01 “合成生命”是可能的嗎？

德國化學家維勒通過化學方法合成尿素，雖然并未對“活力論”造成實質性影響，卻吹響了反擊的號角。我們唯一需要做的就是用化學物質創造出一個人造生命。當我們創造第一個合成細胞時，我們在某種意義上“扮演了上帝的角色”。

這種類型的合成生物學，不僅對創造人造生命提出了巨大挑戰，同時也對我們定義生命理論提出了重大難題。如果生命只不過是一個有能力進行達爾文式演化的、能夠自我維持的化學系統，而且如果我們能夠真正理解化學是如何支撐演化的，那么我們就應該能夠合成一個有能力進行達爾文式演化的人造化學系統。而如果我們真的成功地做到了這一點，那么也就證明了支撐上述成功的這些理論實質上是“賦權性”的；相反，如果我們不能通過努力創建一個化學系統來創造人造生命，那么我們就必須承認，我們的生命理論是有缺陷的。

——史蒂芬·A.本尼爾

長期以來，人類一直癡迷于人造生命的概念。從中世紀帕拉塞爾蘇斯的侏儒，到猶太民間傳說中有生命的泥人，再到瑪麗·雪萊創作的《弗蘭肯斯坦》和《銀翼殺手》中的“復制人”，各種神話、傳說以及通俗文學作品中到處都充斥著合成生命以及機器人的故事。然而，如何給出一個精確的定義，以便恰當地刻畫出生命體和非生命體之間的差異以及生物生命和機器生命之間的區別，卻依然是科學和哲學面臨的一個重要的、不斷被重新提起的難題。

幾個世紀以來，科學研究的一個主要目標就是，我們必須在最基本的層面上理解生命，然后才是學會控制生命。出生于德國的美國生物學家雅克·洛布（Jacques Loeb，1859—1924）或許是第一位真正意義上的生物工程師。洛布的實驗室廣泛分布于芝加哥、紐約、伍茲霍爾和馬薩諸塞等地，在這些實驗室里，他埋首于制造他在1906年出版的著作《生命物質動力學》（The Dynamics of Living Matter）中曾經提到過的“經久耐用的機器”。洛布創造出了雙頭蠕蟲和其他許多東西，其中最著名的是他在沒有受精的情況下使海膽卵子獨自發育成為胚胎。洛布的探索給辛克萊·劉易斯（Sinclair Lewis，1885—1951）無窮的靈感，后者塑造了馬克斯·戈特利布這個人物形象。馬克斯·戈特利布是劉易斯于1925年出版的小說《阿羅史密斯》中的一個人物。這部小說為劉易斯贏得了普利策文學獎，它也是第一部理想化的純科學研究巨著，里面特別提到了具有抗病毒能力的噬菌體。

菲利普·J.保利（Philip J.Pauly）在《控制生命：雅克·洛布和生物學工程理想》（Controlling Life：Jacques Loeb and the Engineering Ideal in Biology）一書中曾經引用過洛布寫給奧地利物理學家兼哲學家恩斯特·馬赫（Ernst Mach，1838—1916）的一封信。在這封信中，洛布這樣寫道：“現在，有一個想法一直在我的腦海中盤旋：人類自身可以成為一個造物主，他們甚至能夠依據自己的意愿創造出一個生物世界，人類至少能夠掌握‘創造有生命的物質的技術’?！?5年后，洛布在為自己的科學論文集作序時對這個想法進行了更加深入的解釋，他寫道：“盡管主題各不相同，但是收集在這部論文集中的所有文章都滲透著一個主導思想，即我們有可能讓生命處于我們的掌控之下。生物學的目的就是控制生命，別無其他?！?/p>

事實上，早在洛布與馬赫通信的很多個世紀之前，洛布這種生命機械論思想的起源就能窺見一斑了。那就是與神創論生命理論形成了鮮明對照的“唯物主義”生命理論。（神創論生命理論是以某種“物質”本體之外的非物理過程和某種超自然的創造生命的方式為基礎的。）恩培多克勒（Empedocles，前490年—前430年）認為，所有東西——包括生命——都是由四種永恒的“元素”或“一切的根”所構成的，這四種元素是土、水、空氣和火。亞里士多德（Aristotle，前384年—前322年）也是最早的“唯物主義者”之一，他把整個世界分為三大類：動物、植物和礦物。直到今天，我們的學校教育依然是這樣進行分類的。1996年，我帶領的研究團隊完成了對第一個古生菌基因組的測序工作。這個序列被許多人贊譽為是代表生命的第三大分支的古生菌的重要證據之一——首次提出古生菌這個生命分支的人是美國微生物學家卡爾·烏斯（Carl Woese，1928—2012）。這個消息一傳出去，電視節目主持人湯姆·布羅考（Tom Brokaw）便反問道：“我們已經有了動物、植物和礦物，那么新的分支還能是什么呢？”

隨著理解的深入，思想家們變得更加雄心勃勃了。在古希臘時代，改變自然以滿足人類欲望或試圖控制自然的想法都被認為是極其荒謬的。但是，自從16世紀科學革命發生以來，科學的主要目標已經不僅限于在最基本的層面上研究宇宙了，而是要控制宇宙。實際上，英國博物學家、經驗主義創始人弗朗西斯·培根（Francis Bacon，1561—1626）早就闡述過“動手去做”勝于“坐而論道”這個道理了。他認為，希臘人“真的具有孩子的特征，他們敏于喋喋多言，卻從來不可能動手去做出什么東西來；因為他們的智慧原本就是擅于文字而貧于行動的?！^了這么多年之后，從希臘人創造的任何一個體系中，以及從所有這些體系中衍生出來的各門學科中，竟然仍然找不到一個實驗是用于改善人類境況或增進人類福祉的”。

培根在他1623年出版的烏托邦式小說《新亞特蘭蒂斯》（New Atlantis）里描繪了他心目中未來社會的輪廓。這個想象中的世界充斥著人類的發明創造和發現成果，他甚至還設想了一個由國家支持的科研機構——所羅門學院。他寫道，建立這個學院的目的是“取得自然界的統治權并且盡可能地去影響一切事物”。他還在這本小說里描述了一些對“野獸和鳥類”所做的實驗。事實上，這些實驗有點兒像是在進行基因改造。“使用人工手段我們能夠使它們變得比正常品種更大或更小，也可以使它們侏儒化或停止生長；還可以使它們變得比普通品種更多地生育和繁衍，或者相反地，使它們不生育或失去傳宗接代的能力；我們也可以使它們在顏色、外形、活動及其他諸多方面發生變異。”培根甚至提到了設計生命的能力：“這并非巧合，而是我們早已知道哪些生物可以混合和雜交，這種混合和雜交將會產生什么樣的新物種?！?/p>

而在這個試圖征服自然的過程中，所有科學成果都要聯合起來共同為人類服務。我們知道，勒奈·笛卡爾（René Descartes，1596—1650）是光學先驅，但在提到他的時候，我們更常想到的是“我思故我在”這句名言。在他的《方法論》（Discourse on the Method）一書中，笛卡爾期待著，終有一天，人類將會成為“自然界的掌控者和所有者”。笛卡爾和他的后繼者們都把對自然現象的機械論解釋拓展到了生物領域，并且探索了這種拓展的內在意蘊。然而，從這一類偉大的努力誕生之日起，批評者們就表達了一系列反對意見，他們認為，在追求對自然更加高效的掌控過程中，人們有可能會忽略許多重要的道德問題和哲學問題。毫無疑問，隨著這種浮士德式的現代科學精神的興起，引發了一場有關人類“扮演上帝”這種做法的爭論。

毫無疑問，對某些人來說，假設人類能夠“扮演上帝”的最佳證明是，在實驗室里創造出一些活的生命體。在《自然與生命的起源：源于新的知識》（The Nature and Origin of Life：In the Light of New Knowledge）一書中，法國生物學家和哲學家費利克斯·勒·當泰克（FeliXLe Dantec，1869—1917）曾經討論過這樣一個問題：現代物種是從早期的非常簡單的有機體演化而來或者“變種”而來的。在達爾文主義盛行之前，法國學者經常用“種變論”（transformism）這一術語來討論物種變化。勒·當泰克說，這種早期的非常簡單的有機體是“具有最少的遺傳特征的生命原生質”。在那本書中，他寫道：“阿基米德說過一句名言，‘給我一個支點，我將撬起整個地球’。當然，阿基米德是在象征和比喻的意義上這樣說的，因為如果只從字面上的意義來看，這句話無疑是相當荒謬的。類似地，今天的種變論者也完全有權力說：給我一個活的原生質，我就能再造一個完整的動物和植物王國?！碑斎?，勒·當泰克清醒地意識到，這項任務極其艱巨，僅憑他自己所掌握的那個時代簡單初步的方法是無法完成的：“我們對膠質物（大分子）的認識是如此粗淺和原始，以至于我們根本不應該指望自己能夠快速而成功地制造出一個活的細胞?！钡牵铡ぎ斕┛朔浅远ǖ卮_信，將來一定能夠制造出一個合成細胞，而且他還指出：“隨著新的科學知識不斷積累，即使沒有親眼目睹原生質的構造過程，那些思想開明的學者也將會相信，在生物與非生物之間，既不存在本質的區別，也不存在絕對的不連續性。”

事實上，早在19世紀，許多杰出的化學家就已經對生命體與非生命體之間的界線問題進行過探索。這其中包括舉世公認的現代化學偉大先驅之一、瑞典科學家瓊斯·雅可比·貝采里烏斯（J?ns Jacob Berzelius，1779—1848）。貝采里烏斯在法國化學之父安托萬—洛朗·拉瓦錫（Antoine-Laurent de Lavoisie，1743—1794）和其他人研究工作的基礎之上，開創了原子理論，并把它應用到了“活”的有機化學中。貝采里烏斯把化學的這兩個主要分支定義為“有機化學”和“無機化學”。有機化合物指含有碳原子的化合物，它與其他的化學物質不同。在“有機”這個術語被廣泛使用的第一個世紀里，“有機”指的是“來自生命”。貝采里烏斯在他出版于19世紀初的那本相當有影響力的化學教科書中對“有機”這個術語所做的定義，我們至今仍在使用?；盍φ撜吆托律盍φ撜呱踔翉囊粋€更為獨特的視角去看待有機世界：“有機物質至少由三種成分組成……這些成分是無法通過人工制造的方式獲得的……它們只能通過某種與生命力密切相關的方式才能獲得。很顯然，同樣的法則并不適用于有機化學和無機化學，生命力的影響是至關重要的。”

合成尿素，一個對神秘生命力說“不”的故事

德國化學家弗里德里?！ぞS勒（Friedrich Wohler，1800—1882）曾與貝采里烏斯短暫共同工作過一段時間。長期以來，人們一直認為維勒的一項重要發現證明了活力論者的觀點是“虛假”的，那就是尿素的化學合成。你將會在現代的教科書、講座以及文章里發現對維勒實驗結果的引用。這個成就確實堪稱科學發展史上一個偉大的里程碑，它標志著“生命必定是從古綿延至今的”這一觀點的終結（而這一觀點一度非常有影響力）。這種觀點是說，存在著一種“生命的力量”，它能夠區分有生命與無生命（生命與非生命），即存在著一個特別的“靈魂”，任何一個身體，只有在注入了“靈魂”之后，才能被賦予生命。與此不同，維勒的實驗所涉及的是一種純化學物質，因此從某種意義上講，維勒似乎已經創造出了某種形式的生命。這確實是一個獨一無二的瞬間，它充滿了所有的可能性。僅僅憑借一個實驗，他就改變了整個化學的面貌——在那之前，化學被區分為兩個相互獨立的領域，一個領域研究有生命的分子，另一個領域研究無生命的物質。維勒打開了一個缺口，最終使化學這門學科徹底遠離迷信，走向科學。值得一提的是，維勒這個偉大的成就是在瑪麗·雪萊的哥特式小說《弗蘭肯斯坦》發表10年之后取得的；另一個巧合是，這個重要事件還發生在喬凡尼·阿爾鍬尼（Giovanni Aldini，1762—1834）試圖通過電擊方法讓一個死囚“死而復生”之后沒幾年。

1828年1月12日，維勒給貝采里烏斯寫了一封信，解釋了他這個突破性實驗。在這封信中，維勒細致地描述了他在柏林理工學院意外制造出尿素時的情景。在他得到這個成果之前，尿素一直因其為在哺乳動物的尿液里發現的最主要的氮化合物而廣為人知。維勒一直試圖利用氰和氨這兩種化學物質來合成草酸（草酸是大黃含有的一種成分），但是最終制造出來的居然是一種白色的晶體物質。經過仔細的實驗研究，維勒得到了天然尿素的精確分析結果，并且證明了他制造出來的晶體與天然尿素完全相同。在那之前，尿素一直只能從“動物資源”中分離出來。由于一直沒有收到貝采里烏斯的回信，心急如焚的維勒在1828年2月22日又給貝采里烏斯寫了一封信，他在信中說道：

我希望您已經收到了我于1月12日寫給您的信。盡管我每天，甚至每時每刻都希望看到您的回信，不過現在我已經等不及要給您再寫一封信了，因為我不需要再隱瞞我發現了尿素這個事實了，我希望盡快把這一消息公布出去。我能夠在不需要腎臟的情況下制造出尿素，無論是人的腎臟還是狗的腎臟都不需要了。我得到的這個氰酸銨鹽就是尿素……只要把氰酸加入銨溶液中，讓它們發生化學反應，就很容易獲得這種人工合成的氰酸銨鹽。讓氰酸銀和氯化銨溶液發生反應也可以得到同樣好的結果。用這兩種方法都可以獲得這種四面直角的非常漂亮的棱狀晶體物質。對它們用酸進行處理時，不會釋放出氰酸；用堿進行處理時，也不會釋放出氨氣。但是如果用硝酸進行處理，則會產生一種容易結晶的泛著光澤的化合物，這種化合物擁有強酸的性質。我個人傾向于認為這是一種新的酸，因為它在加熱時產生的既不是氮也不是亞硝酸，而是大量的氨氣。我又發現，如果把它浸到堿溶液中，那么就會重新出現一種被稱為氰酸銨的物質，利用酒精，就能夠把這種東西提取出來?，F在，突然之間，我明白了，所需要的只是對尿液中的尿素與氰酸鹽中的尿素進行比較就可以了。

當然，貝采里烏斯最終還是對維勒的來信給出了回復，而且他的語氣既幽默風趣又滿腔熱情：“當一個人已經決定用尿液這個東西來贏得自己的不朽名聲時，他就毫無疑問有無數個理由去利用這個東西來完成這項偉業。真的，維勒博士確實已經設計出了一個非常好的方法，這個方法為他打開了通往真正不朽名聲的道路……當然，這對未來的理論必定是很有啟發意義的?！?/p>

事實的確如此。例如，尤斯圖斯·馮·李比希（Justus von Liebig，1803—1873）也對維勒的成就給予了高度評價。馮·李比希是一個非常有影響力的人物，他在很多方面都對推動化學這一學科的發展發揮了至關重要的作用。其中一個例子是，他證明了氮是植物生長的重要營養成分。1837年9月，馮·李比希給利物浦的英國科學促進協會寫了一封信。在這封信中，馮·李比希談到，維勒“在沒有任何生命機能的幫助下，制造出了這個非同尋常的、在某種程度上令人難以置信的東西——尿素”。馮·李比希強調了這個成就的意義，并指出，“科學從此進入了一個全新的時代”。

維勒這個偉大的貢獻很快就被寫進了教科書和科學史著作中。其中特別值得一提的是赫爾曼·弗朗茲·莫里茨·柯普（Hermann Franz Moritz Kopp）所著的《化學史》（History of Chemistry）一書。在這本書中，柯普描述了維勒的實驗如何“摧毀了早先被廣泛接受的關于有機體與無機體之間的區別的理論”。直到1854年，維勒關于尿素合成的重要意義仍然被學界廣泛強調，例如，德國化學家赫爾曼·科爾伯（Hermann Kolbe，1818—1884）這樣寫到，人們一直認為存在于動物和植物體內的化合物的形成“應該歸功于一種專屬于生物界的非常神秘的固有力量，即所謂的生命的力量”。但是現在，隨著維勒劃時代的重大發現，有機化合物和無機化合物之間的鴻溝已經被填平了。

然而，與歷史上一再經受重新考察的許多重大發現一樣，維勒所完成的貢獻也經歷了一個重新解釋的過程?！靶拚蟮墓适隆睅Ыo我們的新見解甚至可能會使那些接受傳統教科書解釋的人感到驚訝——科學史學家彼得·蘭貝格（Peter Ramberg）把這種傳統解釋稱為“維勒神話”。這個神話在1937年達到頂峰，伯納德·賈菲（Bernard Jaffe）在他所著的一本相當受歡迎的化學史著作《嚴酷的考驗：偉大的化學家的生活和成就》（Crucibles：The Lives and Achievements of the Great Chemists）中，細致生動地描寫了維勒作為一個年輕的科學家在他那“神圣的廟宇”（實驗室）中“辛苦勞作”，最終證偽了神秘生命力量的故事。

蘭貝格指出，維勒做出的貢獻當然是實驗研究歷史上的一個里程碑，這一點是毫無疑問的。然而，令人奇怪的是，維勒同時代的人對這一結果的反應究竟如何，為什么留下來的記錄少到幾乎沒有。盡管貝采里烏斯顯然對維勒的工作激動不已，但是這與其說是在活力論盛行的時代背景下的一種反應，還不如說是因為尿素的合成標志著可以把鹽類化合物轉變為非鹽類物質。維勒證明，只要通過重新排列內部原子，就能夠把氰酸銨變成尿素，而重量上既不增也不減，這也就意味著，他已經給出了被化學家稱為“異構現象”（isomerism）的最重要的、最好的一個例子。維勒的做法無疑有助于破除原來的陳舊觀念，即具有不同的物理和化學性質的兩個物體不能由同樣的成分構成。

歷史學家現在普遍認為，僅憑一個實驗不足以證明維勒發現了有機化學這個領域。維勒的尿素合成似乎并沒有對活力論造成什么實質性的影響。貝采里烏斯本人認為，尿素只不過是一種廢料：與其說尿素是一種有機化學物質，還不如說它“占領”了有機和無機之間的“中間地帶”。此外，維勒的原料本身就來自有機物，而不是來自無機物。而且他這個成果也并非是獨一無二的：早在四年前，他自己就已經利用水和氰人工制成了另一種有機化合物：草酸。科學史學家約翰·布魯克（John Brooke）的最后結論是，維勒的合成尿素“只不過是試圖阻礙活力論思想的河流滾滾向前的一小塊兒鵝卵石而已”。

形形色色的“活力論”

活力論就像宗教一樣，并不會隨著新的科學發現不斷涌現而輕易地自行消失。要實現信仰體系的更新換代，就必須從大量的實驗中積累起足夠厚實的證據。盡管不斷進步的科學已經漸漸促使人們擺脫活力論的影響，但是這需要人們付出幾百年的努力，甚至到了今天，撲滅這種神秘主義信仰的任務仍然沒有最終完成。

回顧歷史，我們發現，如果能夠有效地利用一系列關鍵成果，古老的活力論思想原本早該被摧毀了。這最早可以追溯到1665年，當時羅伯特·胡克（Robert Hooke，1635—1703）開創性地使用了顯微鏡，有史以來第一次發現了細胞。由于胡克以及其他一些發明家的努力，如荷蘭人安東尼·范·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek，1632—1723），科學家們積累了許多“細胞演化為生命的主要生理結構”的證據。在16世紀和17世紀，隨著現代科學的誕生，活力論面臨著更為嚴峻的挑戰。到了1839年，即維勒合成尿素十多年后，馬蒂亞斯·雅各布·施萊登（Matthias Jakob Schleiden，1804—1881）和西奧多·施旺（Theodor Schwann，1810—1882）已經明確地寫道：“所有活的生物都是由活的細胞構成的?！?855年，現代病理學之父魯道夫·菲爾紹（Rudolf Virchow，1821—1902）提出了所謂的生物發生法則（Biogenic Law），即“一切細胞皆來源于細胞”或者“所有活細胞都來自已有的細胞”。這與自然發生說的觀點形成了鮮明的對照。自然發生說可追溯到古羅馬時期，顧名思義，這種學說認為，生命能夠從非生命的物質中自發地產生，比如說，蛆蟲生自腐爛的肉、果蠅產自香蕉。

1859年，路易·巴斯德（Louis Pasteur，1822—1895）完成了一個著名的實驗，有力地反駁了通過簡單的實驗就能實現“自然發生”的觀點。巴斯德分別對裝在兩個不同的瓶子里的肉汁進行了加熱，一個是沒有塞子的直頸瓶，讓肉汁直接接觸空氣，另一個則是S型曲頸瓶，并且塞上了棉塞。當直接暴露在空氣中的直頸瓶里的肉汁冷卻后，里面長出了細菌，而在另一個塞了棉塞的曲頸瓶里卻沒有長出細菌。巴斯德認為，他自己這個實驗足以證明微生物無處不在（包括存在于空氣中）。然而，與維勒的實驗一樣，巴斯德的這個實驗的具體細節無法讓人確信不疑，因為許多明確的證據都是由一系列德國科學家的后續工作提供的。

以巴斯德的實驗為先導，后來的一批科學家最終排除了“生命最初是由或者可能是由無機化學物質發展而來的”這種可能性。1906年，法國生物學家和哲學家勒·當泰克寫道：“人們常說，在巴斯德之前，許多科學家竭盡全力在實驗室里制造生命，但是巴斯德已經證明了，這種努力終將是沒有用的。但是事實上，巴斯德只是表明了：通過采取適當的措施，我們可以讓所有入侵物種確實存在于某些作為它們食物的物質之上。這就是全部。生物合成仍然是一個問題，并未解決?！?/p>

雖然巴斯德已經表明了怎樣可以把特定的生命形式排除在無菌環境之外，但是他沒有增進我們對“數十億年以來，生命是如何在地球形成之初就已經奠定根本的”這一問題的理解。1880年，德國演化生物學家奧古斯特·魏斯曼（August Weismann，1834—1914）把一個重要的推論引進了生物發生法則，使生物發生法則回歸到了最根本的起源。魏斯曼寫道：“要對今天的活細胞進行追根溯源，就必須回到古代。”換句話說，今天的活細胞必定存在一個共同的祖先細胞。當然，這也就把我們帶回到查爾斯·達爾文（Charles Darwin，1809—1882）名垂青史的進化論巨著《物種起源》（On the Origin of Species）上去了。達爾文與英國博物學家、探險家阿爾弗雷德·羅素·華萊士（Alfred Russel Wallace，1823—1913）一樣，都認為存在于所有生物物種上的變化或變異特征都是代際相傳的。有些變異產生了有利的結果，所以在每一代都能茁壯成長，因此它們——和它們的基因——變得更為普遍，這就是自然選擇。隨著時間的推移，隨著新的變異不斷積累，某一個世系可能已經演化到了一種程度，它不再與它的近親交流基因。到這個時候，一個新的物種就誕生了。

盡管已經取得了上述科學進展，但是直到20世紀，活力論者仍然擁有許多熱情的支持者。著名的德國胚胎學家漢斯·杜里舒（Hans Driesch，1867—1941）就是其中之一。由于身體形成于一個沒有任何“模式”或“圖案”的單細胞這個智力難題對他來說似乎是無法解決的，于是杜里舒轉向求助于實體論（entelechy，這個單詞源自希臘語entelécheia）的觀念。這種理論要求有一個“靈魂”“組織現場”或“生命元素”來激活生命的物質。1952年，偉大的英國數學家艾倫·圖靈（Alan Turing，1912—1954）向人們展示了如何從單一的一個胚胎開始，創造出一種新的模式。類似地，法國哲學家亨利—路易斯·柏格森（Henri-Louis Bergson，1859—1941）則提出，存在著能夠克服活體內部物質的阻力的生命沖動。即使在今天，雖然大多數嚴肅的科學家都認為，活力論早已經被推翻了，但是還有一些人堅守這種信念，認為生命是建立在一些神秘力量的基礎之上的。也許這并不令人驚訝：對于它的支持者來說，活力論這個術語擁有許多含義，不過，被廣泛接受的有關生命的定義仍未出現。

在我們這個時代，一種新的活力論出現了。在這個更為精煉的活力論中，被強調的與其說是“生命的火花”，不如說是“其他理論的困難”，即現有的一切理論，無論還原主義，還是唯物主義，似乎都不足以解釋生命的神秘。這種想法反映了這樣一種信念：活細胞的出現極其復雜，它產生于能夠形成相互連接的反饋循環的大量相互作用的化學過程中，僅僅根據這些構成過程和它們的構成反應是不足以描述整個過程的。因此，今天的活力論用改變過的中心觀點把自己偽裝了起來，它將重點從DNA轉移到了細胞的“涌現性”上來。這里所謂的“涌現”，是指細胞大于組成它的所有分子的總和，而且在特定的環境有特定的表達形式。

這個精巧的新活力論無疑會導致一些人傾向于看輕甚至忽視DNA的重要性。具有諷刺意味的是，在這一點上，還原論并不能給我們任何幫助。細胞的復雜程度是如此之高，再加上大多數大學里的教學部門不斷地對生物學進行細分，導致在許多人中間出現了蛋白質中心論和DNA中心論的觀點之爭。近年來，DNA中心論者越來越多地把重點放在了實驗胚胎學上，“開關”系統會打開或關閉細胞中的基因，以應對諸如壓力和營養這樣的環境因素。從許多人現在的行為表現來看，就好像是實驗胚胎學真的已經徹底從DNA驅動的生物學中分離出來了，或者已經成了一個完全獨立于DNA驅動的生物學的一門獨立學科了。當一個人把不可測因素加入到細胞質中去的時候，那么他在無意中就已經落入了活力論的陷井了。同樣地，當一個人強調細胞的“高于DNA”的神秘的“涌現性”時，也是如此。強調這些，就相當于復興“細胞產生細胞論”，即一切活的細胞都來自現有的細胞。

當然，細胞確實是所有目前已知的生命得以演化的最基本的生物基礎。因此，對它們的結構和組成成分的理解是細胞生物學、生物化學/新陳代謝這些重要的核心學科的基礎。然而，正如我希望在本書中闡釋清楚的那樣，如果細胞缺乏遺傳信息系統，那么它們很快就會死亡——通常來說，最短幾分鐘內，最長幾天。最大的例外是人類紅細胞，它的“半衰期”為120天。沒有遺傳信息的細胞無法造出蛋白質或者脂類分子膜，而正是這些東西構成了能夠儲存水性物質的細胞膜。這樣一來，它們將不再演化、也不再復制，因此也就不能夠存活下去了。

盡管我們承認，對維勒的尿素合成實驗的神化掩蓋了一些東西，使之無法精確地反映歷史事實，但是維勒實驗的基本邏輯仍然對科學方法造成了強大的、極具學科“合法性”的影響。在今天，證明化學結構正確性的標準做法仍是進行化學合成，并證明合成物質里包含了天然產品的所有屬性。成千上萬的科學論文都是從這個假設或者包含“合成的證據”這樣的措辭開始的。我自己的研究也一直是在維勒寫于1828年的那封信中所闡述的原理的指導下進行的。2010年5月，我自己創辦的J.克雷格·文特爾研究所（J.Craig Venter Institute, JCVI）的研究團隊通過計算機程序和四瓶化學物質合成了一個完整的細菌染色體，然后我們把這個染色體植入一個細胞中，創造出了第一個合成有機體。我們成功了！這是一個能夠與維勒的工作和他的“合成的證據”相提并論的事件。

馮·諾依曼的“細胞自動機”

機械唯物主義生命觀促使一些人試圖利用機械系統和數學模型創造生物學之外的人造生命。一直到20世紀50年代，人們才終于承認DNA是一種遺傳物質。在那之前，機械唯物主義的方法早已出現在科學文獻當中了。根據這種機械唯物主義生命觀，生命源自復雜的機械原理，而不是復雜的化學反應。1929年，年輕的愛爾蘭晶體學家約翰·德斯蒙德·伯納爾（John Des-mond Bernal，1901—1971）想象出機器有可能具有某種類似于生命的自我復制能力，他在《世界、眾生和惡魔》（The World, the Flesh&the Devil）一書中描述，“在未來的后生物學時代，制造生命本身僅僅只是一個初級階段。只有當我們打算讓生命本身進行再次自我演化的時候，純生命的制造才是重要的”。

在那之后的十年里，創造這類復雜“機械生命”的方法“合乎邏輯”地得到了發展。1936年，密碼破譯者和人工智能先驅艾倫·圖靈描述了他那個眾所周知的圖靈機，它是寫在磁帶上的一組指令。圖靈還定義了一個通用圖靈機，它能夠執行利用一個指令集寫出來的任何計算命令。這是數字計算機的理論基礎。

到了20世紀40年代，卓越的美國數學家和博學家約翰·馮·諾依曼（John von Neumann，1903—1957）進一步發展了圖靈的思想，構想出一個能夠進行自我復制的機器。正如圖靈設想出一個通用的計算機一樣，馮·諾依曼構想出一個通用的構造器（構造函數）。在1948年于加利福尼亞州帕薩迪納的西克森舉行的研討會上，這個出生于匈牙利的天才概括了他的“自動機一般的且合乎邏輯的理論”。他指出，自然生物“一般來說比人工自動機更為復雜和精妙，因此也更讓人難以精確理解其中的奧妙”。盡管如此，他堅持認為我們在自然生物身上觀察到的規律對我們思考和設計人工自動機應該是很有幫助的。

從形式上看，馮·諾依曼的機器（馮·諾依曼細胞自動機）是一條由許多個細胞組成的“帶子”，這些細胞編碼了這臺機器所要執行的“動作”序列。利用一個“寫頭”（也被稱為“構造臂”），這臺機器就能夠打印（構造）出一個新的細胞模式，因此，它能夠完整地復制出自身以及那條“帶子”。從結構上看，馮·諾依曼這臺能夠自我復制的機器似乎有些笨拙，它由以下幾部分構成：一個有80×400個方格的基本盒、一條“構造臂”和一個“圖靈尾”，其中“圖靈尾”本身也是一條編碼指令的“長帶子”，由15萬個方格構成。（“圖靈的自動機純粹是一臺計算的機器，”馮·諾依曼曾經這樣解釋，“而我們所需要的是能夠制造出另一臺自動機的自動機?！保┛傊?，這個“生物”由大約20萬個這樣的“細胞”構成。為了進行復制，這臺機器需要通過“神經元”來提供邏輯控制、利用傳輸細胞傳送來自控制中心的信息、利用“肌肉”去改變周圍的細胞。在“圖靈尾”的指示下，這臺機器會伸出它的“構造臂”，然后對它進行來回掃描，通過一系列的邏輯操作制造出一個自己的副本。這個復制品又能復制出另外一個副本，如此不斷循環反復。

在我們這個數字世界和生物世界的科學進步并駕齊驅的時代，這些指令的性質變得更加清晰了。薛定諤提出了一些論述，似乎可以作為他的密碼本的“第一參照”。他說：“正是這些染色體，或者可能是那些只有在顯微鏡下才能真正看到的、被我們誤認為是染色體的中樞骨骼纖維，攜帶了某種能夠決定個體未來發展的完整模式和成熟后功能的密碼本?！本o接著，薛定諤又繼續指出，這個密碼本可能就像二進制那樣簡單：“事實上，在這樣一個結構中，原子的數量不需要非常大，原因是，為數不多的原子就能制造出幾乎無限數量的可能物質。為了說明這一點，不妨試著考慮一下莫爾斯電碼這個例子。莫爾斯電碼由點和畫這兩種符號組成，它們之間的不同組合不超過4種，卻可以表達出30種不同的意思?！?/p>

盡管馮·諾依曼構思他的自我復制自動機的時間要比雙螺旋結構的DNA中真正的遺傳密碼被發現早好多年，但是他確實已經把注意力集中到演化能力上了。在他的西克森演講中，馮·諾依曼告訴聽眾，他這臺機器執行的每條指令都“大致影響了基因功能”，他還繼續描述，這臺自動機中的錯誤是如何以像突變過程中會出現的某些典型特征的形式呈現出來的。“從規則的條件來看，這似乎是一個致命的問題，但是這同時也帶來了一個可能性：有可能以修改后的特征不斷進行自我復制?！闭邕z傳學家悉尼·布倫納曾經指出的那樣，可以說，生物學為圖靈和馮·諾依曼的機器提供了最好的真實世界的例子：“作為有機體的一種符合表征的基因——密碼本這個概念所表達的含義，確實是生命世界的一個基本特征。”

在上述能夠自我復制的機器的基礎上，馮·諾依曼還進一步構思了一臺純粹基于邏輯的自動機。這臺自動機并不需要一個“物理的身體”，也不需要海量的實體零件，相反，它是以一個網格中能夠不斷改變自身狀態的細胞為基礎的。對此，馮·諾依曼的同事，曾經在美國新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯（在那里他們一起為“曼哈頓計劃”而工作）與他共事過的數學家斯塔尼斯拉夫·烏拉姆（Stanislaw Ulam，1909—1984）是這樣解釋的：馮·諾依曼利用一個抽象的數學工具來發展他的設計。烏拉姆自己過去研究晶體生長理論時也曾經利用過這個數學工具。1953年3月2日～5日，馮·諾依曼在位于新澤西州的普林斯頓大學發表了題目為《機器和生物》（Machines and Organisms）的瓦尼克桑演講，他的“自我復制自動機”就是在這次系列演講中公布于世的，它也是有史以來第一臺細胞自動機。

正當這些科學家繼續致力于研究“模型化的生命”時，1953年的4月25日，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克在《自然》雜志上發表了題為《核酸的分子結構：脫氧核糖核酸的結構》（Molecular Structure of Nucleic Acids：A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid）這篇里程碑式的論文，至此，我們對真實生物的理解發生了改變。他們兩人是在英國劍橋大學完成這項研究的，而他們提出的DNA雙螺旋結構模型則是建立在由倫敦大學國王學院羅莎琳德·富蘭克林（Rosalind Franklin，1920—1958）和雷蒙德·高斯林（Raymond Gosling，1926—2015）所獲得的X射線晶體數據的基礎上的。沃森和克里克描述了“優雅”的雙螺旋分子結構，解釋了它的功能以及DNA是如何進行復制并將它的指令一代一代傳遞下去的。這是一臺天然的自我復制自動機。

科學家努力創造另一種能夠自我復制的自動機的開端，以及他們對人造生命研究的起步階段，大體上都可以追溯到這個時期，這也正是第一代現代計算機開始投入使用的時期。生命遺傳信息系統密碼特征的發現自然而然地促使人們將它與圖靈機進行比較。圖靈本人在他那篇有關人工智能的奠基性論文（發表于1950年）中也討論了適者生存法則是一種有可能推進演化的“緩慢的方法”，這不僅僅是因為實驗人員并不受限于隨機的突變。許多人開始相信，人造生命將會在計算機內復雜的交互作用中出現。

各種各樣的思想潮流都匯聚在這樣一些焦點上：馮·諾依曼的理論以及他所做的關于早期計算機的研究和他提出的自我復制自動機的模型；圖靈的理論以及他提出的有關人工智能機器的基本問題；美國數學家諾伯特·維納（Norbert Weiner，1894—1964）在他于1948年出版的一本名為《控制論》（Cybernetics）的書中所描述的理論——他運用來自信息論和生命體的自我調節過程中的一系列思想，討論控制論領域中的活的生命體問題。隨后還出現了許多引人注目的嘗試，科學家試圖在計算機中點燃生命之火。有關這方面最早的一個嘗試出現在1953年，那是在位于新澤西的普林斯頓高級研究院內，挪威裔意大利病毒遺傳學家尼爾斯·奧爾·巴黎塞利（Nils Aall Barricelli，1912—1993）進行了一系列“旨在搞清楚發生在人造世界內的、類似于發生在活的生物體內的各種演化可能性”的實驗。他報告了各種各樣的“生物現象”，比如，在父母“生物體”之間進行成功的雜交，交配在進化演變中所發揮的作用，以及合作在演化過程中所扮演的角色等。

這個潮流一直沒有停歇。幾十年之后，即1990年所完成的那個人造生命實驗或許是其中最引人注目的一個。這一次，特拉華大學的托馬斯·S.雷（Thomas S.Ray）進行了一個令人印象深刻的嘗試，有史以來第一次，他以達爾文進化論為原理編制計算機程序。在他的人造生命中，“有機體”（即計算機編碼片段）要在機器內部一個封閉的“自然保護區”內為內存（空間）和處理器能力（能量）而“戰斗”。為此，他不得不克服的一個關鍵性障礙：編程的語言是“脆弱的”，在這個“有機體”內部，任何一個小小的變異——一行、一個字母甚至一個點放錯了地方——都可能會導致程序停止運行。托馬斯·雷設法進行了一些改進，以保證突變不那么容易會使他的程序停止運行。在這之后，又接著出現了一些其他版本的“進化計算機”，其中最突出的是阿維達（Avida），這個軟件是在20世紀90年代早期，由加州理工學院一個研究自我復制計算機程序的演化生物學機制的團隊設計的。研究者們相信，隨著功能更強大、計算能力更高的計算機的出現，他們將能夠制造出更為復雜的生物，因為按照常理，計算機的環境越豐富，人造生命的“日子”就能夠過得更加“寬?！保鼈兎敝车乃俣纫矊⒏臁?/p>

即使在今天，仍有一些人認為，在巴黎塞利的世界中復制代碼的原始程序碎片是今天的數字世界以及互聯網和其他網絡能夠進行自我復制的多字節字符串的始祖。喬治·戴森（George Dyson）在他的《圖靈的大教堂》（Turing’s Cathedral）一書中就持有這個觀點，他指出，現在存在著一個自我復制數字代碼的宇宙，它正以每秒數萬億比特的速度不斷膨脹，那是“一個有著自己的生命的宇宙”。這些虛擬的“景觀”正以指數級速度在擴大，正如戴森自己所觀察到的那樣，它開始變成一個DNA的數字宇宙。

但是事實上，這些“虛擬牧場”總體上說還是比較貧瘠的。1953年，僅僅在巴黎塞利試圖在一個人造世界中創造演化過程6個月之后，他就發現，任何在計算機中制造人造生命的嘗試都有一些巨大的障礙需要克服。他報告說：“如果一個人解釋說計算機中生物體的器官和能力的形成與那些活的有機體一樣復雜，那么他必定沒有看清楚某些東西……不管我們制造了多少突變，數字仍然還是那些數字，這些數字本身將永遠不會變成有生命的物體！”

不過，最初構想的人造生命確實獲得了新的虛擬生命，它們新的生命形式存在于游戲和電影當中，例如《2001：太空漫游》（2001：A Space Odyssey）中兇殘的哈爾9000、電影《終結者》（Terminator）中進行種族滅絕的天網、《黑客帝國》（The Matrix）中惡毒的機器等。然而，現實情況仍然遠遠落后于此。在基于計算機的人造生命中，在被制造出來的有機體的基因序列或基因型與它的表型、基于這個序列的生理表達形式之間沒有什么差別。在活的細胞里，DNA編碼是以RNA、蛋白質和細胞的形式來表示的，它們形成了所有的生命物質。與此相反，人造生命系統則會迅速失去動力，這是因為，在計算機模型內的遺傳潛能并不是開放式的，而是預先設定的。與生物世界不一樣，計算機演化的結果已經被編進它的程序里了。

合成生命時代的到來

在我自己的“基因學”里，我把化學、生物學和計算機技術成功地融合到了一起。由DNA機器（人類）所設計的數字計算機現在被用來讀取DNA內的代碼指令，然后進行分析，并將新的代碼指令寫入DNA，以便創造出一種全新的DNA機器（合成生命）。當我們宣布創造了第一個合成細胞時，有些人曾經問過這樣一個問題，我們是否“扮演了上帝的角色”。在某種意義上，我們完成的這個實驗恰恰表明了新生命的創造為什么是不需要上帝的。在這個意義上，我認為，我們確實“扮演了上帝的角色”。我還認為，在我們成功利用化學物質創造出了人造生命之后，我們最終將一勞永逸地終結所有活力論的殘余觀點。但是，我似乎還是低估了依然遍及現代科學思想各個領域的活力論信念的巨大影響。信仰是科學進步的天敵。例如，認為蛋白質是遺傳物質這種信仰推遲了DNA作為遺傳信息載體的發現時間，或許整整推遲了半個世紀之久。

一直到20世紀下半葉，我們才開始明白DNA便是薛定諤所說的“密碼本”，并且破譯了它所攜帶的復雜信息，進而開始精確無誤地搞清楚了它是如決定生命進程的。在理解生命的歷史上，這是一個史詩般的成就，它標志著一個新的科學時代的到來。是的，一個整合了生物學和科技的新的時代已經誕生了。