使用自动化化学实验室探索生命起源

在格拉斯哥大学校园里，穿过17世纪的校门，一栋破旧的砖房里坐落着化学讲座教授的实验室。自1818年乔治三世国王任命第一位讲座教授以来，这里没有太大变化。实验仍然在玻璃烧瓶中进行——尽管现在是由穿着T恤和牛仔裤的学生操作。

现任讲座教授身穿运动型粗花呢夹克和卡其裤，在楼里漫步，宣称一切都将很快改变。“在任何物理或生物实验室，都有自动化，”李·克罗宁告诉我。“在化学领域，一切都还是手工完成。”他打开一间空房间的门，里面化学反应在一个简陋的机器人支架下冒着气泡，克罗宁透露，化学自动化已经开始，其目标远不止提高工业效率。

克罗宁毕生致力于将化学重新定位为一门21世纪的科学。自2002年以29岁的讲师身份来到这所大学以来，他已建立了一个拥有65名成员的研究小组，这是化学领域最大的研究小组之一，每年预算接近500万美元。其中大约一半的资源被投入到“化学计算机”的开发中——这是克罗宁为计算机驱动的自动化化学实验室起的一个奇特名称。除了他的化学计算机能够为个性化医疗定制专门药物的潜力之外，克罗宁还希望将他的领域“化学计算机化”。他相信这是成功解决科学领域两个最大挑战的唯一途径：发现生命的起源，并通过制造像人脑一样智能的机器来推进人工智能。

在他看来，这些问题是相关的，因为生命和智慧都源于生命起源前的化学反应。要找到从基本物质到智人所经历的化学转变，所需的实验量远超双手将液体倒入烧瓶所能实际完成的范围。他的工作范围引人注目，以至于美国国防高级研究计划局（DARPA）支持了他的一项项目。坦普尔顿基金会还向克罗宁和几位同事提供了290万美元的资助，以研究生命是如何开始的。而且他足够精明，知道如何通过同时开发化学计算机的实际应用来补充这笔资金。

“他在制药和其他所有领域都取得了巨大进展，”亚利桑那州立大学天体生物学家萨拉·伊马里·沃克（Sara Imari Walker）说，她是克罗宁在生命起源研究方面的主要合作者之一。“他非常擅长策略性地利用其他领域来完成他想做的基础科学研究。”

如果克罗宁的雄心壮志得以实现，无数其他研究人员将在他们自己的化学计算机上取得突破，从而推动他的研究。他渴望化学能够“见证其自身的摩尔定律版本”，即计算机能力大约每两年翻一番的现象。尽管他的豪言壮语遭到业内一些人的反对，他们质疑自动化是否会带来如此大的革命，但克罗宁并未被这些疑虑所困扰。实验室里在我们身后的那台化学计算机也没有，它无视我们的对话，一心一意地合成着一种鲜有化学家能徒手合成的分子。

化学如木工

克罗宁8岁时，曾翻遍父母的房子，寻找零部件来组装一台电脑。为了分散他的注意力，也为了保住家里仅存的几件电器，他父亲给他买了一套化学实验套装。克罗宁立刻着手将其与他搜罗来的电子零件结合起来。他当时并没有想到“化学计算机”这个概念——至少还没有完全形成——但他已经开始以一种将科学和技术结合起来的方式，这将决定他作为一名自由奔放的实验者-发明家-企业家的毕生事业。“我一直对现实感兴趣，”他说。

这在东英格兰伊普斯维奇镇的学校里并不顺利。教育系统对早熟的孩子几乎没有容忍度，他的老师尤其不喜欢学生提出老师无法回答的问题。“每个人都说我太笨了，做不了我想做的事情，”他回忆道。他们认为他质疑课程是一种逃避真正死记硬背学习的策略。于是，他在课堂上变得越来越捣乱，同时利用业余时间自学相对论的数学。他的成绩降得非常低，以至于他无法获得大学入学考试的资格。他的父亲再次介入。他自掏腰包支付了入学考试的注册费，前提是如果他儿子通过了，他会得到报销，但这不太可能。当成绩出来时，很明显克罗宁实际上并不笨。他进入了约克大学。

“我一半时间梦想着科学，一半时间不得不做化学，这让我觉得非常无聊，”克罗宁说。在很大程度上，他的化学训练就像学习木工，掌握一系列可以连续使用来构建新分子结构的化学反应。“我总是在想，‘我能组装出什么最小的物体来制造最复杂的物体并引发一系列事件？’”他说。换句话说，他更感兴趣的不是化学的细枝末节，而是化学能够创造什么。

在此期间，即20世纪90年代，克罗宁还学会了支持他非传统职业所需的实用技能：获得博士学位并在伯明翰大学获得教职后，他立志成为一名最优秀的分子木匠。“我没有放弃我的哲学思想，”他说。“我只是意识到，如果我不能先成为一名成功的化学家，我就不可能成为一名成功的科学家。”到2002年他搬到格拉斯哥时，他已经能够按需构建几乎任何分子。

为了避免束缚于实验室工作，他开始摆弄简单的液体传输机器人系统。他结合现成的硬件、基本的开源机器人技术和实验室设备，制造出了能够自动化实验的机器。克罗宁最终在格拉斯哥成熟起来，在那里他试图制造出他童年梦想中的机器。

化学编译器

回到实验室，我看到博士生普日米斯瓦夫·弗雷（Przemyslaw Frei）站在一台3D打印机前，看着它的喷嘴一层又一层地挤出半透明塑料。

“这是我做过的最复杂的反应器，”他告诉我。它完成后，将能够结合化学物质，以有限的人工操作合成一种新药。这种集成的“反应器”将是克罗宁用一系列派热克斯玻璃容器原型设计的化学计算机的简化版本，相当于跑车与卡丁车的区别。

弗雷说：“如果你有设计文件来输出3D打印机上的反应器，并且你知道化学程序，那它就是万无一失的。”“这从化学家的角度来看是一项优势。”

可重复性是所有优秀科学的基础，对于像克罗宁这样有抱负的化学家来说尤为重要。“当你发表论文时，确保其他人能够重现它是你的道德责任，”克罗宁说。实验室的可重复性历来是一个挑战，因为化学是手工技艺。尽管原则上严格，但实际操作程序类似于食谱，通常由教授传授给学生，并且依赖于那些因为习惯和几乎无意识而未被记录的微妙之处。当混合物开始冒泡时，你是继续下一步还是等到冒泡停止？克罗宁说，这通常取决于专业知识：“我们实验室里做的很多事情都无法重现，因为我们的专业水平没有得到很好的说明。”但在克罗宁的实验室里，化学计算机就是专家。弗雷的反应器之所以可靠，是因为自动化系统必须按程序告知每一步，否则它们会彻底失败。

过去几年，克罗宁致力于开发一款名为“化学编译器”的软件，它能自动编译每个化学实验室程序的每一步，以及所需的所有设备和材料。化学编译器可以从研究论文的普通语言中提取所有这些信息，并标记论文中含糊不清的地方。在解决所有模糊之处后，化学编译器代码可以将化学物质通过反应器运行，或者通过克罗宁最初向我介绍化学计算机概念时展示给我的那套笨重的烧瓶和管道系统运行。

克罗宁相信，任何实验室都可以使用他免费提供的方案，以低于10,000美元的成本组装这套设备。尽管使用玻璃器皿的版本更为原始，但他出于实用主义考虑保留了它。他希望为研究人员提供尽可能多的选择，希望化学编译器能成为“化学的通用编程语言”，标准化到足以让所有人协作。这需要克服很大的惯性。“化学家们相当抱怨，”他说。为了激发人们对该系统的兴趣，他通过让化学计算机合成万艾可（伟哥）中的活性成分来展示其能力。

化学计算机按需制药的能力已经引起了多家制药公司的浓厚兴趣。虽然阿司匹林到万艾可等药物都是工厂大规模生产的，但该行业认为化学计算机有机会定制小批量个性化药物，用于治疗从癌症到囊性纤维化等各种疾病。DARPA也表达了兴趣，并为克罗宁提供了资金。该机构对在现场制造反应器的可能性感到兴奋，这意味着军队可以通过将数字文件发送到3D打印机，在任何地方合成任何药物或材料。

在克罗宁看来，化学计算机将在研究实验室中掀起更大的波澜。“大多数化学家90%的时间都在做已知的化学反应，”他说。为了合成他们想要创造的分子，他们要经过无数的初步步骤，就像厨师准备舒芙蕾的食材一样（只不过每一步可能需要数周时间，并且剧毒）。如果化学计算机能够充当副厨——按需制备任何已知分子——化学家就可以专注于创新。换句话说，他们就不会被克罗宁在伯明翰不得不忍受的繁重工作分散注意力。

自动化发现

解放全球约20万名实验室化学家只是克罗宁愿景的一半。另一半是自动化发现过程本身。他坚称，化学家不会失业。相反，研究能力会得到提升。“如果你有无限数量的[化学物质]和无限数量的人，你也可以进行无限数量的实验，”他说。

他的基本想法是将一台化学计算机与一台能够即时分析化学物质的机器连接起来，加入一些人工智能，然后给系统设定一个目标。然后让它在一个闭环中运行，直到命中目标。目标可能像制造人造生命一样异想天开，也可能像找到一种副作用最小的治疗疾病的药物一样实用。

其他化学家对这种自动化化学的愿景持谨慎乐观态度。“李在这里的工作很重要，”利物浦大学化学家安德鲁·库珀（Andrew Cooper）说，他是化学自动化领域的先驱之一。他对化学计算机的可扩展性印象尤为深刻：化学家有朝一日可以无缝地从研究转向生产，大量制造有价值的新材料。

亚历山大·戈弗雷（Alexander Godfrey）曾在美国礼来制药公司开发早期自动化系统，现在领导国家卫生研究院的自动化药物发现项目，他更是对克罗宁的概念投入了极大的精力。他正计划建造一台自己的化学计算机，整合克罗宁的框架和创新。

戈弗雷指出，关于化学自动化未来的预测历来褒贬不一。特别是，制药公司在90年代投入大量资金用于设计并行进行多项实验的系统。他打趣道，那简直是“垃圾进，垃圾出”。但他相信这一次可能会有所不同，主要是因为人工智能已经成熟。李的开发不仅会“影响药物发现”，戈弗雷说。它还将彻底改变材料发现，从更高效的电池到更高效的生物燃料。“通过民主化，你可以带来更多的想法，并且获得更多元化的思想家。”

混沌中的秩序

为了探索生命的起源，你可能会尝试制作一个电动转盘，让它24/7不间断运行。至少这是达里奥·卡拉梅利（Dario Caramelli）所采取的方法，他是一名博士后学生，就在克罗宁繁忙的实验室里，距离弗雷不远。“[我们可以]每天运行数千个实验，[因为机器]总是在执行所有步骤，”卡拉梅利解释道，他指出旋转桌面上的机械臂如何在一个盘子里放置化学物质，同时清洗第二个，烘干第三个。一个摄像头监控着内部发生的一切。如果任何供应品用完了，“机器人会发送一封电子邮件。”

这个转盘是化学计算机的一种变体，经过特殊配置，旨在探索简单的化学物质的随机混合物如何以产生类生命复杂性的方式相互作用——本质上是对化学可能在通往达尔文进化论的道路上所采取的途径进行调查。“我们正在做的是混合字面意义上的随机配方，将它们放入培养皿中并进行录像，”克罗宁说。

图像识别软件与人工智能相结合，可以发现意外之处，例如意想不到的相互作用。（在其他设置中，摄像头会替换为更复杂的仪器，例如质谱仪。）该系统通常在闭环中运行。显著的行为可以自动迭代，以达到更高的复杂性和更像生命的品质。

与用于发现新药的化学计算机不同，克罗宁不预设特定目标。“我不知道我在找什么，”他在难得的谦逊时刻承认。由于地球上没有生命起源的记录，他的目标是在不作假设的情况下尽可能探索更多的可能性，这是一种只有通过快速自动化才能实现的化学方法。

沃克，这位与克罗宁合作的亚利桑那州立大学天体生物学家，认为这种方法很有吸引力，因为其他星球上的任何生命都不太可能遵循与地球相同的路径；普遍理解生命可以帮助研究人员通过拓宽目标范围来识别外星环境中的生命。从克罗宁的角度来看，人工生命的创造——甚至是类生命行为——本身就很有趣，因为它支持了他的另一个宏伟抱负：创造一个化学大脑。

大脑凝块

克罗宁对大脑并不特别感兴趣。他认为智能，就像生命一样，不过是一种化学相变。因此，为了在化学物质中诱导智能行为，克罗宁再次押注于随机的混乱，并通过自动化的速度和效率来增加胜算。“我想，为什么不把一团化学物质连接到电极阵列上呢？”他说，然后把我带进一间上锁的小房间，他正在那里尝试。

大体思路是让一种凝胶暴露在电模式下，直到化学物质以识别该信号的方式自组织，这是一种控制动物和人类行为的模式识别的初步形式。这种技术类似于计算机科学家训练某些人工智能算法的方法，但克罗宁使用的是一种像灰质一样凝胶状的材料。克罗宁认为，传统的计算机模拟过于简单，永远无法变得非常智能，并且以真实大脑的方式：用化学来创造智能是有道理的。

“人们过去常担心我做太多不同的事情，”克罗宁在我关闭他未来大脑的灯时告诉我。“我说，‘你不明白。我实际上只做一件事。’”从生命起源到人工智能，他都在问这样一个问题：“随机化学系统是如何进行信息处理的？”

我问他信息处理是什么意思。他说他指的是生命所做的所有令人费解的事情，从进化到高级决策——这些现象在你审视构成生命的原始化学物质时是找不到的。他停顿了一下，让这种形而上学的神秘感沉淀下来，然后换了一种说法：我们忽略了周围的一切物质中，哪些可以组合起来构建有意识的机器？

现在他只是在等待一团随机的化学物质来向他展示。

乔纳森·基茨 (Jonathon Keats) 是旧金山的一位作家，也是《你属于宇宙：巴克敏斯特·富勒与未来》一书的作者。