看了部分回答,学物理的同学和学生物的都学都来回答了。先劝劝泽地同学下面说他杠的,这个问题描述的确实没那么准确, @Anyon 回答从物理出发, @泽地 从生物出发,回答这个问题既可以陈独秀,也可以李大钊嘛。科学的包容性不就是高票回答不一定是主流,低票回答也有其独到之处么~作为学化学的进来强答一波,略有偏题之处请多包涵。


引言

化学中也有跟这个究极目标相关的研究方向,比如自组装(self-assembly)。Science杂志125周年特刊中列出了125个问题,在前25个贼难解决的问题之中,唯一的化学问题是:我们能将化学自组装整到啥程度?(How Far Can We Push Chemical Self-Assembly?)请参见

How Far Can We Push Chemical Self-Assembly?

而组装出一个细胞,那简直是我们每天朝思暮想的一桩美事阿~Science这篇文章中提到了物理组装和化学组装的一个重要的不同之处,一个是自上而下,一个是自下而上。Anyon说的那个组装得用STM吧?那玩意儿多贵阿,我们不用嘿~

然而,

大自然:地球可能已经不是那个地球了,但你大爷还是你大爷。

这里要再次强调细胞结构的复杂性和功能的多样性,很多同学已经展示了图片和视频。在这里我强烈推荐的视频是来自Harvard University的The Inner Life of the Cell系列。此系列中的一个经典版本推荐(中文解说,大赞一波解说者,有心):

【720P/中文解说】The Inner Life of the Cell – 细胞中的生命进程_哔哩哔哩 (゜-゜)つロ 干杯~-bilibili

而化学界自组装方向最开始想模仿出来的结构之一,只是在这个视频中出现了几秒钟的微管。

微管

实际上,在这个方向上努力的化学家大致有两个方向。一个是从生物本源出发的,也就是利用生物本身的DNA,RNA,蛋白质多肽,磷脂…来进行修饰,然后自组装,希望能够整明白自下而上这个过程中,最下的基本非共价作用力之间的作用关系,是如何主导自组装过程,并且最终组装出结构精美,功能独特的组装体的。另一个就是仿生了,化学家的一个好手段就是“买不到?自己做点就完事儿了”。照葫芦画瓢谁不会是吧(我真是站着说话不腰疼),这里能够举的一个牛掰的“小”例子也许是:科学家用本不存在的碱基,创造了新的生命体

A semi-synthetic organism that stores and retrieves increased genetic information

现在做到啥程度了:

我觉得这时候把2016年的诺贝尔化学奖甩出来,应该也没什么不妥吧,虽然估计要被说分子机器跟自组装是两个不同的方向,但是这千丝万缕的联系…就跟披萨上的芝士一样,直接一起拿着吃吧。The Nobel Prize in Chemistry 2016 was awarded jointly to Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart and Bernard L. Feringa“for the design and synthesis of molecular machines.

是的,分子机器。你问我有啥用?Emmm……我需要一杯六个核桃…

要说举例子,我觉得举The Leigh Group的文章比较容易理解了。他组一直在尝试将分子机器功能化,比如用在多肽合成催化中。

An artificial molecular machine that builds an asymmetric catalyst

An artificial molecular machine that builds an asymmetric catalyst

你看这图,是不是跟最开始视频里的有些东东很像!当然,我相信有同学会对文章中的一些细节有质疑,但是不得不说这个大方向很有趣阿!

又比如,Feringa教授的分子马达。

是不是很像下面这个。依旧是Harvard University的视频。

上面两个是机器的例子,还有一些关于自组装的例子,如果大家有兴趣,后面又时间再选几个添加。

那么你们搞化学的吹牛吹这么大,啥都能合成,你弄个细胞出来给我看啊!

认知挑战-非平衡体系:

而这时候我们就要艾特一下 @于猫 同学的回答。我很赞同他的部分观点,简单的讲就是细胞自身的状态以及细胞所处的大环境考虑进去,不然就是只在空谈讲物理变化和化学反应而已。生物体是一个耗散体系,是处于非平衡态的,细胞是其最小构成单位(除病毒外)(这么说对不对?)

耗散体系

细胞是一个能够在高能下维持低熵的究极体系,通过不断的物质流和能量流来维持自己的状态。太牛掰了。但是我们搞化学的传统作业方式,都是一个瓶子加上搅拌加上原料,挂个冷凝管,咕嘟咕嘟一锅煮完了,点个板一看卧槽,反应没成功?扔了。这跟生物体能比吗?

当然,当然没法比…但是,有一批有识之士已经开始搞事情了,比如研研究complex systems的化学家解释了emergence(我理解的就是非线性性质)的出现与非平衡体系的关系:

Classification of emergence and its relation to self‐organization

Classification of emergence and its relation to self‐organization

“Complex systems are nonequilibrium systems displaying self-organization, and the collective properties of these systems are complex emergent properties.“ 这就提出了以后我们肯定要研究化学自组织(self-organization)的,因为这使得出现“有趣”现象的概率大大增加。化学震荡反应就是其中一例(还有很多相关视频,大家喜欢可以自行查找):

【溴螺纹】B-Z空间化学波实验_哔哩哔哩 (゜-゜)つロ 干杯~-bilibili

看这有序图案的产生,有趣不?

然而,

大自然:王之蔑视。

Emmmm…现在一个起码我个人认为非常有意义的研究方向,而且是个学科交叉的方向,就是非平衡态下的自组装体系。包括什么复杂化学,系统化学,动态组合化学,提取出来精华,跟生命学习,向耗散体系进发!

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:Dr.Yao

【知乎日报】千万用户的选择,做朋友圈里的新鲜事分享大牛。
点击下载

此问题还有 105 个回答,查看全部。
延伸阅读:
为什么没有生物直接以 DNA 为模板来合成蛋白质?中间加一个 mRNA 有什么好处?
为什么要给单个细胞测序?