? 金帆 / 中國(guó)科技大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

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2010年以來(lái)，人工智能和生命科技作為科技發(fā)展的兩大前沿，呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)，并對(duì)人類生活發(fā)生著日益深入、廣泛的影響。2010年，基因科學(xué)家溫特爾（John Craig Venter）帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室合成了第一個(gè)人工合成細(xì)胞，命名為“辛西婭”（Synthia），并稱它是第一種“以計(jì)算器為父母的自我復(fù)制的生物”。今年，人類的創(chuàng)造物“阿爾法狗”以3:0大敗柯潔，成為圍棋界的“上帝之手”。人類對(duì)世界的認(rèn)知似乎開(kāi)始逐漸擺脫肉體感官，進(jìn)入精密工具操作、介入和干預(yù)的階段，人類自身似乎開(kāi)始扮演近乎“上帝”的角色。盡管人類認(rèn)識(shí)和操控世界（包括人體自身）的能力越來(lái)越強(qiáng)，但是，人對(duì)生命的理解，對(duì)人類大腦和意識(shí)的了解，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上對(duì)生物細(xì)節(jié)知識(shí)的了解和操縱。

本文將簡(jiǎn)單介紹近幾年新興的合成生物學(xué)，并揭示它對(duì)如何理解生命有什么意義。目前，合成生物學(xué)已經(jīng)制造出一些控制生命的個(gè)別過(guò)程的生物組件，并開(kāi)始應(yīng)用于與我們生活密切相關(guān)的環(huán)保、醫(yī)療、食品制造等領(lǐng)域。也就是說(shuō)，人類“設(shè)計(jì)生命”的巨變正在發(fā)生，已在路上！我認(rèn)為，在此過(guò)程中，生命科技的研究者不能缺少宏觀哲學(xué)思考，必須有意識(shí)地去認(rèn)識(shí)“生命是什么”，才能使生命科技更有效地造福于人類。

▍合成生物學(xué)與“設(shè)計(jì)生命”

經(jīng)過(guò)多年的知識(shí)積累和技術(shù)準(zhǔn)備，人類已經(jīng)開(kāi)始通過(guò)工程化的設(shè)計(jì)理念，對(duì)生物體進(jìn)行有目標(biāo)的設(shè)計(jì)、改造乃至重新合成，從而創(chuàng)建賦予非自然功能的“合成生命體”，這個(gè)領(lǐng)域被稱為合成生物學(xué)，其通過(guò)基因回路的設(shè)計(jì)和植入可實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞行為的精確控制。

生命系統(tǒng)的基因回路是通過(guò)數(shù)十億年演化形成的，但科學(xué)家可通過(guò)工程化的逆向設(shè)計(jì)，如按照拼接邏輯電路的方法來(lái)設(shè)計(jì)基因回路，達(dá)到控制生命的目的。比如，若我們想控制細(xì)胞內(nèi)某個(gè)基因的表達(dá)出現(xiàn)周期性振蕩，就可參考數(shù)字電路中經(jīng)典振蕩器的設(shè)計(jì)--將三個(gè)非門串起來(lái)，如果輸入1，輸出就變成0；如果輸入0，輸出就變成1，通過(guò)將1由輸出返回輸入，使回路在0和1之間振蕩。UCLA生物學(xué)家就是利用同樣的原理將三個(gè)由基因表達(dá)系統(tǒng)構(gòu)成的非門進(jìn)行串聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)了基因表達(dá)振蕩器。[1]該基因振蕩器可以調(diào)節(jié)細(xì)胞的自然發(fā)育節(jié)奏及其內(nèi)部運(yùn)作過(guò)程。

換言之，目前合成生物學(xué)的研究步驟是先繪制出一幅理解生命現(xiàn)象的原理圖，再按照這幅圖來(lái)對(duì)生命過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出來(lái)的生物組件要完成設(shè)計(jì)目標(biāo)。本來(lái)，理解復(fù)雜的生命系統(tǒng)極其艱難，合成生物學(xué)和技術(shù)，可以通過(guò)對(duì)初級(jí)基因片段的設(shè)計(jì)、拼接，并比較設(shè)計(jì)、拼接的結(jié)果和最初的預(yù)想，進(jìn)而由點(diǎn)及面地理解生命。這就為人類理解復(fù)雜的生命系統(tǒng)提供了一個(gè)新思路。

合成生物學(xué)在21世紀(jì)快速發(fā)展。有一個(gè)組織，2003年麻省理工學(xué)院（MIT）創(chuàng)辦的國(guó)際遺傳工程機(jī)器大賽（International Genetically Engineered Machine Competition）簡(jiǎn)稱iGEM，是合成生物學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)半學(xué)術(shù)、半民間的國(guó)際性學(xué)術(shù)競(jìng)賽合作的重要組織，目前有百多個(gè)、包括中國(guó)十幾個(gè)高校參與。iGEM每年舉行大賽，參賽者是由本科生組成團(tuán)隊(duì)，參賽內(nèi)容是把生物零件（BioBrick），即把零件（Part）組裝成裝置（Device），再把裝置（Device）組成系統(tǒng)（System），實(shí)現(xiàn)基因組件的模塊化，由此構(gòu)建有特定功能的人工生物模塊、系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜生物系統(tǒng)的操縱和測(cè)量。

iGEM另一個(gè)基本理念是開(kāi)源共享，所有參與團(tuán)隊(duì)都必需公開(kāi)他們的研究成果，同時(shí)也可無(wú)償享用他人已研發(fā)出來(lái)的生物模塊。由于有越來(lái)越多的基因片段的發(fā)現(xiàn)和共享，拼接技術(shù)的應(yīng)用門檻大大降低。另外，與以前拼接基因片段需花費(fèi)高額費(fèi)用，并且只有在專業(yè)實(shí)驗(yàn)室才能完成相比；現(xiàn)在，費(fèi)用在呈指數(shù)下降，本科生經(jīng)培訓(xùn)就能做。因此，在合成生物技術(shù)大為普及的情況下，如何拼裝基因片段？如何設(shè)計(jì)生物？更重要的是，如何實(shí)現(xiàn)基因拼接、生物設(shè)計(jì)的模塊化？理念（idea）變得愈發(fā)重要，它正在倒逼科學(xué)家們加深對(duì)生命的認(rèn)識(shí)。

整體上看，合成生物學(xué)作為新興科學(xué)技術(shù)，仍處于初級(jí)階段。對(duì)合成生物學(xué)發(fā)展的最大限制仍然是人類對(duì)生命系統(tǒng)的理解。盡管科學(xué)家可以按照電路控制對(duì)基因進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)控，但任何生命都是一個(gè)多重控制調(diào)節(jié)回路的復(fù)雜系統(tǒng)，人工設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)并不能整體上仿真這一系統(tǒng)。即使合成生物實(shí)現(xiàn)了對(duì)生命現(xiàn)象的局部模擬，但這一設(shè)計(jì)是否最優(yōu)，對(duì)生命整體會(huì)產(chǎn)生什么樣的新問(wèn)題，都是在科研和開(kāi)發(fā)中不得不考慮的。

概言之，合成生物學(xué)及其技術(shù)從生命最低層的局部現(xiàn)象入手，做可控實(shí)驗(yàn)，并在應(yīng)用中不斷受到檢驗(yàn)，能夠反映出生命的某些特質(zhì)。但僅僅如此是不夠的，微觀的受控實(shí)驗(yàn)需要與我們對(duì)生命的宏觀哲學(xué)認(rèn)知互相結(jié)合、交互印證，才能逐步加深我們對(duì)生命的理解。

▍生命的衰老和死亡

生命系統(tǒng)是經(jīng)歷了數(shù)十億年演化而形成的。即便科學(xué)家可以弄清楚每個(gè)蛋白的功能組件，也可以弄清楚每一個(gè)生命基因，但對(duì)于它們?nèi)绾谓M成一個(gè)復(fù)雜的生命系統(tǒng)，仍然是未知的。生物學(xué)界討論“生命是什么”時(shí)，常常會(huì)從一個(gè)重要生命現(xiàn)象入手，這就是生命的衰老和死亡。從生命科學(xué)家角度看，進(jìn)化論在今天依然是理解生命起源和演化的重要理論。

首先有必要區(qū)分兩種進(jìn)化論。一種是源自于達(dá)爾文、成型于20世紀(jì)五六十年代生物學(xué)家的研究生命科學(xué)的進(jìn)化論，另一種是作為文化符號(hào)、意識(shí)形態(tài)的進(jìn)化論或社會(huì)達(dá)爾文主義。后一種進(jìn)化論，其“和現(xiàn)代意識(shí)形態(tài)互相結(jié)合，不僅假裝解釋了人類豐富的精神歷史，還蠻橫地?zé)o限肯定現(xiàn)在，并進(jìn)一步限制了人類探求更高人性可能的動(dòng)力”。而作為科學(xué)理論的進(jìn)化論雖然“有時(shí)過(guò)分宏觀而使某些細(xì)節(jié)顯得模糊不清，但它還是為進(jìn)化生物學(xué)搜集數(shù)據(jù)和闡釋事實(shí)提供了相對(duì)完整的概念框架。也許在某些方面對(duì)進(jìn)化論過(guò)度使用違背了科學(xué)精神，但它畢竟是我們?cè)谏飳W(xué)中為數(shù)不多的選擇之一”。[2]

達(dá)爾文進(jìn)化論包含兩點(diǎn)核心內(nèi)容：物競(jìng)天擇（nature selection）和個(gè)體利益（individual benefit），后者是前者的基礎(chǔ)，也就是基于個(gè)體利益的自然選擇。進(jìn)化論在19世紀(jì)末到20世紀(jì)中后期，大量吸收了遺傳學(xué)、特別是基因研究成果，簡(jiǎn)化地說(shuō)，在以下三個(gè)方面有了很大發(fā)展：（1）進(jìn)化的基本單位不是個(gè)體，而是種群基因庫(kù)的變化；（2）種群間的隔離是物種形成和演化的必要條件，因此，自然選擇只是對(duì)親緣內(nèi)的選擇（kin selection）；（3）個(gè)體基因的突變可以為種群基因庫(kù)帶來(lái)具有多樣性的遺傳變異基因；在自然演化中，自然選擇逐步淘汰不能適應(yīng)環(huán)境的基因類型，使種群基因庫(kù)向增加對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的方向演化。進(jìn)化論已大大完善，但質(zhì)疑者仍大有人在。其中一個(gè)重要問(wèn)題是：根據(jù)自然選擇推理，生命個(gè)體延續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)、個(gè)體獲得利益越多，但為什么生物在數(shù)十億年的演化過(guò)程中，并沒(méi)有演化出一個(gè)壽命無(wú)限的物種？如何理解衰老和死亡，就成為解釋生命本質(zhì)的重要議題之一。

對(duì)這個(gè)問(wèn)題，彼得·梅達(dá)瓦（Peter Brian Medawar）、威廉姆斯（George Christopher Williams）和漢米爾頓（William Donald Hamilton）等生物學(xué)家在20世紀(jì)五六十年代提出一種新假說(shuō)，指出這是因?yàn)槲锓N進(jìn)化的自然選擇能力在其性成熟并生完第一代之后便迅速下降。例如，假設(shè)有一種致死性的遺傳病，如果該病是在5歲或性成熟前發(fā)作，那么就不可能傳給后代，自然選擇可以淘汰帶有這種致病基因的個(gè)體。如果有的病在40歲或50歲以后高發(fā)，比如糖尿病、冠心病一類老年病，發(fā)生在性成熟并完成生育之后，該基因就會(huì)遺傳給后代。也就是說(shuō)，進(jìn)化的選擇力度隨著年齡的增加而下降，令自然選擇無(wú)法發(fā)展出一套對(duì)抗衰亡的進(jìn)化以消除人類這些老年病。

其實(shí)，生命衰亡涉及一個(gè)更普遍、萬(wàn)物皆有的現(xiàn)象--老化（aging），它并非生命所特有，如電池、車輪、軸承都有老化的過(guò)程，其本質(zhì)是功能退化。這里的功能是指什么？數(shù)學(xué)上有一種說(shuō)法，即一個(gè)函數(shù)的功能是一個(gè)映像，這個(gè)映像與函數(shù)集合，二者互相獨(dú)立，沒(méi)有關(guān)系。但如果這一映像與函數(shù)集合互相關(guān)聯(lián)、產(chǎn)生了聯(lián)系，它就是有功能的?？梢酝普撜f(shuō)，功能起源于意向性。比如一堆鐵，我們可以將其制作成刀具、軸承，去實(shí)現(xiàn)鐵的某項(xiàng)功能，這種功能和主體設(shè)計(jì)的目標(biāo)是互相耦合的。使用這一功能過(guò)程中，會(huì)受到兩方面干擾，從而降低其與主體的耦合度。一是外部環(huán)境隨機(jī)、無(wú)差別的擾動(dòng)，如自然風(fēng)化引起的腐蝕；二是主體的意向性操作，這是非隨機(jī)的、定向的擾動(dòng)。也就是說(shuō)，只要使用它，其功能必然退化，使用次數(shù)越多，功能退化得越快。

衰亡與老化具有某種同構(gòu)性。但生物機(jī)體的功能退化與一般性的功能退化不同之處是，非生物的功能退化可以藉由與外部環(huán)境隔離或者停止使用來(lái)阻止，而生物機(jī)體的功能與主體的耦合關(guān)系是無(wú)法割裂的。以呼吸為例，生物組織細(xì)胞必須仰賴線粒體進(jìn)行呼吸以獲得能量。呼吸是一個(gè)氧化反應(yīng)過(guò)程，在呼吸的電子傳遞過(guò)程中會(huì)有約有 2%~3%的氧氣因不充分的還原過(guò)程變成具有高反應(yīng)活性的自由基（free radical）（充分的還原將氧氣還原成無(wú)害的水分子）。正是呼吸產(chǎn)生的自由基會(huì)對(duì)生物體內(nèi)的DNA構(gòu)成損傷，引致衰亡。但人類或其他生物能因此而不呼吸嗎？答案顯然是否定的。

功能修復(fù)可以減緩或者避免系統(tǒng)的老化或者與機(jī)體的衰亡，它包括兩種方式：一是無(wú)差別修復(fù)，即組織器官通過(guò)不斷的細(xì)胞分裂并以指數(shù)增加的方式來(lái)稀釋老化細(xì)胞對(duì)器官組織的影響，可見(jiàn)這種修復(fù)并未真正修復(fù)退化的機(jī)體，而是以新機(jī)體取代已退化的機(jī)體。對(duì)這種特殊修復(fù)方式，重要的是整個(gè)系統(tǒng)必須保持在高速生長(zhǎng)、發(fā)育的狀態(tài)（如指數(shù)生長(zhǎng)），只有這樣才可將老化細(xì)胞或物質(zhì)的比例限制在一個(gè)很低的分?jǐn)?shù)。[3]

其實(shí)這樣的一種修復(fù)機(jī)制對(duì)任何一類組織系統(tǒng)乃至社會(huì)都是有效的，例如社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口在高速增長(zhǎng)時(shí)，隨之出現(xiàn)的許多內(nèi)部矛盾都將被指數(shù)增長(zhǎng)所稀釋，在這樣一段時(shí)間內(nèi)社會(huì)這樣的復(fù)雜系統(tǒng)可以保持在高效運(yùn)行的狀態(tài)，或者說(shuō)是年輕的狀態(tài)，一旦增長(zhǎng)放緩或者停滯，種種的矛盾就顯現(xiàn)出來(lái)，隨著矛盾的積累必然降低系統(tǒng)運(yùn)行的效率甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的社會(huì)危機(jī)。

需要說(shuō)明的是，這種通過(guò)“以新替舊”來(lái)修復(fù)機(jī)體的機(jī)制，在理想狀態(tài)下似乎是永恒有效的。然而，資源空間是受限的，細(xì)胞分裂、數(shù)量增長(zhǎng)的養(yǎng)料遲早會(huì)被消耗完，特別是指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)正對(duì)應(yīng)著指數(shù)級(jí)的資源消耗，在一定時(shí)間內(nèi)，細(xì)胞增長(zhǎng)所需的資源就會(huì)被消耗殆盡，無(wú)差別修復(fù)的進(jìn)程隨之減緩并最后終止。換言之，這種修復(fù)機(jī)制是不可持續(xù)的。

這一結(jié)論也能幫助我們理解當(dāng)前全球現(xiàn)代性危機(jī)的起源：二戰(zhàn)后的科技革命已經(jīng)帶給了人類社會(huì)近70年的近指數(shù)增長(zhǎng)，但當(dāng)這種增長(zhǎng)不可避免地減緩或停止時(shí)，我們必將面對(duì)隨之而來(lái)的各種尖銳矛盾。

與無(wú)差別修復(fù)對(duì)應(yīng)的另一種修復(fù)機(jī)制是特異性修復(fù)。如現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的治療，它是針對(duì)功能退化的生理部位進(jìn)行特定的修復(fù)。但如前所述，生命的存在可被歸為動(dòng)力學(xué)的系統(tǒng)穩(wěn)定性，一旦出現(xiàn)對(duì)特定生理部位的外來(lái)干涉，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生某些與生命系統(tǒng)不相耦合的要素，這些要素的累積反過(guò)來(lái)會(huì)導(dǎo)致特異性修復(fù)機(jī)制自身的功能退化。例如，被稱為抗癌的靶向藥物在使用過(guò)程中，癌細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生抗藥性，也就是這種特異性清除機(jī)制的退化。

類似的情況也經(jīng)常出現(xiàn)在管理系統(tǒng)中，所有的公司和組織都會(huì)針對(duì)公司碰到的問(wèn)題，制定一些專門的規(guī)則去管理和約束員工，可以將這些規(guī)章看作對(duì)問(wèn)題的某種特異性修復(fù)機(jī)制。通常來(lái)說(shuō)，這些制度在開(kāi)始的時(shí)候都是有效的，但隨著時(shí)間推移，員工總會(huì)找到辦法逃逸這種約束，這個(gè)時(shí)候公司就不得不再制定新的規(guī)則。但是，新規(guī)則越來(lái)越多、越來(lái)越細(xì)，這本身就反映出特異性修復(fù)機(jī)制自身的退化。

谷歌的未來(lái)科學(xué)家?guī)齑奈籂枺≧aymond Kurzweil）認(rèn)為，伴隨大數(shù)據(jù)和精準(zhǔn)醫(yī)療的發(fā)展，2029年，人類將看到永生的可能性，2045年將實(shí)現(xiàn)永生。我認(rèn)為，這種智能治療也是一種特異性修復(fù)機(jī)制，它也必然會(huì)有一個(gè)功能退化的過(guò)程，生命的衰亡依舊是不可避免的。

總之，我們可以從三個(gè)層次來(lái)理解生命的衰亡，（1）最基本的老化，即功能退化，這是自然規(guī)律；（2）空間和資源的有限性，使得無(wú)差別修復(fù)無(wú)法永久持續(xù)下去，受到遏止；（3）特異性修復(fù)機(jī)制的功能本身也會(huì)退化，使其最終無(wú)法修復(fù)老化的機(jī)體。換言之，生命衰亡的本質(zhì)是，在內(nèi)外情境的變動(dòng)下，生命系統(tǒng)的穩(wěn)定性遭到破壞。

▍如何理解生命的不朽

十分有意思的是，盡管每個(gè)生命都將面臨衰老和死亡，但作為整體的生命卻可以是不朽的（這里的不朽是指在長(zhǎng)達(dá)數(shù)十億年的穩(wěn)定性，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，行星、恒星乃至宇宙都有其壽命）。以微生物為例，現(xiàn)在可以看到35億年前形成的化石上就有細(xì)菌。換言之，細(xì)菌這種生命形式經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的洗禮仍舊存活到了今天。一直到21世紀(jì)初，基本上把細(xì)菌當(dāng)作單細(xì)胞生物來(lái)研究。現(xiàn)在，研究細(xì)菌的生存，已轉(zhuǎn)向?qū)?xì)菌群體的研究。如個(gè)別細(xì)菌如何組成群體，其結(jié)為群體后反過(guò)來(lái)對(duì)個(gè)體會(huì)發(fā)生什么影響？

細(xì)菌常常以細(xì)菌生物被膜（Bacterial biofilm，BF）的形式存在，細(xì)菌附著到某一固體上，如石頭、河床、船舷等表面，然后開(kāi)始生長(zhǎng)、分裂，逐漸形成一個(gè)密集群體。細(xì)菌生物被膜作為集群存在的一種生命形式，是通過(guò)釋放微小的信號(hào)分子，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同細(xì)菌之間的互相溝通，同時(shí)這些信號(hào)分子也會(huì)影響周邊細(xì)菌的生理功能、行為以及基因表達(dá)。當(dāng)作為集群的細(xì)菌生長(zhǎng)到某一程度，就會(huì)釋放出一些單獨(dú)的細(xì)菌，它們到達(dá)另一個(gè)表面、界面或固體上，開(kāi)始新一輪的生命循環(huán)周期。所謂細(xì)菌生命的不朽，與其集群或組織的存在形態(tài)緊密相關(guān)。由此就涉及以下兩方面議題：

第一，任何組織、包括細(xì)菌生物被膜在內(nèi)，其內(nèi)部必然存在分工，分工才能實(shí)現(xiàn)功能的多樣性。那么，這種多樣性是如何產(chǎn)生的？組織是如何實(shí)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)、功能上的區(qū)別以及它們之間的協(xié)調(diào)？研究個(gè)體與組織的關(guān)系，在近幾年非常熱門，這些關(guān)系可以是競(jìng)爭(zhēng)、合作，或者其他類型。仍以細(xì)菌為例，在平面培養(yǎng)板上放入某一細(xì)菌的不同族群，它們之間會(huì)互相攻擊，但最后沒(méi)有明顯的勝方，維持了生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性（biodiversity）；相反，如果是放在混合均勻、環(huán)境均一的燒瓶里，就無(wú)法維持生物的多樣性。[4]

這給我們一個(gè)啟發(fā)：多樣性出現(xiàn)在一個(gè)各子系統(tǒng)已形成確定關(guān)系的系統(tǒng)中，它們需要適度的空間隔離，在一個(gè)均質(zhì)的環(huán)境下是不會(huì)出現(xiàn)多樣性的。其實(shí)，類似現(xiàn)象在人類文明進(jìn)程中也存在。從古文明到軸心文明時(shí)代，由于不同文明在空間上的相互隔離，使得多元的文明形態(tài)相繼形成。但自近代以來(lái)，全球化啟動(dòng)并一直處于加速發(fā)展中，世界文明的發(fā)展空間日益均質(zhì)化，多元文明形態(tài)也逐漸趨于一元。在日趨均質(zhì)的環(huán)境下，能否又如何保持多樣性的存在及其系統(tǒng)要素之間的動(dòng)態(tài)平衡，這是人文學(xué)界和科學(xué)界共同面臨的問(wèn)題。

第二，組織內(nèi)部個(gè)體之間存在著競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系和合作關(guān)系，以維持生命演化過(guò)程中的系統(tǒng)穩(wěn)定性。生物是如何完成合作，以實(shí)現(xiàn)生命系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡的呢？合作有不同形式，其中，博弈論的“以牙還牙”（tit for tat）是化解囚徒困境（Reiterated Prisoner‘s Dilemma）的有效策略。 其可分解為兩個(gè)步驟：（1）第一個(gè)回合選擇合作；（2）下一回合是否合作要看上一回對(duì)方是否合作，若對(duì)方上一回背叛，此回合我亦背叛；若對(duì)方上一回合合作，此回合繼續(xù)合作。換言之，在博弈過(guò)程中，我們不一定要比對(duì)手做得更好，或是去探索對(duì)方的弱點(diǎn)，而是怎么通過(guò)相互得益去誘發(fā)合作。這個(gè)策略最早是由數(shù)學(xué)家阿納托·拉普伯特（Anatol Rapoport）提出，后來(lái)在細(xì)菌研究中得到再一次證明。[5]

合作關(guān)系中還有另一種重要現(xiàn)象，即為什么組織內(nèi)個(gè)體有時(shí)會(huì)做出“利他性”的行為？表面上看，這與“個(gè)體利益”這一達(dá)爾文進(jìn)化論的核心是背道而馳的。這就需要引入20世紀(jì)50年代以來(lái)進(jìn)化論新進(jìn)展中的另一個(gè)重要概念--親緣選擇（Kin selection）。此理論的代表人物英國(guó)生物學(xué)家漢密爾頓（W. D. Hamilton）提出一個(gè)非常著名的公式：RB＞C ，其中，R是親緣屬性，兩個(gè)生物之間若無(wú)親緣關(guān)系，則R為0，若完全同根同族，則R為1；B是個(gè)體生物在群體中得到的利益，C是個(gè)體生物在利他行為中犧牲的利益，如果RB＞C，則親緣選擇發(fā)生。這樣的一個(gè)原理在螞蟻、昆蟲這個(gè)級(jí)別，已經(jīng)被很多很漂亮的實(shí)驗(yàn)證明了。但是在微生物領(lǐng)域，這個(gè)理論仍受到挑戰(zhàn)。因?yàn)槲⑸锢锩嬗幸粋€(gè)如何完成親緣識(shí)別的問(wèn)題。

需要強(qiáng)調(diào)的是，綜觀生命的不同層次，雖然都能發(fā)現(xiàn)親緣選擇現(xiàn)象的存在，但親緣選擇在生命演化過(guò)程中依舊是結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的，例如偽裝成小老虎的小豬可以騙過(guò)母虎而不受到攻擊甚至得到母虎的喂養(yǎng)，可見(jiàn)欺騙和偽裝的出現(xiàn)令親緣選擇在演化過(guò)程中變得結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。此外，生物基因可能產(chǎn)生突變，如果這種突變基因使生物只去享受公共產(chǎn)品（public goods），但卻不從事生產(chǎn)，使之逐漸壯大并在與其他基因的競(jìng)爭(zhēng)中獲勝，那么，也會(huì)導(dǎo)致合作的分崩離析。這也就是所謂的“公地的悲劇”：雖然合作可以令群體受益，但是出現(xiàn)自私或者只考慮自私利益的個(gè)體時(shí)將導(dǎo)致合作的崩塌，從這個(gè)層面來(lái)說(shuō)，合作的出現(xiàn)是結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的，其很容易被自私者所破壞。[6]

為什么合作在自私者面前如此“脆弱”，但自然界還是演化出了這種合作模式呢？就這一問(wèn)題，筆者團(tuán)隊(duì)做出了一些學(xué)術(shù)成果，解釋了這個(gè)問(wèn)題。我們發(fā)現(xiàn)綠膿桿菌生產(chǎn)會(huì)分泌一種載鐵小分子，其扮演公共產(chǎn)品的角色，可以幫助細(xì)菌捕獲環(huán)境中微量的鐵元素，供體系內(nèi)所有細(xì)菌使用。但這種分泌不是任意的，而是受到環(huán)境因素直接調(diào)控，當(dāng)周圍環(huán)境變得惡劣時(shí)，如營(yíng)養(yǎng)不足或者有抗生素存在時(shí)，綠膿桿菌會(huì)自動(dòng)關(guān)閉載鐵小分子的分泌系統(tǒng)，將所生產(chǎn)的這種小分子保留在自己體內(nèi)私用，這些私有化的產(chǎn)品（private goods）可以極大地增加細(xì)菌個(gè)體在惡劣環(huán)境中的生存能力。我們還發(fā)現(xiàn)，正是這樣一種受環(huán)境調(diào)控的私有化機(jī)制，保證了綠膿桿菌在有環(huán)境壓力的情況下相對(duì)那些自私的細(xì)菌產(chǎn)生生存優(yōu)勢(shì)，這種機(jī)制使得結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的合作變得結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后不再受到自私者的破壞。

換言之，私有化和合作以及公有化看似是對(duì)立的，但其卻可以保證公有化以及合作在演化中保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

在生命系統(tǒng)中，有一種極端的利他行為就是自殺。個(gè)體生命尤其是功能老化或者功能受損的個(gè)體通過(guò)自殺可以減小對(duì)資源的消耗，自殺后釋放出的物質(zhì)可供新的個(gè)體生長(zhǎng)，這樣可令群體受益。這樣現(xiàn)象的存在是多細(xì)胞生命生存最基本法則，其被稱作細(xì)胞凋亡，也就是個(gè)體細(xì)胞程序化死亡的方式，這一自殺機(jī)制的出現(xiàn)是演化的必然結(jié)果。但是自殺從演化上講，也是結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的，如果因基因突變，個(gè)體逃脫了自殺機(jī)制，那么這些突變細(xì)胞將不受限制的生長(zhǎng)，其結(jié)果是完全淘汰具有自殺機(jī)制的細(xì)胞，這種不受節(jié)制的生長(zhǎng)最終也將導(dǎo)致整個(gè)多細(xì)胞系統(tǒng)的瓦解。癌癥的發(fā)生就是由這個(gè)原因?qū)е碌摹?/p>

由此可見(jiàn)，個(gè)體的犧牲對(duì)于群體的利益來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。在組織系統(tǒng)沒(méi)有那么緊密的微生物系統(tǒng)中，人們也發(fā)現(xiàn)當(dāng)微生物形成生物被膜時(shí)，生物被膜內(nèi)的細(xì)菌在資源受限以及自身功能受損時(shí)也會(huì)開(kāi)啟自殺機(jī)制從而使種群受益。從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，自然演化不但不能令生命個(gè)體朝著個(gè)體壽命增加的方向發(fā)展，而是會(huì)令個(gè)體生命在性成熟后朝著自我毀滅的方向演化。

我們來(lái)設(shè)想這樣一個(gè)情景：在史前出現(xiàn)過(guò)兩個(gè)人類種群，一個(gè)種群的人類基因中沒(méi)有演化出“自殺”基因，其結(jié)果是該種群個(gè)體的平均壽命非常的長(zhǎng)，人口老齡化的現(xiàn)象很嚴(yán)重。而另一個(gè)種群中的人類演化出了“自殺”機(jī)制，這些基因?qū)е氯藗冊(cè)谶^(guò)了生育年齡后迅速衰老、死亡，這樣的結(jié)果是這個(gè)種群人口基數(shù)較少，而且人口構(gòu)成以年輕人為主。若碰到惡劣的自然環(huán)境，或者兩個(gè)群體發(fā)生戰(zhàn)爭(zhēng)，其結(jié)果必然是具有“自殺”基因的種群淘汰沒(méi)有該基因的種群。

從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在生命的衰老有很多是通過(guò)主動(dòng)的機(jī)制去完成的，隨著這些機(jī)制和基因被逐漸發(fā)現(xiàn)和闡明，必將令現(xiàn)在人類的平均壽命大幅度延長(zhǎng)。個(gè)體壽命的過(guò)度延長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的老化，并極大的增加環(huán)境負(fù)擔(dān)，這也將是人類社會(huì)在未來(lái)須面對(duì)的挑戰(zhàn)之一。

由此，對(duì)這個(gè)生物被膜（biofilm）組織是什么，我們有一個(gè)猜想。觀察生物被膜的細(xì)菌合作、競(jìng)爭(zhēng)、老化現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)，最先分化出來(lái)的很多東西是它的循環(huán)系統(tǒng)。這是因?yàn)檠h(huán)系統(tǒng)需要高效運(yùn)作，保障每一個(gè)單元都能享到養(yǎng)料。

思考微生物這樣一個(gè)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，有兩個(gè)非常重要意義。一是有應(yīng)用價(jià)值，找到解決抗藥性、耐藥性途徑；二是增進(jìn)對(duì)生命和組織的理解。這一層面的研究，涉及多細(xì)胞組織如何產(chǎn)生的，以及多細(xì)胞行為的內(nèi)在組織規(guī)律。了解這些規(guī)律，對(duì)我們理解其他形式組織的內(nèi)部的競(jìng)爭(zhēng)、合作、定位、分化，都很有意義。

通過(guò)上述研究，我們可以在生命的不朽與死亡之間建立起聯(lián)系，死亡在某種意義上不是一個(gè)自然現(xiàn)象，而是生命演化的產(chǎn)物，其是生命組織的更新機(jī)制。

▍理解生命：宏觀思考與微觀研究

本文簡(jiǎn)述了筆者近幾年做生命科學(xué)研究過(guò)程中，對(duì)生命現(xiàn)象的一些觀察和哲學(xué)思考。[7]合成生物學(xué)作為21世紀(jì)最新興的合成生物學(xué)是集合了生物學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)、計(jì)算、生物信息等多學(xué)科的交叉科學(xué)，它采用工程化設(shè)計(jì)理念，對(duì)生物體進(jìn)行有目標(biāo)的設(shè)計(jì)改造乃至重新合成，因此，合成生物學(xué)的研究探索及其技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用正在突飛猛進(jìn)，不但將對(duì)人類面臨的環(huán)境、資源、健康、安全等嚴(yán)重問(wèn)題提供革命性的解決方案，也對(duì)人類認(rèn)識(shí)和揭示生命本質(zhì)和探索生命活動(dòng)規(guī)律具有重要意義。

本文所述內(nèi)容可歸為當(dāng)前生物科學(xué)界的一個(gè)學(xué)科--微生物社會(huì)學(xué)的內(nèi)容，其中既包括分子生物學(xué)、生命科學(xué)，也有社會(huì)學(xué)、系統(tǒng)論的內(nèi)容。這項(xiàng)研究在某種意義上反映出不同層次生命具有同構(gòu)性，下至微生物的親緣選擇、組織多樣化的出現(xiàn)，上至人類社會(huì)認(rèn)同的生成、文明多樣性的起源，都具有某種結(jié)構(gòu)相似性。更重要的是，在科學(xué)層面上，很多生命規(guī)律可以通過(guò)受控實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行直接觀測(cè)，但在研究人類社會(huì)運(yùn)行的規(guī)律時(shí)，這卻很難實(shí)現(xiàn)，唯一的方法是進(jìn)行歷史研究，但史學(xué)家是無(wú)法進(jìn)行受控實(shí)驗(yàn)的，也就很難確定某個(gè)“歷史規(guī)律”的真?zhèn)?。但?xì)胞層面存在諸多組織規(guī)律，這些規(guī)律可以指導(dǎo)所有組織內(nèi)部的競(jìng)爭(zhēng)、合作、分化，甚至能折射出某些生命的本質(zhì)問(wèn)題。

此外，受控實(shí)驗(yàn)需要與我們對(duì)生命的宏觀哲學(xué)認(rèn)知互相結(jié)合、交互印證，才能逐步加深我們對(duì)生命的理解。生命是一個(gè)循環(huán)，每個(gè)個(gè)體生命都會(huì)衰老、死亡，死亡又意味著作為整體的生命系統(tǒng)的一次更新、再生。總的來(lái)說(shuō)，我們可以將生命定義如下：生命是在環(huán)境受到極大擾動(dòng)、資源有限和所有組織功能必定退化的情況下（這三者是客觀存在的自然規(guī)律），一個(gè)不朽的存在。生命起源至今已有35億年，盡管其形態(tài)不斷發(fā)生變化，但作為整體的生命卻一直延續(xù)了下來(lái)。根據(jù)以上對(duì)生命的定義，人類還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到“造物主”的水準(zhǔn)，因?yàn)槠渌霸O(shè)計(jì)”的“生命”無(wú)法達(dá)至不朽。

衰老-死亡-重生構(gòu)成一個(gè)不朽的循環(huán)，映射出了生命最本質(zhì)的內(nèi)容，它存在于生命的各個(gè)層次，從微生物到人類社會(huì)，具有某種必然性。佛教有所謂十二因緣說(shuō)--從“無(wú)明”到“老死”的十二個(gè)環(huán)節(jié)，因果相隨，三世相續(xù)而無(wú)間斷，使人流轉(zhuǎn)于生死輪回。如果做出類比，生命亦是如此，環(huán)境的擾動(dòng)、資源的限制、功能的退化，都是生命所不可避免的，但它亦將在其中不斷地衰亡-重生。從這個(gè)意義上說(shuō)，對(duì)于生命的宏觀哲學(xué)認(rèn)知，也可以幫助理解現(xiàn)代人所面臨的種種價(jià)值、倫理危機(jī)，以及所謂軸心時(shí)代的終結(jié)，如果將“終極關(guān)懷”視作人類生命演化中的重要組成部分，或許可以說(shuō)，它在今日的衰亡，只是為了預(yù)備明日的重生。