人類組裝有機(jī)生命的前景展望

　　　　納米(nm)是英文nanometer的音譯，字首nano在希臘文中的原意是“侏儒”的意思，指1米的十億分之一。而原子的直徑為0.1-0.3nm。納米工藝技術(shù)，我們簡稱為納米技術(shù)，是在1至100納米范圍內(nèi)對材料的加工技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)。納米科技的最終目標(biāo)是直接以原子、分子及物質(zhì)在納米尺度上表現(xiàn)出來的新穎的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性制造出具有特定功能的產(chǎn)品。

　　1959年，著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼預(yù)言，人類可以用小的機(jī)器制做更小的機(jī)器，最后將變成根據(jù)人類意愿，逐個(gè)地排列原子，制造產(chǎn)品，這是關(guān)于納米技術(shù)最早的夢想。

　　1990年7月，第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國巴爾的摩舉辦，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生。

　　納米科技的迅速發(fā)展是在80年代末、90年代初。80年代初發(fā)明了費(fèi)恩曼所期望的納米科技研究的重要儀器——掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)等微觀表征和操縱技術(shù)，它們對納米科技的發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用。

　　1991年，碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鋼的10倍，成為納米技術(shù)研究的熱點(diǎn)。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主斯莫利教授認(rèn)為，納米碳管將是未來最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用于超微導(dǎo)線、超微開關(guān)以及納米級(jí)電子線路等。

　　1993年，繼1989年美國斯坦福大學(xué)搬走原子團(tuán)“寫”下斯坦福大學(xué)英文名字、1990年美國國際商用機(jī)器公司在鎳表面用36個(gè)氙原子排出“IBM”之后，中國科學(xué)院BJ真空物理實(shí)驗(yàn)室自如地操縱原子成功寫出“中國”二字，標(biāo)志著我國開始在國際納米科技領(lǐng)域zhan有一席之地。

　　1997年，美國科學(xué)家首次成功地用單電子移動(dòng)單電子，利用這種技術(shù)可望在20年后研制成功速度和存貯容量比現(xiàn)在提高成千上萬倍的量子計(jì)算機(jī)。

　　1999年，巴西和美國科學(xué)家在進(jìn)行納米碳管實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)明了世界上最小的“秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當(dāng)于一個(gè)病毒的重量；此后不久，德國科學(xué)家研制出能稱量單個(gè)原子重量的秤，打破了美國和巴西科學(xué)家聯(lián)合創(chuàng)造的紀(jì)錄。

　　納米工藝技術(shù)還在繼續(xù)高速前進(jìn)的步伐，一般認(rèn)為，納米技術(shù)的發(fā)展會(huì)經(jīng)歷以下五個(gè)階段：

　　第一階段的發(fā)展重點(diǎn)是要準(zhǔn)確地控制原子數(shù)量在100個(gè)以下的納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)。這需要使用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)/制造技術(shù)和現(xiàn)有工廠的設(shè)備和超精密電子裝置.第二個(gè)階段是生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)。在這個(gè)階段，納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)和納米復(fù)合材料的制造將達(dá)到實(shí)用化水平。其中包括從有機(jī)碳酸鈣中制取的有機(jī)納米材料，其強(qiáng)度將達(dá)到無機(jī)單晶材料的3000倍.在第三個(gè)階段，大量制造復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)將成為可能。這要求有高級(jí)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)/制造系統(tǒng)、目標(biāo)設(shè)計(jì)技術(shù)、計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和組裝技術(shù)等.納米計(jì)算機(jī)將在第四個(gè)階段中得以實(shí)現(xiàn)。在第五階段里，科學(xué)家們將研制出能夠制造動(dòng)力源與程序自律化的元件和裝置。

　　雖然納米技術(shù)每個(gè)階段到來的時(shí)間有很大的不確定性，難以準(zhǔn)確預(yù)測，但在2010年之前，納米技術(shù)有可能發(fā)展到第三個(gè)階段，超越“量子效應(yīng)障礙”的技術(shù)將達(dá)到實(shí)用化水平。納米技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用于材料、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體、光學(xué)、醫(yī)藥和化工等眾多領(lǐng)域。

　　那么，人類又能夠通過怎樣的手段來組裝有機(jī)生命呢？組成生命體的分子應(yīng)該是一種有機(jī)多分子體系。按照地球上目前的一種流行的理論說法：生命的構(gòu)成元素如碳、氫、氧、氮、磷、硫等在自然界陽光、閃電等外在能量的作用下，首先生成如氨基酸、核苷酸等有機(jī)小分子，然后在原始海洋中從有機(jī)小分子物質(zhì)聚合成生物大分子物質(zhì)，接著從生物大分子物質(zhì)組成有機(jī)多分子體系，最后由有機(jī)多分子體系演變?yōu)樵技?xì)胞生命。

　　生命形成的前三個(gè)步驟已經(jīng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，而上述演化的最后一步卻僅僅處在理論猜測階段而已。這是因?yàn)榛罴?xì)胞是相當(dāng)復(fù)雜的，它的構(gòu)成物包括核酸，蛋白質(zhì)，雙螺旋結(jié)構(gòu)的DNA鏈等復(fù)雜的有機(jī)大分子?；钪募?xì)胞必須擁有一套完整的獲得能量及利用能量的系統(tǒng)，具有儲(chǔ)存生命信息的能力，能夠生長、分裂、自我復(fù)制、將信息“遺傳”下去，并積累“進(jìn)化”所需的“變異”。

　　因此，如果要制造生命體，就得解決活細(xì)胞制造問題，而合成核酸，蛋白質(zhì)，雙螺旋結(jié)構(gòu)的DNA鏈等復(fù)雜的有機(jī)大分子卻是首先得解決的一大難題，這就需要納米技術(shù)來一顯身手了。

　　高分子材料的納米化可以依賴于高分子的納米合成，這既包括分子層次上的化學(xué)方法，也包括分子以上層次的物理方法。利用外場包括溫度場、溶劑場、電場、磁場、力場和微重力場等的作用，在一確定的空間或環(huán)境中像搬運(yùn)積木塊一樣移動(dòng)分子，采用自組裝、自組合或自合成等方法，靠分子間的相互作用，構(gòu)建具有特殊結(jié)構(gòu)形態(tài)的分子聚集體。如果再在這種分子聚集體中引發(fā)化學(xué)成鍵，則能得到具有高度準(zhǔn)確的多級(jí)結(jié)構(gòu)的高分子。通過這種精確操作的高分子合成，可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)高分子的分子設(shè)計(jì)。

　　高分子材料的納米化還可以通過成型加工的方式得以實(shí)現(xiàn)，即在成型加工過程中控制高分子熔體的流動(dòng)，調(diào)節(jié)高分子的結(jié)構(gòu)形態(tài)從而控制使用性質(zhì)。高分子材料的納米化研究不僅應(yīng)包括納米化制備方法，還不應(yīng)忽略高分子材料的納米結(jié)構(gòu)的觀察和納米性質(zhì)的測量。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)和性能決定材料的使用價(jià)值。而高分子材料的納米化的結(jié)果，是使得表面層上和界面層上的結(jié)構(gòu)和性能表現(xiàn)出特異性，這部分也是由于在表面和界面的尺寸限制下，高分子材料的相結(jié)構(gòu)和形態(tài)發(fā)生突變所致。因此需要開展表面層上和界面層上的相結(jié)構(gòu)、相行為及分子鏈動(dòng)力學(xué)的研究，建立相應(yīng)受限條件下的高分子材料的構(gòu)效關(guān)系。

　　人類采用的研究方法中，目前計(jì)算模擬及合成出的高分子也能模仿蛋白質(zhì)分子的自組裝，但卻沒有蛋白質(zhì)分子那樣的生命活性。這是因?yàn)楹铣筛叻肿拥姆肿渔溔鄙俅_定的序列結(jié)構(gòu)，不能形成特定的鏈折疊。如果在合成高分子膜的表面附著上蛋白質(zhì)分子或有特定序列結(jié)構(gòu)的合成高分子，研究這些表面分子折疊的方法、規(guī)律、結(jié)構(gòu)和活性，形成具有生命活性功能，比如排斥和識(shí)別功能的軟有序結(jié)構(gòu)，再通過化學(xué)環(huán)境、溫度和應(yīng)力等外場來調(diào)節(jié)這些軟有序結(jié)構(gòu)，從而控制外界信號(hào)向合成膜內(nèi)的傳遞，實(shí)現(xiàn)生物活性的形成和調(diào)控，就可以嘗試合成高分子生命材料。

　　我們相信，隨著納米科技水平的提高，人類一定能夠制造出復(fù)雜的有機(jī)大分子，從而組裝出生物活細(xì)胞，進(jìn)而組裝成功活生生的有機(jī)生命體。