基因決定命運(yùn)？不，生命從來沒有預(yù)設(shè)的劇本

大約40億年前，地球上出現(xiàn)了第一個(gè)“生命”。那或許只是一團(tuán)包裹在脂質(zhì)膜中的核酸與蛋白質(zhì)，在原始海洋的熱泉口附近完成了第一次自我復(fù)制。但……等等，什么是生命？

這個(gè)看似簡單的問題卻困擾了科學(xué)家和哲學(xué)家數(shù)千年。1944年，量子物理學(xué)家薛定諤在《生命是什么》中曾試圖用“負(fù)熵”為生命下定義，卻也承認(rèn)這只是描述而非答案。書中跨學(xué)科的觀點(diǎn)啟發(fā)了后來DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，但要真正理解生命，我們必須先弄清楚它是如何運(yùn)作的。

在歷史長河中，人類對生命的探索從未停止。亞里士多德提出“生機(jī)論”，認(rèn)為生命體具有特殊的“生命力”；笛卡爾則將生物視為精密的機(jī)械裝置；達(dá)爾文用自然選擇理論解釋生命的多樣性。進(jìn)入20世紀(jì)后，隨著分子生物學(xué)的突破，我們逐漸揭開了生命的層層面紗。但不得不承認(rèn)，生命的運(yùn)作機(jī)制仍然充滿了未知，許多問題至今沒有確切答案。比如，癌癥為何難以攻克？衰老的本質(zhì)究竟是什么？意識的起源和本質(zhì)又是什么？這些問題困擾著科學(xué)家，也激發(fā)著我們對生命的無限遐想。

英國皇家化學(xué)會(huì)會(huì)員、《自然》前編輯菲利普?鮑爾（Phillip Ball）以20余年科普寫作的積淀著成的《生命傳》（

How Life Works

菲利普·鮑爾（Philip Ball），科學(xué)作家，英國皇家化學(xué)會(huì)會(huì)員、歐盟委員會(huì)合成生物學(xué)專家團(tuán)成員、BBC“科學(xué)的故事”欄目出品人，曾任《自然》期刊編輯20余年

作為同時(shí)深諳科學(xué)細(xì)節(jié)與人文視角的科普作家，鮑爾的獨(dú)特之處在于：既不沉迷于基因序列的瑣碎數(shù)據(jù)，也不滿足于“生命是臺精密機(jī)器”的簡化模型，而是將生命視為一場“多維度的即興演出”，打破了“基因決定論”“生命機(jī)械論” 等傳統(tǒng)認(rèn)知的桎梏，通過解析DNA與蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)交互、細(xì)胞信號網(wǎng)絡(luò)的混沌與秩序、多細(xì)胞生物的自組織原理等前沿發(fā)現(xiàn)，展現(xiàn)出生命作為復(fù)雜系統(tǒng)的靈動(dòng)與韌性。

在《生命傳》中，鮑爾顛覆了傳統(tǒng)生物學(xué)的認(rèn)知，提出了三大新觀念：

基因是仆人，而非主人：DNA并非生命的唯一指揮官，細(xì)胞、蛋白質(zhì)、組織等層級各有其自主性。

生命拒絕簡化類比：將生物體比作機(jī)器或計(jì)算機(jī)是誤導(dǎo)性的。生命通過分子噪聲、隨機(jī)性和自組織實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，而非預(yù)設(shè)程序。

生命是層級的交響樂：從RNA的轉(zhuǎn)錄糾錯(cuò)到細(xì)胞群體的集體決策，生命通過多層級協(xié)作“創(chuàng)造意義”。正如諾貝爾獎(jiǎng)得主、生物學(xué)家方斯華·賈克柏所言：“生命可不只是一種單一組織，而是一系列像俄羅斯套娃那樣互相嵌套的組織。”

熵增是宇宙的法則，生命選擇逆熵而行

多層級協(xié)作的生命圖景，或許正是生命能夠“逆熵而行”的核心奧秘。

“熵”最早由德國物理學(xué)家克勞修斯于1865年提出，用于度量一個(gè)系統(tǒng)的“內(nèi)在混亂程度”。簡單來說，熵越高，系統(tǒng)越無序；熵越低，系統(tǒng)越有序。

熵增定律指出，在一個(gè)孤立系統(tǒng)中，如果沒有外力做功，系統(tǒng)的總混亂度（熵）會(huì)不斷增大。這就如同我們的房間，如果不加以整理，會(huì)越來越亂；一杯熱水放在桌上，熱量會(huì)逐漸散失，最終與周圍環(huán)境溫度一致。從更宏觀的角度看，宇宙也在遵循著熵增定律，終將走向熱寂與無序，這似乎是宇宙萬物不可避免的命運(yùn)。

然而，生命卻像是一個(gè)奇跡，一個(gè)違背熵增定律的“叛逆者”。從簡單的單細(xì)胞生物到復(fù)雜的多細(xì)胞生物，從生機(jī)勃勃的植物到靈動(dòng)聰慧的動(dòng)物，生命以其獨(dú)特的方式展現(xiàn)著有序性和組織性。生物體有著精確的結(jié)構(gòu)和功能，細(xì)胞能夠有條不紊地進(jìn)行代謝、分裂和分化，器官之間相互協(xié)作，維持著生命的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

生命是如何做到這一點(diǎn)的呢？薛定諤認(rèn)為，答案或許在于生命是一個(gè)開放系統(tǒng)，它能夠與外界進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換。他提出生命以“負(fù)熵”為食，即通過攝取外界的低熵物質(zhì)（如食物、陽光），排出高熵廢物（如熱量、代謝產(chǎn)物），來維持自身的低熵狀態(tài)。植物通過光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，合成有機(jī)物質(zhì)，這是一個(gè)從無序到有序的過程，降低了自身的熵。而動(dòng)物則通過攝取植物或其他動(dòng)物，獲取能量和物質(zhì)，維持生命活動(dòng)和身體的有序性。

但鮑爾認(rèn)為薛定諤雖然提出了關(guān)鍵問題，卻給出了過于機(jī)械化的解決方案。鮑爾進(jìn)一步揭示，這種逆熵能力絕非簡單的能量轉(zhuǎn)換，而是源于生命系統(tǒng)獨(dú)特的層級架構(gòu)：

分子層面的隨機(jī)性利用。與傳統(tǒng)認(rèn)知相反，生命并非竭力消除分子噪聲，即便組件中存在噪聲或者發(fā)生某些變異，這類宏觀節(jié)點(diǎn)都能可靠運(yùn)作。

細(xì)胞尺度的自主決策。每個(gè)細(xì)胞都像微型"逆熵引擎"，能根據(jù)微環(huán)境調(diào)整代謝策略。

組織層級的抗脆弱性。當(dāng)干旱讓草原枯萎，一些植物的根系會(huì)通過化學(xué)信號協(xié)調(diào)資源分配，這種群體智慧使生命系統(tǒng)在擾動(dòng)中保持穩(wěn)定。從更廣泛的意義上說，地球生命已經(jīng)持續(xù)存在了近40億年，生命的韌性非凡！

我們曾以為生命是一部精密的機(jī)器，后來以為它是一臺復(fù)雜的計(jì)算機(jī)。但現(xiàn)在我們終于明白，生命更像一片永遠(yuǎn)在生長的森林，每個(gè)細(xì)胞都是一棵會(huì)思考的樹，它們彼此競爭又相互滋養(yǎng)，在混亂中創(chuàng)造秩序，在有限中追求無限。

我們真的是基因的傀儡嗎？

這片在混亂中生生不息的“生命森林”，既展現(xiàn)著逆熵的奇跡，也暗藏著更深層的謎題：維系這一切秩序的核心力量究竟是什么？是基因在幕后操控著每一片葉子的生長方向嗎？我們真的是基因的傀儡嗎？

在探索生命運(yùn)作機(jī)制的道路上，理查德?道金斯的《自私的基因》無疑是一部具有里程碑意義的著作。這本書出版于1976年，一經(jīng)問世便引起了廣泛的關(guān)注和激烈的討論。道金斯在書中提出，基因是自然選擇的基本單位。

2000年6月，人類基因組計(jì)劃宣布完成草圖時(shí)，時(shí)任美國總統(tǒng)克林頓曾豪情萬丈地宣稱：“此時(shí)此刻，我們正在學(xué)習(xí)上帝創(chuàng)造生命的語言。”人類基因組計(jì)劃的完成，曾讓人們滿懷期待，以為我們即將揭開生命的所有奧秘。科學(xué)家們原本預(yù)計(jì)人類大約有10萬個(gè)基因，然而結(jié)果卻令人驚訝，人類基因的數(shù)量只有2萬個(gè)左右，與一些簡單生物的基因數(shù)量相差并不懸殊。這一發(fā)現(xiàn)讓人們開始反思，基因似乎并不能完全決定生命的一切。

越來越多的研究表明，生命并非僅僅由基因決定，環(huán)境、表觀遺傳等因素同樣起著至關(guān)重要的作用。表觀遺傳是指在不改變DNA序列的基礎(chǔ)上，調(diào)控基因表達(dá)的現(xiàn)象。

父母的生活經(jīng)歷，如飲食、壓力、環(huán)境暴露等，都可能通過表觀遺傳標(biāo)記傳遞給后代，影響后代的基因表達(dá)和生理特征。在納粹占領(lǐng)荷蘭期間，那些因?yàn)榉怄i食物而在食物短缺中孕育下一代的女性，她們的孩子長大后出現(xiàn)肥胖、心血管疾病等代謝問題的概率明顯增加，而且這種影響還延續(xù)到了再下一代。這說明，環(huán)境因素可以在基因上留下“印記”，改變生命的軌跡。

此外，基因的表達(dá)也不是一成不變的，它會(huì)根據(jù)細(xì)胞的需求和環(huán)境的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。以果蠅為例，致癌基因和無翼基因是完全一樣的，只是名字不同，表現(xiàn)的效果不同。在后來的研究中，科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)這樣的基因不止這一種，類似的基因其實(shí)是一個(gè)家族，這個(gè)現(xiàn)象在生物學(xué)中到處都有。

基因確實(shí)是生命的重要組成部分，在生命的舞臺上扮演著獨(dú)特的角色。但基因并不是決定一切的主宰。鮑爾說道：“基因不能產(chǎn)生生命，相反，基因依賴生命。”科學(xué)哲學(xué)家詹姆斯·格里塞默極為直率地表達(dá)了這一點(diǎn)：“基因根本不是主宰一切的分子，它們是發(fā)育的囚徒，被囚禁在森嚴(yán)牢獄的最深處。”

哈佛大學(xué)的科學(xué)家曾觀察到一個(gè)奇妙現(xiàn)象：當(dāng)酵母細(xì)胞處于饑餓狀態(tài)時(shí)，一種名為Gcn4的蛋白質(zhì)會(huì)主動(dòng)附著在200多個(gè)基因的啟動(dòng)子區(qū)域，喚醒那些負(fù)責(zé)氨基酸合成的基因。更令人驚訝的是，這些基因的激活順序并非固定不變，而是根據(jù)細(xì)胞內(nèi)的營養(yǎng)水平靈活調(diào)整。這哪里是基因決定蛋白質(zhì)，分明是蛋白質(zhì)在指揮基因該何時(shí)登場。

如今看來，基因并非“主宰者”，更像是一本被反復(fù)批注的詞典，沒有哪個(gè)基因能獨(dú)自決定“我要長成一朵花”，就像沒有哪個(gè)漢字能單獨(dú)寫出一首詩。

在混亂中尋找秩序

從魚鰭到人手，從鳥翼到蝙蝠翅膀，生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)這些看似不同的器官，都由相同的“模塊”發(fā)育而來。這種模塊化設(shè)計(jì)賦予了生命驚人的適應(yīng)性。當(dāng)環(huán)境變化時(shí)，生命不需要推倒重來，只需調(diào)整模塊的組合方式。恐龍的鱗片逐漸演化成鳥類的羽毛，前肢變成翅膀，這種改造并非從零開始，而是在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的創(chuàng)造性轉(zhuǎn)化。

強(qiáng)大穩(wěn)健性是生命的另一個(gè)重要特征。無論是干旱、洪澇、高溫、低溫等自然環(huán)境的變化，還是病原體的入侵、自身的損傷等內(nèi)部因素的影響，生命都能夠通過各種機(jī)制保持自身的穩(wěn)定性和生存能力。

動(dòng)物在面對病原體入侵時(shí)，免疫系統(tǒng)會(huì)迅速啟動(dòng)，識別和清除病原體。免疫系統(tǒng)中的T細(xì)胞、B細(xì)胞、巨噬細(xì)胞等各種免疫細(xì)胞相互協(xié)作，形成了一個(gè)復(fù)雜的防御網(wǎng)絡(luò)。生命還具有自我修復(fù)的能力。當(dāng)生物體受到損傷時(shí)，細(xì)胞會(huì)通過分裂和分化來修復(fù)受損的組織和器官。皮膚受傷后，表皮細(xì)胞會(huì)迅速分裂，填補(bǔ)傷口，使皮膚恢復(fù)完整。植物的應(yīng)激反應(yīng)更具詩意。當(dāng)樹木遭遇蟲害，會(huì)釋放揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)警告周圍的同伴，鄰近的樹木接到信號后，會(huì)主動(dòng)增加葉片中的單寧含量，讓害蟲難以下咽。這種無聲的互助，讓整片森林形成了一個(gè)巨大的防御網(wǎng)絡(luò)。

此外，在生命的發(fā)展過程中，存在著渠限化現(xiàn)象。這意味著生命的發(fā)展并非無限可能的，而是受到一定的限制。在胚胎發(fā)育過程中，細(xì)胞會(huì)按照特定的路徑分化成不同的組織和器官，而不是隨意發(fā)展。這種渠限化使得生命的發(fā)展具有一定的方向性和確定性。

渠限化也與生命的穩(wěn)定性和適應(yīng)性密切相關(guān)。它使得生命系統(tǒng)能夠在有限的資源和條件下，發(fā)展出最適合生存的特征和能力。不同的生物在進(jìn)化過程中，通過渠限化形成了各自獨(dú)特的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能，以適應(yīng)不同的生態(tài)環(huán)境。例如，鳥類進(jìn)化出了翅膀，使其能夠飛行，適應(yīng)空中的生活。魚類進(jìn)化出了鰓，使其能夠在水中呼吸，適應(yīng)水生環(huán)境。

生命的未來：重新定義可能與邊界

當(dāng)我們突破基因決定論的桎梏，生命科學(xué)正迎來前所未有的可能性。合成生物學(xué)作為生命科學(xué)領(lǐng)域的一顆新星，正逐漸嶄露頭角。這是一門匯聚了生物學(xué)、工程學(xué)、化學(xué)等多學(xué)科知識的前沿學(xué)科，旨在通過對生物系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建，創(chuàng)造出自然界中原本不存在的生物功能和生物系統(tǒng)。

2010年，美國科學(xué)家克雷格?文特爾領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)成功合成了第一個(gè)人工合成基因組，并將其植入到一個(gè)去除了遺傳物質(zhì)的細(xì)菌細(xì)胞中，創(chuàng)造出了第一個(gè)“人造生命”。2021年，我國科學(xué)家將釀酒酵母的16條染色體融合成1條，這個(gè)“極簡酵母”不僅存活下來，還能正常繁殖。

這些突破并非簡單的基因編輯，而是重新設(shè)計(jì)生命的底層邏輯。科學(xué)家們正在嘗試構(gòu)建具有全新功能的生物系統(tǒng)：能檢測土壤重金屬的細(xì)菌，能生產(chǎn)抗癌藥物的酵母菌，甚至能分解塑料的工程菌。

合成生物學(xué)的發(fā)展，讓我們對生命的理解攀升到了一個(gè)新的高度。它不僅為我們提供了一種全新的視角來審視生命的本質(zhì)，還為解決能源危機(jī)、環(huán)境污染、疾病治療等人類面臨的諸多挑戰(zhàn)提供了新的解決方案。例如，糖尿病患者需要的胰島素曾經(jīng)依賴從動(dòng)物胰腺中提取，如今則可以讓工程菌在發(fā)酵罐中大量生產(chǎn)。這種將生命改造成“微型工廠”的技術(shù)，正在用最溫柔的方式緩解人類的痛苦。

與合成生物學(xué)并駕齊驅(qū)的還有再生醫(yī)學(xué)。蠑螈能再生斷肢，海星能重建內(nèi)臟，這些生物的再生能力曾讓人類羨慕不已。如今，致力于利用生命科學(xué)和工程學(xué)的原理，促進(jìn)人體組織和器官的再生與修復(fù)的再生醫(yī)學(xué)正在讓這種羨慕變成現(xiàn)實(shí)。日本科學(xué)家成功將皮膚細(xì)胞重編程為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，這種細(xì)胞能分化成各種組織器官，為器官移植帶來了曙光。

除了干細(xì)胞，再生醫(yī)學(xué)還涉及組織工程、生物材料等多個(gè)方面。組織工程通過構(gòu)建三維支架，并在其上種植細(xì)胞，模擬人體組織的結(jié)構(gòu)和功能，實(shí)現(xiàn)組織的再生。生物材料則為細(xì)胞的生長和組織的修復(fù)提供了良好的微環(huán)境。科學(xué)家們開發(fā)出了各種生物可降解材料，這些材料可以在體內(nèi)逐漸降解，不會(huì)對人體造成負(fù)擔(dān)。通過將生物材料與干細(xì)胞技術(shù)相結(jié)合，可以更好地促進(jìn)組織和器官的再生。

如今，具身智能進(jìn)入了百花齊放、高速發(fā)展的階段，但有一些科學(xué)家卻在嘗試另一種思路：用肌肉細(xì)胞驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人。這些“生物機(jī)器人”既有機(jī)器的精確控制，又有生命的自主修復(fù)能力，它們能在體內(nèi)精準(zhǔn)遞送藥物，或是在環(huán)境中檢測污染物。

更具顛覆性的是“腦機(jī)接口”技術(shù)。當(dāng)癱瘓患者通過植入大腦的電極控制機(jī)械臂，當(dāng)漸凍癥患者用意念拼寫單詞，這些突破不僅改變了殘障人士的生活，當(dāng)機(jī)器成為身體的延伸，當(dāng)電子信號與神經(jīng)沖動(dòng)交融，生命的定義正在被重新書寫。

如果基因不是命運(yùn)的主宰，那么我們在編輯胚胎基因時(shí)，是在糾正錯(cuò)誤，還是在重寫人類的未來？如果意識源于細(xì)胞的集體智慧，那么AI是否也可能“覺醒”？

《生命傳》最終將我們引向一個(gè)更深遠(yuǎn)的思考：當(dāng)我們越來越擅長“改寫”生命時(shí)，我們是否真正理解了生命的本質(zhì)？鮑爾在書中提醒我們，科學(xué)的發(fā)展不應(yīng)只關(guān)注“我們能做什么”，更要思考“我們應(yīng)該做什么”。

一場顛覆生命科學(xué)的概念變革

一部關(guān)于生命的恢宏“傳記”

打破生命認(rèn)知的黑箱

在AI時(shí)代重新理解智能、進(jìn)化和創(chuàng)造

-End-

2025.7.14

編輯：閃閃 | 審核：孫小悠