合成生命时代向我们走来

合成生命时代向我们走来

薛定谔认为，生命现象一定能通过物理学和化学来解释，染色体一定包含了“很多种能够决定个体未来发展的完整模式的密码本”。1953年，沃森和克里克发现了DNA双螺旋结构，这标志着人类迈出了重要一步；2010年，文特尔利用合成DNA创造了第一个“人造细胞”，这预示着合成生命时代向我们 走来。

LIFE AT
 THE SPEED
 OF LIGHT

在一个生命有机体的范围内，那些发生在空间上和时间上的事件，如何用物理学和化学知识来解释呢？在解释这些问题的时候，当前的物理学和化学明显表现出了“无能为力”的状态，但这绝不能成为我们合理怀疑这些事件可以用物理学和化学方式来解释的理由。

——埃尔温·薛定谔，《生命是什么》

“生命是什么”就这简简单单的五个字，却引发出了无数极具挑战性的问题。到底是什么把生命体从无生命体中分离了出来？构成生命的基本要素是什么？最早的生命体出现在哪里？第一个生命有机体是如何演化的？生命无处不在吗？在宇宙中到底存活着多少生命？如果在外星存在着其他生命物种，那么它（他）们是跟我们一样有智慧吗，还是比我们更加聪明？

直到今天，在生物学的各个领域中，所有这些关于生命本质和起源的问题仍然持续引发着最广泛、最激烈的争论。在一定程度上，我们可以说，生物学整个学科归根到底是依赖于生命这种现象的。幸运的是，对于上述这些问题的答案，虽然我们现在仍然处于艰苦的探索过程当中，但是在过去的几十年里，我们已经取得了巨大的进步。事实上，我们记忆犹新的这些最新进展，比现代意义上的人类出现在地球上之后十多万年以来所取得的全部成就还要巨大。我们现在已经进入了我所说的“数字化生物时代”；在这个时代，原本属于不同领域的计算机程序和用来对生命进行编程的技术开始合二为一，出现了新的协同效应。在这种效应的推动下，全新的演化方向将会出现，而且演化方式也将变得非常“激进”。

薛定谔的“密码本”

如果非要让我对我心目中认定的现代生物科学诞生的时间和地点做一个选择，那么我会选择1943年2月的都柏林。因为正是从那个时候开始，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger，1887—1961）把他所有的注意力都集中到了生物学领域的一个核心问题上。1939年薛定谔把家安在了都柏林，一方面是为了逃避纳粹的迫害，另一方面是因为这个城市能够包容他非传统的家庭生活方式（他过着“三人行”式的家庭生活，在精神上追求“激烈的性冒险”），另外也出于当时的爱尔兰总统埃蒙·德瓦勒拉（éamon de Valera）的提议，德瓦勒拉在很早以前就曾经邀请薛定谔去都柏林工作。

薛定谔是量子力学中波动方程的提出者，因为这个贡献，他于1933年获得了诺贝尔奖。他提出的波动方程非常强大，能够解释下自亚原子微粒、上至宇宙本身，以及介于这两者之间的任何事物的行为。十年之后，在都柏林高等研究院的赞助下（这个研究院本身就是薛定谔他在德瓦勒拉的帮助下成立的），薛定谔在都柏林的圣三一学院举办了一个系列讲座活动，前后共发表了三次演讲。直到今天，这些演讲的内容仍然经常被人们引用。薛定谔给这个系列讲座确定的题目是《生命是什么：活细胞的物理学观》。这是从现代物理学的角度对活细胞所进行的一次考察，系列讲座部分是因为薛定谔受父亲在生物学方面的兴趣所鼓舞的结果，部分则是因为他被一篇发表于1935年的论文所激发的结果。这篇论文源于第二次世界大战前德国物理学和生物学的一次早期碰撞。在当时，德国物理学家卡尔·齐默（Karl Zimmer）和马克斯·德尔布吕克（MaXDelbrück）曾经与苏联的遗传学家尼古拉（Nikolai Timoféeff-Ressovsky）一起研究过一个课题：估算基因的大小（“大约为1 000个原子”）。他们的估算是建立在X射线破坏果蝇基因的能力和引起果蝇基因突变的能力的基础上的。

薛定谔是在1943年2月5日（那一天是星期五）下午4：30开始他的系列演讲的，当时爱尔兰总统就坐在他对面的观众席上。一个在现场的《时代周刊》记者为我们留下了这样的描述：“演讲现场人满为患，大量的听众被拒之门外。在场的内阁部长们、外交官们、学者们和社会名流们则不停地大声喝彩。这个出生在维也纳的物理学教授的雄心壮志远远超过了任何一位数学家。”第二天，《爱尔兰时报》（The Irish Times）刊登了一篇题为《活细胞和原子》的文章，该文一开头就强调，薛定谔的目标是，试图只利用物理和化学原理就搞清楚活细胞内部发生的各种“事件”。这个演讲非常受人欢迎，以至于薛定谔不得不在接下来的那个星期再一次发表了同一个系列演讲。

对自己的演讲稿进行了一番整理和修改之后，薛定谔写出了一本小册子，并在第二年公开出版。这本小册子就是《生命是什么》（What Is Life?）。它出版那年，正好是我出生的前两年。《生命是什么》这本书已经影响了一代又一代生物学家。在薛定谔发表这些举世瞩目的演讲50年周年之际，圣三一学院的迈克尔·P.墨菲（Michael P.Murphy）和卢克·A.J.奥尼尔（Luke A.J.O’Neill）组织了一个隆重的纪念活动，许多学科领域的杰出科学家都应邀前来参加——被列入来宾名单当中久负盛名的客人包括：贾雷德·戴蒙德（Jared Diamond）、斯蒂芬·杰·古尔德（Stephen Jay Gould）、斯图尔特·考夫曼（Stuart Kauffman）、约翰·梅纳德·史密斯（John Maynard Smith）、罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）、路易斯·沃尔伯特（Lewis Wolpert）和诺贝尔奖得主克里斯汀·德·迪夫（Christian de Duve）和曼弗雷德·艾根（Manfred Eigen）。这个庆典活动还有一个重要目的，那就是，预测接下来半个世纪的“主宰”将会是什么。《生命是什么》这本书是我的最爱，我至少已经在不同的情境下读过五遍了。每一次阅读它的时候，我本人都处于职业生涯的不同阶段，因此它每一次都能给我带来了不一样的信息以及全新的感受和意义。

薛定谔的这本小册子之所以拥有如此强大的影响力，恰恰是因为它所要表达的中心内容是极其简单明了的。在这本书中，薛定谔从一个全新的角度对生物学的核心问题进行了正面冲击：遗传以及生物体是如何利用能量来保持自身“有序”的？薛定谔的观点清晰而简洁。他认为，生命必须遵守物理法则，由此出发就可以得到一个必然的推论：我们必定能够利用物理法则来得到一系列有关生命本质的重要结论。薛定谔发现，染色体一定包含了“很多种能够决定个体未来发展完整模式的密码本（code-script）”。他推断，密码本必定包括“一个秩序井然的原子联盟，它拥有足够的电阻以保证秩序的永久性”。薛定谔还解释了，在一个“非周期性晶体”内的原子数量是如何携带了足够多的遗传信息的。他使用“晶体”这个术语来暗示它的稳定性，并用此来刻画它“非周期性”的特点，即这与那种周期性的、重复性的模式是不一样的。对此，《爱尔兰时报》的解释是，这就像是“用一张普通花纹的墙纸与一条有精致刺绣的挂毯相比”。非周期性意味着可能包含着更高的信息含量。薛定谔认为，这个晶体内大量的原子的排列并不是十分复杂，它很可能是与二进制代码一样的最基本的东西，比如说，与莫尔斯电码类似。据我所知，在所有提到遗传密码的人当中，薛定谔是有史以来第一个认为它如同二进制代码一样简单的科学家。

就生命而言，最显著的一个特征就是，它拥有创造秩序的能力，即从我们的混乱化学环境中“培育”出一个复杂而有序的“身体”。乍一看来，这个能力似乎是一个奇迹，它颠覆了悲观的热力学第二定律，即一切事物都倾向于从有序走向无序。但是，热力学第二定律只适用于一个“封闭式系统”，比如说一个密封的试管，然而有生命的物体却都是开放式的（或者是一个更大的封闭系统中的一小部分），它们融合在周围的能量和质量当中。生命体花费大量的精力去创造有序而复杂的细胞形式。

薛定谔有许多演讲都致力于解释生命热力学，但相对于他本人有许多重要洞见的遗传学和分子生物学领域，他对这个主题的研究不那么充分和深入。对于生命，薛定谔是这样描述的：生命“本身就是一条浓缩的‘有序的河流’送给我们的礼物，这样一来，生命就可以避免在‘原子的混乱无序’中衰败的命运，而且能够从适宜的环境中汲取‘秩序’来维持自身”。薛定谔力图搞清楚的是，一个“非周期性晶体”是如何参与到这个创造性的“伟大壮举”当中的：密码本内置了一些重新组织附近的化学物质的方法，这样就能够在那巨大的熵流中利用“涡流”，保证自身以细胞或身体的形式生活下去。

在第二次世界大战中，美国为了制造原子弹，组织了“曼哈顿计划”，无数科学家都参加了这个庞大的项目，并做出了巨大的贡献。不过，随着时间的推移，对于这个计划的“伟大意义”，许多物理学家和化学家开始不再抱有幻想。在这种情况下，薛定谔提出的这些假说极大地激发了他们的兴趣，使他们把注意力转向了生物学。值得注意的是，在薛定谔发表上述系列演讲的时候，科学界的共识是，形成遗传物质的基础是蛋白质而不是DNA。直到1944年，才出现了第一个明确的证据确凿无误地证明，是DNA而不是蛋白质才是信息的载体。事实上，促使美国的詹姆斯·沃森和英国的弗朗西斯·克里克（Francis Crick）去全力探索密码本奥秘的，正是薛定谔的《生命是什么》这本书；这最终使得他们破译了DNA：他们发现了生物学中最完美的结构——双螺旋链，在这条链当中，隐含着所有的遗传密码。在双螺旋链中，每一条链都是与其他链互补的；它们按相反的方向（反向平行）延伸。因此，这个双螺旋链可以从中间任何一点解开，而且每一条链都可以作为另一条链的模板或样板，这样一来，DNA所包含的信息就可以被复制并进一步传递给子孙后代。1953年8月12日，克里克给薛定谔写了一封信，里面就说到了这些内容，并且还加上了一句：“您提出的那个‘非周期性晶体’的术语运用得非常恰当。”

这个密码本到底是怎样发挥作用的呢？到了20世纪60年代，具体精确的细节已经被科学家们揭示出来了，密码本得到了破译。在此基础上，克里克在1970年提出了“中心法则”（central dogma），明确了遗传信息在生物学系统传递的具体途径和方式。到了20世纪90年代，我带领的一个研究团队破解了第一个活细胞的基因组；然后我又带领另一个研究团队破译了人类基因组。我的这个团队是世界上两大旨在解读人类密码本的顶尖科研团体之一。我们与沃森及其他一些科学家展开了高调的“竞赛”，这种竞争不但非常激烈，而且在竞争过程中往往很容易触怒对方，甚至还带有一定的政治性。最后，在世纪之交来临之际，我们团队获得了第一个意义非凡的、真正包含了人类生命全部编码信息的非周期性晶体的详细密码本。

在薛定谔的思想中隐含着这样一个观念：在生命的第一缕曙光刚刚开始出现的时候，密码本就已经发送出了它的信号，这个时间大约为距今40亿年前。后来的许多学者都对薛定谔这个思想进一步展开了论述。例如，生物学家兼著名科普作家理查德·道金斯（Richard Dawkins）2就在这个思想的基础上提出了“伊甸园之河”这个能够唤起我们想象的形象比喻。这条缓缓流淌的河流由信息以及能够创造出生命的编码构成。一个要点是，DNA在复制过程中的“忠诚度”并不是那么完美的，在“代代相传”的过程中，不可避免地伴随着氧化、磨损以及紫外线的损害，这些足以引起DNA的变化，进而产生许多新变异出来的物种。由此而导致的结果是，这条“河流”开始分裂，分出了许多岔道，这就是说，在数十亿年的生命演化过程中产生了无数新的物种。

早在半个世纪以前，伟大的演化遗传学家木村资生（Motoo Kimura）就曾经估计过，在过去的五亿年里，遗传信息的数量增加了一亿比特。DNA密码本已经开始统治生物学，以至于21世纪的生物学将转变成一门信息科学。对于这个趋势，诺贝尔奖得主、南非生物学家悉尼·布伦纳（Sydney Brenner）评论道：密码本“必然会成为生物学理论的核心”。现在，分类学家已经开始使用DNA条形码来区分不同的物种了。其他一些人则开始利用DNA进行计算，或者把DNA作为储存信息的一种方式。至于我自己，努力的方向并不仅仅局限于解读生命的数字密码，我的目标还要更进一步，把它写出来，并且在计算机里模拟出来，直至对它进行重组以构建出全新的活细胞。