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1、第七章 治疗的发动机把我们和所有前人区别开来的事情之一是，我们看见了我们自身的原子。KARL K. DARROW，物理学的复兴我们将使用分子技术给人们带来健康，因为人类躯体是由分子构成的。疾病，衰老，和受伤都是由于原子排列形式的错误，无论是起因于病毒，时间的流逝，还是车祸。可以引起原子错排的装置也可以使它们正确排列。纳米技术将带来医药方面的根本性突破。医师们现在主要靠外科手术和药物来治疗疾病。外科医生们现在可以做从缝合伤口和切除残肢到修复心脏以及重接断肢的很多事情。使用显微镜和好的工具，他们可以连接精巧的血管和神经，但是即使最好的显微外科医师也不能切割和缝合精密的组织结构。现代的手术刀和缝合线
2、对于毛细血管，细胞，分子来说还是太粗糙了。考虑一下从细胞的视点来观看“精细”外科手术：巨大的刀锋切下来，割开了成千的细胞，无数的分子机器四处飞溅；过了些时候，一个巨大的方尖碑插进被割开的细胞群中，后面拖着个象火车那么粗的缆绳，把分开的细胞又缝到一起。从细胞的角度来看，即使最精细的外科手术，使用最精致的手术刀和最高超的技艺，看起来也像是一场屠杀。只有细胞水平上的重组、繁殖的能力才能使治愈成为可能。但是正如很多医疗事故的受害者清楚地知道的那样，不是所有的组织都能治愈。药物治疗，和外科手术不同，处理细胞内的精细结构。药物分子是简单的分子装置。细胞中有很多有效的特殊分子。例如，吗啡分子，结合大脑细胞中
3、的某些特定分子，影响引起痛苦信号的神经脉冲。胰岛素，贝塔受体阻滞药和其它的药物，结合另外的受体。但是药物分子是盲目地工作的。一旦进入体内，它们就在周围溶液内乱闯乱撞，直到碰到目标分子，结合，粘牢，然后影响它们的功能。外科医生可以看到问题并计划手术，但是他们使用的是粗糙的工具，药物分子在分子水平上影响组织，但是它们太简单而不能感觉、计划并行动。而由纳米计算机控制的分子机器则可以为医师们提供另一种选择。它们拥有传感器，内置程序，和分子工具形成可以检查并修补单个细胞中的基本部件的系统。它们将把外科手术带到分子领域。这样的先进分子装置将在十年内出现，而被医学需要推动的研究者们已经在开始研究分子机器和分
4、子工程了。最好的药物可以通过特殊的途径影响特定的分子机器。例如青霉素，它通过干扰某些细菌用来建造细胞膜的纳米机器来杀死它们，而对人类细胞则几乎没有任何影响。生物化学家通过两种途径来研究分子机器，建造它们和破坏它们。整个世界到处是病毒，细菌，原生动物，真菌，和蠕虫寄生于人体。象青霉素一样，对付这类疾病的安全，有效的药物要能夹住寄生虫的分子机器而不伤害人类的分子机器。Seymour Cohen博士，药理学教授，说生物化学家应该系统地研究这些寄生虫内的分子机器。一旦生物化学家确定了一种重要的蛋白质机器的形状和功能，他们就可以设计出一种可以夹住并摧毁它的分子来。这种药物可以把人类从古老的恐惧之中解脱出
5、来，如血吸虫病和麻风病，也可以从新的恐惧，如AIDS中解脱出来。制药公司已经开始在了解分子如何工作的基础上重新设计分子了。Upjohn公司的研究者已经设计和改变了抗利尿激素分子，一种由氨基酸短链组成的激素。抗利尿激素可以增强心脏功能并减少肾生成的尿，但这会提高血压。研究者修改了抗利尿激素分子使得它更多地影响肾内的受体而更少地影响心脏内的受体，赋予它们特殊的药性和可控影响。最近，他们设计了一种改进型抗利尿激素分子，它们不直接影响受体分子，而是可以约束自然产生的抗利尿激素分子。医学需求将推动这类研究，鼓励研究者们在蛋白质设计和分子工程上迈出更大的步伐。医学，军事，和经济压力都迫使我们向同样方向发展
6、。甚至在组装机突破之前，分子技术就将在药物方面带来令人印象深刻的进步。生物技术的趋势就是保证。当然，这些进步通常很难预测，每个都会开拓生物化学的某个领域。之后，当我们把组装机和技术AI系统用于药物领域，我们就可以获得很容易预测的能力。为了了解这些能力，考虑一下细胞和它们的自修复机制。在你体内的细胞中，自然辐射和有害化学物质破坏分子，产生起副作用的分子碎片，它们通过被称为交叉连接的过程错误地连接到其他分子上；象子弹和粘合剂可以破坏机器一样，辐射和分子碎片也可以毁坏细胞，通过打破分子机器和绑住它们。如果你的细胞不能自修复，那么伤口将会很快杀死它们或使它们发狂，但是进化赐给了生物体解决这些问题的机制
7、。在第四章描绘的自复制工厂系统可以通过替换损坏部件来自修复，细胞也可以这样。只要细胞中的DNA保持完整，它就可以复制基因片断从而指导核糖体组装新的蛋白质机器。不幸地，DNA自己也会损坏，导致基因变异。修复酶可以通过探测和修补某些类型的DNA缺损来补救。这些修复使得细胞存活下来，但是现有的修补机制太简单而不能纠正所有的问题，无论是DNA的还是别的。错误会积累下来，导致细胞的衰老和死亡，以及人的衰老和死亡。生命，思维，和机器把细胞描述为“机械”是有意义的吗？它们是否自复制？由于我们是由细胞组成的，所以这似乎把人类也看作“仅仅是机械”了，和我们对生命的整体看法是冲突的。但是字典上是这样定义整体论的：
8、“现实是有机的和统一的整体，并且大于它们的部分之和。”这当然也适用于人类：简单地把我们的部件加起来就成了汉堡包，而没有思想和生命。人类躯体包含1022个蛋白质部件，没有比这更复杂的机器了，以至任何想对这样复杂系统的简单描述都不可避免是粗糙和不完全的，只有从细胞级别的机制描述才是有意义的。细胞从整体上来看是非机械的，但生物学家发现从分子机器的角度来描述它是非常有用的。生物化学家把曾经是生命的中心迷题拆开，并开始逐步完善细节。他们跟踪分子机器，看它们如何打碎食物分子，把它们加到基本建造模块中，并用这些模块建造和更新组织。人类细胞中的很多结构细节还不清楚（单单一个细胞内就有数千种几十亿个大分子），但
9、生物化学家们已经把某些病毒的所有结构都搞清楚了。生物化学实验室里通常都在墙上挂着一幅大图显示细菌内部的分子功能块的流动。生物化学家了解了很多生命过程的细节，而那些他们不了解的似乎也遵循同样的法则。神秘的遗传现在变成了基因工程产业。甚至胚胎发育过程和记忆机制也在生物化学和细胞水平上得到了解释。在近几十年，我们的无知的本质在变化。曾经，生物学家看着生命过程问道：“怎么会这样？”而今天他们了解了生命的普遍法则，当他们研究一个特别的生命过程时通常会问：“有这么多条路可走，自然会选择哪条呢？”在很多情况下他们的研究把很多可能的解释限制在一个领域中。某些生物过程细胞的合作形成胚胎发育，大脑的学习，和反应免
10、疫系统仍然是对想象力的一个挑战。这不是因为对某个部件的工作行为不了解，而是因为很多部件相互作用形成一个整体的巨大复杂性。细胞遵守描述外部世界的同样的自然法则。蛋白质机器在正确的环境中就会工作不管它是否在一个机能细胞中以及细胞中的其余部件是否是新生成的。分子机器不知道“生”和“死”。生物学家当他们烦恼的时候有时定义生命为生长，复制，和应激反应的能力。按照这个标准，一个无思想的复制机工厂系统也可称为有生命的，而在大脑中形成的人工智能模型却可能不符合条件。病毒是有生命的吗，或者它们“仅仅”是奇异的分子机器？没有任何试验可以解决，因为自然没有在生命和非生命之间划出界限。研究病毒的生物学家会问关于发育的
11、问题：“如果给个机会的话，这种病毒会不会动作？”在医学上“生”与“死”的标签依赖于医学能力：医师们问，“这个病人会活过来吗，如果我们尽力的话？”医生们曾经把心脏停止跳动定义为死亡，而他们现在把大脑停止活动定义为死亡。强心剂的发展改变了死亡的定义，大脑药物的发展将会再一次改变这个定义。就像一些人对机器思维的想法感到不舒服一样，有些人会对我们思维的基础是机器这一想法感到不舒服，“机器”这个词似乎常常令人想到粗笨的，叮当作响的金属，而不是神经纤维中闪烁的神经信号，复杂的神经图案是大脑本身不能完全理解的。大脑中真正象机器的机器存在于分子水平，比最细的纤维还要细。整体不必要和它的部分相似。土疙瘩和喷泉一
12、点也不象，但是象土疙瘩一样的分子组成了流动的水。按照同样的方式，几十亿台分子机器组成了神经纤维和神经节，数千纤维和突触组成了神经细胞，几十亿神经细胞组成了大脑，而大脑中形成了意识流。把思维称为“仅仅是分子机器”就像把蒙娜丽莎称为“仅仅是油漆涂料”一样。这种表述把部分和整体搞混了，而且把物质和它承载的内容也搞混了。我们不仅仅是由分子构成的人。从药物到细胞修复机器因为我们是由分子组成的，并且对自己的健康很关心，所以我们会将分子机器应用到生物技术中。生物学家已经使用抗体来标记蛋白质，用酶来剪切和连接DNA，和用病毒注射器（例如T4噬菌体）来把编辑好的DNA注射到细菌体内。在将来，他们将使用组装机制造
13、的纳米机器来探测和改变细胞。使用类似分解机的工具，生物学家最终将能研究细胞的分子结构。他们可以给人体内的数十万种分子编好目录，并画出数百种细胞的结构。非常象工程师给汽车编制的零部件列表和画的工程图，生物学家也将描述健康组织的部件和结构。到那时，他们将得到有经验的技术AI系统的帮助。医生们的目的是保证组织健康，但用药物和外科手术并不能使组织自己修复。分子机器将允许更直接的修补，带来一个医学的新时代。为了修一辆车，技师首先要找到坏的地方，然后确定并去掉损坏的部件，最后修理或更换它们。细胞修补将完成同样的基本工作活的生物体已经提供了可能性。存取：白血球细胞可以从血液中离开并穿过组织，病毒可以进入细胞
14、。生物学家已经能把针头插入细胞而不杀死它们。这些例子表明分子机器可以进入细胞。识别：抗体和T4噬菌体的尾部事实上，所有特定的生物化学相互作用都显示了分子系统可以通过接触来识别另外的分子。分解：被损坏的酶（和其它生猛的活性化学物质）显示了分子系统可以分解被损坏的分子。重建：自修复的细胞显示了分子系统可以建造和重建细胞中发现的每一种分子。重新组装：自然也显示了分离的分子可以被重新组合在一起。例如T4噬菌体的机器，在一种酶的帮助下，它可以从溶液中自组装。细胞复制显示了分子系统可以组装细胞中发现的每一种分子。因此，自然证实了所有在细胞中进行分子级修理所需要的基本操作是可行的。而且，象我在第一章中所述，
15、基于纳米机器的系统将通常是比自然中产生的那些更小型和更能干。自然系统在可能性方面显示出了受到的限制很少，不管是在细胞修复还是其它情形下。细胞修复机器简而言之，通过分子技术和技术AI系统我们就可以完整的描述分子水平的健康组织，然后可以制造能进入细胞并感受和改变它们结构的机器。细胞修复机器在尺寸上可以和细菌及病毒相比较，但是它们的零件更小所以它们可以更加复杂。它们将象白血球那样在组织中穿行，然后象病毒那样进入细胞或者在医生的观察下打开和关闭细胞膜。在细胞内，修复机器将通过检查细胞内的物质和它们的活性来评估状态，然后行动。早期出现的修复机器将是高度专一的，可以识别和修正一种分子，如失效的酶或某种DNA损坏。以后出现的机器（不会很迟，因为有技术AI系统）将有更通用的能力。复杂的修复机器将需要纳米计算机来指导它们。象第一章中讨论的一微米宽的机械计算机，体积只有细胞体积的1/1000，但是能储存比DNA还多的信息。在修复系统中，这种计算机将指导更小的，更简单的计算机，它们直接控制机器去检查，移除分子部件，以及重建损坏的分子结构。通过一个分子一个分子地，一个结构一个结构地修复，修复机器可以修复整个细胞。通过一个细胞一个细胞地，一个组织一个组织地，
