走近干细胞内的量子纠缠

marrowstem

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      细胞生物学，按照一般教科书中的说法，应是研究微观世界的法则。首先，细胞很小，通常只有10几个um大，常需借助显微镜才能观察到。虽然，在细胞内部还有结构更小的基因、蛋白质及细胞器等成分存在，但这些核酸分子或糖类物质本质上是没有生命意义的，原因是这些成分如果在体外单独存在，是不能单独存活的。有人甚至把保存完好的细胞核（含有生物体的全部基因组）分离出来，在体外进行培养，结果发现没有一个物种的细胞核可以在外界持续存在并独立存活。* B+ h6 `. ~6 B( [6 l& e
       此外，微观世界的研究证明，所有的生命体都是由细胞这个基本单位组成的，此也是细胞学说的第一法则：细胞是所有生物的基本结构单位，。其次，细胞也是生物体的基本功能单位，具有自我复制、并进行传种接代的功能；另外，细胞也是一个高度有序的结构体系，它可以与外界进行物质和能量上的的交换。病毒（单纯的核酸DNA）虽然也能复制和传代，但它必须寄宿在一定的细胞内才具有传染性，才能展现它的活性来，如果单独存在，则永远是“死的”。所以，生物体的一切生命现象，如生长、发育、繁殖、代谢和应激等，本质上都是由细胞单位的活动来体现并完成的。这也是细胞学说第二要点的内容：omnis cellula e cellula （细胞来自细胞）。* Y+ B7 @+ q* ^  Q: f
       由是，细胞生物学为我们从微观的尺度上理解生命提供了理论上的框架，那些大的尺度则属于宏观生物学，它包括了进化论在内的所有非细胞生物学理论。如果要在宏观和微观生物学之间找一个“临界点”的话，细胞无疑就是这个界点，因为生命体的组成单位还有比细胞结构更大、成分更复杂的器官、组织和系统等生命层次，它们是我们肉眼可以感受到的部分；以及比细胞更小的蛋白、分子和核酸基因等肉眼无法感知的部分。所以细胞学说不仅驾驭基因和分子等的微观世界，同时它也维系着宏观的世间万物、乃至芸芸众生。
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       (to be continued)

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嘻嘻，细胞学说是活力论的翻版
/ H% F2 W0 u$ i- n“核酸分子或糖类物质本质上是没有生命意义的”——这种观点老掉牙了，酵素可以体外催化代谢，PCR可以体外复制核酸，cell-free translation system可以体外大量翻译蛋白质...有哪种生命现象必须依赖细胞呢？7 B8 S4 k; N% M
如果将细胞比喻为一部电脑，那么结绳记事，算盘，计算尺相当于核酸蛋白质，计算器就相当于病毒，老式手机是支原体，智能手机已经进化为细菌了，局域网则是多细胞生物。“/ K# p% d) F  ]" c  J
定义电脑的是否拥有”智慧“的临界点在于”图灵测试“，那么定义细胞外生命物质是否拥有”生命“如何测试呢？4 k( l7 f& n# s, ~! {. ~/ H

; z/ ?, ^& }7 J1 y6 W# C- W; R- V附 ： 计算机首次通过图灵测试
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8 O3 {, \- D# ]" K3 T6 i, @- I, z今天图灵测试 2014 的举办方英国雷丁大学发布新闻稿，宣称俄罗斯人弗拉基米尔·维西罗夫（Vladimir Veselov）创立的人工智能软件尤金•古斯特曼（Eugene Goostman）通过了图灵测试。如果这一结论获得确认，那么这将是人工智能乃至于计算机史上的一个里程碑事件。5 V3 ]: _7 s; w- \+ o3 }6 u

( w) J  p0 P! \' [" w- c( r! v图灵测试是由现代计算机科学之父英国人阿兰•图灵 65 年前提出的。图灵测试会在测试人在与被测试者 (一个人和一台机器) 隔开的情况下，通过一些装置（如键盘）向被测试者随意提问。问过一些问题后，如果被测试者超过 30% 的答复不能使测试人确认出哪个是人、哪个是机器的回答，那么这台机器就通过了测试，并被认为具有人类智能。- l4 M) j7 ?' M" O5 I
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尤金•古斯特曼（Eugene Goostman）是由俄罗斯人 Vladimir Veselov（现居美国）开发的智能软件，模仿的是一位 13 岁的男孩。在图灵测试 2012 上，尤金就获得了第一名，当时的成绩是 29.2%，距离通过图灵测试仅一步之遥。而在今年举行的共有 5 台超级计算机参赛的图灵测试竞赛上，尤金设法让 33% 的测试者相信它是人类。这意味着这台超级计算机通过了图灵测试。9 R7 i0 G/ g% p* L' L5 G
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雷丁大学的客座教授 Kevin Warwick 说，尽管此前曾有人声称图灵测试已经得到通过，但是相比之下，这次活动的标准是最为严格的，没有对问题做任何预设。因此，他们自豪地宣布图灵测试首次获得通过。
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" f2 e1 M( |$ r! p) l/ R此次的测试参与者包括了英国经典科幻喜剧《红矮星号》中机器人的扮演者 Robert Llewellyn，以及去年提议赦免图灵的自民党人 Lord Sharkey。
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[36氪原创文章，作者: boxi]
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  L  {6 E& l( j另：网易科技讯 6月9日消息，据国外媒体报道，一台计算机成功让人类相信它是一个13岁的男孩，成为有史以来首台通过图灵测试的计算机。这被认为是人工智能发展的一个里程碑事件，但专家警告称，这项技术可用于网络犯罪。- S3 Z8 y5 M5 d2 o

, J( o0 s) b" \5 I计算机和人工智能的先驱阿兰·图灵（Alan Turing）曾提出著名的“图灵测试”，要求在一次时间为五分钟的文字交流中，一台计算机能够让30%的测试人相信它是人类。如果一台计算机能够通过这项测试，那么这台计算机就可以被认为具有人类的思考能力。
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" l( j& Q" n- }* v9 n俄罗斯的一个团队开发了一款名为“尤金·古斯特曼(Eugene Goostman)”的计算机软件，成功地通过了英国雷丁大学组织的一项测试，让33％的测试人相信它是人类。
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这被认为是首台通过“图灵测试”的计算机。虽然此前也有一些人声称其开发的软件成功通过了“图灵测试”，但它们的测试预先设定了讨论的话题或提出的问题。8 i+ L6 Q" Z0 p6 P
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尤金•古斯特曼声称模仿的是一名来自乌克兰的13岁男孩。
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2 X3 t- S( o- f0 X: Z1 k% B该软件的开发者之一弗拉基米尔·维西罗夫（Vladimir Veselov）表示：“我们的主要设计理念是，它可以声称它什么都知道，但由于受年龄限制，实际上它并不是什么都知道，这是完全合理的。我们花了很多时间开发这样一个具有人性的角色。”/ ]3 I: j5 s0 K! s
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英国雷丁大学客座教授凯文·沃维克(Kevin Warwick)指出，该项目的成功，可能促使人们担忧计算机的未来。

marrowstem

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5 t, z6 E' D1 K- ^4 K“细”事纠缠
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       随着近代对细胞生物学研究的深入，发现组成同一个体的细胞之间并不是完全相同的，这种差别在多细胞生物中尤其表现的明显，不同组织、不同器官可由性质完全不同的细胞组成。微观角度的细胞生物学研究显示，细胞之间的差别可以用“千差万别”来形容，如我们人体内就存在二百多种细胞，他们之间不同的组合形成了人体内不同的组织、器官及系统等；此外，同种细胞间也存在着发育水平上的幼稚、成熟和老化之区别；另外，即使在同一器官或组织内，也不单是同种细胞的简单组合，而是由不同性质和功能的细胞有规律的组合而成的。
+ i! C+ w( [- j       至此，也许要问的一个问题是：这种细胞多样性是如何产生的？已知的答案是，细胞即可分裂、也可分化，此是多样性产生的基础。分化是指细胞在空间上出现差异、在时间上有年轻年老的状态，至于分化又是如何产生的？目前所知并不多，勉强认可的一点是——细胞内基因选择性不同表达的结果。而如果要更进一步的问：为什么基因会有不同的表达？即这个基因为什么被激活表达，而那个基因又是“沉默不语”的？老实说在机理上更是完全不清楚的一个问题，如果要考虑更细一点的话：分化到底是在细胞分裂过程中发生、还是在细胞分裂停止后的间期发生？这些问题更是琐碎不明、纠缠不清。所以对细胞生物学来说，细胞如何分化，未知的东西还很多，也是微观世界纠缠细胞学说向前发展的一个大问题。
* X% A! ~5 O# U1 m4 p1 V; v1 ]       其实在很多学说中，细节往往都是阻止学说向前发展的主要障碍，因此还是让我们暂时抛开这个纠缠，再次回到探讨细胞分裂的轨道上来。在多细胞生物中，细胞如此纷杂多样，但有一点可以确定的是由于分化在其中产生的作用，虽然目前机制不明，但一定是遵循一个法则：一切细胞来源于细胞，且都以一分为二的细胞分裂方式分裂产生，且每次分裂产生的两个子细胞会获得与母细胞基因组完全一致的遗传信息。
3 c+ t& D! l4 O, P- x7 z       另外我们也已知道，在机体内每时每刻也有同样多的细胞在衰老或受伤而死去。那么，这一整套细胞新老更替、增值分化有序的机制是由谁来保障完成的？对于这个问题，目前的答案是明确的：是由干细胞的分裂、分化来完成并保障执行的。
- }- `( r4 J* W2 ]4 q( V* {       什么是干细胞？干细胞是一类在数量上极少，隐藏在机体深处的未分化细胞，他们可以像工厂般源源不断地产生各具形态、功能各异的子代细胞。在象金字塔般的细胞分化结构层次上他们位居最高点，可以说是一个机体所有细胞的祖宗细胞。干细胞的另一个独具特异的功能是：它以一分为二的分裂方式产生的两个子细胞的命运是不同的，其中一个获得与母干细胞完全一致的表现型和基因型；而另一个则获得相应的发育命运，过渡到向下游分化发育的阶段，通过增殖和分化产生机体所需的各种功能细胞。干细胞这种具备非凡力量的功能，赋予了干细胞不朽的生命，保证他可以在机体内永葆青春和活力，前提是只要宿主机体不亡。而干细胞的这种不对称分裂特性就是其中的奥妙所在、机制所在。1 s; f( _' s. ^( ]* `7 B6 |
       那么这种万能的细胞又是怎样的一种细胞呢？我们知道，任何一种细胞在机体内都有他自己独特的身份特征和作用角色，如专门负责信号传导的神经细胞有轴突一样的结构，他们表面有神经细胞的标志；负责营养吸收的肠腺细胞，表面有腺体分泌细胞的标志；专门负责清除体内垃圾和毒素的肝脏细胞，则在胞浆内有肝细胞的信息存在。而干细胞却是另外一种完全不同的景象，到目前为止，还没发现有独特的细胞标志存在。对此有人也许会有疑问，不是一些组织干细胞就是通过细胞表面标志来分离和鉴定的吗？如造血干细胞的CD34、肠干细胞的CD113或乳腺癌干细胞的CD40HCD20L等标志，但事实上进一步的研究证实，这些细胞标志并不具特异性，因为发现其他不是干细胞的细胞也存在这些标记的阳性，尤其是一些祖细胞等在分化层次上较幼稚的细胞；另外，目前也有研究证实真正的造血干细胞，CD34应该是阴性的。% l6 a* N% l/ s2 i8 T7 l7 T! N3 P
       到目前为止，真正的干细胞特异性标志还没发现有存在的证据。有人总结说，干细胞本身就是未分化细胞的代名词，就像刚出生的婴儿一样，还是一张白纸，任何基因都没有表达，所以没有任何分子标记也是正常的。因此，期待通过细胞表面标志来识别和分离干细胞可能此路不通。也许有人又会问，是不是可以通过形态来识别干细胞呢？其实这更行不通，因为机体内的细胞有万亿之多，他们在体积、形态上，并没有特别之处存在，同一细胞，在不同的环境下形态是可以完全变样，如梭形细胞在液态环境内可变成圆形。这一点不像蜂巢里的蜜蜂，可与干细胞媲美的蜂王可以通过个头大、及头上、背上不同的花纹来区别。在机体内，干细胞并没有特别之处存在，此也是目前干细胞纠缠我们之处。4 E4 a4 R$ {9 G& {, u7 Q
       所以，对于干细胞，有如物理学中的量子论，量子属性为何隐于毫末，原因并非尺度大小那么简单，纠缠是最具代表性的量子效应。干细胞的纠缠也丝毫不差，目前我们只知其存在，且无时不刻地在体内某处发挥着作用、并控制着身体的细胞新旧代谢，但事实上又不知其长得如何、在机体内藏身何处、且又如何生存，真的是有如武林大侠般来无踪、去无影。干细胞的干性效应无不超越我们的直观和常识，而这些都是干细胞纠缠我们、挑战我们合理思维之处。干细胞纠缠另外一层的意思是干细胞效应怎样延伸至个体水平的宏观系统，the detail is devil（细节是魔鬼），这一点又活生生的摆在了我们面前，纠缠我们进一步的探索，阻止干细胞的研究进一步前行。% p8 ^: K& N& y8 }4 @0 r
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“一切细胞来源于细胞，且都以一分为二的细胞分裂方式分裂产生，且每次分裂产生的两个子细胞会获得与母细胞基因组完全一致的遗传信息。”，此言差矣，) v6 P. B, N+ N/ G' a& _0 X
任何细胞的子代都是非平等的，分类过程中一套老的DNA仍保留在原有细胞中，另一套新复制出的DNA进入新的细胞中，也就是根本不存在所谓的“对称分裂”，所有细胞都和酵母一样是靠出芽繁殖的。

marrowstem

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& q& z. t/ w+ m( d亦生亦死的薛定锷猫
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       这只郁闷的猫首次出现于薛定谔1935年设想的一个实验场景中，实验是这样的：一只猫被放进一个封闭的铁笼器中，并同时在笼子里放一瓶含氢酸的毒气（只对猫有效），另外在铁器皿中，含有少量的放射性物质。在测试中，即使单个原子的衰退，都会令斧头锤碎小瓶杀死猫。而观察者不知道物质的原子是否有衰退，相应的就不知小瓶是否损坏了、毒气是否挥发出来把猫杀死了。
" D1 b# D  X1 K" U       根据量子法则，我们不知道猫是死了还是活着，这时猫处于叠加状态，只有我们打破了那个盒子，才知猫的死活状态，但如果这么做就会使叠加态又消失了，猫乃能活也可能死了。这种情况被称为量子的不确定性，同时也是观察者的矛盾性。因此现象或测量本身影响结果，但如果我们不观察又不知道结果是什么。
3 n- i& ~& p9 m- v       这个实验设计的巧妙之处是他把微观世界与宏观世界交织在一起，从而斩断了两者间的分界线。放射性元素衰变则猫亡、未衰变则猫存，猫的处境与量子状态发生关联，处于亦生亦死的境况。但问题是我们从来没有见过此等景象，在现实世界中，我们眼中所见总是非生即死。据说，薛定锷本人在后来也希望他从来没有碰见过那只猫。
4 k0 o( t! t/ d; i; e0 A       说到这里，让我们重新回到干细胞生物学领域里来，其实机体内的干细胞从某方面来说，也像放射性元素中的量子效应，处于亦生亦死的状态，分别对应于干细胞的休眠与激活状态，休眠期（G0期）对应的是干细胞“死”的状态、而“生”的状态则对应干细胞的激活分裂。由干细胞增殖分裂产生的众多各种阶层的子细胞，它们生与死的叠加，反映到一个个体上，则是个体的非生即死，此是现实中我们肉眼所见到的状况。
7 _# c+ |8 o, i' D9 v3 ^( \      干细胞的干性效应可以将机体内所有的细胞纠缠在一起、并结合成一个不可或缺的整体，另外这种纠缠还包括了基因组中两条DNA链的相互缠绕、基因如何表达的纠缠、以及DNA转录翻译出来的蛋白分子进一步相互叠加产生分子活性的纠缠。这些包括某种活性、体现某种属性的细胞无论相隔多远，它们始终都是一个整体，就会产生让爱因斯坦耿耿于怀的“幽灵般的超距作用”。在机体内则表现为，一个指尖的刺痛可以瞬时引起大脑的反应，并导致针对性的防御躲避动作，如果有出血，则又会引起血液系统级联般的凝血回应。2 C, C2 V5 ]# D
       干细胞是个体生命存在和延续的基础，它的演化是生命得以延续的活力源泉[5]。那么我们怎样才能观察到干细胞的干性展示呢？答案是需要薛定谔那只猫的帮助。也许有人又要说我们可以通过免疫组化、细胞标记来研究啊？可问题是免疫组化标记的细胞是死的，往往不能体现他们的真正属性来；有人说，我们可以把它分离出来，在体外培养来观察啊？但这么做又会面临的问题是，拿到体外培养出来的细胞并不能体现他原本在体内的本性，何况我们现在还没发现干细胞真正具有特异性的标志。/ v9 W* f  f7 o/ Q5 g! f
       正如薛定谔的那个实验，细胞一拿到体外，就好像我们打破了那只密封的铁盒子，破坏了干细胞在体内与其它细胞、其它组织间的互相“纠缠”，原有的叠加状态顿时消失了，这是目前困扰干细胞干性和观察者之间很大的一个矛盾，观察和分离干细胞就会影响结果，但不观察又不知其真正的情况又是咋样。在可以不影响体系的前提下，观察干细胞的真正属性，也即如何看到微观世界干细胞的本质，人类需要那只“薛定谔猫”的帮助，使猫的处境与干细胞“亦生亦死”的状态发生关联。问题是，这只可以亦生亦死的猫到目前还没出现，所以对干细胞生物学机制的了解还将继续是漫漫长夜中摸索前行。
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jojo1988509

最近我看了一本量子物理学方面的书，也理解了一些这方面的知识，虽然不是很深入，只是觉得帖主为什么非要硬生生的把量子物理学的东西和干细胞连在一起呢？你不做这些比喻不扯在一起其实也能说明白掉这些东西的。我是被题目吸引进来，但我觉得这篇文章非要刻意的去拿那些来比喻只是让人摸不着头脑，明明很简单就能说清楚的话。科学的目标受体应该是整个大众。

zhouleiwang2

回复 FreeCell 的帖子
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明明就是半保留复制，何谈一对老的和一对新的？遗传物质都是半新半旧的，或者在微观尺度上讲，根本就没有新旧之别。

FreeCell

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回复 zhouleiwang2 的帖子
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此言差矣，“半保留复制”的是个神话，两个子细胞中DNA并非一半新一半旧分配，全部的DNA旧模板仍保留在原先细胞中，生出了一个全新的细胞

FreeCell

“其实机体内的干细胞从某方面来说，也像放射性元素中的量子效应，处于亦生亦死的状态”，用薛定谔猫来比喻细胞周期很荒谬，细胞死亡的定义为——“不可逆地丧失复制能力”，处于G0期的细胞仍具有复制能力。

marrowstem

jojo1988509 发表于 2014-12-2 16:36
* W5 Q- [* j/ e8 U# e最近我看了一本量子物理学方面的书，也理解了一些这方面的知识，虽然不是很深入，只是觉得帖主为什么非要硬 ...

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       个人目前对干细胞生物学的一个理解是：干细胞生物学的研究目前几乎还处于一个“灰箱”状态，真如我在帖子中所写的，可能我们必须面对的一个事实是，对于干细胞我们只知其存在，且无时不刻地在体内某处发挥着作用、并控制着身体的细胞新旧代谢，但事实上又不知其长得如何、在机体内藏身何处、而又如何生存，真的是这一点有如武林大侠般来无踪、去无影。
8 q; y4 X# o- I5 U7 ?, u       可以说，干细胞的干性效应无不超越我们的直观和常识，而这些都是干细胞纠缠我们、挑战我们合理思维之处。我个人认为阻止干细胞机制阐明的最大障碍之一可能是因为缺少一个行之有效且又不会改变干细胞自然属性的研究平台。而这个平台的中心是要有一只象薛定谔的猫那样即能随时报告干细胞属性而又不会干别干细胞属性的那样一个角色。
* N! o4 ~5 o* [0 g, p  F     可能主要是因为这一点， 我把对干细胞的纠缠与量子效应联想在了一起。其实，在许多微观世界的研究中，可能都是因为缺少了薛定谔的那只猫才使研究的钟摆停在了原地而不能摆动。
( R. u/ G: W$ z4 _' H       对干细胞生物学研究的许多困境可能要联想到量子效应才能寻找到突破口。（个人意见）