數(shù)據(jù)、信息與生命*
——文特爾生命觀研究

趙云波 鄧 婧

克雷格·文特爾(John Craig Venter，1946年～)出生于美國(guó)猶他州鹽湖城，獲得加州大學(xué)圣地亞哥分校(the University of California at San Diego)生物化學(xué)學(xué)士學(xué)位(1972年)、生理學(xué)及藥理學(xué)博士學(xué)位(1975年)。畢業(yè)后，文特爾曾任職于紐約州立大學(xué)布法羅分校(the State University of New York at Buffalo，1976年～1982年)、美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(National Institutes of Health，1983年～1991年)，創(chuàng)立了基因組研究所[The Institute for Genomic Research(TIGR)，1992年]、塞萊拉基因組公司(Celera Genomics，1998年)等。在此期間，文特爾致力于基因測(cè)序相關(guān)研究工作，例如，其改進(jìn)基因組快速測(cè)序方法——表達(dá)序列標(biāo)簽技術(shù)(express sequence tag，EST)、解碼流感嗜血桿菌的基因組(1995年)、采用“全基因組霰彈測(cè)序法”(whole genome shotgun sequencing)開(kāi)展人類基因組測(cè)序工作(2000年)。進(jìn)入21世紀(jì)，文爾特就“創(chuàng)造真正的人造細(xì)胞”展開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究，并完成了第一個(gè)“人造”細(xì)胞JCVIsyn-1.0(2010年)。文特爾獲得了美國(guó)國(guó)家科學(xué)獎(jiǎng)?wù)?The President's National Medal of Science，2008年)、丹·大衛(wèi)獎(jiǎng)之未來(lái)獎(jiǎng)(Dan David Prize，2012年)等?；陂L(zhǎng)期的科學(xué)實(shí)踐和對(duì)生命是什么的深入思考，文特爾提出“生命是一個(gè)信息系統(tǒng)”的觀點(diǎn)。那么，這樣的觀點(diǎn)是如何產(chǎn)生的？主要內(nèi)容又是什么？本文以其系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)為切入點(diǎn)以窺一斑。

1 歷史上的爭(zhēng)論：生命是什么？

“生命是什么？”大概是人類自古以來(lái)不斷追問(wèn)卻依然聚訟紛紜的一個(gè)重大問(wèn)題，歷史地看，活力論(vitalism)與還原論(reductionism)的爭(zhēng)論是一條重要脈絡(luò)。還原論認(rèn)為，生命與非生命之間別無(wú)畛域。例如，古希臘時(shí)期恩培多克勒(Empedocles,公元前493年或495年～公元前432年或435年)認(rèn)為，包括生命在內(nèi)的所有物質(zhì)都可以還原為土、水、空氣和火四種元素[1]15-16。而在活力論看來(lái)，生命與非生命物質(zhì)之間橫亙著一條無(wú)法跨越的天塹，“活力”(vital force)是生命獨(dú)有的性質(zhì)。例如，古印度草醫(yī)學(xué)認(rèn)為，“人體是由五種元素和七種基本成分構(gòu)成的，五種元素包括——土、水、火、風(fēng)和真空。五種獨(dú)立的元素，加上生命靈魂和心底靈魂共同調(diào)節(jié)著生命機(jī)能”[1]5。這是一種典型的活力論。

實(shí)際上，從人類認(rèn)識(shí)生命的發(fā)展史來(lái)看，兩種觀念并非時(shí)刻涇渭分明，而是時(shí)常交織在一起，這與人類對(duì)生命的認(rèn)知還非常有限直接相關(guān)。早在古希臘時(shí)期，亞里士多德(Aristotle,公元前384年～約前322年)盡管將整個(gè)世界分為動(dòng)物、植物和礦物三大類，并將當(dāng)時(shí)已知的520多種動(dòng)物分為6個(gè)等級(jí)，而就動(dòng)物的生殖方式而言，有些為父子相承，有些為自發(fā)生成，在自發(fā)生成的動(dòng)物中有些從腐土或腐殖質(zhì)中繁育出來(lái)[2]；但另一方面他也講，“靈魂是有生命物體(生物)之因與原(第一原理)”，其中植物具有一種“靈魂機(jī)制”，即“繁殖與進(jìn)食”，動(dòng)物則還須具備“感覺(jué)與運(yùn)動(dòng)”，人類除卻上述兩種“靈魂機(jī)制”外，還需具備“思想(推理)”[3]。而且，早期的活力論普遍帶有不可知性。

18世紀(jì)、19世紀(jì)，新科學(xué)進(jìn)展不斷影響著人類對(duì)生命的認(rèn)識(shí)。安托萬(wàn)·拉瓦錫(A.Lavoisier,1743年～1794年)通過(guò)實(shí)驗(yàn)推翻燃素說(shuō)，提出氧化反應(yīng)，認(rèn)為萬(wàn)事萬(wàn)物是由元素構(gòu)成的，他制定了第一份元素列表。約翰·道爾頓(J. Dalton，1766年～1844年)提出原子論，并隨著發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多的新元素，有人假設(shè)生命現(xiàn)象在本質(zhì)上應(yīng)該也是一種特殊的化學(xué)反應(yīng)。1828年，德國(guó)化學(xué)家弗里德里?！ぞS勒(F. Wohler,1800年～1882年)在他開(kāi)展的一項(xiàng)合成氰酸銨的實(shí)驗(yàn)中意外得到了尿素：

這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)生命觀的重要性在于：兩種無(wú)機(jī)物通過(guò)化學(xué)反應(yīng)得到了尿素，即一種從動(dòng)物尿液中純化出的物質(zhì)，也就是當(dāng)時(shí)的人們認(rèn)為只有生命體才能合成的物質(zhì)。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)打破了當(dāng)時(shí)無(wú)機(jī)與有機(jī)之間不可逾越的界限，這兩個(gè)概念自身也發(fā)生變化，但“活力論”并沒(méi)有隨之消聲匿跡，不少實(shí)驗(yàn)科學(xué)家也并不完全摒棄這一觀念。

19世紀(jì)末，德國(guó)科學(xué)家漢斯·杜里舒(H. Driesch,1867年～1941年)做了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，他將受精卵經(jīng)過(guò)兩次細(xì)胞分裂后形成四個(gè)細(xì)胞的海膽胚胎分裂開(kāi)來(lái)單獨(dú)培養(yǎng)。按道理四個(gè)細(xì)胞應(yīng)該成長(zhǎng)為海膽的四個(gè)部分，合起來(lái)是一個(gè)完整的海膽，然而實(shí)際上四個(gè)細(xì)胞分別長(zhǎng)成了體形雖小但體態(tài)完整的海膽。據(jù)此，杜里舒認(rèn)為，這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了“活力”的存在。

同樣，另一項(xiàng)著名的實(shí)驗(yàn)是路易斯·巴斯德(L.Pasteur,1822年～1895年)實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)食物發(fā)酵和變質(zhì)是一回事，都需要單細(xì)胞生物酵母的參與。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)支持了種生論，否定了自生論，但在生命觀上卻支持了“活力論”，他認(rèn)為既然只有酵母才能催化發(fā)酵過(guò)程，那么，發(fā)酵也就只能是生命才具備的化學(xué)反應(yīng)。因此，他認(rèn)為在實(shí)驗(yàn)室中制造生命是不可能的。

事實(shí)上，這個(gè)問(wèn)題回到了一個(gè)更為根本的問(wèn)題，1858年德國(guó)病理學(xué)家魯?shù)婪颉ぞS爾肖(R.L.C.Virchow，1821年～1902年)提出：“細(xì)胞來(lái)自于細(xì)胞，就好像動(dòng)物來(lái)自于動(dòng)物，植物來(lái)自于植物一樣。”[4]那么，最初細(xì)胞的最終來(lái)源是什么？可以來(lái)源于非生命物質(zhì)嗎？實(shí)驗(yàn)室中可以制造出生命嗎？

1952年，芝加哥大學(xué)的斯坦利·米勒(S.L.Miller，1930年～2007年)和哈羅德·尤里(H. C. Urey，1893年～1981年)通過(guò)將水、氨氣和甲烷暴露于模擬的早期地球環(huán)境中，既滿足封閉、無(wú)菌但含有電極產(chǎn)生的熱量和火花等條件，發(fā)現(xiàn)這些無(wú)機(jī)物可以自發(fā)形成糖、氨基酸等復(fù)雜的有機(jī)分子。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)支持了還原論，認(rèn)為生命現(xiàn)象可以還原為物理、化學(xué)反應(yīng)。著名物理學(xué)家艾爾溫·薛定諤(E. Schr?dinger，1887年～1961年)同樣對(duì)這一信條堅(jiān)信不疑。

20世紀(jì)40年代，薛定諤在都柏林圣三一學(xué)院發(fā)表了系列演講集中討論何為生命，他演講的題目《生命是什么？——活細(xì)胞的物理層面》(What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell)已經(jīng)表明了他的生命觀：“如何使用物理學(xué)和化學(xué)解釋發(fā)生在一個(gè)生命有機(jī)體內(nèi)的時(shí)空中的事件？”圍繞這個(gè)問(wèn)題，他也給出了一個(gè)初步的回答：“目前的物理學(xué)和化學(xué)顯然還沒(méi)有能力解釋這些事件，但絕不能因此懷疑它們以后也不能對(duì)此做出解釋?！盵5]后來(lái)，薛定諤將演講稿整理成書《生命是什么？——我的世界觀》(Whatislife:Myviewoftheworld)出版發(fā)行，影響了包括弗朗西斯·克里克(F.H.C. Crick，1916年～2004年)、詹姆斯·沃森(J.D.Watson，1928年～)、文特爾埡理解生命在內(nèi)的大批著名生物學(xué)家。

2012年，也就是合成第一個(gè)完全由人造DNA控制的細(xì)胞JCVIsyn-1.0兩年后，文特爾走上70年前薛定諤曾走上的圣三一學(xué)院禮堂講臺(tái)，就同一個(gè)主題《生命是什么》發(fā)表演講。在文特爾看來(lái)，“合成生命的終極目標(biāo)是通過(guò)重造生命來(lái)理解生命”[6]66。他認(rèn)為，長(zhǎng)期以來(lái)還原主義在生物學(xué)發(fā)展中扮演著重要角色，他說(shuō)：“過(guò)去幾十年中，通過(guò)揭示細(xì)胞的成分、動(dòng)力和周期變化的還原主義實(shí)驗(yàn)路線一直是幫助我們了解細(xì)胞的主力方法?！盵6]131但是，“合成生物學(xué)的興起表明我們對(duì)生命的認(rèn)識(shí)路徑很明顯地不同于傳統(tǒng)還原主義”[6]131。那么，合成生物學(xué)是如何“不同于”傳統(tǒng)還原主義實(shí)驗(yàn)？是不是否定了“還原論”呢？文特爾通過(guò)合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)形成了什么樣的“生命觀”呢？

2 文特爾合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)三部曲(四個(gè)實(shí)驗(yàn))

細(xì)胞的最終來(lái)源是什么？至今是一個(gè)謎，完全解開(kāi)這個(gè)謎也許需要重新等待35億年的進(jìn)化過(guò)程。合成細(xì)胞的意義則在于人類無(wú)需數(shù)十億年的漫長(zhǎng)等待與觀察，“我們改動(dòng)了基因組，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)造出一個(gè)在自然界沒(méi)有直接祖先的合成細(xì)胞，這可謂為生命的河流增加一條新支流”[6]129。正如有學(xué)者形象地指出，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)是“看”基因，基因測(cè)序是“讀”基因，那么，合成生物學(xué)就是“寫”基因。

文爾特具有重大意義的合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)有四項(xiàng)：合成噬菌體phi X174基因組；合成生殖支原體基因組；一個(gè)物種改變另一物種：將絲狀支原體染色體移植到山羊支原體細(xì)胞核中取代原有染色體并獲得生命活性；創(chuàng)造一個(gè)僅由人工合成DNA控制的細(xì)胞。這四項(xiàng)工作可以歸為實(shí)驗(yàn)三部曲。

2.1 合成基因組實(shí)驗(yàn)

2.1.1 合成病毒phi X174基因組

在發(fā)展出基因測(cè)序技術(shù)之前，已經(jīng)有科學(xué)家在不知道DNA序列的情況下合成出了病毒phi X174。阿瑟·科恩伯格(A.Kornberg，1918年～2007年)于1957年在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)聚合酶，并于1959年因確定了“DNA的生物合成機(jī)制”而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。聚合酶在合成病毒phi X174中的作用主要是復(fù)制線性狀態(tài)下的DNA，再通過(guò)1967年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的連接酶將線性的病毒DNA連接成環(huán)狀，這是phi X174產(chǎn)生毒性的必要條件?？贫鞑竦难芯砍晒唤?jīng)發(fā)表就引起了轟動(dòng)，被稱為“試管中的生命”[7]。

文爾特合成phi X174的方法則與科恩伯格不同，是在明確其DNA序列的基礎(chǔ)上開(kāi)展合成工作。20世紀(jì)70年代，弗雷德里克·桑格(F. Sanger,1918年～2013年)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了對(duì)噬菌體phi X174的DNA測(cè)序工作，文特爾再次用當(dāng)時(shí)最新方法重新測(cè)序以提高精準(zhǔn)度，并將phi X174的DNA序列數(shù)字化,也就是將碳基轉(zhuǎn)化為硅基，基因序列信息存入計(jì)算機(jī)中，然后從計(jì)算機(jī)文件中的DNA序列開(kāi)始，將基因組分成一系列足夠小的、前后之間有所重疊的片段，達(dá)到DNA合成機(jī)所能高準(zhǔn)確率合成的長(zhǎng)度從而制出這些片段,此時(shí)得到合成噬菌體基因組所需的元件，將這些元件按正確的順序連接起來(lái),再通過(guò)技術(shù)形成環(huán)狀。最后將合成的phi X174 DNA植入大腸桿菌中驗(yàn)證是否有毒性，即在宿主細(xì)胞中具有自我復(fù)制能力和能夠殺死宿主細(xì)胞。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示合成的phi X174 DNA具有毒性，該成果于2003年12月23日發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上。文特爾認(rèn)為，他和他的團(tuán)隊(duì)“極大地縮短了從合成寡核苷酸中精確組裝5kb～6kb片段DNA所需的時(shí)間”[7]。當(dāng)時(shí)引起了政府和社會(huì)的深度關(guān)注，在考慮到這項(xiàng)研究成果倫理問(wèn)題的同時(shí)，也給予了積極評(píng)價(jià)，時(shí)任美國(guó)能源部部長(zhǎng)斯賓塞·亞伯拉罕(E.S.Abraham，1952年～)預(yù)測(cè)，合成生物學(xué)將會(huì)幫助定向制造出一些微生物，如專門用于處理污染、吸收過(guò)量二氧化碳，甚至滿足未來(lái)燃料需求的微生物[6]77-78。

2.1.2 合成活細(xì)胞生殖支原體的基因組

當(dāng)然，嚴(yán)格講病毒并非生命體，在文特爾看來(lái)，需要從合成活細(xì)胞的基因組工作中增進(jìn)對(duì)生命所必須的基因的認(rèn)知，他們選擇了生殖支原體的基因組作為下一步研究的目標(biāo)。生殖支原體是目前所知的擁有最小基因組的生物，有582 970個(gè)堿基對(duì)，是phi X174堿基對(duì)的100倍。得益于從數(shù)字代碼化學(xué)合成出高精度病毒基因組的基因片段的經(jīng)驗(yàn),類似地，將生殖支原體染色體分解成病毒基因組大小的基因片段并化學(xué)合成，然后找到合適方法將其拼接在一起,這是合成生殖支原體基因組的基本思路。但畢竟兩者之間堿基對(duì)數(shù)量差距巨大，這給文特爾團(tuán)隊(duì)帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)，為此，他們改進(jìn)了合成方法。

首先依然是高精度測(cè)序，讀基因一般設(shè)定錯(cuò)誤率為1/10 000，但以此標(biāo)準(zhǔn)寫基因,則將失之毫厘、謬以千里。1995年文特爾團(tuán)隊(duì)曾做過(guò)生殖支原體的測(cè)序工作，將那個(gè)時(shí)期的測(cè)序儀的測(cè)序結(jié)果與新技術(shù)再次測(cè)序的結(jié)果相結(jié)合,把錯(cuò)誤率由1/10 000降到了1/100 000。第二步，將這近60萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)分成101段，每段5 000個(gè)～7 000個(gè)堿基對(duì)，也就是一個(gè)phi X174基因組的大小。第三步,也是最關(guān)鍵的一步,把這101個(gè)卡帶連接起來(lái)組裝成一個(gè)基因組。最后，檢測(cè)合成目標(biāo)基因組序列。

結(jié)果表明DNA序列與在計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)的序列完全匹配，文特爾團(tuán)隊(duì)成功合成了一個(gè)擁有近60萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)的生殖支原體基因組，這是當(dāng)時(shí)“具有確定結(jié)構(gòu)的最大化學(xué)合成分子”[8]。成果于2008年2月29日由《科學(xué)》正式發(fā)表。

以上兩項(xiàng)工作還未達(dá)到合成細(xì)胞的層次，但解決了合成生物大分子的精準(zhǔn)測(cè)序、化學(xué)合成等基礎(chǔ)理論認(rèn)知與應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)。

2.2 絲狀支原體基因組移植到山羊支原體細(xì)胞

文特爾認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)將合成的DNA移植入細(xì)菌中并代替原有的染色體這個(gè)目標(biāo)，就需要先開(kāi)發(fā)出基因組移植的方法，而且他認(rèn)為對(duì)理解生命最有價(jià)值的一篇文章就是開(kāi)展這項(xiàng)研究得到的成果，即于2007年發(fā)表于《科學(xué)》上的《細(xì)菌中的基因組移植：將一物種改變?yōu)榱硪晃锓N》(Genome Transplantation in Bacteria: Changing One Species to Another)。這篇文章報(bào)道了他和他的團(tuán)隊(duì)如何將絲狀支原體基因組完整移植入山羊支原體細(xì)胞內(nèi)的思路、方法和結(jié)果。也正是這項(xiàng)研究，讓文特爾加強(qiáng)了“生命是一種信息系統(tǒng)”[6]110的認(rèn)識(shí)。

實(shí)驗(yàn)同樣起步于基因組測(cè)序。絲狀支原體、山羊支原體都是山羊的致病菌。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)序，前者有1 083 241個(gè)堿基對(duì)，其中3/4與擁有1 010 023個(gè)堿基對(duì)的山羊支原體在序列上匹配?；跍y(cè)序結(jié)果及相關(guān)特性，在基因組移植實(shí)驗(yàn)中，文特爾團(tuán)隊(duì)將絲狀支原體作為供體，山羊支原體作為受體。第二步將從供體中完整提出的染色體移植入受體的細(xì)胞中(文特爾團(tuán)隊(duì)選擇了不去除受體細(xì)胞染色體的方式)，并在供體細(xì)胞基因組中加入兩個(gè)基因：抗生素選擇和半乳糖苷酶基因，后者能使細(xì)胞在半乳糖苷環(huán)境中發(fā)出藍(lán)色。

如果實(shí)驗(yàn)成功，應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)藍(lán)色的耐抗生素的菌落。正如預(yù)期，文特爾團(tuán)隊(duì)在培養(yǎng)液中看到了這樣的結(jié)果。為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)論的嚴(yán)謹(jǐn)，他們對(duì)藍(lán)色菌落DNA開(kāi)展了測(cè)序，得到的序列只與供體細(xì)胞絲狀支原體基因組相匹配，并開(kāi)展了假定移植分析，“這些數(shù)據(jù)證明了將整個(gè)基因組從一個(gè)物種移植到另一個(gè)物種，從而產(chǎn)生的后代與供體基因組是相同的物種”[9]。

在文特爾看來(lái)，這項(xiàng)成果有諸多意義，最重要的是讓大家相信，如果可以用四瓶化學(xué)品合成一個(gè)基因組，那么就有可能將這個(gè)合成基因組移植到受體細(xì)胞中，并讓受體細(xì)胞按照它的指令運(yùn)行。同時(shí)，也讓他們明確了一個(gè)更大的目標(biāo)：在電腦上創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字代碼，使用化學(xué)合成將數(shù)字代碼轉(zhuǎn)化為 DNA 染色體，然后將人造信息移植到細(xì)胞中。

2.3 合成細(xì)胞

圍繞合成細(xì)胞的目標(biāo)，在合成phi X174和生殖支原體基因組兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，文特爾團(tuán)隊(duì)提升了合成生物學(xué)的理論認(rèn)知和操作能力，在將絲狀支原體染色體與山羊支原體細(xì)胞植入實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步積累了移植基因組的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。下一步，就是將上述兩種能力合二為一，將完全化學(xué)合成一個(gè)物種的基因組移植入另一物種的細(xì)胞中并獲得生命活性。文特爾團(tuán)隊(duì)具體開(kāi)展的此類實(shí)驗(yàn)是在酵母細(xì)胞中合成絲狀支原體基因組，然后移植入山羊支原體細(xì)胞內(nèi)。

第一步依然是進(jìn)一步提升絲狀支原體基因組的測(cè)序精度。第二步,合成絲狀支原體DNA，在這個(gè)環(huán)節(jié)，文特爾團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步改進(jìn)了方法, 直接從有1 080個(gè)堿基對(duì)的片斷開(kāi)始連接成含有1萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)的片段，再將這些含有1萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)的片段以重疊的方式組裝，形成含有10萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)的片段，最后將11個(gè)這樣的基因組片段在酵母細(xì)胞中組合成一個(gè)完整的包含110萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)的絲狀支原體基因組。第三步把完整的合成絲狀支原體基因組從酵母細(xì)胞移植到山羊支原體細(xì)胞中。同樣，成功的標(biāo)志是出現(xiàn)藍(lán)色菌落。

原理大致如此，但過(guò)程艱辛復(fù)雜,例如，移植基因組實(shí)驗(yàn)中的供體由野生型絲狀支原體染色體換成來(lái)源于酵母的絲狀支原體染色體移植入受體細(xì)胞中無(wú)法得到任何移植細(xì)胞，僅解決這個(gè)問(wèn)題就花費(fèi)了兩年時(shí)間。即使在臨近尾聲的時(shí)候，因沒(méi)有發(fā)現(xiàn)合成基因組110萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)中的1個(gè)堿基對(duì)的錯(cuò)誤就導(dǎo)致整個(gè)實(shí)驗(yàn)失敗。

解決了以上各種問(wèn)題，終于在2010年4月1日，文特爾團(tuán)隊(duì)確認(rèn)他們得到一個(gè)完全由他們?nèi)斯ず铣傻幕蚪M所控制的細(xì)胞。2010年5月20日，論文《創(chuàng)造了一個(gè)由化學(xué)合成基因組控制的細(xì)菌細(xì)胞》被《科學(xué)》在線發(fā)表，文章指出“新細(xì)胞具有預(yù)期的表型特性，并且能夠進(jìn)行持續(xù)的自我復(fù)制”[10]，同時(shí)，他們向世人宣布：“第一個(gè)功能性合成基因組誕生?！盵6]126文特爾本人也被成為“人造生命之父”。

至此，文特爾合成生物學(xué)三部曲也就清晰可見(jiàn)，見(jiàn)圖1。

圖1 文特爾合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)“三部曲”框架圖

系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)取得成功后，文特爾認(rèn)為大部分生物學(xué)家持同樣觀點(diǎn)：“在計(jì)算機(jī)中通過(guò)字母序列所表示DNA和基因組就是生命的信息系統(tǒng)?！盵6]125文特爾按照生命信息合成細(xì)胞的原理見(jiàn)圖2。

圖2 文特爾生命信息系統(tǒng)運(yùn)行原理圖

3 生命是一個(gè)信息系統(tǒng)

當(dāng)然，文特爾細(xì)胞合成實(shí)驗(yàn)還只是“從頭至尾”創(chuàng)造一個(gè)細(xì)胞的起始階段，正如美國(guó)生物工程師、麻省理工學(xué)院教授詹姆斯·科林斯(J.Collins，1965年～)所言：“這不代表著一種人造生命形式的誕生，而只是一個(gè)帶有人造基因組的生物體，而非人造生物體?！盵11]文特爾本人也認(rèn)為一些人正確評(píng)價(jià)了他的合成細(xì)胞工作：“由于合成基因組是化學(xué)合成了一個(gè)自然界原本存在的基因組，并將其移植入一個(gè)自然受體細(xì)胞中，因此，‘合成生命’不能算是‘從頭到尾’的真正合成?！盵6]128但是，不可否認(rèn)文特爾科學(xué)實(shí)驗(yàn)取得的成就和歷史意義，正如牛津大學(xué)實(shí)踐倫理學(xué)教授朱利安·撒維勒斯庫(kù)(J.Savulescu，1963年～)的評(píng)價(jià)：“文特爾正在打開(kāi)人類歷史上最為深刻的大門，并有可能窺探它的未來(lái)……他正在走向上帝的角色：創(chuàng)造自然界中從未存在的生命。”[12]《時(shí)代周刊》把這項(xiàng)成果列入到“2010年十大醫(yī)學(xué)突破”當(dāng)中[13]。而且，文特爾在合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)三部曲中形成和加深了對(duì)“生命是什么”的認(rèn)識(shí)。在完成第一個(gè)“人造”細(xì)胞之后，文特爾具體化了“合成生命”和“合成細(xì)胞”的定義：“完全由人工合成的DNA染色體所控制的細(xì)胞。合成基因組是這種細(xì)胞的生命軟件，它指定了細(xì)胞中的每一個(gè)蛋白質(zhì)機(jī)器人以及它們?cè)诩?xì)胞中的功能?！盵6]127概言之，生命是一個(gè)信息系統(tǒng)。

3.1 細(xì)胞由DNA中的信息所控制

文特爾喜歡用計(jì)算機(jī)科學(xué)的術(shù)語(yǔ)比喻細(xì)胞和生命，例如，在他看來(lái)，“細(xì)胞中的蛋白質(zhì)和其他相互作用的分子可以被視為其硬件，而編碼在DNA中的信息則可以被視為軟件”[6]47。計(jì)算機(jī)科學(xué)告訴我們，硬件為計(jì)算機(jī)運(yùn)行提供了物理?xiàng)l件，但計(jì)算機(jī)能夠發(fā)揮出什么樣的功能、完成什么樣的任務(wù)取決于軟件開(kāi)發(fā)。同樣，在生命學(xué)科領(lǐng)域，活細(xì)胞的運(yùn)行都受到DNA軟件的指揮，而合成生物學(xué)可以走向成功的基本信條也正是“制造活的、能夠自我復(fù)制的細(xì)胞所需要的全部信息都已被‘鎖定’在蜿蜒曲折的雙螺旋結(jié)構(gòu)當(dāng)中”[6]47。文特爾認(rèn)為合成生命，“從基因來(lái)看，就相當(dāng)于弄清楚如何在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行個(gè)人軟件”[6]112。相反，在前分子生物學(xué)時(shí)代，也有科學(xué)家開(kāi)展了細(xì)胞移植工作并取得杰出成就，例如，1938年德國(guó)胚胎學(xué)家漢斯·施佩曼(H. Spemann,1869年～1941年) 用頭發(fā)絲分隔細(xì)胞核與細(xì)胞膜內(nèi)的其他物質(zhì),待細(xì)胞核4次分裂后,將其中一個(gè)細(xì)胞核放回原細(xì)胞被分隔開(kāi)的那一部分,結(jié)果創(chuàng)造了一個(gè)原細(xì)胞的克隆體。但是，當(dāng)時(shí)人們還不能從分子層面解釋遺傳現(xiàn)象，對(duì)此，文特爾評(píng)價(jià)施佩曼的工作：“有點(diǎn)類似在不了解軟件的情況下，僅通過(guò)從網(wǎng)絡(luò)下載代碼的方式重新編程計(jì)算機(jī)。”[6]99文特爾認(rèn)為，當(dāng)他和他的團(tuán)隊(duì)在一個(gè)細(xì)胞內(nèi)成功啟動(dòng)合成DNA軟件時(shí)，對(duì)于薛定諤提出的那個(gè)至關(guān)重要的“小”問(wèn)題——生命是什么，他們已經(jīng)能夠提供令人信服的答案了，即“DNA是軟件，它是所有生命的基礎(chǔ)”[6]130。而所有開(kāi)展的合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，在文特爾看來(lái)就是要理解“決定了生命的結(jié)構(gòu)和功能的DNA軟件對(duì)生命究竟意味著什么？”[6]52

3.2 DNA測(cè)序?qū)⑸畔?shù)字化

從文特爾團(tuán)隊(duì)系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)看，一個(gè)顯著的共同點(diǎn)就是都起步于對(duì)研究對(duì)象DNA序列的高精度測(cè)序，“數(shù)字化DNA序列是基因組設(shè)計(jì)和合成的基礎(chǔ)，那么必然要求基因測(cè)序必須是非常精確的”[6]71。實(shí)際上，自從20世紀(jì)人類確定DNA是遺傳物質(zhì)，特別是1953年沃森、克里克提出DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，人類就開(kāi)始為破解生命密碼孜孜以求，同時(shí)也開(kāi)啟了生命數(shù)字化操作的進(jìn)程。20世紀(jì)70年代，桑格用其團(tuán)隊(duì)發(fā)明的雙脫氧測(cè)序法完成擁有5 386個(gè)堿基對(duì)的噬菌體phi X174的測(cè)序工作，并成為科學(xué)家普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)序方法，也因之被稱為桑格測(cè)序法(Sanger sequencing)。90年代中期，文特爾團(tuán)隊(duì)發(fā)明了全基因組霰彈測(cè)序法，并完成了流感嗜血桿菌和生殖支原體基因組的測(cè)序工作，而生殖支原體被認(rèn)為是目前所知的最小生物體，也是人類第一個(gè)測(cè)定的活細(xì)胞基因代碼序列。2000年文特爾宣稱自己的團(tuán)隊(duì)完成了人類基因組的測(cè)序工作。通過(guò)這些工作，文特爾評(píng)價(jià)自己將碳基信息轉(zhuǎn)換成了硅基信息：“當(dāng)我們能夠通過(guò)基因組測(cè)序來(lái)讀取它的遺傳密碼時(shí)，我們就可以把DNA的物理代碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼，這樣就可以實(shí)現(xiàn)光速傳播的電磁波?！盵6]163而且，他認(rèn)為，如果能夠完整讀取DNA中蘊(yùn)藏的密碼并精準(zhǔn)翻譯，在理論上，就可以解碼細(xì)胞工作的秘密，并通過(guò)編輯軟件來(lái)改變細(xì)胞乃至合成新的生命。依此，文特爾認(rèn)為人類進(jìn)入了“數(shù)字化生物時(shí)代”。

3.3 將數(shù)字化的生命信息轉(zhuǎn)化為實(shí)體

從17世紀(jì)開(kāi)始，羅伯特·胡克(R. Hooke，1635年～1703年)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞死后殘留的細(xì)胞壁，到安東尼·列文虎克(A.P.van Leeuwenhoek，1632年～1723年)觀察到活細(xì)胞，再到馬蒂亞斯·施萊登(M.J.Schleiden，1804年～1881年)、泰奧多爾·施旺(T. Schwann，1810年～1882年)提出細(xì)胞與生物體的關(guān)系，最后由魏爾肖完成細(xì)胞學(xué)說(shuō)的主要內(nèi)容：所有生物都由單個(gè)或多個(gè)細(xì)胞構(gòu)成，細(xì)胞是所有生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，細(xì)胞分裂只能來(lái)自已有的細(xì)胞。分子生物學(xué)進(jìn)展告訴我們，細(xì)胞自我復(fù)制所需的所有信息都被編碼在DNA中，換言之，生命的結(jié)構(gòu)和功能都被DNA堿基序列規(guī)定，隨之而來(lái)的是可以通過(guò)編輯DNA來(lái)改造細(xì)胞?，F(xiàn)在，通過(guò)文特爾實(shí)驗(yàn)，在生命信息數(shù)字化基礎(chǔ)上，人類就有能力設(shè)計(jì)一種新的生命形式，它并非來(lái)源于已有細(xì)胞分裂，而是通過(guò)適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)環(huán)境合成其DNA軟件，并指揮蛋白質(zhì)等硬件按照設(shè)計(jì)路線“制造”出新的細(xì)胞，“正確的DNA代碼，以正確的順序呈現(xiàn)并放置在正確的化學(xué)環(huán)境中，那就可以從現(xiàn)有生命中產(chǎn)生新的生命”[6]129。

4 結(jié)語(yǔ)

文特爾合成生物學(xué)成就無(wú)疑具有極為深遠(yuǎn)的科學(xué)意義和社會(huì)價(jià)值。

第一，加深對(duì)生命本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。正如前文所言，探索生命起源是當(dāng)代科學(xué)進(jìn)展中的一個(gè)重大問(wèn)題，較之實(shí)際上不可能的重復(fù)幾十億年的演化史，合成生物學(xué)為人類認(rèn)識(shí)生命、認(rèn)識(shí)生命起源提供了一條有可能路徑，通過(guò)合成生命認(rèn)識(shí)生命，正如分子生物學(xué)家史蒂文·本納(S.A.Benner，1954年～)所言：“布丁的證明也許在于制造它。”[14]而且，回到文章開(kāi)篇討論的問(wèn)題，即還原論與活力論之爭(zhēng)，我們已經(jīng)可以從文特爾的實(shí)驗(yàn)和觀點(diǎn)中得到一些答案。文特爾認(rèn)為，他的系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)展了他關(guān)于生命的思考，他的“生命是一個(gè)信息系統(tǒng)”的核心觀點(diǎn)“DNA是生命軟件”，如果改變了軟件，那么就改變了物種，從而也就改變了細(xì)胞的硬件。他提到，合成生物學(xué)不同于占主導(dǎo)地位的還原主義，但是，這個(gè)“不同”不是否定“還原論”，更不是復(fù)活“活力論”，而是相較于自上而下的還原主義，合成生物學(xué)從相反的方向，自下而上“用一種全新的創(chuàng)新方法把所有這些數(shù)量龐大的細(xì)胞元件組裝起來(lái)去創(chuàng)造出一個(gè)全新的細(xì)胞”，并且以生命可以從實(shí)驗(yàn)室中合成出來(lái)的更為基礎(chǔ)的層面否定了“活力論”。他認(rèn)為：“這恰恰是那些渴望看到活力論證據(jù)的人不愿看到的結(jié)果，典型的還原式科學(xué)研究。將生命及生命意義分解為基本功能和簡(jiǎn)單成分。我們的實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有留下太多空間來(lái)支持活力論者或者認(rèn)為生命依賴于超越復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的觀點(diǎn)?！盵6]109-110

第二，為生命科學(xué)研究提供新型手段。DNA信息數(shù)字化不斷積累并被儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中，并可以以光速遠(yuǎn)距離傳播，其意義是顯而易見(jiàn)的，例如，在其他星球上采集到的生命信息(如果存在這樣的生命，并同樣基于DNA)，可以通過(guò)數(shù)字化操作后以很快的速度傳輸?shù)降厍蚩茖W(xué)家手中，在地球上以合理的方式合成出來(lái)；同樣，一種久已消逝的物種，如果留有足夠完整的DNA信息，那么在理論上，我們可以讓其重見(jiàn)天日。將細(xì)胞DNA測(cè)序并數(shù)字化，再通過(guò)在一定的化學(xué)環(huán)境中培養(yǎng)出并非來(lái)源于已有細(xì)胞增殖的新細(xì)胞或組成細(xì)胞的大分子，這是合成生物學(xué)的重大進(jìn)步。以這種方式產(chǎn)生的生命體，因其基因組完全是化學(xué)合成的，它在自然界沒(méi)有直接的祖先，“為生命的河流添加了一條新的分支”[6]129。

第三，造福人類。當(dāng)然，文特爾的工作及當(dāng)代合成生物學(xué)進(jìn)展與“從頭到尾”合成一個(gè)細(xì)胞之間還有很遠(yuǎn)的距離，但依據(jù)合成生物學(xué)當(dāng)前進(jìn)展所獲得的理論認(rèn)知和具體應(yīng)用已經(jīng)在人類社會(huì)發(fā)揮出積極作用。例如，突發(fā)、新發(fā)疫情形成高峰之前，在全球共享病原體基因序列信息基礎(chǔ)上，跨地域同時(shí)啟動(dòng)疫苗研制和藥物研發(fā)成為可能。而這一點(diǎn)在人類應(yīng)對(duì)當(dāng)代疫情中已經(jīng)顯現(xiàn)出巨大力量。同樣，對(duì)于其他有機(jī)物，在掌握其結(jié)構(gòu)信息后同樣可以發(fā)展出造福人類的技術(shù)。較之大家熟悉的工業(yè)革命，千百年來(lái)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從根本上來(lái)講沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的變革，人類獲取糧食的途徑依然是依靠植物的光合作用，但是，隨著合成生物學(xué)進(jìn)展，科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)展了不依賴光合作用將二氧化碳轉(zhuǎn)化成葡萄糖等工作。我國(guó)科學(xué)家在這領(lǐng)域做出了具有引領(lǐng)性的成就，中科院天津工業(yè)生物研究所的科研人員于2021年9月24日在《科學(xué)》上發(fā)表的文章《無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)將二氧化碳合成淀粉》(Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide)報(bào)道了在實(shí)驗(yàn)室里首次實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成[15]。盡管這一成果從科學(xué)研究走向大規(guī)模生產(chǎn)還有很長(zhǎng)的路要走，但這項(xiàng)工作打開(kāi)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)歷史性變革的大門?？梢哉f(shuō)，人們對(duì)合成生物學(xué)成果應(yīng)用于解決糧食、環(huán)境、能源等領(lǐng)域的危機(jī)寄予了厚望。

當(dāng)然，任何科學(xué)進(jìn)展都應(yīng)當(dāng)為著人類進(jìn)步，而從科學(xué)史上看，并非所有突破性科學(xué)發(fā)現(xiàn)的技術(shù)開(kāi)發(fā)和社會(huì)應(yīng)用的效果和結(jié)果都完全朝著增進(jìn)人類福祉的方向發(fā)展，原因很多，有出于良善的目的卻產(chǎn)生了負(fù)面效應(yīng)的事件發(fā)生，更有在目的上就存在主觀惡意的情況。所以，當(dāng)文特爾被稱為“人造生命之父”時(shí)，就出現(xiàn)了“人類是否應(yīng)當(dāng)充當(dāng)上帝角色”的追問(wèn)，并且已形成不少深刻的見(jiàn)解，例如，加強(qiáng)合成生物實(shí)驗(yàn)室管理，預(yù)防合成構(gòu)成生命的大分子乃至細(xì)胞技術(shù)的泄漏，防止污染基因池，制定和完善相應(yīng)的道德和行為規(guī)范，增強(qiáng)科學(xué)家自律等。在這里，本文從“生命是一個(gè)信息系統(tǒng)”的角度談幾點(diǎn)合成生物學(xué)涉及的生物安全和生命倫理的問(wèn)題，以拋磚引玉。

第一，目前合成細(xì)胞領(lǐng)域的進(jìn)展，實(shí)際上主要是基于現(xiàn)有生命(包括歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)但現(xiàn)已滅絕的生物)的基因信息上開(kāi)展化學(xué)合成，創(chuàng)造一種地球上完全不存在的能夠?qū)崿F(xiàn)自我復(fù)制的基因類型尚不可能，因?yàn)?，合成基因組需要移植入受體細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)自我繁殖能力，而在創(chuàng)造通用受體細(xì)胞上還有非常漫長(zhǎng)而崎嶇的路要走。盡管如此，2005年，美國(guó)、加拿大、日本的科學(xué)家從阿拉斯加凍土中發(fā)現(xiàn)的1918年大流感中被感染的死者肺組織中提取出病毒的5個(gè)基因組，并依此基因信息合成出了這種流感病毒。這一案例無(wú)疑提示我們，在獲取生物基因信息技術(shù)和合成技術(shù)已經(jīng)取得很大進(jìn)步的今天，要更加注重生物基因信息及其化學(xué)合成技術(shù)、基因組移植技術(shù)的管控，防止對(duì)生命的“見(jiàn)解”因被誤用、濫用乃至惡意使用而變成對(duì)生命的“毀滅”。

第二，合成細(xì)胞通過(guò)基因信息在碳基-硅基-碳基之間的傳遞，創(chuàng)造出了并非來(lái)源于現(xiàn)有細(xì)胞分裂后產(chǎn)生而完全由人工化學(xué)合成的染色體控制的細(xì)胞。依此看來(lái)，一是似乎消解了“生命”與“非生命”之間的界限，對(duì)傳統(tǒng)生命觀形成挑戰(zhàn)，需要哲學(xué)、倫理學(xué)、社會(huì)學(xué)等多學(xué)科跟進(jìn)、介入，對(duì)何謂“生物”、何謂“生命”做出符合科學(xué)的新進(jìn)展，形成對(duì)生命新認(rèn)知的理解和解釋。二是似乎告訴我們，生命就是由基因信息控制的物理化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生與運(yùn)行。但是，人之所以稱為人，除了自然屬性，更重要的是還擁有社會(huì)屬性，將生命的意義簡(jiǎn)單歸結(jié)為基因所控制下的物理化學(xué)反應(yīng)的觀點(diǎn)值得討論。此外，“數(shù)字化生物學(xué)時(shí)代”，生物學(xué)進(jìn)展及其應(yīng)用更要注重知情同意、個(gè)人基因信息保護(hù)、成果惠及大眾等。