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金帆:从“设计生命”到理解生命 ——对生命科学的哲学阐释
2018年07月11日 11:22 来源:《文化纵横》第20181期 作者:金帆 字号

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From "Designing Life" to Understanding Life:A Philosophical Interpretation of Life Science

 

  作者简介:金帆,中国科技大学合肥微尺度物质科学国家实验室。

 

  2010年以来,人工智能和生命科技作为科技发展的两大前沿,呈现出蓬勃发展的态势,并对人类生活发生着日益深入、广泛的影响。2010年,基因科学家温特尔(John Craig Venter)带领他的团队在实验室合成了第一个人工合成细胞,命名为“辛西娅”(Synthia),并称它是第一种“以计算器为父母的自我复制的生物”。今年,人类的创造物“阿尔法狗”以3∶0大败柯洁,成为围棋界的“上帝之手”。人类对世界的认知似乎开始逐渐摆脱肉体感官,进入精密工具操作、介入和干预的阶段,人类自身似乎开始扮演近乎“上帝”的角色。尽管人类认识和操控世界(包括人体自身)的能力越来越强,但是,人对生命的理解,对人类大脑和意识的了解,都远远跟不上对生物细节知识的了解和操纵。

  本文将简单介绍近几年新兴的合成生物学,并揭示它对如何理解生命有什么意义。目前,合成生物学已经制造出一些控制生命的个别过程的生物组件,并开始应用于与我们生活密切相关的环保、医疗、食品制造等领域。也就是说,人类“设计生命”的巨变正在发生,已在路上!我认为,在此过程中,生命科技的研究者不能缺少宏观哲学思考,必须有意识地去认识“生命是什么”,才能使生命科技更有效地造福于人类。

  合成生物学与“设计生命”

  经过多年的知识积累和技术准备,人类已经开始通过工程化的设计理念,对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成,从而创建赋予非自然功能的“合成生命体”,这个领域被称为合成生物学,其通过基因回路的设计和植入可实现对细胞行为的精确控制。

  生命系统的基因回路是通过数十亿年演化形成的,但科学家可通过工程化的逆向设计,如按照拼接逻辑电路的方法来设计基因回路,达到控制生命的目的。比如,若我们想控制细胞内某个基因的表达出现周期性振荡,就可参考数字电路中经典振荡器的设计——将三个非门串起来,如果输入1,输出就变成0;如果输入0,输出就变成1,通过将1由输出返回输入,使回路在0和1之间振荡。UCLA生物学家就是利用同样的原理将三个由基因表达系统构成的非门进行串联,从而实现了基因表达振荡器。①该基因振荡器可以调节细胞的自然发育节奏及其内部运作过程。

  

  伴随新兴科技的发展,人类自身似乎开始扮演近乎“上帝”的角色

  换言之,目前合成生物学的研究步骤是先绘制出一幅理解生命现象的原理图,再按照这幅图来对生命过程进行设计,设计出来的生物组件要完成设计目标。本来,理解复杂的生命系统极其艰难,合成生物学和技术,可以通过对初级基因片段的设计、拼接,并比较设计、拼接的结果和最初的预想,进而由点及面地理解生命。这就为人类理解复杂的生命系统提供了一个新思路。

  合成生物学在21世纪快速发展。有一个组织,2003年麻省理工学院(MIT)创办的国际遗传工程机器大赛(International Genetically Engineered Machine Competition)简称iGEM,是合成生物学领域的一个半学术、半民间的国际性学术竞赛合作的重要组织,目前有百多个、包括中国十几个高校参与。iGEM每年举行大赛,参赛者是由本科生组成团队,参赛内容是把生物零件(BioBrick),即把零件(Part)组装成装置(Device),再把装置(Device)组成系统(System),实现基因组件的模块化,由此构建有特定功能的人工生物模块、系统,实现对复杂生物系统的操纵和测量。iGEM另一个基本理念是开源共享,所有参与团队都必须公开他们的研究成果,同时也可无偿享用他人已研发出来的生物模块。由于有越来越多的基因片段的发现和共享,拼接技术的应用门槛大大降低。另外,与以前拼接基因片段需花费高额费用,并且只有在专业实验室才能完成相比;现在,费用在呈指数下降,本科生经培训就能做。因此,在合成生物技术大为普及的情况下,如何拼装基因片段?如何设计生物?更重要的是,如何实现基因拼接、生物设计的模块化?理念(idea)变得愈发重要,它正在倒逼科学家们加深对生命的认识。

  整体上看,合成生物学作为新兴科学技术,仍处于初级阶段。对合成生物学发展的最大限制仍然是人类对生命系统的理解。尽管科学家可以按照电路控制对基因进行设计和调控,但任何生命都是一个多重控制调节回路的复杂系统,人工设计的电路系统并不能整体上仿真这一系统。即使合成生物实现了对生命现象的局部模拟,但这一设计是否最优,对生命整体会产生什么样的新问题,都是在科研和开发中不得不考虑的。

  概言之,合成生物学及其技术从生命最低层的局部现象入手,做可控实验,并在应用中不断受到检验,能够反映出生命的某些特质。但仅仅如此是不够的,微观的受控实验需要与我们对生命的宏观哲学认知互相结合、交互印证,才能逐步加深我们对生命的理解。

  

  达尔文进化论在今天依然是理解生命起源和演化的重要理论

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姓名:金帆 工作单位:

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