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碳纳米管助力合成生物研究
材料来源:eettaiwan           录入时间:2015/2/16 11:13:09

地 球上生命的起源假设是来自化学前驱物质(precursors)──例如胺基酸(amino acid);那些化学物质一起反应、形成自我组织(self-organizing)的实体,逆转了从系统汲取能量的“熵(entropy)”正常路径, 直到其死亡;科学家称之为“平衡态(equilibrium state)”。而现在研究人员已经开始尝试在实验室利用碳奈米管,展现这种自我组装的逆转熵伪有机体(pseudo-organism)。

“为了有机会能发展一些类生物样式(pattern),我们需要能从其平衡态转变很大的系统;此外该系统要包含许多可以自组装(self- assemble) 的组成区块(building blocks),或是很高的自由度。”美国伊利诺大学香槟校区(University of Illinois at Urbana-Champaign)教授Alexey Bezryadin表示,这样的系统会随着时间,自然发展出一些有秩序的样式,以增加热力自由能(thermodynamic free energy)的消耗,最大化熵的制造。

Bezryadin指出,这种耗散(dissipating)样式可能与生物类似,因为它们可以发展成更复杂的样式,寻找并转换可用的能源成为热;而且那 些样式也被视为具备某种程度的“智慧”,因为它们可以适应环境,确保消耗所有的可用供应能量,以及在每秒产生尽可能多的熵。

样本在45秒、90秒与1,500秒的连续拍摄,描绘奈米管链的形成(来源:University of Illinois at Urbana-Champaign;本图片原刊于Scientific Reports, 5, article number 8323, doi 10.1038/srep08323,经作者同意转载)

为了说明,Bezryadin举例表示,如果未来有足够的技术,人类可能会在太阳的周围布建一个戴森球(Dyson sphere),如此才能最大化地撷取能量。Bezryadin与他的同事,包括同校教授Alfred Hubler与博士后研究员Andrey Belkin,已经建立了一个实验系统来测试他们的概念。

首先是结合一个高电压源(V)来驱动标准的固定电阻(Rs),他们以连续建构了内含悬浮碳奈米管、装满流体的容器,具备电阻Rf;而电路中的电流就是I=V/(Rs+Rf)。他们在这个实验设定中观察到的现象,是自组装的碳奈米管云状物,让流体变得更容易导电。

随着系统的发展,增加的自组装导致越来越多的有秩序的碳奈米管组成样式,也让溶液的导电程度更高,因此降低了流体的整体阻抗(Rf),提高了电流(I); 最终穿过固定电阻的电压降,会等于穿过流体的电压降。Bezryadin表示:“我们重要的发现是系统的演进会导致功率(P)的增加,以及当P到达最大可 能程度,增加的速度会急遽减缓,也就是Pmax=U*(U/2Rs);当流体阻抗与标准电阻值匹配,会产生最大化的熵。”

伊利诺大学香槟校区教授Alfred Hubler (中)、Alexey Bezryadin (右)以及博士后研究员Andrey Belkin

(来源:University of Illinois at Urbana-Champaign)

可能从该类系统所产生的某种形式合成生物,其条件牵涉演进或自组装,以达到尽可能最大化的熵生产;Bezryadin解释,一般的程序可能是:系统受驱动 远离平衡态(在实验中是被施加强电压),而且具备大量的组成区块(例如实验中是有很多可自由移动的碳奈米管),就像在自然界中各种元素有很多自我组织的原子。

烧杯中正在发展的类生物样式,研究人员形容为正在长出“手臂”的“昆虫”

(来源:University of Illinois at Urbana-Champaign)

“因此合成生物或许与能够最有效生产熵的自组装样式有关,”Bezryadin表示,为了有所进展,相关科学研究应该集中在能精确地以仪器量测熵生产率的 系统,以及能自我组织、尽可能达到最大量熵生产的系统:“能确实量测熵的生产辆,就像我们在实验中做到的,可在建立合成生物样本的研究方面提供一个重要的 标准。”

接下来研究人员计划打造类似的自组织系统,不过是能展现其他生命体的共同特性,例如繁殖以及复制。Bezryadin 表示:“我认为复制的原理能在与我们类似的系统中测试,但尺寸规模要较大,其设计也要能支援许多耗散样式,或是许多独立或半独立的碳奈米管云状物。”

他们打算进行一项实验,其中一个奈米管云状物的演进能触发更大量其他云状物的形成,看那是否类似生物繁衍后代。“我们将试着产生这种云状物,如果它们开始 繁殖,就观察他们是否彼此足够相似。”Bezryadin指出,它们应该展开繁殖的理由是,它们是依循熵生产量最大化熵的原则,如果耗散样式繁殖,它们就 能让熵的生产更快,因为每个样式会对消耗自由能量、生产熵做出贡献。

Hubler则补充指出,如果实验成功,他将尝试把结果整合至他与美国国防部高等研究计划署(DRAPA)合作进行的自组织人工智慧研究中,因为研究人员 相信,生命的演化以及智慧的演化是分不开的。点选此连结另开YouTube视讯,可看到研究人员的碳奈米管自组织实验。


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