生命科学新发现

|细胞|

在人类对生命精密结构的探寻中，第一次重大的进步来自17世纪的“自然哲学家”罗伯特·胡克（Robert Hooke）与荷兰显微镜研究者安东·列文虎克（Anton van Leeuwenhoek）。在自己发明的原始显微镜下，胡克看到了软木塞薄切片中他称为“细胞”（cell）的结构，而列文虎克则在池塘的水滴中发现了他称为“微动物”（animalcule）而现在称为单细胞生物的生命体。列文虎克还观察到了植物细胞、血红细胞，甚至还包括精子。后来，我们知道所有的活体组织都可以分为这样的细胞结构，而细胞就像是构成生命体的砖块。德国医生、生物学家、病理学家鲁道夫·魏尔肖（Rudolf Virchow）在1858年的著作中写道：

一棵树是由物质按照一定的秩序组成的。无论是树叶还是树根，无论是树干还是花朵，在树的每一部分中，细胞都是最基本的元素。同理，动物生命的形态也是如此。每一只动物都是一群生命单位的集合，而每个单位都展现出生命全部的特性。

在功能日益强大的显微镜的辅助下，人类对活细胞的研究逐步深入，细胞的内部结构也显示出高度的复杂性。每个细胞的中心都有填充着染色体的细胞核，细胞核的周围包裹着细胞质，细胞质中又镶嵌着细胞器。就像人体的器官一样，细胞器也在细胞内部执行着特殊的功能。比如，被称为线粒体的细胞器在人体细胞内具有呼吸的功能，而叶绿体在植物细胞内负责进行光合作用。总体来讲，细胞就像一个忙碌的制造厂的缩影。

但究竟是什么让细胞持续运作？又是什么让细胞有了生命？起初，普遍的观点认为，细胞内充斥着“生命力”，本质上就是亚里士多德所说的灵魂。后来，在19世纪的大多数时间里，对活力论（vitalism）的信仰又持续占据主流。活力论认为，活体生物的生命来自一种在非生命体中不存在的力。在活力论的视角下，细胞里充盈着一种被称为“原生质”（protoplasm）的神秘活性物质，而对原生质的描述也渲染着神秘主义色彩。

但是，19世纪几位科学家的工作使活力论土崩瓦解。他们成功地证明从活细胞中分离出的化学物质与实验室合成的完全相同。比如，1828年德国化学家弗里德里希·维勒（Friedrich Wöhler）成功地合成了尿素，而之前认为这种生物化学物质只存在于活细胞中。路易·巴斯德（Louis Pasteur）甚至利用活细胞的提取液（后来被称为酶），成功地重现了发酵等化学变化，而之前认为只有生命体才能做到这样的事情。随着科学进步，人们发现组成生命体的物质似乎与构成非生命体的化学物质是相同的，并因此遵循相同的化学规律。活力论渐渐让位于机械论。

到19世纪末期，生物化学家可以说完全击败了活力论者。[14]细胞被视为装着各种生物化学物质并进行着各种复杂反应的袋子，同时像玻尔兹曼所描述的那样，以与台球类似的随机分子运动为基础。人们普遍相信，生命实际上不过是热力学的进一步拓展。但仅有一个方面除外，而这一方面可以说是最重要的一个方面了。

|基因|

无论是一只知更鸟、一株杜鹃花还是一个人，活体生物能够忠实地遵循指令复制出另一个自己的能力，几百年来一直让人极其费解。在1653年的《第51号实习报告》中，威廉·哈维写道：

虽然众所周知，胚胎的起源与诞生来自雄性与雌性，就像公鸡与母鸡合作产出了鸡蛋，而鸡蛋又生出了小鸡，但是，没有一个学派的医生或者亚里士多德那明察秋毫的大脑，能够说明公鸡和它的“种子”是如何让小鸡破壳而出的。

两个世纪以后，奥地利修道士与植物学家格雷戈尔·孟德尔（Gregor Mendel）为该问题给出了部分解答。大约是在1850年，孟德尔在布尔诺奥古斯丁修道院的菜园里种植豌豆。他的观察让他认为，像花的颜色或是豌豆的形状等性状是由可遗传的“因素”决定的，这些“因素”可以不经改变地从一代传向下一代。孟德尔所谓的“因素”提供了一个让豌豆得以流传几百代而性征保持不变的遗传信息库，或者说正是通过这个遗传信息库使“公鸡和它的‘种子’让小鸡破壳而出”。

孟德尔的工作被他同时代的大多数学者所忽视，其中包括达尔文。一直到20世纪早期，孟德尔学说才重新受到重视。孟德尔所说的“因素”后来被称为“基因”，并很快被不断发展的20世纪机械论生物学所吸收。不过，虽然孟德尔曾说明这些遗传单位一定存在于活细胞内部，但从来没有人真正见过这些遗传单位或是知道它们的构成成分。然而，到了1902年，美国遗传学家沃尔特·萨顿（Walter Sutton）发现，一种叫作“染色体”的细胞内结构遵循孟德尔式“因素”的遗传规律，他据此提出基因位于染色体上。

但相对而言，染色体体积较大，结构复杂，包括了蛋白质、糖和一种名为脱氧核糖核酸（DNA）的生物化学物质。就算这些物质真的具有遗传性，最开始也并不清楚究竟哪种成分具备这样的功能。到了1943年，加拿大科学家奥斯瓦尔德·艾弗里（Oswald Avery）通过从供体细胞中提取DNA并注入受体细胞中，成功地将一组基因从一个细菌细胞转移到了另一个细菌细胞。这个实验说明，在染色体中携带所有关键遗传信息的物质，是DNA，而不是蛋白质或是其他生物化学物质。在那个时候，埃弗里的实验并不被当作DNA是遗传物质的决定性证据——争论一直持续到克里克和沃森的时代。大家觉得DNA似乎也没什么神奇的，不过是一种普通的化学物质。

因此，问题依然没有得到解决：这一切究竟是怎么运转的？一种化学物质是如何传递使“公鸡和它的‘种子’让小鸡破壳而出”所需的信息的？基因又是如何从一代复制繁衍到下一代的？以玻尔兹曼的热力学为基础的传统化学似乎无法解释基因为什么能够储存、复制和精确地传递遗传信息。

答案终于在1953年揭晓，这在科学史上非常著名。当时，詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）在剑桥的卡文迪什实验室与他们的同事罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin）成功地设计出了一个能与从DNA中获得数据相匹配的结构模型：双螺旋结构。(www.daowen.com)

每条DNA链都由一串由磷、氧原子及叫作脱氧核糖的糖类分子组成，在分子链上还像念珠一样分布着叫作核苷酸的化学结构。核苷酸“念珠”有四种变体：腺嘌呤（adenine，缩写为A）、鸟嘌呤（guanine，缩写为G）、胞嘧啶（cytosine，缩写为C）和胸腺嘧啶（thymine，缩写为T）。因此，这些核苷酸沿着DNA链的排列就提供了一种一维的“遗传字母”序列，比如“GTCCATTGCCCGTATTACCG”。

弗朗西斯·克里克第二次世界大战时曾在英国海军部（负责指挥皇家海军的部门）服役，因此我们也就不难理解他可能对密码比较熟悉，因为当时德国恩尼格码密码机（Enigma）加密过的文件都会送去布莱奇利园[15]解码。不管怎样，当克里克一看到DNA序列时，他就立刻意识到这是密码，是一条提供重要遗传指令的信息序列。而且，正如我们将在第6章进一步讨论的那样，DNA双螺旋结构的发现还解决了遗传信息的复制问题。电光火石间，科学界的两大谜题就解决了。

DNA结构的发现为解锁基因之谜提供了一把机械论的钥匙。基因是化学物质，而化学不过是热力学，那么，是不是说双螺旋结构的发现最终将生命完全带入了经典科学的王国呢？

|合成生物学|

在刘易斯·卡罗尔（Lewis Carroll）的《爱丽丝梦游仙境》中，有一只能随时现身随时消失的柴郡猫，在消失后只留下它那咧嘴的笑脸。爱丽丝评论道：“我常常看见没有笑脸的猫，可还从没见过没有猫的笑脸呢。”许多生物学家面对着相似的困境。就算知道了活细胞中热力学如何运作、基因如何编码合成细胞所需的信息，“生命究竟是什么”的谜题依然未得到解决，就好像一直在对着他们笑的柴郡猫一样。

生命的第一个谜题是在每个活细胞内生化反应的极度复杂性。当化学家要生产一种氨基酸或糖类时，他们几乎总是一次只合成一种产品，通过精心地控制该制备实验的条件，比如温度和不同原料的浓度，来优化对目标化合物的合成。这可不是一项简单的工作，需要对定制的长颈瓶、冷凝器、分离柱、过滤器及其他复杂的化学仪器内部许多不同的条件进行精细的控制。然而，你体内的每个活细胞中，在一个仅仅容纳着一微升液体的百万分之几的单一反应室内，正在马不停蹄地合成着数以千计各不相同的生化物质。这些不同的反应是如何同时发生的？所有的分子活动如何在一个小小的细胞内协调运作？这些问题正是新兴的科学分支“系统生物学”所关注的焦点。但是坦白地说，这些问题的答案依然迷雾重重。

生命的另一个谜题是死亡。化学反应的一个特征是它们总是可逆的。我们可以按这样的方向写下方程式：底物→产物。[16]但是，该反应的逆反应：产物→底物，也在同时发生着。只不过在一定的条件下，总有一个方向会倾向于占据主导地位。实际上，我们总能找到一套倾向于逆反应的反应条件。比如，当化石燃料在空气中燃烧时，底物是碳和氧气，产物只有温室气体二氧化碳。通常，这个反应被看作是一个不可逆反应。但是，某些碳捕捉技术正在试图利用其他能源将这一过程逆转，推动反应向相反方向发展。比如，伊利诺伊大学的里奇·马塞尔（Rich Masel）成立了一个名为“二氧材料”（Dioxide Materials）的公司，致力于使用电能将大气中的二氧化碳转化为汽车燃料。

生命却迥然不同。还从没有人发现过能使下面的反应发生的条件：死细胞→活细胞。正是这个谜题让我们的祖先提出了灵魂的概念。我们不再相信一个细胞中会包含任何形式的灵魂，但是当一个细胞或是一个人死去时，不可逆转地失去的东西又是什么呢？

此时，你可能会想：新兴的合成生物学不是饱受赞誉吗？那门学科的研究者难道没有掌握生命之谜的钥匙吗？合成生物学最著名的实践者可能要数基因组测序的先驱克雷格·文特尔[17]（Craig Venter）了，他在2010年宣称自己创造出了人造生命，并由此掀起了一场科学风暴。他的工作在世界各地登上了新闻头条，并激起了人们对人造新物种将会占领地球的恐慌。

但文特尔和他的团队不过是修饰了一个现存的生命形态，而不是完完全全地创造了一个新的生命。他们选择了一种能使山羊得病的名为丝状支原体（Mycoplasma mycoides）的致病菌，先是合成了该致病菌整套基因组的DNA，然后将合成的DNA基因组注入到一个活菌细胞内，并非常巧妙地诱导该活菌将自己原先那条单一的染色体替换成合成的DNA。

毫无疑问，这项工作绝对是一项技术上的杰作。实验中的细菌染色体包含了180万个遗传字母，而且所有的遗传密码都需要按照正确的序列精确地串在一起。但是，我们每个人都能毫不费力地将食物中的惰性化学物质转化为自己身上鲜活的血肉，而从本质上讲，这些科学家所做的转化与我们的日常行为别无二致。

文特尔和他的团队成功地合成并插入了细菌染色体的替代物，为合成生物学开启了一片全新的天地，在本书的结语中，我们会重新来看这部分内容。这项技术很有可能将衍生出制备药品、种植庄稼、分解污染更有效率的方法。但在这些及其他许多相似的实验中，科学家并没有创造出新的生命。尽管有了文特尔的成就，生命的根本谜题一直还在对着我们笑。

诺贝尔奖获得者、物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）因为一直坚持如下的观点而为人所称道：“凡是我们做不出来的，就是我们还不理解的。”按照这个定义，我们还不理解生命，因为我们还从未能够创造出生命。我们能够混合生化物质、加热它们、照射它们，我们甚至能像玛丽·雪莱（Mary Shelley）笔下的弗兰肯斯坦一样，用电来使它们具有生机，但是，我们要想创造生命，就只能将这些生化物质注射到活细胞中，或是吃下它们，让它们成为我们身体的一部分。

每一秒都有数以兆计的最低级的微生物毫不费力地创造着生命，那我们为什么就做不到呢？我们是缺了什么原料吗？70多年前，著名物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）也曾思考过这一问题，他那令人惊异的答案与本书的主旨十分契合。要想知道对这个生命最深奥的谜题，为什么薛定谔的解答直到现在还依然具有非凡的革命性，我们需要回到20世纪初，回到那个DNA双螺旋结构还未被发现的年代，而彼时的物理学界正发生着翻天覆地的变化。