趙云波 鄧 婧

克雷格·文特爾(John Craig Venter，1946年～)出生于美國猶他州鹽湖城，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)、美國國立衛(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序相關(guān)研究工作，例如，其改進基因組快速測序方法——表達序列標簽技術(shù)(express sequence tag，EST)、解碼流感嗜血桿菌的基因組(1995年)、采用“全基因組霰彈測序法”(whole genome shotgun sequencing)開展人類基因組測序工作(2000年)。進入21世紀，文爾特就“創(chuàng)造真正的人造細胞”展開實驗研究，并完成了第一個“人造”細胞JCVIsyn-1.0(2010年)。文特爾獲得了美國國家科學(xué)獎?wù)?The President's National Medal of Science，2008年)、丹·大衛(wèi)獎之未來獎(Dan David Prize，2012年)等。基于長期的科學(xué)實踐和對生命是什么的深入思考，文特爾提出“生命是一個信息系統(tǒng)”的觀點。那么，這樣的觀點是如何產(chǎn)生的？主要內(nèi)容又是什么？本文以其系列科學(xué)實驗為切入點以窺一斑。

1 歷史上的爭論：生命是什么？

“生命是什么？”大概是人類自古以來不斷追問卻依然聚訟紛紜的一個重大問題，歷史地看，活力論(vitalism)與還原論(reductionism)的爭論是一條重要脈絡(luò)。還原論認為，生命與非生命之間別無畛域。例如，古希臘時期恩培多克勒(Empedocles,公元前493年或495年～公元前432年或435年)認為，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，生命與非生命物質(zhì)之間橫亙著一條無法跨越的天塹，“活力”(vital force)是生命獨有的性質(zhì)。例如，古印度草醫(yī)學(xué)認為，“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)著生命機能”[1]5。這是一種典型的活力論。

實際上，從人類認識生命的發(fā)展史來看，兩種觀念并非時刻涇渭分明，而是時常交織在一起，這與人類對生命的認知還非常有限直接相關(guān)。早在古希臘時期，亞里士多德(Aristotle,公元前384年～約前322年)盡管將整個世界分為動物、植物和礦物三大類，并將當(dāng)時已知的520多種動物分為6個等級，而就動物的生殖方式而言，有些為父子相承，有些為自發(fā)生成，在自發(fā)生成的動物中有些從腐土或腐殖質(zhì)中繁育出來[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“靈魂機制”，即“繁殖與進食”，動物則還須具備“感覺與運動”，人類除卻上述兩種“靈魂機制”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、19世紀，新科學(xué)進展不斷影響著人類對生命的認識。安托萬·拉瓦錫(A.Lavoisier,1743年～1794年)通過實驗推翻燃素說，提出氧化反應(yīng)，認為萬事萬物是由元素構(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，德國化學(xué)家弗里德里?！ぞS勒(F. Wohler,1800年～1882年)在他開展的一項合成氰酸銨的實驗中意外得到了尿素：

這個實驗對生命觀的重要性在于：兩種無機物通過化學(xué)反應(yīng)得到了尿素，即一種從動物尿液中純化出的物質(zhì)，也就是當(dāng)時的人們認為只有生命體才能合成的物質(zhì)。這項實驗打破了當(dāng)時無機與有機之間不可逾越的界限，這兩個概念自身也發(fā)生變化，但“活力論”并沒有隨之消聲匿跡，不少實驗科學(xué)家也并不完全摒棄這一觀念。

19世紀末，德國科學(xué)家漢斯·杜里舒(H. Driesch,1867年～1941年)做了一項實驗，他將受精卵經(jīng)過兩次細胞分裂后形成四個細胞的海膽胚胎分裂開來單獨培養(yǎng)。按道理四個細胞應(yīng)該成長為海膽的四個部分，合起來是一個完整的海膽，然而實際上四個細胞分別長成了體形雖小但體態(tài)完整的海膽。據(jù)此，杜里舒認為，這個實驗說明了“活力”的存在。

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

事實上，這個問題回到了一個更為根本的問題，1858年德國病理學(xué)家魯?shù)婪颉ぞS爾肖(R.L.C.Virchow，1821年～1902年)提出：“細胞來自于細胞，就好像動物來自于動物，植物來自于植物一樣。”[4]那么，最初細胞的最終來源是什么？可以來源于非生命物質(zhì)嗎？實驗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)這些無機物可以自發(fā)形成糖、氨基酸等復(fù)雜的有機分子。這項實驗支持了還原論，認為生命現(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)同樣對這一信條堅信不疑。

20世紀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)生在一個生命有機體內(nèi)的時空中的事件？”圍繞這個問題，他也給出了一個初步的回答：“目前的物理學(xué)和化學(xué)顯然還沒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此做出解釋?！盵5]后來，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，也就是合成第一個完全由人造DNA控制的細胞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，就同一個主題《生命是什么》發(fā)表演講。在文特爾看來，“合成生命的終極目標是通過重造生命來理解生命”[6]66。他認為，長期以來還原主義在生物學(xué)發(fā)展中扮演著重要角色，他說：“過去幾十年中，通過揭示細胞的成分、動力和周期變化的還原主義實驗路線一直是幫助我們了解細胞的主力方法。”[6]131但是，“合成生物學(xué)的興起表明我們對生命的認識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)還原主義實驗？是不是否定了“還原論”呢？文特爾通過合成生物學(xué)實驗形成了什么樣的“生命觀”呢？

2 文特爾合成生物學(xué)實驗三部曲(四個實驗)

細胞的最終來源是什么？至今是一個謎，完全解開這個謎也許需要重新等待35億年的進化過程。合成細胞的意義則在于人類無需數(shù)十億年的漫長等待與觀察，“我們改動了基因組，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)造出一個在自然界沒有直接祖先的合成細胞，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)實驗有四項：合成噬菌體phi X174基因組；合成生殖支原體基因組；一個物種改變另一物種：將絲狀支原體染色體移植到山羊支原體細胞核中取代原有染色體并獲得生命活性；創(chuàng)造一個僅由人工合成DNA控制的細胞。這四項工作可以歸為實驗三部曲。

2.1 合成基因組實驗

2.1.1 合成病毒phi X174基因組

在發(fā)展出基因測序技術(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的生物合成機制”而獲得諾貝爾獎。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。科恩伯格的研究成果一經(jīng)發(fā)表就引起了轟動，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)上開展合成工作。20世紀70年代，弗雷德里克·桑格(F. Sanger,1918年～2013年)團隊開展了對噬菌體phi X174的DNA測序工作，文特爾再次用當(dāng)時最新方法重新測序以提高精準度，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算機中，然后從計算機文件中的DNA序列開始，將基因組分成一系列足夠小的、前后之間有所重疊的片段，達到DNA合成機所能高準確率合成的長度從而制出這些片段,此時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,再通過技術(shù)形成環(huán)狀。最后將合成的phi X174 DNA植入大腸桿菌中驗證是否有毒性，即在宿主細胞中具有自我復(fù)制能力和能夠殺死宿主細胞。

實驗結(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《美國國家科學(xué)院院刊》上。文特爾認為，他和他的團隊“極大地縮短了從合成寡核苷酸中精確組裝5kb～6kb片段DNA所需的時間”[7]。當(dāng)時引起了政府和社會的深度關(guān)注，在考慮到這項研究成果倫理問題的同時，也給予了積極評價，時任美國能源部部長斯賓塞·亞伯拉罕(E.S.Abraham，1952年～)預(yù)測，合成生物學(xué)將會幫助定向制造出一些微生物，如專門用于處理污染、吸收過量二氧化碳，甚至滿足未來燃料需求的微生物[6]77-78。

2.1.2 合成活細胞生殖支原體的基因組

當(dāng)然，嚴格講病毒并非生命體，在文特爾看來，需要從合成活細胞的基因組工作中增進對生命所必須的基因的認知，他們選擇了生殖支原體的基因組作為下一步研究的目標。生殖支原體是目前所知的擁有最小基因組的生物，有582 970個堿基對，是phi X174堿基對的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,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數(shù)量差距巨大，這給文特爾團隊帶來了不小的挑戰(zhàn)，為此，他們改進了合成方法。

首先依然是高精度測序，讀基因一般設(shè)定錯誤率為1/10 000，但以此標準寫基因,則將失之毫厘、謬以千里。1995年文特爾團隊曾做過生殖支原體的測序工作，將那個時期的測序儀的測序結(jié)果與新技術(shù)再次測序的結(jié)果相結(jié)合,把錯誤率由1/10 000降到了1/100 000。第二步，將這近60萬個堿基對分成101段，每段5 000個～7 000個堿基對，也就是一個phi X174基因組的大小。第三步,也是最關(guān)鍵的一步,把這101個卡帶連接起來組裝成一個基因組。最后，檢測合成目標基因組序列。

結(jié)果表明DNA序列與在計算機中設(shè)計的序列完全匹配，文特爾團隊成功合成了一個擁有近60萬個堿基對的生殖支原體基因組，這是當(dāng)時“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。

以上兩項工作還未達到合成細胞的層次，但解決了合成生物大分子的精準測序、化學(xué)合成等基礎(chǔ)理論認知與應(yīng)用技術(shù)開發(fā)。

2.2 絲狀支原體基因組移植到山羊支原體細胞

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

實驗同樣起步于基因組測序。絲狀支原體、山羊支原體都是山羊的致病菌。經(jīng)過嚴格測序，前者有1 083 241個堿基對，其中3/4與擁有1 010 023個堿基對的山羊支原體在序列上匹配?；跍y序結(jié)果及相關(guān)特性，在基因組移植實驗中，文特爾團隊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胞中(文特爾團隊選擇了不去除受體細胞染色體的方式)，并在供體細胞基因組中加入兩個基因：抗生素選擇和半乳糖苷酶基因，后者能使細胞在半乳糖苷環(huán)境中發(fā)出藍色。

如果實驗成功，應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)藍色的耐抗生素的菌落。正如預(yù)期，文特爾團隊在培養(yǎng)液中看到了這樣的結(jié)果。為了確保實驗結(jié)論的嚴謹，他們對藍色菌落DNA開展了測序，得到的序列只與供體細胞絲狀支原體基因組相匹配，并開展了假定移植分析，“這些數(shù)據(jù)證明了將整個基因組從一個物種移植到另一個物種，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，這項成果有諸多意義，最重要的是讓大家相信，如果可以用四瓶化學(xué)品合成一個基因組，那么就有可能將這個合成基因組移植到受體細胞中，并讓受體細胞按照它的指令運行。同時，也讓他們明確了一個更大的目標：在電腦上創(chuàng)建一個數(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胞中。

2.3 合成細胞

圍繞合成細胞的目標，在合成phi X174和生殖支原體基因組兩項實驗中，文特爾團隊提升了合成生物學(xué)的理論認知和操作能力，在將絲狀支原體染色體與山羊支原體細胞植入實驗中，團隊進一步積累了移植基因組的知識和經(jīng)驗。下一步，就是將上述兩種能力合二為一，將完全化學(xué)合成一個物種的基因組移植入另一物種的細胞中并獲得生命活性。文特爾團隊具體開展的此類實驗是在酵母細胞中合成絲狀支原體基因組，然后移植入山羊支原體細胞內(nèi)。

第一步依然是進一步提升絲狀支原體基因組的測序精度。第二步,合成絲狀支原體DNA，在這個環(huán)節(jié)，文特爾團隊進一步改進了方法, 直接從有1 080個堿基對的片斷開始連接成含有1萬個堿基對的片段，再將這些含有1萬個堿基對的片段以重疊的方式組裝，形成含有10萬個堿基對的片段，最后將11個這樣的基因組片段在酵母細胞中組合成一個完整的包含110萬個堿基對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胞移植到山羊支原體細胞中。同樣，成功的標志是出現(xiàn)藍色菌落。

原理大致如此，但過程艱辛復(fù)雜,例如，移植基因組實驗中的供體由野生型絲狀支原體染色體換成來源于酵母的絲狀支原體染色體移植入受體細胞中無法得到任何移植細胞，僅解決這個問題就花費了兩年時間。即使在臨近尾聲的時候，因沒有發(fā)現(xiàn)合成基因組110萬個堿基對中的1個堿基對的錯誤就導(dǎo)致整個實驗失敗。

解決了以上各種問題，終于在2010年4月1日，文特爾團隊確認他們得到一個完全由他們?nèi)斯ず铣傻幕蚪M所控制的細胞。2010年5月20日，論文《創(chuàng)造了一個由化學(xué)合成基因組控制的細菌細胞》被《科學(xué)》在線發(fā)表，文章指出“新細胞具有預(yù)期的表型特性，并且能夠進行持續(xù)的自我復(fù)制”[10]，同時，他們向世人宣布：“第一個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，見圖1。

圖1 文特爾合成生物學(xué)實驗“三部曲”框架圖

系列科學(xué)實驗取得成功后，文特爾認為大部分生物學(xué)家持同樣觀點：“在計算機中通過字母序列所表示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胞的原理見圖2。

圖2 文特爾生命信息系統(tǒng)運行原理圖

3 生命是一個信息系統(tǒng)

當(dāng)然，文特爾細胞合成實驗還只是“從頭至尾”創(chuàng)造一個細胞的起始階段，正如美國生物工程師、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]文特爾本人也認為一些人正確評價了他的合成細胞工作：“由于合成基因組是化學(xué)合成了一個自然界原本存在的基因組，并將其移植入一個自然受體細胞中，因此，‘合成生命’不能算是‘從頭到尾’的真正合成?！盵6]128但是，不可否認文特爾科學(xué)實驗取得的成就和歷史意義，正如牛津大學(xué)實踐倫理學(xué)教授朱利安·撒維勒斯庫(J.Savulescu，1963年～)的評價：“文特爾正在打開人類歷史上最為深刻的大門，并有可能窺探它的未來……他正在走向上帝的角色：創(chuàng)造自然界中從未存在的生命?！盵12]《時代周刊》把這項成果列入到“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)實驗三部曲中形成和加深了對“生命是什么”的認識。在完成第一個“人造”細胞之后，文特爾具體化了“合成生命”和“合成細胞”的定義：“完全由人工合成的DNA染色體所控制的細胞。合成基因組是這種細胞的生命軟件，它指定了細胞中的每一個蛋白質(zhì)機器人以及它們在細胞中的功能?！盵6]127概言之，生命是一個信息系統(tǒng)。

3.1 細胞由DNA中的信息所控制

文特爾喜歡用計算機科學(xué)的術(shù)語比喻細胞和生命，例如，在他看來，“細胞中的蛋白質(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。計算機科學(xué)告訴我們，硬件為計算機運行提供了物理條件，但計算機能夠發(fā)揮出什么樣的功能、完成什么樣的任務(wù)取決于軟件開發(fā)。同樣，在生命學(xué)科領(lǐng)域，活細胞的運行都受到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。文特爾認為合成生命，“從基因來看，就相當(dāng)于弄清楚如何在計算機上運行個人軟件”[6]112。相反，在前分子生物學(xué)時代，也有科學(xué)家開展了細胞移植工作并取得杰出成就，例如，1938年德國胚胎學(xué)家漢斯·施佩曼(H. Spemann,1869年～1941年) 用頭發(fā)絲分隔細胞核與細胞膜內(nèi)的其他物質(zhì),待細胞核4次分裂后,將其中一個細胞核放回原細胞被分隔開的那一部分,結(jié)果創(chuàng)造了一個原細胞的克隆體。但是，當(dāng)時人們還不能從分子層面解釋遺傳現(xiàn)象，對此，文特爾評價施佩曼的工作：“有點類似在不了解軟件的情況下，僅通過從網(wǎng)絡(luò)下載代碼的方式重新編程計算機。”[6]99文特爾認為，當(dāng)他和他的團隊在一個細胞內(nèi)成功啟動合成DNA軟件時，對于薛定諤提出的那個至關(guān)重要的“小”問題——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。而所有開展的合成生物學(xué)實驗，在文特爾看來就是要理解“決定了生命的結(jié)構(gòu)和功能的DNA軟件對生命究竟意味著什么？”[6]52

3.2 DNA測序?qū)⑸畔?shù)字化

從文特爾團隊系列科學(xué)實驗來看，一個顯著的共同點就是都起步于對研究對象DNA序列的高精度測序，“數(shù)字化DNA序列是基因組設(shè)計和合成的基礎(chǔ)，那么必然要求基因測序必須是非常精確的”[6]71。實際上，自從20世紀人類確定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)，人類就開始為破解生命密碼孜孜以求，同時也開啟了生命數(shù)字化操作的進程。20世紀70年代，桑格用其團隊發(fā)明的雙脫氧測序法完成擁有5 386個堿基對的噬菌體phi X174的測序工作，并成為科學(xué)家普遍采用的標準測序方法，也因之被稱為桑格測序法(Sanger sequencing)。90年代中期，文特爾團隊發(fā)明了全基因組霰彈測序法，并完成了流感嗜血桿菌和生殖支原體基因組的測序工作，而生殖支原體被認為是目前所知的最小生物體，也是人類第一個測定的活細胞基因代碼序列。2000年文特爾宣稱自己的團隊完成了人類基因組的測序工作。通過這些工作，文特爾評價自己將碳基信息轉(zhuǎn)換成了硅基信息：“當(dāng)我們能夠通過基因組測序來讀取它的遺傳密碼時，我們就可以把DNA的物理代碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼，這樣就可以實現(xiàn)光速傳播的電磁波?！盵6]163而且，他認為，如果能夠完整讀取DNA中蘊藏的密碼并精準翻譯，在理論上，就可以解碼細胞工作的秘密，并通過編輯軟件來改變細胞乃至合成新的生命。依此，文特爾認為人類進入了“數(shù)字化生物時代”。

3.3 將數(shù)字化的生命信息轉(zhuǎn)化為實體

從17世紀開始，羅伯特·胡克(R. Hooke，1635年～1703年)發(fā)現(xiàn)細胞死后殘留的細胞壁，到安東尼·列文虎克(A.P.van Leeuwenhoek，1632年～1723年)觀察到活細胞，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)提出細胞與生物體的關(guān)系，最后由魏爾肖完成細胞學(xué)說的主要內(nèi)容：所有生物都由單個或多個細胞構(gòu)成，細胞是所有生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，細胞分裂只能來自已有的細胞。分子生物學(xué)進展告訴我們，細胞自我復(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，隨之而來的是可以通過編輯DNA來改造細胞?，F(xiàn)在，通過文特爾實驗，在生命信息數(shù)字化基礎(chǔ)上，人類就有能力設(shè)計一種新的生命形式，它并非來源于已有細胞分裂，而是通過適當(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)計路線“制造”出新的細胞，“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

文特爾合成生物學(xué)成就無疑具有極為深遠的科學(xué)意義和社會價值。

第一，加深對生命本質(zhì)的認識。正如前文所言，探索生命起源是當(dāng)代科學(xué)進展中的一個重大問題，較之實際上不可能的重復(fù)幾十億年的演化史，合成生物學(xué)為人類認識生命、認識生命起源提供了一條有可能路徑，通過合成生命認識生命，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?！盵14]而且，回到文章開篇討論的問題，即還原論與活力論之爭，我們已經(jīng)可以從文特爾的實驗和觀點中得到一些答案。文特爾認為，他的系列科學(xué)實驗進一步發(fā)展了他關(guān)于生命的思考，他的“生命是一個信息系統(tǒng)”的核心觀點“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“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)量龐大的細胞元件組裝起來去創(chuàng)造出一個全新的細胞”，并且以生命可以從實驗室中合成出來的更為基礎(chǔ)的層面否定了“活力論”。他認為：“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單成分。我們的實驗并沒有留下太多空間來支持活力論者或者認為生命依賴于超越復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的觀點?！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存在計算機數(shù)據(jù)庫中，并可以以光速遠距離傳播，其意義是顯而易見的，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；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，我們可以讓其重見天日。將細胞DNA測序并數(shù)字化，再通過在一定的化學(xué)環(huán)境中培養(yǎng)出并非來源于已有細胞增殖的新細胞或組成細胞的大分子，這是合成生物學(xué)的重大進步。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)進展與“從頭到尾”合成一個細胞之間還有很遠的距離，但依據(jù)合成生物學(xué)當(dāng)前進展所獲得的理論認知和具體應(yīng)用已經(jīng)在人類社會發(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，跨地域同時啟動疫苗研制和藥物研發(fā)成為可能。而這一點在人類應(yīng)對當(dāng)代疫情中已經(jīng)顯現(xiàn)出巨大力量。同樣，對于其他有機物，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，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從根本上來講沒有實質(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)進展，科學(xué)家已經(jīng)開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《無細胞系統(tǒng)將二氧化碳合成淀粉》(Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide)報道了在實驗室里首次實現(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)還有很長的路要走，但這項工作打開了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)歷史性變革的大門。可以說，人們對合成生物學(xué)成果應(yīng)用于解決糧食、環(huán)境、能源等領(lǐng)域的危機寄予了厚望。

當(dāng)然，任何科學(xué)進展都應(yīng)當(dāng)為著人類進步，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)開發(fā)和社會應(yīng)用的效果和結(jié)果都完全朝著增進人類福祉的方向發(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，就出現(xiàn)了“人類是否應(yīng)當(dāng)充當(dāng)上帝角色”的追問，并且已形成不少深刻的見解，例如，加強合成生物實驗室管理，預(yù)防合成構(gòu)成生命的大分子乃至細胞技術(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，增強科學(xué)家自律等。在這里，本文從“生命是一個信息系統(tǒng)”的角度談幾點合成生物學(xué)涉及的生物安全和生命倫理的問題，以拋磚引玉。

第一，目前合成細胞領(lǐng)域的進展，實際上主要是基于現(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，因為，合成基因組需要移植入受體細胞中實現(xiàn)自我繁殖能力，而在創(chuàng)造通用受體細胞上還有非常漫長而崎嶇的路要走。盡管如此，2005年，美國、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，防止對生命的“見解”因被誤用、濫用乃至惡意使用而變成對生命的“毀滅”。

第二，合成細胞通過基因信息在碳基-硅基-碳基之間的傳遞，創(chuàng)造出了并非來源于現(xiàn)有細胞分裂后產(chǎn)生而完全由人工化學(xué)合成的染色體控制的細胞。依此看來，一是似乎消解了“生命”與“非生命”之間的界限，對傳統(tǒng)生命觀形成挑戰(zhàn)，需要哲學(xué)、倫理學(xué)、社會學(xué)等多學(xué)科跟進、介入，對何謂“生物”、何謂“生命”做出符合科學(xué)的新進展，形成對生命新認知的理解和解釋。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屬性，將生命的意義簡單歸結(jié)為基因所控制下的物理化學(xué)反應(yīng)的觀點值得討論。此外，“數(shù)字化生物學(xué)時代”，生物學(xué)進展及其應(yīng)用更要注重知情同意、個人基因信息保護、成果惠及大眾等。