本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
本週，一個科學家團隊在《自然-生物技術》*雜誌上發表了一項研究，解釋了他們如何創造出一種被稱為“擬水母體”的人造水母。我們需要明確的是：科學家們並沒有從零開始構建一個完全功能性的活水母。相反，他們構建了一個薄的、花狀的由大鼠心肌細胞和矽膠組成的薄片，當受到電流作用時，它可以模仿幼年海月水母的游泳行為。由於擬水母體在沒有輔助的情況下無法移動、無法進食也無法繁殖，因此它不符合真正水母或任何其他動物的資格。儘管如此，這項成就表明了在實驗室中模仿自然的新方法，甚至可能拼湊出一個功能性的合成生命形式。
“我們尚未構建出真正的動物或生物體，但我們製造的東西在某種意義上是活著的，”哈佛大學的凱文·基特·帕克解釋說，他與加州理工學院的詹娜·納沃斯和約翰·達比裡及其同事一起設計了擬水母體。“如果你不斷地將改良細胞組合在一起，你就可以製造出一種完全獨特的生命形式。”
那麼，讓我們嘗試一個小的思想實驗。要製造一個真正的人造水母，一個在各方面都模模擬實水母的人造水母，需要什麼呢？
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起源
水母在地球海洋中已經繁衍生息了至少5億年。與地球歷史上較晚進化的動物（如爬行動物、鳥類和哺乳動物）相比，水母是極簡主義者：它們只需相對較少的器官就能很好地生存。像大多數水母一樣，海月水母（Aurelia aurita），帕克和他的同事們在新研究中模仿的物種，沒有心臟、肺、鰓、迴圈系統或骨骼。相反，海水就足夠了，它支撐著水母的凝膠狀身體，並透過其嘴流動，透過輻射管分配擴散的氧氣和消化的食物。這種不受束縛的身體的優雅之處使得製造人造海月水母比重建更復雜的動物不那麼令人畏懼——但這並不容易。
移動
水母不是海洋中最強壯的游泳者——它們經常隨波逐流——但它們也可以控制自己。為了在海洋中推進，海月水母首先透過收縮其透明的鐘狀體（像雨傘閉合一樣）來對抗水，然後放鬆其肌肉，直到其鍾狀體向上漂浮形成一個扁平的碟子。收縮，放鬆，重複。擬水母體也做著完全相同的事情，但有一個關鍵的區別：真正的水母產生電脈衝來刺激其肌肉細胞，而擬水母體完全依賴於其水箱中電極產生的電壓。海月水母的身體中部散佈著八個起搏細胞（幾乎每個水母身體部位都是四的倍數）。起搏細胞使水母的肌肉有節奏地搏動。我們的心臟中也有起搏細胞，作用相同。大鼠也是如此。詹娜·納沃斯認為，有可能將大鼠心臟的起搏細胞編織到構成擬水母體的心肌組織中，這可能使人造水母能夠自行浮動，而無需電極。這種升級將依賴於一種稱為“共培養”的技術，其中不同型別的細胞一起生長。讓一種細胞型別在實驗室中快樂地生活通常已經足夠困難了，更不用說不同種類細胞的混合物了。可以將它們想象成高維護的室內植物，它們對鄰居很挑剔，如果它們不喜歡自己的環境就會枯萎。儘管科學家們尚未掌握共培養技術，但他們已經取得了令人印象深刻的進展，例如，培養了腸道組織和細菌的小花園，以及上皮細胞和免疫系統細胞。
進食
即使你讓擬水母體能夠自行遊泳，它也會很快死亡，除非它有一種滋養其細胞的方法。人造水母也必須進食。作為其游泳行為的自然結果，活的海月水母在其鍾狀體下方產生微小的渦流——微小的漩渦狀水流，有助於其四個“口腕”和刺細胞觸手將營養豐富的浮游生物拖向其嘴中，並進入充滿海水和消化酶的中央胃中。從那裡，水將營養物質帶入封閉的管道，這些管道上升並遍佈水母的身體，就像樹枝一樣。
由於擬水母體的游泳方式與真正的海月水母相似，因此它也在其鍾狀體下方產生渦流，但它沒有觸手，沒有分解食物的方法，也沒有將食物分配到其不同組織的管道。目前，帕克的擬水母體是由大鼠細胞和矽膠組成的雙層生物。活的水母有三層：外表皮、內胃層，以及適當地，一個稱為中膠層的半透明凝膠狀中間層。人造水母需要所有三層才能正確地容納胃和輻射管。在實驗室中重建活的管道、管和血管是出了名的困難，但組織工程中的巧妙策略——特別是3D列印——表明複製水母的消化系統並非遙不可及。被稱為纖毛的微小毛髮狀結構排列在水母體內的管道內，不斷來回掃動以移動水和營養物質。研究人員實際上已經構建了人造纖毛，其工作效果幾乎與真的一樣好。用消化酶或合成胃液填充胃很容易；讓胃持續分泌這種酶將需要真正的胃細胞或基因改造的細胞。如果渦流吸入足夠的水和浮游生物，觸手不是必需的——但是，沒有刺細胞裙邊的水母算什麼水母呢？
感知
一個被稱為神經網的神經元網路包圍著海月水母的身體。除了協調肌肉運動外，這些細胞還與受體進行通訊，這些受體檢測光、重力、觸覺和溶解在水中的化學物質。水母不一定需要所有這些感覺才能生存，但它們肯定有幫助。此外，動物——以及大多數生物——的一個決定性特徵是感知和響應環境變化的能力。檢測光線並相應地確定自身方向的能力——朝著光線移動以尋找食物或遠離捕食者的陰影——對於人造水母來說將是一個巨大的優勢。構成擬水母體身體的大鼠心肌細胞無法感知光線，但科學家們開發了一種相對較新的技術，賦予細胞這種能力：光遺傳學。
藻類、細菌和一些水母具有光啟用的離子泵和通道——允許帶電粒子穿過細胞膜的蛋白質。科學家們使用病毒將編碼這些蛋白質的基因運送到盲細胞中，也可以使這些細胞對光敏感。僅光遺傳學不足以使自由遊動的擬水母體對光做出有意義的行為反應。人造水母仍然需要以某種基本方式處理這些資訊，這需要起搏細胞、心肌細胞和感覺神經元之間的通訊和協調。而這僅僅是為了給人造水母提供一種簡單的視覺形式。賦予它味覺和觸覺將需要不同的感覺神經元，這些神經元也需要與肌肉細胞進行通訊。儘管缺乏大腦和複雜的中央神經系統，但水母令人印象深刻的感覺陣列將尤其難以複製。
繁殖
然而，創造真正的人造水母的最大障礙是性。繁殖和將自己的基因傳遞給新一代的能力也許是地球上所有生命最基本的特徵。擬水母體是無菌的。它沒有生殖器官。
海月水母有四個這樣的器官，稱為性腺，位於其胃下方。當一些水母繁殖時，雄性將精子從嘴中擠入水中，雌性再將其從嘴中吸回卵巢中。在其他物種中，雌性透過嘴噴出卵子，這些卵子與開放水域中的精子結合。海月水母將受精卵儲存在圍繞其嘴的四個口腕上，形成一種臨時的育兒所。由此產生的幼蟲遊入海洋，將自己固定在海底並長成珊瑚狀水螅體。這些水螅體開始出芽，形成一列倒立的幼年水母，它們像一堆麥片碗一樣相互巢狀。最終，這些幼小的水母一個個脫落並遊走。
從理論上講，人們可以嘗試在擬水母體上設計功能性性腺，但這不會取得多大成就。即使你製造出一個雄性和雌性擬水母體並哄騙它們交配，它們也不會產生更多的擬水母體。相反，它們會製造出普通的海月水母寶寶。畢竟，它們的性腺產生精子和卵子，其中包含活的海月水母的基因，而不是擬水母體的基因。擬水母體沒有功能性基因組。成功地拼接出一個工作正常的擬水母體基因組，該基因組編碼大雜燴般的大鼠心肌細胞和對光敏感的神經元，這超出了當前的能力範圍。此外，矽膠或人造纖毛沒有基因。只要擬水母體仍然依賴於人類工程和合成化合物，它們將永遠是某種程度上的棄兒，被放逐到生命王國的邊緣。這可能是一件好事。
創造一種能夠以某種方式製造自身可行副本的人造水母是一個令人興奮的前景——但它也絕對可怕。實驗室中的一些合成水母起初可能看起來不是一個巨大的威脅。但是，如果——由於善意的實驗出錯或真正的罪惡——它們最終出現在海洋中怎麼辦？如果它們在競爭中勝過其他動物怎麼辦？野生水母的大量繁殖已經囤積食物供應並破壞生態系統平衡。人們可以想象到這些標題：科學家創造了可愛的人造水母。人造水母首次游泳。哇，人造水母表現得非常好！勢不可擋的合成水母群淹沒了世界海洋。人類領導人向勇敢、慷慨、黏糊糊的霸主投降。準備好迎接《你認為你能搖擺嗎？》的季首映...
現在不會發生，很快也不會發生。然而，合成生物學和組織工程領域的顯著進步不斷地將製造功能性人造生物的可能性從不可能的領域推向可行的開放領域。儘管帕克意識到了這種可能性，但他明確表示，真正的、能夠產生後代的人造動物不是他的目標。“那不是我的意圖，”他說。“我對製造能繁殖的東西沒有興趣。我確實希望我們開發的東西能夠引發一些關於什麼是負責任的和合乎道德的討論。”
納沃斯表示同意。“製造出如此複雜程度的生殖動物是非常有野心的。我們應該只是讓它們保持在青春期，停留在調情階段。”
*大眾科學是自然出版集團的一部分