第一章 引论

第一节 生命科学让人类成为”造物主”

（拍摄于2021年深圳国家基因库）

在深圳国家基因库，进门就可以看见一座1:1还原的猛犸象雕塑，在雕塑上标着“永存、永生”四个大字。

“永生”显然是古往今来各种神话和宗教的终极理想，但现在它已成为生命科学家的追求。

确实有许多生命科学家，特别是基因科技前沿的学者，在有意识地使用宗教概念来喻说自己的雄心壮志。国内学者王立铭的科普书把基因编辑比喻为《上帝的手术刀》，而美国生物学家乔治·丘奇（George Church）撰写的“合成生物学”科普书则冠以《再创世纪》的标题。

这些口号不仅仅是夸张的修辞，而是反映出生命科学与社会文化之间的互相关联。早在达尔文时代，进化论生物学就和传统宗教神学发生冲突，成为科学与宗教关系的焦点。直到20世纪，神学家们普遍已经接受了现代科学中物理学、宇宙论等进展，但生物学仍然是争议的焦点。另一方面，自分子生物学发展以来，生命科学家们也经常主动向宗教挑衅，例如被誉为“新无神论四骑士”之首的科普作家理查德·道金斯就是一例，除了最著名的《自私的基因》之外，他还有许多科普著作，如《盲眼钟表匠》《解析彩虹》《上帝的错觉》《魔鬼的牧师》《伊甸园之河》等，这些书从书名中就能看出和神学较劲的意味。

生命科学与神学的冲突并非偶然，因为生命科学挑战的是西方传统上被归功于上帝的最重要也是最神秘的一项功绩——“造物”，特别是创造包括人在内的生命。

进化论让人类终于可以用自然主义的方式理解“造物”的过程，即生命的演化历程。而随着分子生物学的发展，科学家不但能理解“造物”，而且逐渐能够参与“造物”了。

“合成生物学”代表了科学与宗教争夺“造物”权柄终于达到了最高潮人类试图从最基础的材料出发，无中生有地合成出完整的生命。

猛犸象也是合成生物学的一个“图腾”，一些生物学家和相关的企业、组织，都在尝试“复活”那些已灭绝的动物，而让猛犸象复活乃是这一企划的一大里程碑。乔治·丘奇及其合作企业Colossal就计划在几年内完成这一壮举。

但事实上，将要被“复活”的猛犸象和已经灭绝的猛犸象并不是一种动物，因为猛犸象的DNA并没有完整地保留下来，只能还原出残缺的片段，科学家试图在DNA残片的基础上，借助亚洲象的DNA和演化生物学的推演，设计出最接近化石中猛犸象特征的物种，然后用合成生物学创造出胚胎，植入代孕的亚洲象体内孕育，最后释放到野外生态之中，形成完整的生物种群。

这一计划的推动者给出了之所以要“复活”猛犸象和各种灭绝动物的若干理由，例如对抗气候变化、恢复物种多样性、验证和促进相关科技的发展等等。但可想而知这一计划也引发了许多争议。例如，人类有没有权利复活某个灭绝物种？或者说人类有责任复活因人类而灭绝的动物？如果人类有权复活灭绝物种，那么究竟哪些人有资格执行这一计划，哪些物种有资格被列入复活名单？另外，被复活的其实是类似于猛犸象的由人类拼接和设计的全新物种，如果这样来复活灭绝物种是值得的，那么人类有权创造出一个自然界中不曾存在过的物种吗？比如独角兽、插翅虎、狮鹫，乃至牛头人、半人马、美人鱼？

如果生物学家能够成功复活猛犸象，那就意味着他们也可以复活尼安德特人，甚至在技术上其实更加容易，因为尼安德特人的基因保存得更加完整。事实上丘奇正有此意，他说道：“如果我们的社会对于克隆技术足够宽容，并且能够真正看清人类多样性的价值所在，那么尼安德特人这一物种就会经由一个代孕母猩猩——或是一位极富冒险精神的女性人类——被克隆出来。”

那么问题是，我们的社会究竟应该如何“宽容”呢？有极端的观点认为，社会和伦理不应该对科技发展设定任何限制，应该放任科技加速进步。但问题是，如果每一个人都有权定制一个新物种并向自然环境中释放，先别说半人马之类挑战伦理观念的物种了，光是释放各种稀奇古怪的病毒和细菌，人类恐怕就要面临重创了。

丘奇希望得到宽容，以便他和他的企业能够无所顾忌地复活猛犸象和尼安德特人，但如果社会真的过度宽容，恐怕也轮不到他们抢占先机了。或许各路网红、明星设计出的奇葩动物会得到更多社会支持，又或许战争狂和恐怖分子会更早让他们创造的物种占领西伯利亚冻土。

所以显然，社会对科技活动的“宽容”终究不能是无限的，关键是宽容的边界究竟在哪里？哪些行为是无论什么人都不能做的？哪些行为是必须严格控制于一部分人可以做的？哪些行为是可以鼓励所有爱好科学的普通人都去做的？

如果我们搞不清“宽容”的边界，过度禁止或过度纵容，最后对科学发展和人类社会的繁荣和稳定都将造成伤害。

本书将要探讨的就是，伴随着合成生物学为代表的生命科学前沿发展，我们应当如何看待科学与伦理的关系，宽容和警惕的边界究竟在哪里，如何在促进科技加速发展的同时守护人类的价值？

第二节 什么是合成生物学

我们讲到，合成生物学是生命科学的前沿领域，也将引发复杂的社会关切和伦理争议。那么，究竟什么是“合成生物学”呢？

作为一个前沿领域和学科，合成生物学还没有特别统一的定义。当然从字面来看，合成生物学是一门以“合成生物”为目标的学科。合成生物学网站定义：“合成生物学要么对现有的、天然的生物系统进行重新设计，要么设计与建构新的生物零件、装置和系统，以实现为人类造福的目的”。

从最宽泛的角度来说，早在1828年人工合成尿素开始，“合成生物学”就出现了尿素曾经被认为是一种生命物质，无法被人工创造，而人工合成尿素则标志着生命与非生命之间的古老界限开始松动。

从最狭窄的意义上来说，“合成生物学”的理想是从零开始创造全新的生命形式，即不是像传统基因工程那样对已有的生命进行编辑改造，而是从无机物出发构建出生命体。这一工程目前还没有人能够做到。现今的合成生物学实践大多还是需要从现有的生命中获取“零件”再来重新组合。

从操作上说，合成生物学一般有“自上而下”和“自下而上”两种模式，前者指为现有的活体细胞赋予新功能，后者则是用非活性的分子“零件”组建成新生命。后者更接近于合成生物学的理想形态，但前者更加方便有效，门槛较低。

不过改造现有活体细胞的操作方式，与更早的转基因和基因编辑更加接近。那么转基因、基因编辑、合成生物学这三者之间究竟是什么关系呢？是并列的三种不同方法，还是递进的三代技术迭代，还是有差异但也有重叠的三个领域？本书后续还会讨论这些问题。

总之，最宽的定义下整部现代生命科学史都是合成生物学，而最窄的定义下当前还没有出现真正的合成生物学。类似这种概念其实我们也挺熟悉，在信息科技领域，“人工智能”就是这样一个领域——宽泛来说自计算机诞生以来都算是“人工智能”的范畴了，但真正理想中的人工智能需要达到媲美或超越人类智能的通用性，这种意义上的人工智能今天尚未实现。

宽定义承载过去，而窄定义指向未来，而当下的实践其实并不需要一个非常清晰的边界，定义的模糊性决定了“合成生物学”的开放性，呈现出交叉学科的特点。

“合成生物学”本身是一门“合成”的学科，是多门学科的综合。

合成生物学是理论与实作的结合，包括理论、实验、工程、技术、产业、社会等多个层面的统合。这种统合是内在的，而不是外在的关系。传统的理论科学当然也会对工程技术产生影响，但理论家完全有可能心无旁骛地专搞理论，等搞成了之后再留给工程师和企业家去实现和开发。而合成生物学的研究从一开始就必须兼顾理论与工程，甚至兼顾人文和伦理，不然就无法扎实地推进。

合成生物学试图回应“生命的本质”“细胞的结构”“遗传的规律”等硬核问题，在这个意义上合成生物学当然是一门理论科学，但合成生物学更多地表现为一门工程学科。

合成生物学与其说是基因工程的最前沿，不如说它是物理工程与基因工程的混合。

除了运用传统基因工程的手段（特别是基因编辑技术）之外，合成生物学也运用到化学工程、系统工程、机械工程和计算机电子工程等学科的思路和方法。特别是借鉴了传统机械工程中可更换零件、标准化生产等思路，以及计算机工程中的编码、编程的方法，把生命物质像工业材料那样模块化处理，制造成“零件”，再在计算机设计的蓝图下组装成生命体。

合成生物学把生命视作机械来组装，但另一方面，又把机械视作生命，建立有机动态的反馈机制。本书后续也会讨论，合成生物学在方法论上以机械工程为本，但在本体论上未必持有机械论的生命观。

第三节 合成与分析：造物致知

我们说合成生物学是文理工的综合，是理论与实作的统一。这种统一性本身提示出对“科学”与“技术”以及二者间关系的新理解。

传统上人们经常把技术理解为科学的应用，科学是求知，技术是实作，科学可以没有技术，而技术一定要有科学作为基础。本书后续还会讨论科学与技术的关系问题。简而言之，合成生物学并不支持上述简单化的理解方式，合成生物学家通常认为，独立于技术的理论科学是不完整的，实作也是求知的内在环节。

当然，这种观念并不是合成生物学的专利，而是现代科学普遍呈现出来的新面貌。例如在化学领域，从“分析化学”到“合成化学”（Synthetic Chemistry）的发展也有类似的特征。

传统上化学的主题是“分析”，追求对事物性质的理解，但现代化学的任务越来越多地转向了“综合”，即操控和制造化学产物。创造产物的过程一方面为化学工程和化工产业提供基础，另一方面也成为理论化学的基础。因为化学的本质与其说是要分析物质的组成部分，不如说是要理解事物的变化原理，而只有精准地实现人工操控化学变化，才能说人类真正理解了这一变化的规律。

“通过创造来理解事物”同样也成为物理学家的格言。著名的物理学家理查德·费曼（Richard Feynman，1918-1988）说到：“我不能创造的东西，我就还没有理解它。”（What I cannot create, I do not understand.）这句格言是费曼去世后在他办公室的小黑板上发现的。其实流传甚广的“费曼学习法”也有这句格言的影子，因为费曼学习法的实质就是以教为学——某种知识如果我不能教授给一个八岁孩童的话，说明我的理解还不够到位。

费曼的格言和方法都提示出一种深刻的知识观——知识不是空中楼阁，而是拔地而起的完整体系。只有当我们能够“从零开始”构建出我们的知识，这些知识才是可靠的。而教学和创造都是“重构知识”的方式。

所以合成生物学的“合成”不止是知识的应用，而同时也是求知的方法。

合成生物学的先驱文特尔（John Craig Venter）推崇费曼的格言，并把这句话作为“水印”的一部分加入他合成的基因组中，最终在2010年制造出历史上首个能够复制繁衍的人造细胞——辛西娅（Synthia）。

辛西娅的遗传信息中被打上了四段“水印”，每一段都编码了工作组成员的姓名等信息，后三段水印各加了一段格言。除了费曼的格言之外，还包括罗伯特·奥本海默（Robert Oppenheimer）的“不要去看事物是什么样的，而要去看事物可能是什么样的（See things not as they are, but as they might be.）。以及詹姆斯·乔伊斯（James Joyce）的“生存、犯错、倒下、战胜，用生命创造生命”（To live, to err, to fall, to triumph, to recreate life out of life.）

有趣的是，文特尔引用乔伊斯名言的行为后来受到乔伊斯遗产委员会抗议。这其实也牵扯出某些复杂的伦理和法律问题——“生命体”可以是一种“出版物”吗？在基因组中刻下版权文字或毁谤言论然后让生命自行繁衍，属于一种非法传播吗？如何处置那些载有“盗版信息”的生命呢？另一方面，文特尔本人更早就为他们构建的基因组申请专利，同样引发了许多争议——一个活的能够自行繁衍的生命体可以被某个人拥有“版权”吗？

实际上，文特尔一直是生命科学领域特立独行的先锋，在1990年代，他所建立的塞莱拉基因公司借助他发明的“霰弹枪法”，以一己之力挑战了美、英、日、法、德、中六国合力，超过了人类基因组计划的测序速度，并试图为抢先完成的基因图谱申请专利。最终迫使当时的美国总统克林顿亲自下场斡旋，总算达成和解，人类基因组的官方机构与文特尔的私人公司展开合作，文特尔也放弃了为人类基因组申请专利的做法。

在基因测序的专利申请和商业开发受挫之后，文特尔转向合成生物这一新领域，在辛西娅之后继续不断迭代，到了2016年诞生的辛西娅3.0完成了对基因组的极限简化。

辛西娅的基因组仅包含473个基因，比自然界中已知的细菌的基因都要少，但仍能够独立生存和繁衍。如果说辛西娅1.0需要通过额外增加的“水印”来证明其人造属性，辛西娅3.0则是通过极致的简化证明了其人造属性——人造生命能够比自然界的鬼斧神工更加精简，这可以说是对“造物主”发起了挑战。

第四节 合成生物学广泛的应用场景

之所以一家私人公司能够引领生命科学的发展前沿，除了文特尔的特立独行之外，当然也需要资本的支持。之所以资本家愿意押注合成生物学，当然是因为这一领域确实有利可图。合成生物学能够在环境保护、资源节能、医药制作等诸多方面给我们带来巨大助益。事实上，和人工智能类似，合成生物学的终极理想虽然远未实现，但这一领域已经催生出大量应用场景，许多产品甚至早已经悄然占据市场。

以下列举合成生物学若干已经初具规模的应用场景，当然，只是列举一些亮点，并不能涵盖全面：

一、数据计算和存储

文特尔在辛西娅细胞的基因中打“水印”的行为其实就是在用合成生物来进行数据存储，这种存储方式远不只是一种行为艺术，而是颇具商业开发价值。

DNA作为数据载体，相比硬盘和闪存之类而言，存取数据显然更加麻烦一些，但却另有优势。关键在于，DNA可以用极小的体积或重量的载体储存大量数据。1克DNA至少能够存储1万TB的数据量，更先进的编码和矿化工艺据说可以达到每克存储PB级乃至数百PB。当然，由于读写的时间和成本较高，目前DNA还不可能取代电脑硬盘，但是在某些极端场景下或许是一种不错的方案——例如在旅行者号上携带地球文明的重要信息。

除了存储器之外，合成生物或许也能替代计算机的CPU。通过合成生物学，我们已经能够在活细胞中设置逻辑门，在细胞内进行某些演算活动。有人把纳米生物计算机称作量子计算机的替代者，这种说法或许有些夸张了，但是与庞大的量子计算机相比，生物计算机未来更有可能植入体内发挥作用，比如智能排毒、定向给药、专杀癌细胞等等。

二、传感和安保

通过合成生物学设计制造出的发光细菌，可以成为对特定物质敏感的指示剂，用于检测污染、拆弹排雷、识别病毒等等。

2021年，能够标示新冠病毒的特殊口罩已经问世，当呼吸中含有新冠病毒时，口罩上的指示器就会变色示警。当然可能是成本原因，这款口罩并未普及。另外，2017年，一家以色列的合成生物学团队研制出一种对TNT等物质敏感的大肠杆菌，用以制造排雷器。

三、医药

生命科学向来都在医学和制药领域有广泛应用，合成生物学当然也不例外。一方面合成生物学能够加快疾病研究和药品开发的速度，让科学家更容易获得实验材料和验证理论猜想。另一方面许多药物和疫苗的生产本身也借助了合成生物学。目前一些合成生物学支持下的糖尿病药物、靶向药已经问世。

有合成生物学家在酵母菌中混合了植物、细菌和啮齿动物的基因，这种酵母菌能够合成蒂巴因（thebaine，一种罂粟麻醉剂，许多医用阿片类药物的前体）。该研究被评为《科学》杂志：2015年10大年度科学发现。

青蒿素是我国科学家的重要贡献。青蒿素是治疗疟疾的特效药，但化学合成青蒿素的成本较高，使得该药物供应短缺，很多病人因此死亡。据统计，在撒哈拉以南的非洲，每年有两三百万人患疟疾。针对这一情况，美国科学家通过合成生物学改造酵母菌和大肠杆菌，让它们代谢出青蒿酸（青蒿素的前体），青蒿素的工业生产。

四、农业

农业领域向来都有生物技术广泛应用，合成生物学也不例外。合成生物学能够有助于农业生产的发展，不仅帮助缓解全球粮食供应问题，更是能够在食品制作方面，提高食物的营养价值、风味和口感。农业合成生物技术将为光合作用、生物固氮、生物抗逆、生物转化和未来合成食品等世界性农业生产难题提供革命性解决方案。合成生物学致力于推进更加环保和抗病的农作物产品，基因的编辑与合成技术可以指导农作物育种工作生物传感技术可以用来检测土壤成分和预警病虫害。合成生物学土壤品质和环境退化的状态。

另外，在食品领域，合成生物学通过提高食物营养价值、延长食物保质期等给消费者多样的选择。比如在“人造肉”领域合成生物学已经大显身手，利用植物蛋白制造合成乳制品以及肉类替代品等相关产品早已走向市场。Impossible Meat、Beyond Meat等人造肉已经走上欧美人的餐桌。

五、工业

在工业领域，合成生物学也有用武之地，特别是合成各种工业酶，加速化工产业和新能源的生产。资源消耗和能源需求增加是现状，开发可再生能源一直是近几十年的重要课题。合成生物学在可再生能源方面的应用十分广泛，比如纤维素乙醇能够从许多原材料中提取，减少谷物的经济和其他方面压力。丁醇作为合成生物燃料，经过简单的加工处理就能应用于传统的汽油发动机，密度高，油耗低。一些细菌中的酶可以制作乙醇，但过程缓慢，效率低下。合成生物学家利用大肠杆菌提高酶的化学反应，从而生产更多的工业乙醇。利用合成生物技术从藻类细胞中提炼出生物油。

新型生物燃料能够减少对不可再生资源的消耗和依赖，在工业领域量产，减少环境经济成本。

六、材料

例如传统塑料、纤维的替代品，柔性薄膜、自愈混凝土等。合成生物学可能把混凝土这样的无机物变成“活物”，让砖石可以自行修复乃至自行生长。例如，在干燥环境下，某种细菌停滞休眠，而一旦暴露在潮湿环境中，细菌就会被激活，代谢出粘合物质，这样一来，植入特殊细菌的混凝土一旦开裂就会自动修补。

七、创造新物种

前文提到过，合成生物学致力于这改变了认识生命的方式，由“格物致知”到“建物致知”。合成生物学可能创造出各种新物种，包括前文提及的猛犸象和尼安德特人，也可能帮人类定制一种宠物，乃至定制婴儿、改造人类。合成生物学让我们掌握了基因的密码，拥有合成新物种的能力。这在一定程度上能够决定物种多样性、基因多样性或者物种的演化方向。因而，合成生物学能够创造生态系统中不存在的物种或者恢复生态系统中灭绝的生物，直接参与塑造生态系统。“CRISPER使得我们有能力迅速并且不可逆地改变地球的生物圈，按人类的意志改写任何生物的基因”。当然这些方向由于技术不够成熟和伦理争议较大，暂时还少有实现，但我们必须预先考虑相关的伦理和哲学问题。

八、造成破坏

合成生物学的到来不仅能在多方面给我们带来益处，当然也可能被用于作恶，合成病毒、定制生物武器等。这些研究也是合成生物学可能的应用场景，关键是有些研究本身难分善恶，例如合成病毒的工作其实是研发疫苗和药物的必要环节，但如果被滥用当然也会造成危害。因而，这就需要对合成生物学可能引发的伦理问题进行讨论，从而最大可能地助力合成生物学的研究。例如，2021年在新冠疫苗的研发过程中，已经有团队利用合成生物学改造新冠病毒以加速研究，但已引起了广泛争议。

第五节 合成生物学的伦理争议

我们看到，合成生物学已经或即将对人类生活带来广泛的影响，自然也引起了广泛的争议。本书的主题也正是要初步探讨合成生物学引发的伦理和哲学问题。以下我先列举一些现有争论中的焦点问题，其中一些问题将在后面各章讨论。

一、概念/哲学问题

前文已经提示打破自然与人工的界限，夺取造物主的权柄，这是合成生物学的成就，但也引起了诸多哲学问题，如“自然”究竟是什么？“生命”究竟是什么？“顺应自然”这一提法还有意义吗？人工和自然的区别还存在吗？“扮演上帝”的态度究竟是一种荣耀还是傲慢？

二、一些伦理原则的问题

科技发展使得我们有可能做到更多的事情，但这些可能做到的事情未必都是应该做的事情，指导我们行为的善恶原则需要被重新讨论。例如，如果我们有能力定制后代的基因，那么我们有权利这么做吗？我们不但有权利，而且有义务这么做例如父母有义务帮子女修改遗传病基因

既然我们有能力“复活”猛犸象或其它灭绝生物，那么谁有权这么做？

，当我们创造出一个智能生物，该如何对待？例如丘奇的尼安德特人复活计划成功了，或者某种改造人问世了。这种智能生物的智能或许超过人类，也或许低于人类，那么他们应该享有与我们同等的人权吗？

三、生物安全问题（biosafety）

我们生活在人类世中，任何地方性变化都可能在全球范围内引起变化。如果一个新物种的存在不限于实验室，而是有可能释放到生态系统中自行繁衍，那么它一定会引起整个生态系统的变化，而这些变化未必是可以精确预估的。如何衡量合成生物的生态风险？如果发生了不可逆转的后果，谁应该对此负责？某种后果是好是坏谁说了算？举例来说，释放某种定制蚊子最终让自然界中的蚊子灭绝，这一后果可能是公认为善的，但如果是让老鼠灭绝、让蟑螂灭绝，或者让麻雀灭绝，那么关于这一后果的善恶未必能达成共识。让猛犸象群奔跑在西伯利亚冻土上这件事情，恐怕也不是所有人都觉得是好事。如何评估后果，防止危害，不仅是一个科学或技术预测的问题，也是一个伦理学和价值观的问题。

四、生物安保问题（biosecurity）

生物安保问题与生物安全问题略有差别，生物安全更多地是指生物科技对生态环境和其它物种造成的危害，生物安保则是指防止别有用心的人滥用生物科技故意造成危害。许多技术在妥善控制的情况下是好事，但一旦失控则会造成破坏。研究病毒、研发疫苗和药物的工作，其中许多环节一旦泄露出来，也会造成严重破坏。未来的生物技术有可能和原子弹一样危险，但更易学、更便宜、更隐秘，所以很难简单套用控制大规模杀伤性武器的方式去保护生物安全。究竟谁有权参与生物学研究和实践？谁来界定安保的界限？如何防止生物黑客、生物恐怖主义的危害？这些问题都值得讨论。

五、利益平衡问题

即便生物科技带来的影响都是对人类有益的，所有危险都被妥善控制，生物科技的高速发展仍然会带来额外的问题。关键在于，“人类”不是铁板一块的一个主体，并不是所有人的利益都是一致的。人类之间有不平等的关系，国家之间有冲突，阶层之间有差异，那么生命科技带来的成果究竟该由谁优先获益呢？如何保证穷人、弱国、少数族裔和异见人士的利益？如何在促进创新者的积极性的同时尽可能保证利益的共享？哪些知识和效益应该由少数人独占，哪些应该开放全人类获取？合成生物学对基因的操纵能力是否能够进一步导向不平等？

本书之后的章节将会部分讨论上述问题作为入门导论性质的教科书，我并不急于对各种争议问题给出确定的答案，本书更重要的使命是帮助读者进入到恰当讨论相关问题的语境。所以，从第二章到第四章，我将先从生物科技的历史讲起，从进化论、转基因到基因编辑。伴随着生物科技的发展，人类社会已经有许多争议和冲突。合成生物学也并非凭空出现，合成生物学所面临的许多争议也需要基于这些历史背景和经验教训来讨论。在回顾了生命科技及其各种争议的历史之后，我将在第五章介绍生命伦理学的一般概念，以提供讨论的框架。最后六、七八章才会回到“合成生物学”的特殊语境，讨论合成生物学所需要的世界观（机械论与有机论的结合）、自然观（何种意义上仍要顺应自然）、上帝视角（造物主心态）的缺陷、科学与技术的界限（学术自由与社会约束的平衡）等问题。