人工合成生命：有機生命的機械制造

劉海龍

(南京理工大學 馬克思主義學院，江蘇 南京 210094)

人工合成生命既是生命進化史上的奇跡，也是人類造物史上的重大突破。美國科學家克雷格·文特爾(John Craig Venter)等人于2010年制造出世界上首例人工合成生命“辛西婭”(Cynthia)。[1]之后十余年里，在人工合成生命領域又取得了諸多突破性進展。現(xiàn)在人類不僅可以利用天然堿基合成DNA分子，還能夠利用人工堿基合成DNA分子；[2]不僅可以合成相對簡單的原核生物，還能夠合成較為復雜的真核生物。[3]生命本來是一種神圣的存在物，而現(xiàn)在卻成為了人工制造的對象。關于生命因何得以被制造出來的問題涉及本體論、認識論、方法論等諸多方面，而其中的一個重要問題就是其知識屬性問題。生物學發(fā)展史上出現(xiàn)過多種知識類型，比如關于生命的形而上學知識、形態(tài)學知識、行為學知識、生態(tài)學知識等，而這些屬性的知識都不足以支持生命的制造。總體來看，人工合成生命建立在分子生物學、系統(tǒng)生物學與合成生物學的知識基礎之上。這些學科為人工合成生命提供的是何種屬性的知識？其對于人工合成生命的實踐又意味著什么？

一、機械還原論：生命元件知識的來源與屬性

人工合成生命的首要環(huán)節(jié)是制作出DNA分子這種基本生命元件，而關于DNA分子結構組成的知識是由分子生物學提供的?！坝袡C生命的本質(zhì)不同的變體可以由人類設計和制造的概念，是在非自然分子生物學方法的推動下才出現(xiàn)的。”[4]767

分子生物學來自于對生命進行的機械還原論研究。對于生命的機械還原論來講，就是要將生命依據(jù)某種原則分成多個具體的組成部分(比如器官、組織)，再將這些具體的組成部分分解成更小的組成成分(比如DNA分子、蛋白質(zhì)分子)，直到能夠利用機械力學原理對這些更小的組成成分進行嚴格透徹的分析為止。在機械還原論思路的指引下，生物學從整體、系統(tǒng)、器官、組織等宏觀層次一直深入到了細胞、分子層次。具體來講，“分子生物學是由20世紀初發(fā)展起來的兩個生物學分支——遺傳學和生物化學的結合產(chǎn)生的?！盵5]1在生物化學產(chǎn)生之初，其研究是建立在膠體理論之上的，認為細胞中的物質(zhì)是由小分子結合形成的膠體，其中不可能有大分子的存在。然而，隨著物質(zhì)提取與分析技術的進步，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，實際上，在細胞中存在由小分子形成的聚合體。德國化學家赫爾曼·斯托丁格(Hermann Staudinger)在1922年提出了生命大分子概念，人們開始從分子水平認識生命的結構和功能。同樣是在20世紀初，遺傳學開始轉(zhuǎn)向了對遺傳物質(zhì)結構與功能的研究。在孟德爾經(jīng)典遺傳學的基礎上，丹麥遺傳學家威爾赫姆·路德維?！ぜs翰遜(Wilhelm Ludwig Johannsen)于1909年提出了基因(Gene)的概念，并對基因型和表現(xiàn)型進行了區(qū)分，使得專門對遺傳的物質(zhì)結構展開研究具有了可能性。而美國遺傳學家托馬斯·亨特·摩爾根(Thomas Hunt Morgan)將基因明確定位為染色體之上的DNA分子，其學生赫爾曼·約瑟夫·穆勒(Hermann Joseph Muller)更是指出基因是一種“控制性結構”與“生命的基礎”。[5]18于是，生物化學的大分子研究方法得以進入遺傳學的視野，兩者開始走上融合發(fā)展的道路。

而分子生物學形成的關鍵在于“密碼本”概念的提出。當人們開始將大分子研究方法尤其是X射線衍射技術應用于DNA分子研究時，主要關注的還是DNA分子的立體構型,而并未從信息的視角對DNA分子展開分析。(1)早期對生物分子進行的研究并不涉及信息的內(nèi)容，這從1950年威廉·阿斯特伯里(William Thomas Astbury)對“分子生物學”進行的描述可以看出端倪。其將“分子生物學”描述為：“主要涉及分子的形態(tài)，以及這些形態(tài)向更高組織層次的進化、擴張和演變。分子生物學主要關注三維結構，而這并不意味著分子生物學僅僅是一門精致的形態(tài)學。同時，分子生物學必須研究發(fā)生和功能問題?！逼渲薪z毫沒有關于信息的描述。參見加蘭·E·艾倫：《20世紀的生命科學史》，田洺譯，復旦大學出版社，2000年版，第215頁。而信息學說的介入對于揭開DNA分子的神秘面紗起到了至關重要的作用，它引導人們開始從信息視角思考DNA分子的本質(zhì)與功能?！坝眯畔W來研究遺傳問題的方法，產(chǎn)生于由量子力學理論造成的思想氛圍中?！盵6]量子力學的奠基人之一尼爾斯·波爾(Niels Bohr)首先指出生命具有一種有序流動性，需要提出特別的概念對其進行分析。其學生馬克斯·德爾布呂克(Max Delbrück)進一步指出，不能像化學家那樣僅僅將DNA分子看成是一種簡單大分子，因為這種大分子之中蘊含著決定生命性狀生成的信息指令。波爾與德爾布呂克這些不同尋常的想法在埃爾溫·薛定諤(Erwin Schr?dinger)那里得到了明確的闡釋，其參照電報密碼本的運行方式，將DNA分子指稱為生命的“密碼本”。(2)薛定諤最早是于1943年2月在劍橋大學三一學院的一次演講中提出“生命密碼本”概念的，后來整理成書出版。第一例人工合成生命“辛西婭”的制造者文特爾把薛定諤提出“生命密碼本”概念視為現(xiàn)代生物學誕生的標志?！叭绻且屛覍ξ倚哪恐姓J定的現(xiàn)代生物科學誕生的時間和地點作一個選擇，那么我會選擇1943年2月的都柏林?！眳⒁娍死赘瘛の奶貭枺骸渡奈磥恚簭碾p螺旋到合成生命》，賈擁民譯，浙江人民出版社，2016年版，第3頁?！皞€體的未來發(fā)育及其成年期機能的全部模式都包含在某種密碼本中。”[7]23受薛定諤“生命密碼本”概念的啟發(fā)，詹姆斯·沃森(James Dewey Watson)和弗朗西斯·克里克(Francis Harry Compton Crick)從信息的視角對DNA分子進行建模與分析，最終在1953年揭示了DNA分子的雙螺旋結構，真正的分子生物學正式誕生。

而分子生物學是如何對DNA分子展開研究的呢？其依然是采用機械還原論思維對DNA分子的結構與功能進行分析的。先是參照電報密碼本的數(shù)碼構成，分子生物學揭示了“生命密碼本”的結構組成。在DNA分子雙螺旋結構被揭示出來之后不久，遺傳密碼很快就被破譯了出來。1954年，喬治·伽莫夫(George Gamow)依據(jù)DNA 之上堿基分子與蛋白質(zhì)分子中氨基酸分子的對應情況，推導出1種氨基酸分子是由4個以下的堿基分子決定的。1962年，悉尼·布倫納(Sydney Brenner)和克里克通過實驗明確證實了1種氨基酸分子是由相鄰3個堿基分子決定的，從而找準了遺傳密碼的破譯方向。而僅僅到了1965年，生命體的所有遺傳密碼就被全部破譯了出來。之后，又有一些科學家發(fā)現(xiàn)，DNA分子中不僅存在對應氨基酸分子的編碼序列，還存在用于控制編碼序列表達的調(diào)控堿基分子序列以及決定DNA分子立體結構的間隔堿基分子序列。至此，作為“生命密碼本”的DNA分子的堿基構成就完整地呈現(xiàn)了出來。隨后，“生命密碼本”之中遺傳信息的轉(zhuǎn)錄與翻譯機制也逐漸被揭示了出來。分子生物學研究發(fā)現(xiàn)，將遺傳密碼信息指令從細胞核帶入到細胞質(zhì)的是一種被稱之為信使RNA的核糖核酸分子。信使RNA分子在細胞核中轉(zhuǎn)錄生成以后，可以穿過核膜上的小孔而進入到細胞質(zhì)中。而當信使RNA分子來到細胞質(zhì)中后，會與細胞質(zhì)中的核糖體分子、轉(zhuǎn)運RNA分子相互結合并制造具有特定生命功能的蛋白質(zhì)分子，即遺傳信息的翻譯。這樣，DNA分子上的遺傳信息指令就得到了圓滿的傳遞和表達。

由其產(chǎn)出路徑可以看出，分子生物學知識實質(zhì)上是一種機械還原論知識。其參照電報密碼本將DNA分子還原為了其構成堿基序列，為人工合成生命奠定了生命元件制作的知識基礎。在DNA分子被分解還原到堿基水平之后，生命生長發(fā)育的秘密被徹底揭示出來。在分子生物學家眼里，就像電報密碼本是發(fā)報系統(tǒng)這種機械結構的基本組成部分一樣，DNA分子是構成生命的基本元件，生命生長發(fā)育的秘密就蘊含在其堿基分子的序列構成之中?！暗厍蛏系乃猩?，從霉菌等微生物到植物、動物、人類，……同樣都是緣于基因密碼而誕生的。”[8]在人工合成生命的操作中，制作者可以按照遺傳密碼表設計出DNA分子的編碼序列，然后加入控制基因表達的調(diào)控堿基分子序列與決定DNA分子立體結構的間隔堿基分子序列，在此基礎上就可以合成出對于合成生命來講最為關鍵的DNA分子元件?！癉NA被理解為信息，可以通過計算機對其基因組序列進行安排，進而將合成的基因組插入細胞，就可以形成生命?！盵9]而在之后生命自動形成的過程中，人工設計的遺傳密碼就像電報中的數(shù)字密碼一樣，可以由DNA分子傳遞到生命體的各個部分，通過信息的傳遞控制蛋白質(zhì)分子的合成與各種生命活動的產(chǎn)生。

二、機械整體論：生命結構知識的來源與屬性

分子生物學為人工合成生命提供了生命元件制作的知識，而關于生命系統(tǒng)結構整體設計的知識則是由系統(tǒng)生物學提供的?！跋到y(tǒng)生物學為在全基因組尺度上進行生命體的設計與合成奠定了一個堅實的基礎?！盵10]

系統(tǒng)生物學是在生命的機械還原論研究遇到瓶頸以及海量生物學數(shù)據(jù)出現(xiàn)的前提下產(chǎn)生的。隨著分子生物學研究的日益深入，從基因到生命表型的路線圖逐漸清晰地呈現(xiàn)出來。但人們卻發(fā)現(xiàn)，基因與表型之間不是一種簡單的線性關系，而是一種復雜的非線性關系?！澳骋粋€特別的DNA分子可以以各種不同的方式體現(xiàn)出來，至于以何種方式，則取決于細胞的環(huán)境以及當時分子所處的環(huán)境。”[11]分子生物學的還原論思維模式在面對復雜的生命現(xiàn)象時表現(xiàn)出極大的局限性，以單個基因為對象進行的研究并不能得出關于生命整體現(xiàn)象的結論?！耙胝嬲私馍铮€需要發(fā)明一種新的方法?！盵12]4于是，整體論的思維模式又重新進入了人們的視野。(3)實際上，從整體水平對生命展開研究并不是一種新的理念或思路?？档略缭?8世紀就提出了其生命有機體理論，清晰闡釋了生命組成部分依賴于整體的思想。而路德維希·馮·貝塔朗菲(Ludwig Von Bertalanffy)則在其1952年出版的《生命問題——現(xiàn)代生物學思想評價》一書中,全面闡釋了生命的整體性存在規(guī)律，竭力提倡從整體層面來理解生命現(xiàn)象。但由于當時對生命系統(tǒng)的分子構成與運行規(guī)律缺乏足夠的了解，這些努力在微觀生物學領域一直沒有取得多少實質(zhì)性進展。直到分子生物學揭示了生命的微觀構成之后，整體論思維才真正貫徹到了系統(tǒng)生物學的研究之中。整體論實現(xiàn)了對還原論的超越，其可以對還原論不能解釋的生命整體層面的現(xiàn)象作出解釋?！坝袡C體各部分的特性與功能是不能脫離整體來理解的，而這也正是機械還原論無法有效解釋有機體各種現(xiàn)象的重要原因所在?！盵13]在尋求研究思路改變的同時，生物學的測量技術也獲得了巨大進步。1990年代，人們開發(fā)出了生物芯片、專用軟件等高通量分析技術，可以從整體層面上對DNA分子、RNA分子以及蛋白質(zhì)分子的運行情況進行深入分析?！叭藗儸F(xiàn)在可以同時研究數(shù)百種基因表達，而不是只關注一個基因。”[12]4-5技術的進步催生了從整體層面分析生命運行的“基因組學”“蛋白質(zhì)組學”“轉(zhuǎn)錄組學”“代謝組學”。“從序列級轉(zhuǎn)移到表達級，從低吞吐量的人類可讀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)向自動化、高吞吐量、機器可分析的數(shù)據(jù)。”[12]5在短短若干年之間，各種“組學”研究就獲得了關于生物體的海量數(shù)據(jù)，為合成生物學的出現(xiàn)奠定了基礎。

而隨著處理海量數(shù)據(jù)的“硅細胞”模型(Silica-cell models)的建立，系統(tǒng)生物學得以產(chǎn)生。各種“組學”研究積累了關于生物分子運動的海量數(shù)據(jù)，而如何對這些生物學數(shù)據(jù)進行整合與分析呢？這需要特定的計算機模型才能夠處理?！拔覀兛梢韵葎?chuàng)建出一個虛擬的細胞，用它來對我們的猜想進行檢測?！盵14]188而處理海量生物學數(shù)據(jù)的“硅細胞”模型是如何建立起來的呢？其是參照物理化學系統(tǒng)的結構組成并依據(jù)機械動力學規(guī)律建構起來的。實際上，在系統(tǒng)生物學出現(xiàn)之前乃至如今，并沒有建構起一種完全遵循有機運動規(guī)律的生命系統(tǒng)模型，所以生物學家只能依據(jù)機械動力學來建構關于生命系統(tǒng)的“硅細胞”模型。(4)烏爾里希·克羅斯(Ulrich Krohs)和沃納·卡勒博(Werner Callebaut)在分析“硅細胞”模型的性質(zhì)時，曾經(jīng)指出其有兩方面的來源：一是“無模型的數(shù)據(jù)”，二是“無數(shù)據(jù)的模型”。所謂“無模型的數(shù)據(jù)”就是指各種“組學”研究積累的海量生物學數(shù)據(jù)，而“無數(shù)據(jù)的模型”則是指參考物理化學系統(tǒng)運動變化規(guī)律在計算機中初步建立起來的模型。參見佛瑞德·C·布杰德等：《系統(tǒng)生物學哲學基礎》，孫之榮等譯，科學出版社，2008年版，第139-162頁。而系統(tǒng)生物學家自身也承認這種“無數(shù)據(jù)的模型”的機械論屬性，“為了構建一個機械論模型，我們要從系統(tǒng)的組成部分和各個過程的角度來描述系統(tǒng)，以期在一定的精度內(nèi)充分解釋系統(tǒng)行為?！盵15]99在“硅細胞”模型建立起來之后，就可以對各種“組學”研究獲得的海量生物學數(shù)據(jù)進行分析與處理，并能夠從中提取出生命整體運行的規(guī)律與機制，系統(tǒng)生物學得以產(chǎn)生。

早期康復護理的具體內(nèi)容是在患者發(fā)病后的24小時內(nèi)便進行護理干預，不僅加強患者的基礎護理，同時，在各個階段中，根據(jù)患者的具體情況指導其進行針對性功能鍛煉，引導患者完成強度不同的功能鍛煉與康復指導，一方面能夠顯著改善患者大腦功能的重建效果，促進非損傷區(qū)的神經(jīng)功能，改善機體的肢體功能，一方面也有利于預防患者發(fā)生肌肉萎縮[3]。

系統(tǒng)生物學是如何對生命整體展開研究的呢？其是從機械整體論思維出發(fā)將生命整體揭示為機械動力學結構的。(5)需要說明的是，并非只有還原論才能對事物作出機械論解釋，整體論也可以對事物作出機械論解釋。因為機械論既可以從還原的視角分析事物，也可以采取整體的視角認識事物。系統(tǒng)生物學對生物學數(shù)據(jù)進行的分析是建立在機械動力學模型基礎之上的，意味著其對生命系統(tǒng)所作的解釋是依托機械動力學規(guī)律展開的?！跋到y(tǒng)生物學作為一個新興的交叉學科，提出了生物學的一種新解釋模式，仍稱之為機械論解釋?！盵16]不同于生物解剖學的結構，系統(tǒng)生物學意義上的結構則指的是生命系統(tǒng)中存在的各種代謝網(wǎng)絡及其相互作用關系，是一種機械動力學意義上的結構。系統(tǒng)生物學研究指出，生命系統(tǒng)是由不同層次的橫向網(wǎng)絡與縱向網(wǎng)絡構成的，橫向網(wǎng)絡與縱向網(wǎng)絡之間相互交叉形成了復雜的立體網(wǎng)絡結構。從空間視角看，這些網(wǎng)絡結構有的是以橫向的形式存在的，比如基因網(wǎng)絡相互連接于承載它們的染色體之上；也有以縱向方式存在的網(wǎng)絡，比如轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡，其中既涉及基因，也涉及蛋白質(zhì)，還涉及代謝底物和產(chǎn)物。從時間視角看，生命系統(tǒng)的各種網(wǎng)絡結構都是以動態(tài)平衡的形式存在的。生命系統(tǒng)中的橫向或縱向網(wǎng)絡是由各種不同的有機或無機分子構成的，它們不是以一種固態(tài)的、穩(wěn)定的形態(tài)存在的，而是時時刻刻都處于一種變化更新的狀態(tài)之中。“機械論解釋把細胞(或生物有機體)當作復雜的生化系統(tǒng)來對待，從本質(zhì)上來說，它是對系統(tǒng)行為更加細致的再描述和動態(tài)理解?！盵15]93

由其產(chǎn)出路徑可以看出，系統(tǒng)生物學知識實質(zhì)上是一種機械整體論知識。其立足于“硅細胞”模型將生命系統(tǒng)揭示為機械動力結構，為人工合成生命奠定了結構設計的知識基礎。如果說分子生物學找到了人工合成生命的起點并提供了生命元件制作依據(jù)的話，那么系統(tǒng)生物學則為人工合成生命提供了生命系統(tǒng)整體結構設計的平臺，使得對生命系統(tǒng)整體結構進行“自上而下”的設計成為可能。人工合成生命不僅要制造出符合人類需要的目標基因，還要設計出支持目標基因表達的高效網(wǎng)絡結構，使目標基因在其中可以高效地表達。正是系統(tǒng)生物學提供的關于生命系統(tǒng)整體結構組成的知識，奠定了基因表達支持網(wǎng)絡設計的基礎。在人工合成生命的設計過程中，根據(jù)系統(tǒng)生物學提供的關于生命系統(tǒng)結構組成的知識，設計者既可以為目標基因的表達安排相互協(xié)同的輔助基因，也可以為其配備完善的輔助裝置(細胞器)，還可以為其挑選適合的細胞載體，最終使目標基因可以在生命網(wǎng)絡結構中高效地表達?！叭魏蜗到y(tǒng)的建立都取決于組件的存在，以及它們形成的拓撲結構。當給定適當?shù)慕M件并將其串聯(lián)成特定的結構，一個系統(tǒng)就出現(xiàn)了?！盵17]94-95

三、機械工程學：制造流程知識的來源與屬性

在分子生物學將DNA分子闡釋為“生命密碼本”、系統(tǒng)生物學將生命系統(tǒng)揭示為機械動力學結構之后，合成生物學又給出了生命制造流程的知識。“生物學家通過分析生物的自然結構、過程、機制、行為等來理解生命。合成生物學家則不是理解生命，而是從有用的視角研究如何制造生命。”[4]771

關于合成生物學的源頭可以追溯到有機物的合成。1828年，德國科學家弗里德里?！ぞS勒(Friedrich W?hler)采用對無機物水溶液加熱的方法，生成了一種有機物——尿素，在人類歷史上首次合成出與生命有關的物質(zhì)，“第一次打破了‘生’與‘死’的物質(zhì)壁壘。從此，人工合成生命成了生命科學工作者的一個夢想?！盵18]基于對有機物可以人工合成這種現(xiàn)象，史蒂芬·勒杜克(Stephane Leduc)在1910年第一次提出了合成生物學的概念，并在其次年出版的《生命的機理》一書中進行了具體的闡釋。[19]但當時其提出的合成生物學概念與現(xiàn)代的合成生物學概念內(nèi)涵完全不同，只不過是從物理化學理論出發(fā)對生命體的一些現(xiàn)象作出了新的闡釋。1960年代，沃納·阿爾伯(Wemer Arber)、丹尼爾·內(nèi)森斯(Danien Nathans)與漢彌爾頓·史密斯(Hamilton Smith)等人分離出了DNA限制性內(nèi)切酶，并因此獲得了1978年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。當時，波蘭遺傳學家瓦克勞·斯吉巴爾斯基(Waclaw Szybalski)就預見性地指出，DNA限制性內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)使得生命科學進入了合成生物學時代。[20]這里的合成生物學實際上指的是基因工程。1980年，名為《基因外科術：合成生物學的入門》的論文再次使用了“合成生物學”一詞，實際上指稱的也是基因工程。[21]

在系統(tǒng)生物學的基礎上，現(xiàn)代設計與制造意義上的合成生物學得以誕生。20世紀末，隨著分子生物學研究數(shù)據(jù)的積累以及系統(tǒng)生物學的出現(xiàn)，大大深化了人們對于生命整體運行機制的認識。至此，人類已經(jīng)具有了關于生命組成成分與運行機制的較為全面的知識，對生命進行“自上而下”的設計與制造成為可能，現(xiàn)代意義上的合成生物學應運而生。21世紀初，埃里克·庫爾(Eric Kool)重新闡釋了合成生物學的概念和內(nèi)容，指出合成生物學是關于人工設計與制造生命的學科。“這一術語是生物化學概念的延伸。從狹義上理解，指的是生命功能分子的人工合成；從廣義上理解，則是指生命整體的重新設計?！盵22]從庫爾所給出的合成生物學定義可以看出，合成生物學與基因工程之間具有一定的連續(xù)性，是基因工程實踐進一步發(fā)展的結果。同時，合成生物學也與基因工程具有很大的區(qū)別，其中增加了 DNA分子的人工合成以及細胞結構的人工設計等新的內(nèi)容，并且還系統(tǒng)地采用了現(xiàn)代工程學的原理與方法，真正具有了工程學科的內(nèi)涵。(6)雖然“基因工程”也使用了“工程”的說法，但其并非嚴格意義上的工程。因為其不具備設計和制造基因的能力，也沒有使用標準化、解耦、抽象等工程原理與方法。而合成生物學則實現(xiàn)了對生命體“自上而下”的設計與“自下而上”的制造，并采用了標準化、解耦、抽象等工程原理與方法，因此真正具有了“工程”的內(nèi)涵。參見趙國屏：《合成生物學：開啟生命科學“會聚”研究新時代》，《中國科學院院刊》，2018年第11期，第1135-1148頁?！熬拖裎锢韺W之中的‘電子工程’或者化學之中的‘化學工程’一樣?！盵23]

合成生物學是將生命作為高級自動機理解的，(7)將生命視為機器的觀念是從早期機械主義者笛卡爾等人那里開始出現(xiàn)的，當時是將生命類比為簡單的力學裝置。后來隨著機器形態(tài)的變化，生命機器的觀念也在不斷演變。在經(jīng)歷了“熱能發(fā)動機”等階段后，最終演變?yōu)楹铣缮飳W中的“高級自動機”。參見路德維?！ゑT·貝塔朗菲：《一般系統(tǒng)論：基礎、發(fā)展和應用》，林康義等譯，清華大學出版社，1987年版，第130頁。不同于分子生物學與系統(tǒng)生物學等揭示生命規(guī)律的學科，合成生物學是一門關于如何制造生命的學科。而生命之所以成為制造的對象，就在于合成生物學的生命機器預設?！昂铣缮飳W的生命觀念是機械論的，即把生物看作機械，可以由零件組裝而成?！盵24]第一例合成生物的制造者文特爾就將生命描述為一種軟件控制、硬件支持的高級自動機。文特爾認為，基因之上的堿基分子排列順序就是生命的密碼，與電報機使用的電碼本類似。而生命的生理活動與生長發(fā)育是由這些生命密碼決定的，因而可以將基因看成是生命體的“軟件”部分?！八谢畹募毎荚谶\行著DNA這個‘軟件’，它指揮著成千上萬個‘蛋白質(zhì)機器人’。”[14]Ⅱ而生命的生理活動與生長發(fā)育是由蛋白質(zhì)分子執(zhí)行的，并且決定了生命的性狀，“蛋白質(zhì)和其它相互作用的分子可以看成是細胞的硬件?！盵14]68基因作為“軟件”發(fā)出信息指令，由蛋白質(zhì)“硬件”來執(zhí)行各種生理活動，“生命就是一種機器。”[25]正是這種高級自動機的觀念為合成生物學提供了本體論前提，意味著生命可以像機器一樣被制造出來。

合成生物學是參照機器的制造過程建構生命制造流程的。如何制造一個生命體，對于人類來講，是全新的事物，其制造過程也沒有先例可循。于是，合成生物學就只能參照機械工程學原理來建構生命制造的規(guī)則與流程。生命元件(Element)的制作對應于機器零件的加工，生命模塊(Module)的搭建對應于機器單元的集成，細胞載體(Chassis)的安裝對應于機器機架的組裝。先是利用堿基分子合成DNA片段，再將這些短的DNA片段拼接為完整的DNA分子，就相當于制作一臺機器的發(fā)動機?！昂铣缮锞褪窍戎圃旌捅碚饕恍┥?，將來再將其組合起來形成生命體?！盵23]36接著是集成生命模塊。在制作好了DNA分子這種基本生命元件之后，還要將其聚合在一起搭建為功能模塊。具體而言，就是將執(zhí)行某種特定生理活動的DNA分子連接到一起，并在其中安裝上啟動子、間隔序列等調(diào)控機關裝置，使其構成一個行動的整體?！熬拖窦夹g人員現(xiàn)在用標準化的、現(xiàn)成的電子元件組裝成計算機一樣?！盵26]最后是安裝細胞載體。機器單元需要組裝到機架之上才能運行，而生命模塊也需要植入到細胞載體之中才能產(chǎn)生生命現(xiàn)象。與將機器單元放置到機架上一樣，生命模塊也需要通過細胞膜上的孔洞或縫隙植入其中。當利用基因槍或顯微注射等技術將生命模塊轉(zhuǎn)化進入細胞載體之中后，生命制造的過程就完成了。

由上述產(chǎn)出路徑可以看出，合成生物學知識實質(zhì)上是一種機械工程學知識。其模仿機器制造過程給出了生命制造流程，為人工合成生命提供了具體的操作指南。在具體的人工合成生命制造過程中，制造者正是按照合成生物學提供的生命制造流程，對生命進行分級制造的。“決定合成生物學成功的是控制、構建和創(chuàng)造生命的技術范式?！盵27]制造者根據(jù)分子生物學揭示的“生命密碼本”構成，設計出DNA分子的堿基序列，然后利用化學方法將堿基分子連接在一起形成生命元件，這個過程相當于機器零件的制備；進而，再借助DNA聚合酶將不同的DNA分子片段組合到一起形成生命模塊，這個步驟相當于機器單元的組合；最后，利用基因組轉(zhuǎn)化技術，將生命模塊轉(zhuǎn)移到事先準備好的細胞載體之中，這個過程相當于將機器單元安裝到機架之上。在合成生命的操作實踐中，制造者正是按照合成生物學提供的生命制造流程來合成生命的。經(jīng)過一個個的制作環(huán)節(jié)，一個完整的生命體就像一臺機器一樣被制造了出來。“物理學家喜歡制造機器，而這也正是合成生物學家利用生物分子來做的事情?！盵23]36

四、機械論知識之于人工合成生命的必要性

首先，機械規(guī)律是生命規(guī)律的基礎。作為物質(zhì)的高級存在方式，生命具有不同于機械物的有機特征。伊曼努爾·康德(Immanuel Kant)的生命有機體理論認為，生命的各個組成部分相互聯(lián)結在一起，它們之間可以展開主動的聯(lián)系與配合，從而形成一個自組織的有機整體。由于自組織作用的存在，生命表現(xiàn)出不同于機械物的存在規(guī)律，“它單憑運動能力(機械作用)是不能解釋的?！盵28]然而，雖然生命具有不同于機械物的地方，但也并不能完全脫離機械運動規(guī)律而存在。一切生命活動依然是建立在機械運動規(guī)律基礎之上的，只不過因為其具有自組織作用突破了機械規(guī)律，而具有了一些新的特性。雖然機械論知識不能對生命現(xiàn)象作出完全的解釋，但其仍然是生命知識的重要組成部分，對生命現(xiàn)象仍然具有一定程度的解釋力。DNA分子是由氫鍵將不同的堿基連接到一起構成的，其復制、轉(zhuǎn)錄與翻譯依然遵從分子運動的物理化學規(guī)律；生命整體是由多種不同的物理化學物質(zhì)構成的，其存在與變化依然服從基本的力學原理與化學規(guī)律；生命的形成雖然有自創(chuàng)生機制的參與，而自創(chuàng)生也是建立在復雜物理化學反應基礎之上的。也就是說，生命規(guī)律奠基于機械規(guī)律基礎之上，雖然實現(xiàn)了對機械規(guī)律的超越，但仍未完全脫離機械規(guī)律。具體到人工合成生命的知識之中，無論是對DNA分子的結構組成所作的機械還原論闡釋，還是對生命系統(tǒng)網(wǎng)絡構成所作的機械動力學闡釋，以及對生命制造過程進行的機械工程學建構，都在一定程度上解釋了其部分的本質(zhì)與規(guī)律。

其次，機械論知識使得人工合成生命成為可能。在古代有靈論生命觀的語境中，生命絕不會成為人類制造的對象?？档碌纳袡C體理論揭示了生命所特有的自組織特性，卻無法為生命的制造提供方法論支持。揭示生命有機特性的行為學、生態(tài)學以及自創(chuàng)生理論等，雖然為認識生命特性提供了寬廣的視角，但也無法給出生命制造的具體方法。生命的制造只能建立在對生命進行的機械論研究基礎之上?！霸谌狈ι^程的機械理論時，人工制造生物，如果能得以實現(xiàn)的話，可能只是一個僥幸但不大可能的意外事故的結果。”[29]500勒內(nèi)·笛卡爾(Rene Descartes)提出身體與靈魂兩分的生命二元論，將生命體看作是可以獨立于靈魂之外類似于機器的實體，形成了生命機器論的先聲。托馬斯·霍布斯(Thomas Hobbes)更是直接否定了靈魂的存在，將生命看作是一種純粹的“自動機械結構”，啟發(fā)人們將生命作為一種機械物進行研究?！白缘芽栆詠?，生物是一種復雜機器的觀點一直吸引著哲學家，并激發(fā)了許多生理學和分子生物學方面的研究?！盵30]660-661最終，在分子生物學利用機械還原論闡明了生命元件的組成、系統(tǒng)生物學利用機械整體論揭示了生命系統(tǒng)的結構以及合成生物學借鑒機械工程學原理建構出生命制造的流程之后，人工合成生命的愿望成為了現(xiàn)實。

最后，合成生命的“從頭開始”制造必然依賴機械論知識。不同于以前的各種生物技術，合成生命技術的一個重要特征是對生命“從頭開始”制造。無論是以前的馴化技術、雜交技術，還是轉(zhuǎn)基因技術，實際上都是對生命有機體本身進行的操作。而合成生命技術則不同，它不是操作生命，而是創(chuàng)造生命。即從堿基這種物質(zhì)開始制造生命，實際上是對一系列非生命的物理化學物質(zhì)進行的操作。在自然條件下，堿基既不是以純化的形態(tài)存在，也不能夠自動生成為基因，其天性是在生物體內(nèi)在酶的作用下依照天然模板聚合為基因的。而合成生命技術則對其提出了“蠻橫的要求”，逆堿基存在和演變的天性而行，通過化學手段的強制力量，將其在生物體外“開發(fā)”為人工預先設計的基因。由此開始，堿基按照合成生命技術的要求，被動地開啟了走向生命的歷程。先被連接為基因，接著被拼接為基因組，再被轉(zhuǎn)化到細胞載體之中，直至形成生命。從合成生命技術操作構成可以看出，在生命產(chǎn)生之前，合成生命技術操作的對象是堿基、基因、基因組等一系列的非生命物，主要利用的是物理化學手段，而這必須依賴具有機械屬性的物理化學知識才能進行。“除了借助于機械論的生命過程理論外，要在實驗室中合成生命有機體也許是不可能的。”[29]500

五、機械論知識對于人工合成生命的局限性

機械論知識使得人工合成生命成為事實，這既是生命進化史上的奇跡，也是人類制造史上的突破。但需要特別注意的是，機械論知識對于人工合成生命是必須的，但卻是不完善的。因為機械論知識畢竟只是生命知識的一部分，并不能完全揭示出生命存在和運行的全部秘密。雖然以機械論知識指導有機生命的制造在實踐之中取得了成功，但機械論知識對于有機生命的制造卻存在先天的局限。

首先，參照電報密碼本對DNA分子所作的機械還原論闡釋忽視了其運行的復雜性。分子生物學按照機械還原論思維參照電報密碼的運行規(guī)律解析DNA分子的編碼規(guī)則，最終將其闡釋為“生命密碼本”。但實際上，DNA分子的編碼規(guī)則遠比電報密碼本的編碼規(guī)則復雜得多。在對DNA分子序列與功能展開研究的學術史中，DNA分子存在和運行的復雜性早就彰顯出來。20世紀初，在美國遺傳學家摩爾根提出的基因假說之中，DNA分子的編碼堿基序列是具有固定位置的，編碼堿基序列以連續(xù)排列的形式存在于染色體之上。到了1970年代，一些科學家發(fā)現(xiàn)，編碼堿基序列在染色體上的位置并不固定，而是可以在染色體上進行“行走”。1980年代，人們又發(fā)現(xiàn)，甚至編碼序列的堿基也不是完全連續(xù)排列在一起的。編碼一種蛋白質(zhì)的全部堿基可能在空間位置上相隔很遠，被一些不編碼蛋白質(zhì)的堿基序列分離開來，它們是通過染色體的構型變化進行結合而編碼完整蛋白質(zhì)的氨基酸分子的。而由于編碼堿基序列具有可移動性與非連續(xù)性，直接決定了DNA分子的編碼方式存在多樣性與可變性。而這也意味著，DNA分子的編碼規(guī)則比電報密碼本的編碼規(guī)則復雜得多，將其作為“生命密碼本”進行闡釋，實際上降低了其運行的復雜性?！盎虻膹碗s性以及基因在與環(huán)境相互作用中表現(xiàn)出來的可變性都是合成‘工程’產(chǎn)生出預訂目標生命的嚴重障礙?！盵30]665

其次，依托物理化學系統(tǒng)模型對生命系統(tǒng)所作的機械整體論解釋遮蔽了其規(guī)律的有機性。系統(tǒng)生物學對生命系統(tǒng)結構與運行規(guī)律進行的研究是依托“硅細胞”模型展開的，而“硅細胞”模型則是在物理化學系統(tǒng)模型的基礎上建立起來的。這就意味著，系統(tǒng)生物學是依托物理化學系統(tǒng)規(guī)律來解析生命系統(tǒng)規(guī)律的。但是，生命系統(tǒng)與物理化學系統(tǒng)是兩種本質(zhì)不同的系統(tǒng)，前者是有機系統(tǒng)，而后者是無機系統(tǒng)。雖然生命系統(tǒng)也遵循物理化學規(guī)律運行，但同時也具有超越于物理化學規(guī)律之上的有機存在規(guī)律。依托“硅細胞”模型雖然可以揭示生命系統(tǒng)遵循的物理化學規(guī)律，卻難以展現(xiàn)生命系統(tǒng)所特有的有機運行規(guī)律。就連從事系統(tǒng)生物學研究的學者也承認，他們的研究并不能完全揭示生命系統(tǒng)的全部意義?！跋到y(tǒng)生物學缺少的是一個清晰的系統(tǒng)存在論：我們并不清楚系統(tǒng)如何被分離出來，還有這種分離對整個系統(tǒng)，而非對不完整系統(tǒng)的意義?！盵15]155在基于“硅細胞”模型得出的研究結論中，所有的生命系統(tǒng)運行規(guī)律都被解釋為物理化學規(guī)律。實際上，生命系統(tǒng)運行規(guī)律并不能全部還原為物理化學規(guī)律，而強行將其還原為物理化學規(guī)律，就必然會對生命系統(tǒng)的真實面目造成遮蔽。“生物模型經(jīng)過‘奧卡姆剃刀’去除好像不必要的理論預設，這雖然實現(xiàn)了簡單建模的意圖，卻不能完整顯現(xiàn)生命的運行規(guī)律。”[31]可見，立足“硅細胞”模型對生命系統(tǒng)進行的闡釋實際上并不能真正闡明生命系統(tǒng)特有的運行規(guī)律，而只能參照物理化學規(guī)律對其作出類比性說明。

最后，參照機械工程原理建構的生命制造流程忽略了生命形成過程中的自創(chuàng)生過程。人工合成生命的操作流程是合成生物學參照機械工程原理建構出來的。利用機械制造原理建構生命制造流程具有合理性與必要性，因為人工合成生命實際上就是操作非生命物質(zhì)使其形成生命，需要采用物理化學手段進行。而問題在于，生命生成過程遠比機械產(chǎn)出過程更為復雜，其不僅包括人工操作的過程，還包括生命自創(chuàng)生的過程。在仔細分析合成生命的生成過程之后就會發(fā)現(xiàn)，其并不單純是人工制造的產(chǎn)物，也是生命自創(chuàng)生的結果。其物質(zhì)結構是人工制造的，而生理功能卻是通過自創(chuàng)生而出現(xiàn)的。“生命——無論是原始的單細胞生命，還是像人類一樣復雜的生命——的本質(zhì)在于，它必須遵循一種內(nèi)在的自創(chuàng)生機制，這是一個物質(zhì)系統(tǒng)生成為生命系統(tǒng)的充分必要條件?！盵17]42當人將各種生命組成部分組合到一起之后，所謂的人工制造過程就結束了。而此時生命的生理功能還沒有出現(xiàn)，生理功能的出現(xiàn)依賴于之后的生命自創(chuàng)生?！芭c將機械零件組裝起來之后不同，合成生物的各個部件結合到一起之后必然發(fā)生有機的相互作用。”[32]在生命自創(chuàng)生的過程中，被人工組合到一起的各種生命組成部分形成一個自我生產(chǎn)的網(wǎng)絡，通過各種生化反應復制與生產(chǎn)自身。在網(wǎng)絡以自我生產(chǎn)方式而存在的過程中，生理功能從中涌現(xiàn)出來，合成生命得以出現(xiàn)?？梢?，合成生命的生成過程包括人工制造與自創(chuàng)生兩個緊密銜接的環(huán)節(jié)，而參照機械工程原理建構的生命制造流程卻不包含生命的自創(chuàng)生環(huán)節(jié)。

六、以機械論知識指導有機生命制造的風險性

以機械論知識為指導的人工合成生命實踐實際上就是有機生命的機械制造，但機械論知識并不能涵蓋“生命密碼本”的復雜性、生命系統(tǒng)的有機性以及生命形成過程中的自創(chuàng)生機制，這就決定了將生命作為機械進行的制造活動具有一定的黑箱操作特征，導致了在人工合成生命的實踐中存在諸多的不確定性風險?！芭c有一個明確的開端和可預見的結果的傳統(tǒng)的制造不同，基于技術化科學的生命制造同時也是一種發(fā)動一系列未知過程的行動?！盵33]概括來講，以機械論知識為指導的人工合成生命實踐存在出現(xiàn)安全事故、破壞生態(tài)平衡以及改變進化方向等風險。

首先是出現(xiàn)安全事故的風險。機械論知識只關涉生命的人工操作環(huán)節(jié)，而不能涵蓋生命的自創(chuàng)生過程。在合成生命的生成過程中，當制造者將生命各種組成部分組合到一起之后，實際上就失去了對生命自創(chuàng)生過程的精準控制。“有機體不是靜止的，它們存在于基因和蛋白質(zhì)的運動過程之中?！盵34]雖然制造者在合成生命“自上而下”的設計過程中,分別利用機械還原論知識以及機械整體論知識對生命的組成部分與整體結構進行了預先的規(guī)劃，但這些組成部分在自創(chuàng)生過程中究竟會生成怎樣的生命結構卻具有不確定性。原因在于，機械論知識并不能真正準確揭示生命元件與生命系統(tǒng)的有機運行規(guī)律。分子生物學參照電報密碼本闡釋“生命密碼本”，在一定程度上掩蓋了DNA分子不同于電報密碼本的“主動”特性。與電報密碼本只是按照固定規(guī)則被動運行不同，DNA這種“生命密碼本”還具有指導生命系統(tǒng)形成的能力，以及根據(jù)環(huán)境條件變化自我調(diào)整的能力?！八欠ǖ渑c行政權力的統(tǒng)一，或者用另一個比喻來說，是建筑師的設計與建筑工人的技藝的統(tǒng)一。”[7]24而系統(tǒng)生物學立足物理化學系統(tǒng)模型將生命系統(tǒng)揭示為機械動力學結構，在一定程度上遮蔽了生命系統(tǒng)所特有的有機生成規(guī)律。與機械系統(tǒng)單純按照物理化學規(guī)律形成不同，生命系統(tǒng)的形成過程中還存在整體對于部分的“下向因果”作用，即根據(jù)生命整體的要求調(diào)整生命組成部分的存在形態(tài)。由于機械論知識并不能準確預知生命元件的“主動”作為以及生命系統(tǒng)的“下向因果”作用，因而就不能保證生命的自創(chuàng)生過程必然會產(chǎn)生出預訂的目標生命，而是可能會產(chǎn)生出對人類有害的生命，造成實驗室意外事故的發(fā)生。

其次是破壞生態(tài)平衡的風險。機械論知識只涉及生命的制造過程，而不能涵蓋生命的生存過程。而合成生命不僅是人類制造的產(chǎn)物和使用的“工具”，其作為生命，還是地球生態(tài)圈層的重要組成部分?！叭斯ず铣傻纳彩且环N實體性存在物，其可以在脫離人類干預的情況下，按照自身內(nèi)在規(guī)律生長、發(fā)育和繁殖?！盵35]合成生命是在實驗室中制造出來的，一般情況下，在特定的環(huán)境中存在。但其卻可能從實驗室或特定環(huán)境中逃脫出來，通過自身的繁衍而在自然界中生存下來。而當合成生命從實驗室擴散到自然生態(tài)系統(tǒng)之中后，會與生態(tài)系統(tǒng)中的自然生命發(fā)生各種相互聯(lián)系和作用，有可能產(chǎn)生難以預料的多種生態(tài)后果。有些合成生命可能直接成為某種自然生命的“天敵”而威脅到該類生命的生存，也可能和某種自然生命形成食物鏈上的競爭關系而威脅到該類自然生命的存在，還可能因為其自身在自然界中沒有抑制因素的存在而無限繁衍造成生態(tài)災難。合成生命對生態(tài)系統(tǒng)的作用與影響類似于外來自然物種的入侵，但在影響程度上則可能更甚于外來自然物種的入侵。外來自然物種入侵對生態(tài)系統(tǒng)造成破壞的例子比比皆是，很多情況下對生態(tài)系統(tǒng)的平衡造成了毀滅性的影響。而合成生物進入自然生態(tài)系統(tǒng)后造成的后果會更為嚴重。

最后是改變進化方向的風險。機械論知識只負責生命的產(chǎn)出過程，而不能涵蓋生命的進化過程。而與機械論人工物不同的是，合成生命具有自我繁衍和進化的能力，可能直接或間接地改變生物圈自然進化的方向。首先，合成基因可能直接淘汰自然基因。由于合成生命并不存在于自然的生態(tài)歷史中，其與自然生命之間究竟會發(fā)生什么樣的基因交流和互換，很難預先作出準確的判斷。當合成生命進入自然界或者自然生命進入人工環(huán)境，都可能出現(xiàn)兩者之間的基因交流，造成合成基因向自然生命的漂移。生物圈可能被含有合成基因的生命體所主宰，隨之原有的自然生命被淘汰，其攜帶的天然基因逐漸消失。其次，人工進化可能間接排擠自然進化。與基因漂移對生物進化的影響機理不同，人工進化排擠自然進化是通過進化壓力的改變而實現(xiàn)的。在自然進化的過程中，自然環(huán)境是選擇的主體，生命種類在與自然環(huán)境的相互作用中，通過變異和選擇而得以進化。人類基于自身目的合成特定的生命并將其應用到生產(chǎn)實踐中，其結果可能造成生態(tài)環(huán)境的變化。生態(tài)環(huán)境的變化引發(fā)自然選擇壓力的變化，進而體現(xiàn)到自然界物種的繁衍和進化之中，導致自然界生命種類和數(shù)量的變化。“用技術條件替代了創(chuàng)造生命的條件，用人類制造生命的形式替代了自然進化的過程及生命進化形式。”[36]

以機械論知識為指導的人工合成生命實踐雖然取得了巨大成功，但由于利用機械論知識指導有機生命的制造具有先天的局限性，導致人工合成生命的這種成功實踐之中蘊含著諸多的不確定性風險。因而，在機械論知識的基礎上，人工合成生命的實踐還需要引入有機體理論、生態(tài)理論與進化理論等知識作為補充，才能在盡量規(guī)避風險的前提下制造出對人類有益的生命類型。要充分認識生命自身的復雜性，對合成生命產(chǎn)出過程中自創(chuàng)生環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的意外情況進行全面預測并作出預先防范，以避免實驗室事故的發(fā)生；要考慮目標生命的生存特征，深入評估合成生命對食物鏈、生物多樣性以及自然環(huán)境可能產(chǎn)生的影響，采取必要的技術手段，阻止生態(tài)災難的發(fā)生；要關注合成生命的進化特性，評判其與自然生命交流基因的能力，采取有效措施，減少或阻止進化風險的發(fā)生。只有在機械論知識與有機體知識、生態(tài)知識、進化知識相結合的條件下，人工合成生命的實踐才能走上合理發(fā)展的道路。