縱觀歷史長河，富有創造力的人類工程師不斷從生物世界中汲取靈感。萊昂納多·達芬奇受到鳥類、魚類和烏龜的啟發，分別設計了飛行器、潛艇和坦克。如今，受動物神經系統啟發而研發的計算機構架——人工神經網路，已成為機器學習的前沿技術。但這些應用都未觸及生物學的深層結構。而這，或將成為未來創造的燈塔。
諾貝爾生理學或醫學獎獲得者保羅·納斯（Paul Nurse）在他的新書《生命是什麼？》（What is Life？）中指出，生命的深層結構指的是細胞或有機體這樣的基本單元，它們能夠自我繁殖，並允許微小的變異。繁殖與變異共同透過自然選擇推動物種的演化，從而形成多樣化的生物種群。它們不僅能夠在變化的環境中存活，還能夠利用新的機會。而那些成功適應環境的單元就能繼續繁殖後代。
類似的機制在不同的尺度上都發揮著作用，構成了眾多關鍵生物過程的基礎。胚胎從單細胞發育為成熟有機體的過程中，會經歷好幾個生長階段（人類有幾十個），每個都與前一個略有不同。最終，受精卵繁衍出各種不同的細胞，包括心臟、肝臟和腦部的細胞。在一個微型的演化過程中，區域性物理、化學環境中的訊號會誘導“正確”的細胞形成。當幹細胞在應對損傷，或者是面板、腸道和血液細胞由於磨損而死亡時，這樣的微型演化機制也會被啟用。
約翰·馮·諾依曼（John von Neumann）和達芬奇一樣，也是一位有遠見的工程師，只不過他表達的方式不是透過藝術，而是方程式與圖表。他建立了博弈論，以及以程式和隨機儲存器為基本特徵的“馮諾依曼體系”——這幾乎是所有現代計算機的基礎。他早期將量子力學與資訊理論聯絡起來的一些觀點直到“第二次量子革命”時才被廣泛認可。
馮·諾依曼於1957年去世。去世前，他正在研究一個新專案，其未完成的手稿後來被收入了《自我複製自動機理論》（Theory of Self-Reproducing Automata）一書。其中，他精確地設計了一個被稱為“通用複製器”的數學模型。它包括三個基本組成部分：機器A是一臺可以根據指令整合資源並進行組裝的機器；程式B能夠指揮機器A；主程式C可以指揮A來製造A+B+C。
對於這種能在簡單化的現實世界中執行的複製系統，馮·諾依曼做了嚴格、詳細的設計。從技術上講，它是一臺元胞自動機，可以從周圍隨機散落的碎片中獲取零件。原則上，根據他的設計，你可以用現代技術造出一個3D列印與計算機的混合系統，它能夠收集材料來製作你想要的東西或複製其自身。透過精心設計故意犯錯的程式或寬鬆的質量控制，我們也能解鎖生命的另一個秘密——變異。
用現成的3D印表機、計算機和原材料所構建的系統肯定是笨拙和低效的。如果有一天，科學家們能夠從生物中學到如何根據編碼在DNA上的指令來製造分子機器，那麼馮·諾依曼的願景將更接近實用。要記住，他早期的電腦模型是在真空電子管時代提出的，這同樣超越了當時的技術。
能自我複製的機器可以釋放指數增長的魔力，或許能讓一些大膽的工程成為現實。它們或許能讓將其他天體地球化的科幻夢想變得觸手可及。而最深刻的或許是，透過呈現生物學的深層結構，生命與非生命的界限終將變得模糊。
（撰文：弗蘭克·維爾切克〔Frank Wilczek〕；翻譯：胡風 梁丁當）
（圖文由《環球科學》雜誌社供稿）
