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纳米机械的过去和将来 ----超越设计的进化
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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。 |
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