人类组装有机生命的前景展望

    纳米(nm)是英文nanometer的音译，字首nano在希腊文中的原意是“侏儒”的意思，指1米的十亿分之一。而原子的直径为0.1-0.3nm。纳米工艺技术，我们简称为纳米技术，是在1至100纳米范围内对材料的加工技术和应用技术。纳米科技的最终目标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。

    1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼预言，人类可以用小的机器制做更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。

    1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。

    纳米科技的迅速发展是在80年代末、90年代初。80年代初发明了费恩曼所期望的纳米科技研究的重要仪器——扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等微观表征和操纵技术，它们对纳米科技的发展起到了积极的促进作用。

    1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。

    1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”之后，中国科学院BJ真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域zhan有一席之地。

    1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。

    1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。

    纳米工艺技术还在继续高速前进的步伐，一般认为，纳米技术的发展会经历以下五个阶段：

    第一阶段的发展重点是要准确地控制原子数量在100个以下的纳米结构物质。这需要使用计算机设计/制造技术和现有工厂的设备和超精密电子装置.第二个阶段是生产纳米结构物质。在这个阶段，纳米结构物质和纳米复合材料的制造将达到实用化水平。其中包括从有机碳酸钙中制取的有机纳米材料，其强度将达到无机单晶材料的3000倍.在第三个阶段，大量制造复杂的纳米结构物质将成为可能。这要求有高级的计算机设计/制造系统、目标设计技术、计算机模拟技术和组装技术等.纳米计算机将在第四个阶段中得以实现。在第五阶段里，科学家们将研制出能够制造动力源与程序自律化的元件和装置。

    虽然纳米技术每个阶段到来的时间有很大的不确定性，难以准确预测，但在2010年之前，纳米技术有可能发展到第三个阶段，超越“量子效应障碍”的技术将达到实用化水平。纳米技术能够广泛应用于材料、机械、计算机、半导体、光学、医药和化工等众多领域。

    那么，人类又能够通过怎样的手段来组装有机生命呢？组成生命体的分子应该是一种有机多分子体系。按照地球上目前的一种流行的理论说法：生命的构成元素如碳、氢、氧、氮、磷、硫等在自然界阳光、闪电等外在能量的作用下，首先生成如氨基酸、核苷酸等有机小分子，然后在原始海洋中从有机小分子物质聚合成生物大分子物质，接着从生物大分子物质组成有机多分子体系，最后由有机多分子体系演变为原始细胞生命。

    生命形成的前三个步骤已经经过实验证实，而上述演化的最后一步却仅仅处在理论猜测阶段而已。这是因为活细胞是相当复杂的，它的构成物包括核酸，蛋白质，双螺旋结构的DNA链等复杂的有机大分子。活着的细胞必须拥有一套完整的获得能量及利用能量的系统，具有储存生命信息的能力，能够生长、分裂、自我复制、将信息“遗传”下去，并积累“进化”所需的“变异”。

    因此，如果要制造生命体，就得解决活细胞制造问题，而合成核酸，蛋白质，双螺旋结构的DNA链等复杂的有机大分子却是首先得解决的一大难题，这就需要纳米技术来一显身手了。

    高分子材料的纳米化可以依赖于高分子的纳米合成，这既包括分子层次上的化学方法，也包括分子以上层次的物理方法。利用外场包括温度场、溶剂场、电场、磁场、力场和微重力场等的作用，在一确定的空间或环境中像搬运积木块一样移动分子，采用自组装、自组合或自合成等方法，靠分子间的相互作用，构建具有特殊结构形态的分子聚集体。如果再在这种分子聚集体中引发化学成键，则能得到具有高度准确的多级结构的高分子。通过这种精确操作的高分子合成，可以准确实现高分子的分子设计。

    高分子材料的纳米化还可以通过成型加工的方式得以实现，即在成型加工过程中控制高分子熔体的流动，调节高分子的结构形态从而控制使用性质。高分子材料的纳米化研究不仅应包括纳米化制备方法，还不应忽略高分子材料的纳米结构的观察和纳米性质的测量。因为结构和性能决定材料的使用价值。而高分子材料的纳米化的结果，是使得表面层上和界面层上的结构和性能表现出特异性，这部分也是由于在表面和界面的尺寸限制下，高分子材料的相结构和形态发生突变所致。因此需要开展表面层上和界面层上的相结构、相行为及分子链动力学的研究，建立相应受限条件下的高分子材料的构效关系。

    人类采用的研究方法中，目前计算模拟及合成出的高分子也能模仿蛋白质分子的自组装，但却没有蛋白质分子那样的生命活性。这是因为合成高分子的分子链缺少确定的序列结构，不能形成特定的链折叠。如果在合成高分子膜的表面附着上蛋白质分子或有特定序列结构的合成高分子，研究这些表面分子折叠的方法、规律、结构和活性，形成具有生命活性功能，比如排斥和识别功能的软有序结构，再通过化学环境、温度和应力等外场来调节这些软有序结构，从而控制外界信号向合成膜内的传递，实现生物活性的形成和调控，就可以尝试合成高分子生命材料。

    我们相信，随着纳米科技水平的提高，人类一定能够制造出复杂的有机大分子，从而组装出生物活细胞，进而组装成功活生生的有机生命体。