**章当“合成科学”遇上“生物学”
“如果我们不了解过去，也就没有多少希望掌握未来。”
—李约瑟
当前，合成生物学的发展仍处于早期阶段，科学家对合成生物学的定义也不尽相同。“合成”一词除常用于化学（通过化学反应使成分比较简单的物质变为成分复杂的物质）外，在物理学中是指几个分力变成合力的过程。无论是在哪种场景下，“由部分组成整体”的内涵是共通的。所以，当“合成”遇上“生物学”时，我们可以体会到这种内在关系。
不过，在物理学、化学和生物学的场景下，“合成”除有共通之处外，还有差异性。对物理学而言，合力等于分力之和。对化学而言，合成意味着从简单到复杂的转化。对生物学而言，“整体大于部分之和”更是体现得淋漓尽致。如果我们回顾几十亿年前生命起源和生物进化的历程，就会发现，从无机物到有机物的合成创造了前所未有的新物质，而从有机小分子到生物大分子的合成又给地球带来了天翻地覆的变化。每个生命的诞生都是一场奇迹，每次生命的进化都在演绎着“整体大于部分之和”的规律。尽管今天的我们无法目睹生命从无到有的起源、从简单到复杂的进化历程，但却可以借助合成生物学的手段研究其中的规律、找寻可能的路径、启迪未来的方向。更重要的是，当“合成”成为“合成科学”，再遇上“生物学”，科学家得以有更丰富的手段去认识生命，发明家得以有更创新的工具去调控生物，工程师得以有更高效的策略去建构生命，各行各业的团队得以有更实用的方法去解决难题；同样重要的是，以哲学家的思想敬畏生命，以决策者的睿智规划未来，以企业家的眼光创造产品，以治理者的博学去协同创新。
**节生命是什么
1943年，虽然第二次世界大战的阴霾仍然笼罩着全球，但是人们对“生命是什么”这个深奥的话题却有着发自内心的兴趣。爱尔兰总理埃蒙？德？瓦莱拉（Eamon de Valera）和很多民众一样，在围得水泄不通的大讲堂里听一位科学大家讲解生命的含义。这是一场足以改变科学发展史的演讲，不过讲解生命这个主题的科学巨匠并不是生物学家，而是1933年获得诺贝尔物理学奖的埃尔温？薛定愕（Erwin Schrodinger）。他在后来根据其演讲内容写成的《生命是什么》（What is Life）一书中指出，“自然万物都趋向从有序到无序，即熵值增加。而生命需要通过不断抵消其生活中产生的正熵，使自己维持在一个稳定而低的熵水平上。生命以负熵为生”《生命是什么》是一部足以改变生物学发展史的著作。尽管当时这本书远没有“薛定谔的猫”那样为众人所熟悉，但却吸引了一批年轻的研究者投身于生物学研究。克里克（Crick）和沃森（Watson）就是其中的代表人物，这两人于1953年发现了脱氧核糖核酸（DNA）的双螺旋结构，使人类对生命的认知有了质的飞跃，这一里程碑式的研究成果也被认为是从传统的生物学向现代生命科学转型的开端。从此，人类对“生命是什么”的探究不断深入。
一、探索生命起源
大约39亿年前，地球从此前的高温逐渐冷却下来。尽管人类尚无法确认当时是因为天体碰撞带来了有机物，还是因为无机物如氨气、氢气、水等在特殊条件下合成了氨基酸等生命物质，但是在此之后，地球出现了有机物。依据有机物的这两种来源分别形成了生命起源的“外来说”和“自生说”两种假说，至今科学家仍在孜孜不倦地探索真相。
大约35亿年前，地球上己经产生了很多的有机物，但是地表还没有足够的氧气。随着有机物的日渐增多，核糖核酸（RNA）等具有生物活性的大分子出现了。对于30多亿年前的这个进程，诺贝尔化学奖获得者沃特？吉尔伯特（Walter Gilbert）于1980年提出的著名的“RNA世界假说”（RNA world hypothesis）指出，在生命起源的某个时期，生命体仅由一种高分子化合物，即RNA组成。遗传信息的传递依赖于RNA的复制，其复制机制与当今DNA的复制机制相似，而作为生物催化剂的、由基因编码的蛋白质在那时还不存在。
大约31亿年前，随着从有机小分子到活性大分子的合成，DNA、RNA和蛋白质等具有生物活性的有机物均己出现。这些聚合而成的复杂生物大分子，再经过包裹形成更为复杂的组合体结构。*原始细胞的前细胞，或在此时形成了*初的简单结构。从这些简单的结构开始，前细胞的结构和功能日益复杂，*终形成了可以进行新陈代谢的细胞结构。
总之，30多亿年来，从地球*早的生命起源开始，生命经历了波澜壮阔的演化历程。从原核细胞到真核细胞、从单细胞到多细胞、从低等生物到高等生物，生命进化历程中的每一次跃迁都是一个奇迹。多个原本互不相干的细胞有机地结合在一起，便有了物质、能量和信息的协同，形成了多细胞生物；能够进行光合作用的生物出现，增加了地表的氧气浓度；有性生殖生物的出现，使得生命的繁衍生生不息，寒武纪生命大爆发更是极大地增加了生物多样性；能够感知光线的眼睛出现，使得生物从此得以“睁眼看世界”；尤其是作为生命进化中极大成就的大脑的出现，使得即便是微小的昆虫也能快速适应环境的变化。
可以说，从生命起源到生命进化，每一步的迈进都是充满艰辛的奋斗历程，每一次的跃迁都在生动地诠释更高层级的功能耦合。进步是生命的底色，从无序到有序是生命的追求。
多少年来，人们一直在探索生命起源的奥秘。然而，人类无法回到过去，重新观测生命起源和进化的历程。那么，是否可以通过实验的方法去模拟这个过程呢？
二、认识生命
1953年，在芝加哥大学的一个化学实验室里，一位叫米勒（Miller）的23岁的年轻人跟他的导师打了个赌，这个赌源于他有一个异想天开的想法：如果在实验室里模拟太阳光的辐射，那么利用氨气、甲烷、氢气和水等物质是否能够产生氨基酸、核糖、嘧啶、嘌呤等组成蛋白质和核酸的生物小分子与有机大分子？虽然导师不以为意，但仍鼓励米勒开展实验进行尝试。结果米勒的实验成功了，由此证明在地球早期的环境下，由无机物合成小分子有机物是可能的，该实验也因此以米勒和他导师的名字命名-米勒-尤里实验（Miller-Urey experiment）。
在米勒-尤里实验之前，人类早己在认识生命的道路上探寻和摸索。在近代科学发展之前，哲学家便己在思索“生命是什么”的问题。古希腊的哲学家亚里士多德认为“整体大于部分之和”，对生物体而言更是如此。那么，生物体作为整体，大于哪些部分之和？19世纪，德国植物学家施莱登（Schleiden）和动物学家施旺（Schwann）提出了细胞学说，认为细胞是动植物结构和生命活动的基本单位。照此推理，如果将细胞作为一个整体，其功能又大于哪些部分之和？1828年，德国化学家弗里德里希？维勒（Friedrich Wohler）在实验室人工合成出了“尿素”，打破了无机物和有机物之间的界限。维勒是瑞典化学家永斯？贝采利乌斯（J6ns Berzelius）的学生，贝采利乌斯受亚里士多德的“灵魂论”思想启发，在化学、生物学结合的基础上提出了“活力论”，即生命物质的化学反应只可能在生物体内发生，这是生命现象区别于非生命现象的特征。有别于“灵魂论”，贝采利乌斯提出的“活力论”可由科学实验证明。随后，以尿素的合成为起点，科学家合成了一系列的有机物，并逐步解析了各种生物分子的成分，大力推动了生物化学的发展。1953年，DNA双螺旋结构的发现，开创了分子生物学的时代。
在认识生命的物质组成成分之前，人类主要通过观察生命的现象，试图解析生命的规律。在观测、识别生命的过程中逐步形成了生物的“界门纲目科属种”的分类体系，使生物学的发展具备了博物学的基本特征。19世纪之前，科学家在对动物、植物的观察过程中，以“博物学”的思路对生物进行分类，此时对生物的观察性研究主要以描述性为主。19世纪初，拉马克认为植物和动物都是有生命的物体，并提出了“生物学”的概念；其后，达尔文提出的进化论，标志着生物学观察性研究进入到以分析为主的阶段。1856～1963年，孟德尔通过豌豆实验发
现了遗传学的两大定律，与此同时，微生物学、细胞生物学、生物化学也发展到以实验性研究为主的阶段。
20世纪中叶，DNA双螺旋结构被发现后，科学家又提出了“中心法则”（central dogma）的假说-遗传信息从DNA传递给RNA，再从RNA传递给蛋白质，即完成遗传信息的转录和翻译过程。对生命遗传信息的传递规律或流动方向的这一解析，使人们进一步认识到要了解生命现象*先要了解基因组。在此基础上，DNA重组、基因测序等技术得到了发展。20世纪90年代，人类基因组计划的实施，标志着人类对基因的研究进入到了全基因组层面。21世纪以来，蛋白质组学、转录组学、代谢组学、单细胞生物学等研究相继得到发展，人类认识生命的工具和手段有了长足的进步。
至此，人类在认识生命的道路上，完成了“自上而下”的完整历程：从18世纪之前对生物个体的观察理解，到18世纪解剖学的发展，再到19世纪细胞研究的进步，20世纪上半叶对蛋白质等生物分子的深入研究，20世纪中叶发现DNA双螺旋结构，再到20世纪90年代基因组学的发展，人类己经得以用“格物致知”的思维去“看清”生物个体各个层级的组成结构或要素。然而，“看清”不等于“看懂”生命系统各层级的运行规律，要融会贯通地理解从分子层面的“中心法则”到“五脏六腑”的运行规律，需要“格物致知”与“建物致知”的结合（图1-1）。
图1-1生命科学的发展历程
三、改造生命
2010年，全世界众多科学家的目光不约而同地聚集在《科学》（Science）杂志的一篇论文上。在这项研究中，克雷格？文特尔（Craig Venter）团队在全球*次全人工合成了生物体的基因组，并将其转入另一个细胞中获得可正常生长、能自我复制的“人造生命”。研究团队将其命名为辛西规（Synthia）。此时，距离人类发现DNA双螺旋结构和米勒-尤里实验己有57年，距离人类基因组计划正式启动也己有20年，而文特尔团队在这个项目上花费了15年。
认识生命、改造生物、设计生物系统一直是人类追求的目标。早在远古时期，人类就在向自然界学习的过程中，学会了驯化动物和利用植物，并由此发展了畜牧业和农业。在对野生的动植物进行利用的过程中，人类一直试图按照预期的目标，使其进化出特定的表型和功能。
近代以来，随着孟德尔遗传定律的发现，利用杂交等手段改造生物成为可能。一百多年前，法国化学家斯蒂芬？勒杜克（Stephane Leduc）*次提出了“合成生物学”（synthetic biology）—词不过，那时人们还没有真正认识生物遗传物质的组成成分，因而该词更多地停留在概念阶段，与真正认识生命、改造生命的科学相去甚远。
20世纪中叶，在发现DNA双螺旋结构后，人类对不同性状的基因重新组合有了更深入的理解。随着研究的日益深入，基因重组技术在20世纪70年代得到发展，科学家将其称为基因工程技术。1974年，波兰遗传学家瓦茨拉夫？斯吉巴尔斯基（Waclaw Szybalski）再次提及“合成生物学”，用于描述基因工程的概念，预言可将新要素加入基因组，而重新构建的基因组可用于构建更为理想的控制回路。斯吉巴尔斯基指出，过去的研究主要集中在分子生物学的描述性研究方面，但当我们进入合成生物学的阶段，真正的挑战才开始。我们会设计新的调控元素，并将新的元素加入己存在的基因组内，甚至建构一个全新的基因组。斯吉巴尔斯基认为，这将是一个拥有无限潜力的领域，几乎没有什么能够限制我们去实现更好的控制回路。*终，将会合成出有机生命体。1978年，斯吉巴尔斯基在《基因》（Gene）杂志上就诺贝尔生理学或医学奖颁发给DNA限制性核酸内切酶（限制性内切酶）发现者发表评论认为：限制性内切酶技术将带领我们进入合成生物学的新时代。分子生物学家利用限制性内切酶剪切DNA的方式可以分析各个基因的功能，并将观察的结果记录下来，这些结果构成了各个基因的功能性描述。全世界数以万计的科学家正在进行这样的工作，为人类累积理解生命与基因
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