來源 The Guardian等

編譯 董聿恒 魏瀟

編輯 魏瀟

有些生物成雙成對繁衍后代，有些生物會間接地與其他個體結(jié)合，而有一些甚至自己就能獨立辦到這件事。在繁殖這個問題上，自然界無疑是百花齊放的。

而現(xiàn)在，科學(xué)家們宣布發(fā)現(xiàn)了一種此前從未在任何動植物上出現(xiàn)過的全新“繁衍”方式：一團(tuán)被稱為 Xenobot（或許可以叫它異種機(jī)器人）、由非洲爪蟾干細(xì)胞組成的球形細(xì)胞團(tuán)塊，可以收集分散在培養(yǎng)皿中的細(xì)胞，將它們捏合成和自己類似的機(jī)器人，通過這種方式“產(chǎn)生后代”。在研究者的模擬中，它們甚至可以一邊工作，一邊繁殖。

“它們在培養(yǎng)皿中游來游去，不斷制造自己的復(fù)制品。”該項研究的領(lǐng)導(dǎo)者之一，來自美國佛蒙特大學(xué)（University of Vermont）的 Josh Bongard 教授如是說。

活體機(jī)器人

Xenobot 早在 2020 年就被公之于眾，是一種所謂的“活體機(jī)器人”。它們是由上千個來自于非洲爪蟾胚胎干細(xì)胞組裝而成的，是一種大小約 1 mm 的人工生命體。盡管其外表看起來只是一小團(tuán)細(xì)胞，但 Xenobot 能夠朝著特定的方向移動，并且被切開后還能自行復(fù)原，具有強(qiáng)大的延展性和可塑性。這種活體機(jī)器人沒有消化系統(tǒng)或神經(jīng)系統(tǒng)，在大約兩周后就會自然解體。

研究團(tuán)隊最初的目標(biāo)只是希望設(shè)計出一種由生物細(xì)胞組成的，具有運動能力的人工構(gòu)造體。他們首先通過柔性材料模擬和計算機(jī)建模設(shè)計出了合理的結(jié)構(gòu)，安排了可收縮和不可收縮的兩類細(xì)胞的位置。然后從爪蟾胚胎干細(xì)胞中收集皮膚前體細(xì)胞和心肌前體細(xì)胞作為材料，在顯微鏡下人工組裝成了微小的活體機(jī)器人，也就是第一代的 Xenobot。

由爪蟾干細(xì)胞組成的第一代 Xenobot。圖片來源：論文

幾個月后，研究團(tuán)隊在《科學(xué)-機(jī)器人》（Science Robotics）上發(fā)布了第二代 Xenobot。利用細(xì)胞的自組織能力，這代 Xenobot 不需要人工干預(yù)或者任何基因工程手段就可以自動組裝成型，利用表面的纖毛在水中運動。它們還可以自發(fā)地聚集在一起，推動藥物或分子往前走。

在水中游動的 Xenobot。來源：論文

產(chǎn)生后代

在最近的觀察和研究中，Bongard 和同事們意外地發(fā)現(xiàn)了 Xenobot 具備了一定程度上的“繁殖”能力：它不僅能在培養(yǎng)皿中以螺旋形的路徑運動轉(zhuǎn)圈，還會在撞上一些分散的干細(xì)胞后，把這些細(xì)胞捏成一團(tuán)。由于這些細(xì)胞有粘性，只要這個捏合成的團(tuán)塊質(zhì)量足夠大，這些被堆在一起的細(xì)胞不需要專門的演化和來自外部的基因操作引入，就能夠自發(fā)自動地在五天內(nèi)形成一個全新的、可以自由移動的子代 Xenobot。為了確定這些后代確實是由“祖先 Xenobot”的運動而不是靠流體動力學(xué)和自組裝產(chǎn)生的，研究者們專門在沒有祖細(xì)胞的情況下觀察了離散的干細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)它們確實無法依靠自組裝產(chǎn)生子代 Xenobot。

忙著收集細(xì)胞，“繁衍后代”的活體機(jī)器人。視頻來源：論文。

Bongard 與同事們在《美國科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上發(fā)表了這項新發(fā)現(xiàn)，報告了 Xenobot 這種運動自體復(fù)制（kinematic self-replication）的自我繁衍方式。Bongard 指出，任何拷貝自身的行為都可以算得上是一次復(fù)制，而已知的植物和動物都是通過從無性出芽到分娩的繁殖行為來完成的。之前，科學(xué)家們只在分子級尺度維度上觀察過這種現(xiàn)象，在更大的有機(jī)體上這還是第一次。

但是這里有個小問題?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn) Xenobot 只能繁殖一次。被復(fù)制出的子代們太小太弱，沒有能力去再繁殖下一代。不過，通過人工智能分析，研究者們發(fā)現(xiàn)如果將 Xenobot 打造成特定的形狀——類似于電子游戲角色“吃豆人”的樣子，那么這些“吃豆人”衍生出的后代也能具有繁殖能力，組裝出新的后代。

“毫無疑問，分子層面上的運動自體復(fù)制對于地球生命的起源十分重要。但我們還不知道，像我們今天觀察到的發(fā)生在細(xì)胞集群之間的運動自體復(fù)制，是否也曾在生命的起源過程中起了作用?！?Bongard 如是說。

研究者們在論文中指出，雖然在現(xiàn)存的細(xì)胞生命形式中，我們還沒有觀察到運動自體復(fù)制，但它可能是生命起源中必不可少的一環(huán)。例如，在蛋白質(zhì)世界假說（amyloid world hypothesis）中，自我組裝的肽是第一個實現(xiàn)自我復(fù)制的分子實體，因此代表了生命演化的最早階段，甚至早于 RNA 世界。與以自身為模板進(jìn)行復(fù)制的 RNA 不同，蛋白質(zhì)單體可以形成種子，產(chǎn)生各種蛋白質(zhì)復(fù)合體，再根據(jù)肽的可用性、運動學(xué)和熱力學(xué)條件產(chǎn)生更大或更小的“后代”。這種變異類似于現(xiàn)代朊病毒，這種蛋白質(zhì)病毒在復(fù)制過程中會出現(xiàn)蛋白質(zhì)錯誤折疊的情況，這賦予了它多變的體積大小以及多態(tài)性。雖然像 Xenobot 這樣的可重構(gòu)有機(jī)體不是研究生命起源的模型，但它們可能會為我們提供一些線索，幫助我們找到這個世界上第一個能夠自我復(fù)制的生命出現(xiàn)時所需要的初始條件。

除了探索生命起源，Xenobot 也具備更現(xiàn)實的意義。Bongard 希望這種能自我復(fù)制的機(jī)器人最終能夠投入實用。根據(jù)研究團(tuán)隊的計算機(jī)模擬，如果被放入一個包含微型電子元件的環(huán)境中，這些 Xenobot 在隨機(jī)運動中可以移動導(dǎo)線、開閉電源或發(fā)光器，組裝或修復(fù)微型電路。如果這個環(huán)境中存在能夠被 Xenobot “收集”并完成自我復(fù)制的散在細(xì)胞，那么它們還可以一邊繁衍一邊干活。

“它們是可自然降解且對生態(tài)友好的微小機(jī)器，在干凈的水體中，它們會如魚得水，”他說道。另外，他還補充道，它們短期內(nèi)的應(yīng)用可能會包括收集水中的微塑料。或許在未來，用的細(xì)胞制造的生物機(jī)器人甚至可以被用于人體，代替一些外科手術(shù)。

英國倫敦大學(xué)學(xué)院制造研究所（Institute of Making at University College London）主任 Mark Miodownik 十分贊賞這項研究。他認(rèn)為這“是一項了不起的科學(xué)突破，我們向著活體材料又邁近了一步”。

主要參考資料：

1.https://www./science/2021/nov/29/amazing-science-researchers-find-xenobots-can-give-rise-to-offspring

2.A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms. Sam Kriegman et al. Proceedings of the National Academy of Sciences. Jan 2020, 117 (4) 1853-1859; DOI: 10.1073/pnas.1910837117

3.A cellular platform for the development of synthetic living machines. Douglas Blackiston et al. SCIENCE ROBOTICS. 17 Mar 2021 Vol 6, Issue 52. DOI: 10.1126/scirobotics.abf1571