亿分之一米——这大约是数十个或 者数百个原子的长度，这种机器尽管存在着争议，然而可以应用 在医学方面，它可以在血液中穿行，寻找患病的细胞然后杀死它 们。 第二种机械——所谓的装配工——是一个更加激进的主意， 它是由未来学家K. Reic Drexler提出的。这种机器没有与宏观 物体的相似性（这是考虑其最终实用性的非常重要的一个事实）。 它将是一种新型的机械——一种万用制造者。它可以制造任何结 构，包括它自身，通过原子尺度的“抓取和放置”：一套纳米尺 度的钳子将会从环境中抓取单个原子，然后把它放在适当的位置。 Drexler的设想预示着社会将因为微型机械而永远改变，这些机 械可以在几个小时内制造一台电视机或者一台电脑，而根本不花 一分钱。然而它也有危险的一面。装配工自我复制的潜力导致了 所谓的“灰色粘质”产生的可能性：无数的自我复制纳米装配工 制造了无数它们自身的复制品，这个过程毁灭了地球。 纳米尺度机械的主意有道理吗？它们能被制造出来吗？如果 可以，较之较大尺度的“表兄弟”，它们能够被有效的缩小吗？ 或者它们是否通过不同的法则运转？事实上，它们是否会毁灭地 球？ 在我们回答这些令人感兴趣的问题的时候，我们还要问一个 更普通的问题：什么是机械？在许多的定义中，我认为机械是一 个“执行任务的装置”。更进一步，一个机械有一个设计；它是 由以下的过程所创立的：它使用动力；它依靠自身被制造出来时 所包含的信息而运作；尽管机械通常被认为是人类设计和意图的 产物，为什么一个具有一种功能的复杂的分子系统不可以被称作 一个机械，即便它是进化，而不是设计的产物？ 撇开目的论的观点，如果接受这个更广泛的定义，纳米尺度 的机械已经存在，以功能分子组件的形式存在于活的细胞当中— —诸如蛋白质或者RNA分子（它们也是分子的集合）和细胞器 （小的“器官”）——具有巨大的多样性和复杂程度。这个关于 纳米尺度机械是否存在的问题，在若干年前生物学家已经做出的 肯定的回答。现在问题是：未来纳米机械最有趣的设计是什么？ 它们会带来风险吗？ 细胞有一些与人类尺度机械相类似的分子机械：细菌细胞膜 上的旋转马达转动着它的轴，从外表看来它类似于一个电动机。 另外一些（分子机械）勉强类似于我们所熟知的机械：一个RNA 和蛋白质的组合——核糖体——如同工厂流水线一般制造蛋白质。 一些分子机械与宏观的机械没有明显的相似性：一种蛋白质—— 拓扑异构酶——可以解旋缠绕在一起的双股DNA。这些细胞器在 细胞中的制造过程——一种高效的大分子合成，包含分子的自我 装配——可以作为经济和组织的模型，它完全不像装配工所暗示 的那种毫无理性的方式。  鞭状尾部：它存在于很多细菌中，由纳米马达驱动。 至于毁灭地球：就某种意义来说，生物细胞的集合已经破坏 了地球。在生命出现之前，地球与今天的样子完全不同。它的表 面覆盖着无机矿石；它的大气富含二氧化碳。生命迅速而彻底的 改变了这个星球：它用微生物污染了原始的地表，植物和有机物 就来源于它们。它从大气中驱除了二氧化碳，注入了大量的氧气。 这是一个全面而彻底的变化。细胞——分子纳米机械自我复制的 集合——彻底改变了我们的行星的表面和大气。我们通常不认为 这种转变“毁坏了星球”，因为我们就是在这个环境中发展起来 的，但是一个外部的观察者可能有不同的看法。 因此问题的关键不在于纳米尺度的机器能否存在——它们已 经存在了——或者它们是否重要——我们通常把自己作为它们十 分重要的一个范例——问题的关键在于我们可以从哪里获得设计 的新思想。我们应该考虑通用汽车的装配线或者一个大肠杆菌细 胞的内部吗？让我们从比较生物纳米机械——特别是终极自我复 制生物系统，亦即细胞——和纳米尺度的机械模型，这些机械是 由我们身边大的机械缩小而成的。生物策略如何工作，它与基于 制造宏观机械的纳米尺度版本的策略，或者装配工所暗示的新策 略，相比较又如何？ 分子复制机 细胞具有自我复制结构。它从环境中获得分子，一些分子作 为它能量的来源，另外一些分子被再加工成了用来制造、修理、 移动和自我防御的零件。DNA储存着装配和操作所必需的信息， 一代一代的传下去。一种RNA（信使RNA，mRNA）充当了信息 的临时脚本，“告诉”核糖体制造哪种蛋白质。膜为工作部分提 供了隔间，包含控制分子进出细胞流量的入口，控制着感知细胞 环境的分子。蛋白质（通常与其它分子共同作用）构成了细胞内 的一切，并在必要的时候移动它的部件。 细胞所采取的制造它自身零件的策略——从而复制和修复它 自身——是基于两个思想。第一个是，使用单一的、概念化的直 接化学过程——聚合——去制造大的、直线型的分子。第二个是 制造自身本能的折叠成为具有功能的三维结构的分子。这两部分 策略不需要一个困难和复杂的三维“抓取和放置”装配过程：它 仅仅把珠子（例如氨基酸）串成项链（多肽），并且使项链自我 装配成一台机器（蛋白质）。这样，最终的功能三维结构的信息 变成了珠子顺序的编码。细胞中最重要的三类分子——DNA、RNA 和蛋白质——全都是基于此策略而制造出来的；蛋白质随后制造 出细胞中的其他分子。在许多实际情况下，蛋白质自然的和其他 分子——蛋白质、核酸、小分子——联合起来形成更大的功能结 构。作为一个制造复杂的三维结构的策略，这种在不同分子自我 装配水平上的直线合成方式具有无与伦比的效率。 细胞在本质上是催化剂（促使化学反应发生的分子，但是它 本身不会被消耗）和其他功能种类——感受器，结构元素、泵和 马达的集合。细胞中的绝大多数纳米机械根本上是分子催化剂。 这些催化剂执行细胞的大多数工作。它们制造脂类（例如脂肪）， 脂类依次自我聚集成围绕细胞的薄层；它们制造自我复制所必需 的分子组件；它们产生细胞所需的能量，并控制它的能量消耗。 它们建立档案和工作信息纪录；它们通过适当的操作参数修复内 环境。 在这些细胞“雇用”的不可思议的分子机械中，存在四座宝 藏。核糖体（由核糖体RNA，即rRNA构成）是一个关键：它处在 信息和操作的结合点——在核酸和蛋白质之间。它是一个格外复 杂的机械，它从mRNA得到信息用以制造蛋白质。 叶绿体存在于植物细胞和藻类中，它拥有复杂的结构，内含 作为光学天线的分子阵列，它收集来自阳光的光子，把它们转化 成为可以储存在细胞内部供许多操作使用的化学“燃料”。顺便 说一句，叶绿体也从水中分解出氧气，从而在生命刚刚出现的时 候“污染”了大气：我们赖以生存的原料竟然来自于细胞光合作 用产生的废料！ 线粒体是发电厂：它进行受控的有机分子燃烧，这些分子存 在于细胞内——通常是葡萄糖——并且为系统产生能量。与（发 电机）驱动导线中的电子从而使电动机运转不同的是，它产生 ATP分子，ATP分子通过扩散作用运动到细胞的各个部分。ATP是 很多生化反应基本的能量提供者。 细菌的鞭毛马达是一个专用的，但是特别有趣的纳米机械， 因为它看起来很像一个人类尺度的马达。鞭毛马达是一个高度结 构化的蛋白质集合，被固定在许多细菌的细胞膜上。它能提供旋 转运动，转动鞭毛——长鞭状的结构，作为细胞的螺旋桨推进器 使它们在水中前进。它有轴，就像一台电动机。环绕轴的结构如 同电动机的电枢。鞭毛和电动机的类似之处在很大程度上是虚假 的。鞭毛马达不通过电流产生磁场而运动，而是使用ATP的分解 导致分子形状的变化（它们包含了精巧的分子棘轮结构），从而 驱动蛋白质轴转动。  纳米马达和电动机在表面看来十分相似 仿照人类尺度机械的纳米机械 我们能够通过制造我们所发明的大机械的微型“表兄弟”， 而达到细胞纳米机械那样一流的效率吗？微加工已经成为了一项 相当成功的技术，它用以制造微型电子器件——晶体管和芯片其 他的组成部分。将这些技术应用于具有可移动部分的简单机械— —机械振荡器和可移动反射镜阵列——在技术上是成功的。所谓 的微机电系统（microelectromechanical system,MEMS）的发展 非常迅速。但是这些机械的功能还相当简单，它们是微小机械， 不是纳米级的机械。第一个真正的纳米尺度MEMS（NEMS，纳米 机电系统）仅仅在过去几年中才出现，并且只是实验性质的。 很多有趣的难题困扰着带有活动部分的纳米器件的装配。一 个至关重要的问题是摩擦和粘性（在谈论微型器件的时候我们使 用“粘着"这个缩写词 ）因为微型器件表面积比率更大。表面效 应——好的和坏的——变得比宏观器件更加重要。如果值得做， 这样的问题最终会被解决，但是现在它带给人们的是困难的技术 挑战。毫无疑问，我们将会发展出更复杂的纳米机械以及类似人 类尺度机械的纳米机械模型，但是在我们制造出适合任何实际用 途的纳米器件之前，还有很长的一段路要走。也没有任何理由认 为纳米机械一定要和人类尺度机械相似。 这些系统能不能自我复制？目前，我们还不知道如何制造可 以自我复制的机器，无论是任何尺度或者任何类型。根据最近的 生物研究，我们知道了关于一个活的细胞最低水平的复杂程度， 这个细胞可以维持自我复制：一个有300个基因的系统足以进行 自我扶植。我们还不清楚如何把这一数字转化成为我们熟悉的那 种机械，也不清楚如何设计一个自我维持的自我复制机械。我们 仅仅向自我复制的纳米机械迈出了第一步。（参见Go Forth and Replicate，作者Moshe Sipper 和 James A. Reggia，科学美国 人8月号）  核糖体（上图）按照RNA（紫色的）的信息制造蛋白质（金色的）。 这类似于装配线上的焊接机器人（下图）。 另一个问题更加棘手。哪里可以找到供纳米机械使用的动力？ 没有纳米尺度的电源插座。细胞使用特定的化合物进行化学反应 提供动力；纳米尺度机械相应的策略尚待发展。能够自我复制的 纳米机械如何贮存和使用信息？生物的策略是基于DNA的，它运 行的很好，然而如果想使用一个不同的策略，我们就不清楚如何 入手了。 有“抓取和放置”钳子的装配工消除了装配纳米机械的困难， 也通过忽略消除了自我复制的困难：假设有一台机器能够消除令 人烦恼的装配方面的问题，它能够通过一个一个的放置原子从而 合成物质和建造任何结构。然而，在化学家来看，装配工似乎是 行不通的。让我们考虑两个约束条件。 第一个是钳子，或者叫做装配工的爪子。如果它们能够灵巧 的抓取原子，那么它们就要比原子还小。但是爪子只能是用原子 构成的，而且要比它们“抓取和放置”的原子还要大。（想象一 下用你的手指制造一块精致的手表，而不借助任何工具）。第二 个是原子的本性。原子，特别是碳原子，与相邻的碳原子紧密的 结合。当从某处拿走一个原子的时候需要能量（能量提供的问 题），而把它安放的时候又会放出能量（冷却问题）更重要的是， 一个碳原子几乎能与任何东西结合。很难想象什么样的装配工的 钳子从原料中取出原子的时候不会被粘住。（相像一下用从另一 只手表上拆下的零件装配你的手表，这些零件全都涂上了一层粘 糊糊的胶水：如果你试图把零件分开，它们就会粘到你的手指 上。） 如果我们能制造一台纳米潜艇，它能工作吗？一个人类尺度 的潜艇可以在水中自如的运动，依靠的是螺旋桨推进器——旋转 的螺旋桨把水推向后方从而使潜艇前进——和控制方向的舵。会 游泳的细菌使用鞭毛结构，鞭毛看起来就像柔软的螺旋或者鞭子， 但是能够起到类似于螺旋桨的功能。 水分子将会比纳米潜艇小，但是不会小的太多，并且在纳米 尺度上它们的热运动是十分迅速的。碰撞使一个纳米尺度的物体 迅速的反弹（这个过程被称作布朗运动），但是方向是随机的： 任何控制运动方向的企图将会被迅速运动的水分子无情的碰撞所 粉碎。纳米尺度的航海家需要适应布朗运动的风暴，这风暴可能 撞毁他的船体。对于大约100纳米的船，大多数航行的目的都要 听天由命，因为小船几乎无法掌舵，在某种意义上如同纳米潜艇。 血流中的细胞——质量比纳米潜艇大10到100倍——不能控制自 己的方向：它们仅仅是在血流中翻斤斗。一个纳米潜艇至多有希 望选择一条大致的方向，但不会有特定的目的地。不管人们是否 可以制造或者控制纳米器件，它们都不适于探测疾病这种复杂的 工作。 用“微型潜艇”探测和消灭体内患病细胞——诸如癌细胞— —的部分策略应该着眼于寻找猎物。为了这个目的，它们可能不 得不模仿在我们体内运作的免疫系统的样子。对于“正常”细胞、 病原体细胞和癌细胞的识别是一个复杂的过程，这需要一整套免 疫系统，包括组成它的数以十亿计的专门细胞。癌细胞表面并没 有标志表明它们是危险的。在癌细胞的许多特征中，它们和正常 细胞没有太大的区别。充当癌细胞猎杀者的微型潜艇需要携带一 套小小诊断实验室，因此实验室需要采样设备、试剂、反应容器 和分析设备，它们的体积不会很小。操作这些设备同样需要能量。 免疫系统的细胞使用与其他细胞相同的营养；微型潜艇也不得不 这样做。 超越设计的进化 微型机械最终将被制造出来，但是制造它们的策略以及它们 的用途，仍然还在设计中。生物学提供了一套超群的范例：在生 物系统中，纳米机械确实存在，并且它们履行着格外复杂的功能。 令人惊奇的是，在这些纳米机械中应用的策略和人类尺度机械中 应用的策略是如此的不同。 再考虑如何制造纳米机械的时候，我们遇到了两条限制条件。 第一个是考虑已有的纳米机械——存在与细胞中的——并且研究 它们。我们毫无疑问可以从这些系统中得到概念和原理，从而能 够制造出许多为我所用的纳米机械，以及具有崭新功能的纳米机 械。遗传工程正在沿这条路前进。新型化学的发展或许使我们能 够在没有蛋白质和核酸的分子系统中使用生物学的法则。 第二是从零开始独立发展全新类型的纳米系统。生物学为功 能纳米机械的制作和合成提供了一条实用的方法，我们没有理由 相信不会存在别的方法。但是这条道路将会非常艰难。看看我们 身边的机械，使用通常的方法制造它们的纳米版本，一般是不实 际的，甚至在某些情况中是不可行的。在纳米尺度上无法加工和 焊接。更不用说在液体中直线运动或者用电磁铁产生磁场。用来 制造电子器件的设备当然可以制造一些机械纳米器件，然而他们 的用途将受到限制。 装配工的梦想有着诱人的吸引力，它似乎可以解决一切困难。 但是吸引力是虚幻的：它更像一个吸引人的寓言而不是现实，与 其等它解决问题，还不如期待奇迹出现。考虑到许多建造和操作 纳米机械的限制，似乎用于制造它们的新体系可能最终看起来更 像旧的生物学体系。这将是一个令人吃惊的挑战，即我们是否能 够超越进化的设计。模拟最简单的细胞将是令人惊愕的成就。 生物纳米机械是尽头吗？它们是已有的最优化的结构吗？进 化是否在所有的可能性中选出了最优的？对这个问题我们还有没 通常的答案。哈佛大学的Jeremy R. Knowles断定，一种酶—— 磷酸丙糖异构酶，或者说TIM，是“完美”的：这意味着，没有 任何其他的催化剂对于特定的化学反应比这种酶更有效。对于大 多数酶，以及比酶还要复杂的结构，我们还没有找到替代物。 生物结构在水中运作，绝大多数的工作处于很狭窄的温度和 盐浓度范围。它们通常不导电（尽管诸如叶绿体和线粒体会搬运 周围的电子）。它们不能执行二进制的计算和通信。它们不是机 械，因此，如果纳米机械要适应纳米生物环境，必须发明出很多 功能。 那么我们能从灰色粘质导致的世界末日中学到什么呢？如果 风险来自于纳米机械，那全是因为自我复制的能力。为了自我复 制，一个系统必须包含自我复制所需要的全部信息，并且从环境 中收集用以获得能量和装配（复制品）的原料。它还要能够加工 和装配（或者允许装配）制造一个复制品所需的全部零件。生物 学解决了所有这些问题，并且自我复制的生物系统——从致病细 菌到癌细胞——对我们是一种危险。在计算机系统中，自我复制 的比特串（计算机病毒），尽管不是物质实体，至少也有害，但 是它对我们仅仅是间接的危险。 如果一个新的系统——任何系统——能够利用环境中的原料 复制自我，它将会成为人们担心的理由。但是我们现在已经通过 复制纳米生物系统得知我们能实现什么。在我看来，使用装配工 进行装配并不是一个可行的策略，因此也不必担心。在可以预见 的未来，我们不必害怕灰色粘质。如果强大的自我复制微（或者 纳米）结构最终产生了，它们将可能与像原始细菌那样的化学系 统同样复杂。任何这样的系统将是令人难以置信的成就和让人仔 细评估的理由。任何威胁将不会来自于失控的装配工，而是来自 于不可思议的自我催化反应系统。 因此，生物学和化学而不是机械工程学的教科书，指出了我 们所寻求的答案所在的方向——并且这也表明我们关于生物体和 失控的自我复制器件的担心是非常正当的。在考虑自我复制系统 以及“活”的系统时，我们应该从生物学开始，生物学提供了在 高度复杂性上成功的丰富的设计和策略。在解决一个难题的时候， 拜倒在一个熟练的师傅的脚下学习是明智的，哪怕它们是鞭毛， 不是脚。 [ Last edited by clarali on 2007-10-15 at 21:07 ] |
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