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当老鼠拥有“鹰眼”,人类世界会发生什么变化?

提到双眼改造,大家脑海里会浮现出怎样的形象?是炼丹炉里真火焚烧的孙悟空?还是天赋异禀的葫芦娃?其中最接近人间真实的,恐怕要数漫威中

作者: | 2019-03-13 20:51:44 | 来源:51cto

提到双眼改造,大家脑海里会浮现出怎样的形象?是炼丹炉里真火焚烧的孙悟空?还是天赋异禀的葫芦娃?其中最接近人间真实的,恐怕要数漫威中的“鹰眼”了。

鹰眼的眼睛能适应各种环境,不论是阳光、黑暗还是迷雾,都能看得清清楚楚。谁能想到了,视力如此优秀的鹰眼,在《暮狼寻乡》中却是一个双目近乎失明的青光眼。而让他的眼睛变得如此逆天的,是接受了一场政府的实验性视力手术。

而原本只存在在英雄漫画中的“超能力”,最近就被科学家赋予了小老鼠。

3月1日,国际学术期刊 Cell 杂志发表了一篇论文,来自中国科技大学和美国马萨诸塞大学医学院的研究人员,通过向小鼠眼内注射 pbUCNPs 纳米颗粒来增强小鼠的视力,使其能够在保持正常视力的同时,看到近红外光(NIR),这远远超出了人眼可见光的范畴。

那么,这项生物改造技术会给人类带来怎样的影响,又将如何进入现实呢?

人体视觉增强:重要但略显遥远的技术

在解析老鼠的“超能力”之前,不妨先来了解一下,人类在感知近红外光上,有哪些限制和难点。

一般来说,正常视力的人眼,可以感知的电磁波波长大约在 400~760nm 之间,也被成为可见光区域。

但世界上还存在着很多对人类来说难以窥视、却又非常重要的电磁波,近红外光就是其中一种。

一切能够释放热量的物体,都会发出红外线,因此,对近红外光探测和感应可以获得大量信息,对于夜视、安防、作战等影像处理有着绝佳的意义。有红色色盲的人,在近红外线的帮助下也能准确地识别出物体。

然而在目前的人体视觉增强技术中,可以接收视觉影像的眼内植入技术,主要作用是帮助人类恢复并提升视力。

像是2015年,加拿大研究出一种新的仿生镜片,眼内植入这种镜片后,视力有问题的人能将视力恢复到最佳水平。显然,该技术只是帮助人类恢复能力,对于感知近红外光这种“超能力”还无能为力。

那么依赖外部可穿戴设备,比如夜视眼镜,能解决问题吗?

2014年,美国密歇根大学的科学家将可感应光子的石墨烯薄层嵌入到镜片之中,发明了一种夜视隐形眼镜,能够吸收紫外线至远红外线的光谱,让军人拥有“红外夜视”的能力。

但值得注意的是,这些解决方案都有一定人体排异风险,可能带有难以明确的副作用,用健康的受试者来进行试验,显然违背了科学伦理。

另外,即使真的投入使用,也要面对很多物理和生理限制,比如维护、更新成本,稳定性问题,如果在任务过程中被破坏或脱落,如何启动预案等等。

因此,尽管现有的视觉增强技术可以帮助大众和特种人群了解和感知原来无法直接观察的环境,但问题和麻烦也都很多。那么,有没有一种视觉增强方法,可以低风险地直接作用于眼部呢?

现在有了。

“鹰眼”实验:一场基于老鼠的超能力改造

最近,来自中国科技大学的薛天和麻省医学院(Massachusetts Medical School)韩刚领导的的科研小组,开发出了能够配合眼睛结构的纳米技术。

他们改造的 pbUCNPs 纳米颗粒,可以紧紧地固定在视网膜的感光细胞上,充当微型 NIR 光传感器。当近红外光照射到视网膜上时,纳米粒子能够捕获波长980nm的红外光,并将其转换为波长 535nm的可见光,附近的视杆细胞和视锥细胞会将短波可见光转换为大脑所能够理解的信息。

通过下图,我们可以看到实验的几个重点步骤:

1.改造纳米微粒。将增频转换纳米微粒(upconversion nanoparticles,简称UCNPs)与伴刀球状蛋白A(ConA)相结合,得到了光感受器附着的pbUCNPs 颗粒。

2.测试pbUCNPs的转换性能。科学家将这种微粒注射到人眼中并附着在感光细胞上,实验证明视网膜的感光细胞能将红外光转换为绿色可见光,效果十分显著。

3.进行小鼠实验。和人类一样,老鼠在自然状态下也无法看见红外线。科学家将pbUCNPs 纳米颗粒溶解在 PBS(磷酸盐缓冲生理盐水)中,然后注射到小鼠的视网膜下方,并对它们进行了一系列测试。

结果显示,被注射了纳米微粒的小白鼠,瞳孔在红外光照射下会出现收缩的情况,而且,它们还会避开被红外光照亮的盒子,寻找另一个黑暗的盒子来居住,说明其顺利接收到了光信号。相对应的,注射了缓冲剂的对照组小鼠则对此毫无反应。

实验还进一步发现,被“改造”的小白鼠不仅能够探测到近红外光的存在,大脑还能够理解这些信息。

科学家们为老鼠设计了一系列迷宫任务,老鼠们在正常光照条件下,不仅能够看到红外线,还能够利用NIR分辨形状来走出迷宫。

更重要的是,尽管注射pbUCNPs 纳米颗粒会带来一些副作用,比如极少数情况下会使角膜变得浑浊,但概率并不明显,并不会给视网膜结构造成损伤,不良反应往往会在注射后的1-2周消失。而每次注射一次,红外视觉的效果能保持十周之久,最后会直接从眼睛里被冲走。

如此看来,距离实现“鹰眼”的特异功能也并不遥远了吧?

引人遐想的人体视觉2.0改造计划?

至此,我们可以简单总结一下这种新型的生物集成纳米技术增强方式的核心优势:

1.可见光-近红外光兼容,不影响自然视觉的功能,同时又具有足够的特异性;

2.副作用微小、可控、可逆,不会对生理器质产生危害,应用收益足以抵消潜在风险;

3.大规模应用成本足够低廉。这种分子纳米微粒可以很容易地进行大量生产,比起需要复杂工程支持的可穿戴设备和芯片植入等,应用门槛更低。

得益于优秀的实验表现,基于分子纳米技术的NIR视觉增强,极大可能在人类社会创造无与伦比的价值。

首先,因为实现成本和条件不再苛刻,使得普通人也有可能因这项技术而获益,比如用来治疗一些人类红色视力缺陷的相关疾病。

另外,在加密、安保和军事行动中,接受了注射的人员能够直接凭借肉眼就能够顺利获取信息,不需要探测器和摄像机,自然也就无需考虑外部电源、意外损坏等问题,在执行任务时更有优势。

相比识别近红外光的“超视力”,这项技术真正激动人心的地方,在于找到了一条突破生物感官限制的新途径。

想象一下,未来通过分子纳米颗粒在人类眼睛内传递药物,用来解决视觉领域的疑难杂症;或是进化为可以感知波长更长的光(比如紫外光谱),人类可以用肉眼看到以前隐藏在宇宙中的奥秘与联系……会不会从根本上刷新我们对世界的认知呢?

更为关键的是,这项技术应用于人体几乎不会产生副作用,总被诟病的人体增强所产生的负面效应和不确定性,也得以瓦解。

无论是形而上的伦理层面,还是形而下的实践层面,都获得了有效而合理的预期,总体来看,分子纳米技术之于人体增强的价值,已经不言而喻。

那么,距离人类变身“鹰眼”还有多远呢?

看似很近,其实还很远:人类与超能力

具体到视觉增强领域,虽说老鼠和人类的眼睛非常相似,但还是有许多不同,比如人眼视觉会调动更多的视锥细胞。

想要真正将这项技术工程化并应用于人眼,还有许多工作需要做,比如微调纳米粒子的发射光谱等等。看起来,技术成熟似乎已经遥遥在望了。

不难发现,这项突破的最大功臣,就是分子纳米技术。

作为一种前沿的制造技术,分子纳米技术(Molecular nanotechnology,缩写为MNT)可以通过确定性过程去控制分子反应,从而得到可预期的化学反应。

MNT的优点是什么呢?传统化学反应完全是碰运气,不精确的过程产生不精确的结果。但在作用于医疗、制造等环境中,纳米颗粒和机器人往往需要精准可控的变化和自我复制能力,才能保证在解决问题的同时不制造新的问题。

比如说前面纳米微粒UCNPs与ConA结合所得到具有光波长转换能力的pbUCNPs 颗粒,还有一些纳米机器人可以很快对伤口完成可靠而无痛的修复及处理。甚至让煤炭变成钻石,纠正基因缺陷延长人类的寿命等等,这些从理论上都是可行的。

但实现这一切的前提是,纳米颗粒只在受控制和安全的条件下才会自我复制,否则就会像病毒、癌细胞攻击人体一样难以收场。

显然,这一任务和孙悟空七十二变的难度不相上下了。因此,1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的发动机》一书中提出分子纳米技术之后,所取得的突破一直非常有限,尚停留在比较初级的技术性能上。

高端分子纳米技术遇到的主要障碍之一,是缺乏一种在分子/原子尺度上搭建结构的有效方法,尤其是在无法可靠地预测的情况下,只能在理论上进行计算。

第二个困难就是计算难度。模仿生物进化的纳米级MNT,从零开始设计一个复杂系统是一个非常庞大的工作。

生物进化的过程是有机体的随机组合变化,并随时提出不太成功的变异体。MNT工程设计也遵循这一过程,但手动设计一个涉及齿轮或轴承的原子结构,可能需要几个星期,更复杂的部件可能需要更久。

要命的是,MNT结构无法通过后期修补来“变废为宝”,也就是说,一旦出错,长时间的投入和探索都打了水漂。显然,MNT需要更庞大的计算能力与其他控制方法。

目前有几条希望之路,一是合成化学物质,让老鼠拥有“鹰眼”的pbUCNPs 纳米颗粒,就属于这一类,ConA蛋白附着在微粒上,帮助引导纳米粒子进入眼中的感光细胞或光感受器,通过巧妙的化学设计产生新的变化。

另一个则是生物化学。通过核糖体让纳米分子拥有更多的通用能力,比如让DNA担任其他分子的“标记”,这些分子只是组成标记所需的化合物,这样就能够通过DNA来控制各种分子化合物了。这就需要DNA分子计算机、生物计算机这些“最强辅助”了。

一旦DNA计算技术全面成熟,那么不仅分子纳米技术能够出现质的飞跃,饱受质疑的植入型增强技术,也将变得非常简单。未来向大脑植入以DNA为基础的人造智能芯片,就像接种疫苗一样so easy。

当然,从根本上说,所有的技术都是双刃剑。新的技术能力必然伴随着新的风险,也伴随着管理风险的新责任。分子纳米技术与其他技术一样,必须认真考虑在人体增强上滥用的风险。

当它在医疗上的作用超越了传统医疗所追求的治愈,而走向超自然地加强人体的身体和心理机能,必然会引发“增强后分化”的不平等风险,甚至可能出现新的侵略和奴役行为,危及普通人的生存环境。

《论工业社会及其未来》一书中也曾提到:很少人会反对消灭某种遗传病的基因技术,但是大量的基因修改,会使人变成一种人工设计制造的产品,而不是自然的创造物。

等到那时,人类如何理解人与机器、生命体与工业产品之间的界限和关系,也将是一个非常复杂的哲学命题。

因此,政府和科研工作者对于新兴的纳米技术,都必须建立合理的风险评估机制和职业道德控制,进行深思熟虑的监管、监测。

回顾整个人类历史,技术始终都是在进步的,既然退步不可能发生,那么对于大众来讲,需要的既不是草木皆兵地放大风险,也不是自以为是地轻视它们。让技术一直可控地造福人类,是我们在自制的信念下所能抵达的最美好的彼岸。