Part3 大膽暢想

為什么魚缸里的小魚睡覺不閉眼睛？

為什么院子里的竹子開不出好看的花朵？

為什么海魚吃起來卻不成？

為什么壁虎逃跑的時候尾巴被切斷還是能夠活下去……

生物學家們也曾經是充滿好奇心的孩童，書本解決了他們的一部分問題，而另一部分無法解決的問題，則促使他們不斷研究破解。而隨著對生物的深入了解，他們之中的有些人更加遺憾于一些絢爛卻短暫殘缺的生命，于是便開始致力于通過科學和技術去改善那些不完美的生命。隨著科學技術日新月異的發展，生物學家們又開始思考：既然生命之美如此令人著迷，我們是否可以創造生命呢？下面，就讓我們一起走進兩個生物學家正在努力研究、未來或許將會給生物學注入鮮活力量，的領域吧！

讀懂生命之基因測序

人類最開始、也是最原始認知這個世界的方式，就是用眼睛去看、用耳朵去聽、用鼻子去聞和用四肢去感受。人類接觸生物初期也是如此——我們通過這種方式知道了長頸鹿的脖子非常長，狗會發出“汪汪”的叫聲，觸摸含羞草時它會合起葉子，“臭大姐”臭得離譜等。隨著人類對工具制作和使用的進步，我們開始不僅僅滿足于宏觀觀察到的現象，也想要知道是什么組成了生物，又是什么讓生物和生物之間如此不同。

1675年，“顯微鏡之父”列文虎克通過他自制的顯微鏡第一次看到了細菌，從此打開了人類對微生物認知的大門。隨著科技的進步，顯微鏡的放大倍數越來越大，人類不僅可以看到細胞，還能夠看到細胞內部的結構，甚至是染色體。但對今天的科學來說，僅僅是研究染色體的結構仍然是太過宏觀，我們希望了解染色體上的DNA序列到底是什么樣的順序，這些基因又到底影響著生物的哪些性狀，于是基因測序儀應運而生。

20世紀50年代，美國科學家沃森和英國科學家克里克發現了DNA的雙螺旋結構，因此獲得了諾貝爾獎，也正是因為這個結構，生物科學正式進入分子生物學時代。在這個雙螺旋結構中，堿基都是一對一對出現的，有ATCG四種，這四種堿基通過不同的排序就出現了各種各樣的基因類別。就像人類，大家都有30億對堿基，但由于排列方式的不同，才使得每個人都是獨一無二的——有的人是黑頭發黑眼睛黃皮膚，有的人是金發碧眼白皮膚；有的人短跑速度非常快卻不能跑很長的距離，有的人可以跑馬拉松全程卻會在短跑比賽中失利；有的人喜歡吃榴蓮，有的人卻無法忍受這個味道……這些都與基因有著非常密切的關系。

測序技術的出現和發展讓我們對生物的了解進入了一個嶄新的階段，成為打開基因奧秘的鑰匙：它不僅揭開了很多生命未解之謎，也改變著人類的生活。只需要一管血，通過基因測序，醫生就可以判斷胎兒是否存在遺傳缺陷，還能夠對多種疾病和癌癥做出判斷甚至預測；警察可以通過測序比對鎖定嫌犯；科研人員也可以通過測序了解新冠病毒的毒株類型從而進行更好的科學防控。而更令人驚奇的是，不僅僅是人類，其他生物的信息也更容易被了解——甚至是那些已經滅絕的古生物，都能夠通過考古學家獲取的毛發或骨頭了解它們曾經的生命信息，推斷出它們曾經生活的環境狀況。

相信在不久的未來，測序技術必定會在精準醫學、個體化癌癥治療、農業、環保、考古等各個領域產生深遠的影響。

改造生命之合成生物學

通過基因測序技術，我們已經逐漸破解了生命的密碼，那么應該如何利用這些“密碼”以及利用它們的“撰寫”手段去改造生命造福人類呢？科學家們綜合工程科學的研究理念與生命科學，提出了“合成生物學”的概念。合成生物學也被譽為繼DNA雙螺旋發現和人類基因組計劃之后“第三次生物技術革命”。

看上去“合成生物學”是一個非常先進并且距離我們很遙遠的東西，但事實并非如此。其實，合成生物學已經滲入了我們的日常生活中。2019年，一些快餐企業相繼推出了人造肉漢堡，而人造肉就是我們已經在使用的合成生物學的產物。隨著人口的大幅增加和水土資源的限制，改變傳統肉類的生產方式成為亟待解決的問題之一，人造肉便因此而產生。其實，肉類中的大部分成分，如蛋白質、脂肪和水，我們都可以找到替代品，而“有嚼勁”的口感也可以通過從植物中提取的纖維蛋白來模擬，但肉類獨有的香味卻很難模仿，這是因為肉類中血紅素的存在。幸運的是，科學家們已經對血紅素進行了深入的研究。于是研究人員把血紅素的基因元件放到酵母中進行合成，人工合成了血紅素，再將其放入人造肉，便形成了“以假亂真”的人造肉。小小的人造肉讓我們意識到，基因元件的存在將進一步改變我們的生產方式。我們可以通過更換不同的基因元件在同一個體系中，獲得完全不同的產物。我們可以把基因元件想象成積木中的插件，原本它們是拼成的城堡中的一部分，但是現在我們把插件拆開來重新組合，還可以組合出汽車、飛機等等。合成生物學給人類提供了一種嶄新的設想：如果擁有一個通用的反應器，又有很多研究足夠透徹的基因元件，就可以想生產什么就生產什么。

2017年，中國的三個研究團隊成功人工合成單細胞真核生物酵母的4條染色體，和野生酵母高度相似。這項里程碑式的研究令我們距離合成真核生物已經只有一步之遙。

合成生物學是人類經過數百萬年對生命的探索之后才達到的工程化的水平，對于破解環境資源難題、賦能生命健康、解決數據爆發危機等領域都具有不可替代的作用。目前各種不可再生資源的大量使用，使人類的生存受到了前所未有的威脅，如果人們可以通過生物合成的技術制作出新燃料，便可緩解燃眉之急；在環境治理領域，如若合成生物學通過定制化合成微生物去降解污染物便能夠大幅度提高污染治理的效能；在生命健康方面，天然產物的合成將會為醫藥產品的生產提供非常大的便利……

的確，人類的智慧是無可比擬的。科技的飛速發展令人類擁有了更強的“利用自然，改造自然”的能力，但我們解讀生命、改造生命的目的是更好地認識自己、調控生命現象，從而更好地改善生態，與自然更加和諧地相處。生物學的未來永遠是以生命和自然的未來作為基石的，所以，在探索生命的過程中，敬畏自然，尊重生命應是我們永遠不該忘記的準則。

（作者董怡葦，系華大基因科研人員）

（責任編輯：楊懿萱）