数据、信息与生命

作者单位：山西大学科学技术史研究所，摘自《医学与哲学》2022年11期，崔晋摘

来源：《中国社会科学文摘》2023年第2期P29—P30

“生命是什么？”大概是人类自古以来不断追问却依然聚讼纷纭的一个重大问题，历史地看，活力论与还原论的争论是一条重要脉络。还原论认为，生命与非生命之间别无畛域。而在活力论看来，生命与非生命物质之间横亘着一条无法跨越的天堑，“活力”是生命独有的性质。实际上，从人类认识生命的发展史来看，两种观念并非时刻泾渭分明，而是时常交织在一起，这与人类对生命的认知还非常有限直接相关。

18、19世纪，新科学进展不断影响着人类对生命的认识。安托万·拉瓦锡通过实验推翻燃素说，提出氧化反应，认为万事万物是由元素构成的，他制定了第一份元素列表。约翰·道尔顿提出原子论，并随着越来越多的新元素被发现，有人假设生命现象在本质上应该也是一种特殊的化学反应。1828年，德国化学家弗里德里希·维勒在他开展的一项合成氰酸铵的实验中意外得到了尿素。这个实验对生命观的重要性在于：两种无机物通过化学反应得到了尿素，即一种从动物尿液中纯化出的物质，也就是当时的人们认为只有生命体才能合成的物质。这项实验打破了当时无机与有机之间不可逾越的界限，这两个概念自身也发生变化，但“活力论”并没有随之销声匿迹，不少实验科学家也并不完全摒弃这一观念。

19世纪末，德国科学家汉斯·杜里舒做了一项实验，他将受精卵经过两次细胞分裂后形成四个细胞的海胆胚胎分裂开来单独培养。按道理四个细胞应该成长为海胆的四个部分，合起来是一个完整的海胆，然而实际上四个细胞分别长成了体形虽小但体态完整的海胆。据此，杜里舒认为，这个实验说明了“活力”的存在。

同样，另一项著名的实验是路易斯·巴斯德实验，他发现食物发酵和变质是一回事，都需要单细胞生物酵母的参与。这项实验支持了种生论，否定了自生论，但在生命观上却支持了“活力论”，他认为既然只有酵母才能催化发酵过程，那么，发酵也就只能是生命才具备的化学反应。因此，他认为在实验室中制造生命是不可能的。

事实上，这个问题回到了一个更为根本的问题，1858年德国病理学家鲁道夫·维尔肖提出：“细胞来自于细胞，就好像动物来自于动物，植物来自于植物一样。”那么，最初细胞的最终来源是什么？可以来源于非生命物质吗？实验室中可以制造出生命吗？

1952年，芝加哥大学的斯坦利·米勒和哈罗德·尤里通过将水、氨气和甲烷暴露于模拟的早期地球环境中，即满足封闭、无菌但含有电极产生的热量和火花等条件，发现这些无机物可以自发形成糖、氨基酸等复杂的有机分子。这项实验支持了还原论，认为生命现象可以还原为物理、化学反应。著名物理学家艾尔温·薛定谔同样对这一信条坚信不疑。

20世纪40年代，薛定谔在都柏林圣三一学院发表的系列演讲集中讨论何为生命，他演讲的题目《生命是什么？——活细胞的物理层面》已经表明了他的生命观：“如何使用物理学和化学解释发生在一个生命有机体内的时空中的事件？”围绕这个问题，他也给出了一个初步的回答：“目前的物理学和化学显然还没有能力解释这些事件，但绝不能因此怀疑它们以后也不能对此做出解释。”后来，薛定谔将演讲稿整理成《生命是什么？——我的世界观》一书出版发行，影响了弗朗西斯·克里克、詹姆斯·沃森、文特尔等大批著名生物学家。

2012年，也就是合成第一个完全由人造DNA控制的细胞JCVIsyn-1.0两年后，文特尔走上70年前薛定谔曾走上的圣三一学院礼堂讲台，就同一个主题《生命是什么》发表演讲。在文特尔看来，“合成生命的终极目标是通过重造生命来理解生命”。他认为，长期以来还原主义在生物学发展中扮演着重要角色，他说：“过去几十年中，通过揭示细胞的成分、动力和周期变化的还原主义实验路线一直是帮助我们了解细胞的主力方法。”但是，“合成生物学的兴起表明我们对生命的认识路径很明显地不同于传统还原主义”。

在完成第一个“人造”细胞之后，文特尔具体化了“合成生命”和“合成细胞”的定义：“完全由人工合成的DNA染色体所控制的细胞。合成基因组是这种细胞的生命软件，它指定了细胞中的每一个蛋白质机器人以及它们在细胞中的功能。”概言之，生命是一个信息系统。

文特尔喜欢用计算机科学的术语比喻细胞和生命，例如，在他看来，“细胞中的蛋白质和其他相互作用的分子可以被视为其硬件，而编码在DNA中的信息则可以被视为软件”。计算机科学告诉我们，硬件为计算机运行提供了物理条件，但计算机能够发挥出什么样的功能、完成什么样的任务取决于软件开发。同样，在生命学科领域，活细胞的运行都受到DNA软件的指挥，而合成生物学可以走向成功的基本信条也正是“制造活的、能够自我复制的细胞所需要的全部信息都已被'锁定’在蜿蜒曲折的双螺旋结构当中”。文特尔认为合成生命，“从基因来看，就相当于弄清楚如何在计算机上运行个人软件”。文特尔认为，当他和他的团队在一个细胞内成功启动合成DNA软件时，对于薛定谔提出的那个至关重要的“小”问题——生命是什么，他们已经能够提供令人信服的答案了，即“DNA是软件，它是所有生命的基础”。而所有开展的合成生物学实验，在文特尔看来就是要理解“决定了生命的结构和功能的DNA软件对生命究竟意味着什么”。

从文特尔团队系列科学实验来看，一个显著的共同点就是都起步于对研究对象DNA序列的高精度测序，“数字化DNA序列是基因组设计和合成的基础，那么必然要求基因测序必须是非常精确的”。实际上，自从20世纪人类确定DNA是遗传物质，特别是1953年沃森、克里克提出DNA的双螺旋结构，人类就开始为破解生命密码孜孜以求，同时也开启了生命数字化操作的进程。20世纪70年代，桑格用其团队发明的双脱氧测序法完成了对拥有5386个碱基对的噬菌体phi X174的测序工作，并成为科学家普遍采用的标准测序方法，也因之被称为桑格测序法。90年代中期，文特尔团队发明了全基因组霰弹测序法，并完成了流感嗜血杆菌和生殖支原体基因组的测序工作，而生殖支原体被认为是目前所知的最小生物体，也是人类第一个测定的活细胞基因代码序列。2000年文特尔宣称自己的团队完成了人类基因组的测序工作。通过这些工作，文特尔评价自己将碳基信息转换成了硅基信息：“当我们能够通过基因组测序来读取它的遗传密码时，我们就可以把DNA的物理代码转换为数字代码，这样就可以实现光速传播的电磁波。”而且，他认为，如果能够完整读取DNA中蕴藏的密码并精准翻译，在理论上就可以解码细胞工作的秘密，并通过编辑软件来改变细胞乃至合成新的生命。依此，文特尔认为人类进入了“数字化生物时代”。

从17世纪开始，罗伯特·胡克发现细胞死后残留的细胞壁，到安东尼·列文虎克观察到活细胞，再到马蒂亚斯·施莱登、泰奥多尔·施旺提出细胞与生物体的关系，最后由魏尔肖完成细胞学说的主要内容：所有生物都由单个或多个细胞构成，细胞是所有生物体结构和功能的基本单位，细胞分裂只能来自已有的细胞。分子生物学进展告诉我们，细胞自我复制所需的所有信息都被编码在DNA中，换言之，生命的结构和功能都被DNA碱基序列规定，随之而来的是可以通过编辑DNA来改造细胞。现在，通过文特尔实验，在生命信息数字化基础上，人类就有能力设计一种新的生命形式，它并非来源于已有细胞分裂，而是通过适当的化学环境合成其DNA软件，并指挥蛋白质等硬件按照设计路线“制造”出新的细胞，“正确的DNA代码，以正确的顺序呈现并放置在正确的化学环境中，那就可以从现有生命中产生新的生命”。