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“人造物種世紀”的来臨

“人造物種世紀”的来臨
   (纽约《世界周刊》2008•3•2)
   嚴家祺
   從「重組DNA「到「人造染色體」

   從上世紀70年代開始,生物學家開始研究細胞融合(Cell Fusion)現象。所謂細胞融合是指兩個或兩個以上的細胞融合成一個細胞的現象。曾任紐約市史隆——凱特林癌症紀念中心(Memorial Sloan-Kettering Cancer Center)院長的路易斯•湯瑪斯(Lewis Thomas,1913年生)在細胞融合現象發現後不久說:「在某種意義上說,這是一切現象中最背離生物學原則的現象,它褻瀆了上一個世紀的最根本的神話,因為它否認了在生物中意義重大的物種的種性、完整性和獨立性。
   任何細胞,無論它是人的、魚的、雞的,或是昆蟲的,不論血緣關係多麼疏遠,只要機緣湊合,條件適宜,都可以使它和其他任何種類的細胞接觸,而它們都能融合。細胞質會順利地從一個細胞流進另一個細胞,兩個細胞核將結合起來,經過一段或長或短的時間,就成了一個單獨的細胞,具備兩套完整的不同性質的基因組,立刻表現出生命的活力,處在可以繁殖的狀態。它就是各人種及文化的神話中那些精靈:獅頭羊身蛇尾的吐火女怪凱米兒拉(Chimera,圖1)、格利芬、斯芬克斯、格尼莎、秘魯的尊神、麒麟;它是吉祥如意的符端,世界的宿願。」(註1)
   
   
“人造物種世紀”的来臨

   (圖1)獅頭羊身蛇尾的吐火女怪凱米兒拉(Chimera)
   
   1972年,Berg等人首次構建了DNA重組體(recombinant),第二年,Cohen和Boyer將細菌質粒通過體外重組後導入大腸桿菌,從此開始了基因工程。隨著重組體DNA技術和基因工程技術的發展,人類越來越有能力把一種生物細胞的DNA片斷切割出來,嵌入到另一種生物體的細胞中,以創造出新的生物品種。2007年,美國內華達大學的科學家把人的骨髓幹細胞注入羊胚胎的腹膜,培育出身上有15%的人類細胞的羊。這只羊是地球上第一隻「人羊合體動物」,外形仍然是羊。
   
   
“人造物種世紀”的来臨

   (圖2)人羊合體動物
   路易斯•湯瑪斯所說的「神話中的精靈」並沒有通過細胞融合製造出來,但有一點可以肯定,重組DNA、細胞融合等生物科技的發展,將為器官移植、人造新物種開闢道路。2007年12月,美國馬里蘭州「人造染色體公司」凡特(J•Craig Venter,圖3)宣佈,該公司已在實驗室中製造出「全球第一個人造染色體」,「含有微生物維持生命和繁殖所需的所有指令」(註2)。現在已能把「天然染色體」植入一個細胞內產生新的活細胞,不要很久,人們將能在實驗室中用「人造染色體」 植入一個細胞內製造出新的活細胞、並進一步製造出自然界中從未有過的「人造物種」來。
   
   
“人造物種世紀”的来臨

    (图3)J•Craig Venter
   從理論上說,用化學方法人工合成的新物質種類可達億萬種,甚至是無限種。現代生物科學的發展,使人類不僅能「人工合成新物質分子」,而且能運用基因工程和重組體DNA技術設計、製造「新生命構件」、「人造染色體」、「新物種的生物」。在未來,按預定目的設計製造新的生物大分子、新的生命構件、「新人造染色體」、設計創造新物種將是一件普通平常的事。
   
   物種的定義
    在生物學中,物種就是生物的「種」(species)。生物分類學依據生物的「表型特徵」來識別和區分不同的「種」。從遺傳學觀點看,物種是具有相同基因庫、與其他生物類群有「生殖隔離」的群體。從生態學角度看,物種是生態系統中佔據不同「生態位」的功能單位。(註3)
   從地球上有生命以來,生物物種已存在過數百萬、數千萬種,其中99.9%已經滅絕。從理論上說,人們仍然可以去瞭解,去研究那些已經滅絕了的物種,也可以利用克隆技術找回那些物種。
   不同物種有不同壽命
   現實世界中的生物,其特徵是有生有死,不僅生物個體如此,而且生物每一物種也如此。生物學中的「物種」概念是忽略生物個體差異,而只從生物的結構,形態和生理特徵的不同來區分不同生物的,當具有相同結構,形態和生理特徵的生物個體全部消失了,這種物種也就滅絕了。沒有一個生物個體和物種會永垂不朽。普林斯頓大學天體物理學家戈特(Richard Gott)說,大多數物種的平均壽命在100萬和1100萬年之間,哺乳動物的平均壽命是200萬年。(註4)
    由於簡單的原子結構、簡單的分子結構不是複雜的生物那樣有活的「個體化」的結構,所以,原子、簡單的無機物分子很難在自然環境中像生物物種那樣消失。也就是說,原子、簡單的無機物分子沒有「死亡」問題,而生物個體和物種有「死亡」或「絕種」問題。有自主運動能力的「個體」和生命體「個體」都有不同程度的「耐受性」(註5),也就是說,這些「個體」能夠「耐受」不利環境和「個體」體內不良變化(如機件故障、疾病、「個體」機體損傷)。
   「個體」結構的複雜化有助於提高「個體」的「耐受性」。然而,這種「耐受性」有一個限度,超過這一限度,「個體」就會喪失自主運動能力,或者死亡。然而,“物种”与“个体”相反,除某些例外,不同「個體」的「物種」存在物的「壽命」大致與它們的複雜程度有關。 愈複雜的「個體」,「個體」的「耐受性」一般愈高,但由同類「個體」形成的「物種」存在的時間愈短,愈容易滅絕。哺乳動物的平均壽命是200萬年,細菌的平均壽命是數以萬萬年計,礦物的壽命更長,氫原子的壽命可達數百萬萬年,誇克(quark)、輕子(lepton)也許是宇宙中永垂不朽「個體」。傑出容易短壽,複雜是死亡的根源。夸克、輕子、原子、簡單的無機物分子的平凡、簡單使它們不會「死亡」、 使它們真正永垂不朽。
   每一「物種」都是一個
   自洽的「公理—定理系統」
    在几何学中,每一个公理,每一个定理都可以形式化为一个“符号串”。从公理推导出定理的过程,就是从起始的符号和符号串出发,按照“步骤法则”产生出新的符号串的过程。证明一个定理,要经过若干步骤,到一定步骤,這个定理就被证明了。當我們把一個物種的DNA分子看作是DNA上不同「堿基對」的符號串時,由DNA出發,每合成一種蛋白質分子,可以視為證明了一個定理。每一個物種就可以看作為由DNA分子符號串和一種步驟法則建造起來的「公理…定理系統大廈」,即DNA分子和億萬生物大分子建造起來的大廈。 DNA上的4種「堿基」是腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)。DNA呈雙螺旋結構,「堿基」兩兩配對,A對T、G對C、T對A、C對G,配對的堿基以氫鍵聯接。如果我們把A、G、C、T看作4個符號,每一物種的DNA分子就是一個極長的符號串。
   
“人造物種世紀”的来臨

    (圖4)DNA分子的雙螺旋結構(左)
   
“人造物種世紀”的来臨

    (圖5)DNA符號串(右)
   
   每一形式系統大廈的形成,與每一生物個體的發育,生長一樣,都到一定步驟,一定階段就會停止。當一個又一個定理被推導,被證明出來後,這一形式系統大廈就建成了。按照DNA分子中包含的資訊,合成一個蛋白質分子,可以看作是從DNA公理出發,證明出一個定理(有關這一蛋白質分子)的過程。這一定理是「這一蛋白質分子結構存在於規範世界中,是可以物化的。」不同蛋白質分子之間的關係,相當於不同定理之間的關係。歐幾裏德幾何學是一個「公理…定理體系大廈」,某一物種的一個生物「個體」也是「公理(DNA分子)…定理(蛋白質,核酸,細胞,器官等)體系大廈」。對比一門門幾何學公理體系和一個個生物「個體」 公理體系,我們可以看到,幾何學只有有限多門(如歐幾裏德幾何學,羅巴契夫斯基幾何學和黎曼幾何學),而生物的物種數以百萬計。每一門幾何學的公理只有有限幾條,寫成符號串十分簡單,而一個生物「個體」的公理…DNA分子,用符號串表達就極其複雜,按這些公理符號串推導出來的定理─…形形色色不同的生物大分子符號串,細胞符號串、器官符號串、系統符號串、組織符號串,更是數以億萬計。連一個大腸桿菌的形式系統,遠比一門幾何學要複雜千百倍。
   
“人造物種世紀”的来臨

    (圖6)大腸桿菌的內部結構
   
   用數學方法可以將每一物種用一個「形式系統」來表達,每一「形式生命」等價於一個「由DNA公理系統,步驟法則和定理形成的龐大體系」。從數學上看,不同的「形式生態位」是對「形式生命」應當有怎樣的公理系統,步驟法則的不同規定。在現實世界中,生態位決定了這一生態位中應當存在什麼樣的生物物種。在規範世界中,有什麼樣的形式生態位,就有什麼樣的形式生命的公理體系和步驟法則。
   目的環境論
   
    形式生命,形式生態位的存在建立在規範世界客觀存在基礎上。在規範世界中,每一種形式生態位,至少存在一種物種,與現實世界中的自然生態位相對應,這一物種或者已經滅絕,或者現在仍然存在,或者今後可以在地球環境或相當於形式生態位元的「目的環境」中製造出來。
    20世紀以來,人們用化學合成方法,製造出了數以千萬種地球上從來沒有的化合物。化學合成方法事實上是為多種化合物創造「目的環境」的過程。義大利威尼斯Protolife公司馬克•貝多(Mark Bedau)說,創造「人造生命」,需要有三個條件,第一,要有培育「人造生命」的「容器」,即細胞膜,允許「人造生命」的細胞膜篩選出對生命有用的分子,為細胞分裂提供營養。第二,要有一個基因系統,以控制細胞的功能,使細胞能根據外界環境的變化而複製和變異。第三,要有一個新陳代謝系統,以從外界環境中吸收營養,提供生命所需的能量-。這三個條件實際上就是為「人造生命」設定一個「目的環境」。實驗室中的「試管」和 「人造生命」的「容器」就是「目的環境」。有一定環境就可以製造一定物質,環境及環境的改變可以按「目的」設計。所以,人類在地球上的出現,不僅能製造工具,建造房廈,而且能創造「目的環境」,利用物質的本性,讓不同物質的分子在「目的環境」條件下自行生成特定的化合物、高分子物質、形形色色的生物大分子物質。在21世紀的今天,人類可以通過基因工程和重組體DNA技術,打破物種界限,把不同種類生物的遺傳物質組合在一起,按照預定的「目的」,人為地設計自然界中從來沒有的新物種、新的生命體。

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