序

嗜极微生物是否掌握着地球生命起源的关键？为什么人体内包含的细菌基因比人类基因数量更多？伟大的“生命之树”（进化树）是否还有一些不为人知的分枝？生命和非生命之间的界限是否如我们想象般清晰明了？可以轻而易举修饰基因的CRISPR-Cas9技术，我们将如何使用？通过观察处于活跃状态的神经元，我们对精神与意识的起源又有多少了解？未来人类将如何治疗疾病、修复身体甚至延长寿命？

这些或大或小、或特殊或普遍的问题，以及其他与之类似的议题动员着研究生命的庞大跨学科群体。生命在地球上已出现近40亿年，其形态呈现出无可比拟的复杂性和创造性，而该群体的研究人员希望与大众分享自己在面对这种复杂性和创造性时的热情、疑惑以及惊叹。我们不仅支持这一积极举措，还想在生命科学面临又一关键时刻的当下推出此书——事实上，历经20多年的发展，对该领域知识的挖掘已迎来井喷期。

这种知识爆炸源自相关技术史无前例的飞跃。观察有助于理解。成像技术的迅猛发展把生命观察领域带进了从前无法企及的尺度，现今人们不仅可以探索未知的真相，还可以更新自身对那些意想不到的机制的认知。当代生物学家还拥有一个可以探索新生命形态并理解生命机能的强力工具，即基因组测序技术。这项革命性的技术甚至拓展到宏基因组，也就是构成既定生态系统的所有微生物（包括生活在海洋各处、淡水中以及人体肠道内的微生物）的基因组。通过解析这些数据，我们可以探索迄今仍不可见的未知世界。

今后我们可以凭借前所未有的计算能力，对所有这些以数字形式录入的数据进行储存、共享、分析并建立模型。这是生命科学转折点的另一个关键维度：生命科学与信息技术的结合。在现今的信息技术领域，传感器越来越袖珍，而处理器性能越来越强大。通过比对不同学科研究成果的海量数据，我们见证着以前无法想象的联系、原理、组合一一涌现。对生命的分析由此实现了从“体外”（in vitro）、“体内”（in vivo）走向今后将成为主流的“硅内”（in silico）。

伴随着这些新能力接踵而至的还有前所未有的生命操控技术，这是近年来的另一革命。此类技术发展引起不小争议，包括：培育转基因生物、可治愈过往不治之症的基因疗法和细胞疗法、基于干细胞培育组织、制造可维持器官功能的假体和生物材料，未来还可能通过合成生物学创造新的生命形态。对于此类技术发展，不少人为之振奋，但也有人抱有怀疑和担忧态度。生命科学的发展不能脱离生命伦理学，尽管发展的目的是追求进步，但也会引起质疑。在这一点上，研究人员需要与大众讨论。

法国国家科学研究中心（CNRS）、法国国家健康与医学研究院（Inserm）和众多法国公立研究机构有幸成立了多学科科学生态系统，该系统包罗万象：从基础研究到社会学、经济学和医学领域的应用，应有尽有。该模式使得法国在过去半个世纪以来位列科学大国第一梯队。有了该模式，无论是对生命史还是对支配生命的基础机制及其组织规律的探索，抑或对相关发现应用于解决问题（首待解决的便是健康改善和环境保护），我们都可保持开放的态度。

对生命的研究，归根结底是一项关乎所有人的挑战。科学与技术启发我们作出明智的集体决定且使我们怀有创新意识，这是现代社会发展及其经济发展的核心。科学与技术可以带来进步，也会引发争议。科技发展会产生新的知识，而新的知识以及随之而来的利益分配恰是21世纪发展的一大挑战。创新从何而来，无人能提前知晓。正如路易·巴斯德（Louis Pasteur）所言，“机遇只偏爱那些有准备的头脑”。

关于生命历史及生命机能的知识是人类社会的宝贵财富，有助于人类了解自己的过往，摆正自身当前的位置，更好地创造未来。更好地了解生命，也意味着丰富我们自身的生活以及我们后代的生活。倘若阅读此书后读者们对上述种种深信不疑，那么我们的初衷便已实现。

阿兰·富克斯（Alain Fuchs）

法国国家科学研究中心主席

伊夫·列维（Yves Lévy）

法国国家健康与医学研究院院长

引 言

诸位正捧在手中的此书是一次非同凡响尝试的成果，集致力于破解生命奥秘的法国科研界众力而成。本书旨在邀请读者踏上了解21世纪初生命科学重大发现及其前景的旅程。百余名研究人员倾注心血编写本书，他们迫不及待欲将自己的探索领域与读者分享。为何要如此倾尽全力让读者了解我们正在探索的世界？那是因为生物学现今正经历着一场名副其实的革命，该革命的转折点将颠覆我们的知识体系和我们对生命世界的看法，而我们的社会对此却未加以重视。

这场革命的本源并非生命科学提出的全新问题，而是如今对一些由来已久的疑问作出了全新的解答。对生命认知的颠覆主要源于技术的巨大进步。事实上，“科学的进步来自新技术、新发现和新想法，顺序大致如此”，诺贝尔奖得主悉尼·布伦纳（Sydney Brenner）如是说道。由于新技术工具的发展（如显微镜的发明），生命科学已然取得不少重大进展。这些新技术着实无可比拟，借助它们的力量，人类得以观察有机体乃至其细胞内部的分子、分析并操控DNA（脱氧核糖核酸）甚至合成完整的基因组、交叉比对“大数据”中的上亿条信息、观察一个有意识的人脑如何运行，等等。这是一个正在展开的新时代，科学家希望在这个时代探索进化树一些想象不到的分枝、再现生命的历史、破译人体细胞复杂的运转逻辑、揭开脑的神秘面纱……还要参与对人类而言最具意义也最神秘的话题的辩论，这些话题包括生命起源、死亡，以及人的特性，即人具有思想、自我意识和非我意识。

科学的发展受两股潮流——简言之就是好奇心和效用（utility）——所驱动。从生命科学诞生以来，这两者就以可变的占比结合在一起。最初，史前人类痴迷于研究生物圈，以便对抗生物圈的种种约束并从中获取利益。种植作物、饲养动物、开展选育以改善相关农产品的营养价值、驯化动物，这些举动都需要观察和实验，也属于科学手段。在古代，进化中的人类积累并传播关于自身所处的生物圈的知识，主要目的是为了更好地生存并开发、利用大自然。人类因此开创了一门功利性的生物科学。随着古代文化的发展，人类渴望了解世界，由此发展出两类研究。第一类是关于博物学的，旨在盘点并描绘生命，其最终成果便是查尔斯·达尔文（Charles Darwin）于1859年提出的进化论，这类研究由人类好奇心使然。第二类涉及动物及人类的生理学，该类研究基于假说-演绎法建立，旨在了解生命的机能，医学尤其外科学便是以此为基础发展而来的。19世纪末，一个新纪元随着博物学融合实验科学的研究方法而开启，最终诞生了现代生物学。好奇心和效用如同两台发动机，合力推动着生物学的发展。巴斯德主导的传染病研究促成了微生物学的诞生，这是一个在单细胞生物和病毒的广阔世界开荒的科学新分支，后来发现抗生素的正是微生物学的研究人员。随着20世纪五六十年代分子生物学的兴盛，另一场革命接踵而至。分子生物学的起点在于，把DNA分子鉴定为遗传物质的载体并描述DNA分子的结构。分子生物学主要是通过研究生物体内的分子结构及其交互作用来解释生命的特性。寥寥数年，该领域研究人员对主要生物大分子的了解已然颠覆了我们对生命机能的认知。分子生物学又是另一类革命的摇篮——它开启了操控生物遗传物质的可能性。这种强大的技术力量在基因工程方面有众多惊人的应用，令人类为之着迷。从此刻起，生物学成了各类技术工具和应用的源泉。当代社会期待的是可以为我们所遭受的病痛、威胁带来治疗方法和利益的生命科学。事实上，生命科学一直以来都更多地服务于健康、农业、生态学和环境，同时，生命科学也为能源领域带来各种前景，还与多类工业活动息息相关。21世纪之交，生命科学的效用迎来莫大的关注：媒体的聚光灯侧重于照亮能为人类提供治疗方法或是能解决经济衰退问题的科学进展，而那些未被规划、未被预见，仅仅是渴望了解世界的研究人员出于好奇心得来的重大发现，被落在阴暗之中。这些发现在其涌现之时的应用前景是如此不易察觉，以至于如今它们足以扭转我们对生命的认识。我们编写此书，正是想让读者了解生命科学不为媒体所关注的这一面。希望书里的内容能让读者感到惊奇、赞叹，并对其中扣人心弦的前瞻性问题充满兴趣。

本书旅程的第一站是出人意料的生物多样性（尤其是微生物多样性），以及生命在适应地球上各种环境时表现出的惊人创造性，有些环境人们曾认为并不适合生命生存，但后来发现，无论是冰水还是沸水，无论是高盐度还是强酸性，无论是高海拔地区还是暗无天日的深海区域，其中都有生命存活。达尔文在英国皇家海军的“贝格尔号”上研究了众多大型海洋物种和陆地物种，正是通过此番研究，他最终提出了自然选择进化论（图0.1）。21世纪初，研究人员于“塔拉号”上研究了海洋浮游微生物，此番研究颠覆了我们对于这类漂流群体的认识（图0.2）。地球上超过60%的细菌生活在海洋之中，然而我们所了解的不到5%！虽说每升海水含有100亿—1000亿个微生物已然不是什么小数目，但我们肠道内的微生物含量更加丰富：在面积为400平方米的肠道内，覆盖着超过105亿个细菌，与人体细胞的数量相当！肠道菌群具有多种生命形态和生物活性成分，在人体内发挥着重要功能。其他惊喜来自那些在现有体系中很难被归类的“生命”，例如有着闻所未闻特征的巨型病毒（图0.3）。这些“生命”如何生存？它们是原始细胞的后代吗？它们是否属于某个未被鉴定的新进化分支？由于以上所有发现，尤其是在与30多亿年前（生命诞生之前）的地球环境十分相似的环境中的发现，生命起源的问题以及宇宙中其他星球是否存在生命的问题，自此从闭门造车的时代进入可演绎真实场景的实验性阶段。

“若不从进化角度来看，生物学全然没有意义。”综合进化论大师之一特奥多修斯·杜布赞斯基（Theodosius Dobzhansky）的名言提醒着我们，生物学本质上是一门历史科学。物理学、化学抑或数学的研究对象其历史性部分占比很小甚至缺失，但生物学对象里的历史性部分占比却很可观，因为无论是已然消失的生命抑或现存的生命，都源自一个或多个自然形成的原始生命。它们的历史和它们的亲缘谱系，均被所谓的进化树（你们在下文会发现，这甚至不能被称为“一棵树”）描绘出来。在基因组测序领域重大突破的助推下，进化论派生出一套有力的理论框架，它不仅可根据相关历史解释当前种种生物学现象的“原因”，亦能在相关基因组被测序之前就预判某个基因的存在，甚至可以预测某一物种或某群物种的未来发展。我们将为读者介绍如今人们所构想的进化树，以及关于生物学创新驱动和挑战“自然选择产生的生物完美适应其周围环境”之观点的各种修补工作。与此同时，我们还将向读者展示如今的科研人员如何通过在自然环境中观察进化过程并在实验室通过实验手段操控进化，来克服“进化需要漫长时间”这一障碍！

近几个世纪以来，我们已知道，生命是由众多尺寸比个体细小的部件组成的，且其性质各不相同（液体、细胞、分子、原子……）。人体拥有的细胞数量是银河系恒星数量的千倍有余。然而生命的复杂性不仅仅在于这些惊人的数字，还在于生命特有功能之繁多（生长、形态发生、增殖、死亡、适应、运动、变态、交流、修复等），而这繁多的功能来自上亿成分间的交互作用，这些交互作用穿越时间与空间，遵循特定的空间编排设计和既精准又具可塑性的内在生物钟（图0.4）。关于生命的组分及其交互作用的复杂性，也是近20年才真正受到重视。以前，我们研究生命的每一个部分、每一种成分，希望它们的总和能揭示生命的机能。但这实属虚幻的希望。此举最多只能触及表象，而无法了解实质。通过对各成分交互作用的研究，我们才得以了解支配它们的规则。探索才刚刚开始，而探索能否成功取决于我们能否抛弃过去的研究方法，如今的探索需要基于物理学工具和生命地图数据的数学预测模型。我们将带领读者一起了解生命的复杂性：深入细胞内部（图0.5）， 探索那些在20年前甚至没人设想它们存在的分子及其功能，探索个体之间如何通过交互作用形成集体智能，当然，还会深入最令人着迷、最复杂的，而且关联着“人性”这一古老问题的器官——大脑（图0.6）。

长久以来，生物学家一直将个体与环境视为对立面，认为进化机制是在个体层面上运作的，其运作大致遵循个体自给自足的规则；环境的作用被认为仅仅是提供资源或是带来限制与压力（自然选择）。从人类中心论出发，我们定义了不同类型的环境，其中有宜居环境，也有极端的、对生命（过去认为的生命）不利的环境。而这一观念已被近年来的发现所颠覆。正如前文所说，生命似乎存在于所有环境中，一些无法想象的代谢形式使得生命可以适应一些人们先前认为有毒的环境，甚至可以在其中繁衍。此外，物理化学机制通过影响某些性状的遗传而参与了进化过程，这意味着达尔文进化论蕴含一部分拉马克学说。我们对生命与非生命之间界限的认知被打破了：生命几乎总是存在于更大的生命体内，或者包含着更小的生命，并且这些关系对整体的生活至关重要（图0.7）。其他范式的转变涉及生物环境和生态系统，它们承载着生命之间的交互作用。近年来的研究结果向我们呈现了这些交互作用的可塑性之高，例如可以从互利共生转变为特定的寄生关系，反之亦然。这表明了共生关系在物种进化中的作用，以及数百万年间，共生双方协同进化的重要性。在如今这个我们见证、遭受且推动着史无前例的环境剧变的时代，我们有必要破解气候变化为何对生物圈构成威胁，有必要了解环境是否自生命起源就受其影响而有所改变。现今，人类成为生物地球化学循环的主要推动者：人类是地球环境变化的始作俑者，但也可能是拯救者。

谈到生命科学当前的转折点，就不得不提及一些打通意外应用场景的科学革新，这些革新源于知识或技术的创新。这方面，神经科学令人刮目相看，其巨大进步既离不开成像技术的出色发展——我们已能看到活人大脑实时运作的状态（图0.8），也与我们可通过比对健康人脑来研究特定精神障碍病患的大脑息息相关。在科学史上，这是人们首次可以从生物学角度辨别处于活跃状态的人脑的认知功能，“神经元人”变得显而易见。由此，现今神经生物学家与人文社会科学研究人员之间的交集有助于我们理解人脑的认知功能。惊人的是，认知神经科学之进步不仅能使我们理解人类精神及脑部活动的生物学理论基础，还几乎即时可为医学界所用，从而提高医生对病人的诊断及治疗水平。除此以外，读者还会在本书中发现生物学知识对其他众多领域的贡献：生物灵感，指人类从自然系统汲取灵感造福社会（涉及化学、医学、药理学、机器人学、计算机科学、航空学等）；仿生学，指人类仿照自然系统创造出相应的人工系统。本书还将带读者领略一些理想化的应用，即便这些应用与我们最初设想的并不一致，但要应对未来的挑战，它们至关重要。

本书中介绍的21世纪初关于生命的发现是百余名研究人员的成果，他们在编写本书时投入了所有信念。由于今后的生命研究横跨数学、物理学、化学、机器人学、计算机科学、环境科学、认知科学及社会科学，因而合力完成本书的并非仅仅是一众生物学家，上述所有学科的研究人员都积极参与了本书内容的撰写，分别展现了各自领域的成果。对于生命科学的重大转折点，我们都通过与相应研究人员关联的发现案例逐一进行了诠释。我们所选取的例子均源自研究人员的专业领域以及他们投入的莫大热情。由于所选例子基于个人选择而来，所以它们并不具有全面性或普遍性。很遗憾我们没能谈及生命科学当前的全部发展趋势，也无法尽数引用支撑这些趋势的惊人发现并作出针对性诠释。我们也无法用一整章来介绍带来这些转折点的所有新技术，不过它们散布在全书的例子中。本书篇章的安排并非线性：读者可从任意一章开始阅读，随后再决定想转至哪一章继续阅读。因为本书为众人合力而成，每个人都为之倾注心血，所以风格也不尽相同。正如生物多样性，个体之间各不相同，但是不乏整体逻辑性。我们希望本书的“复调合唱”也能呈现出此番和谐。最后，在本书中，我们选择不谈及与生命科学关联的一个重要领域：科学与社会的关系及其伦理学领域。自20世纪末以来，各种生物技术涌现，引起民众的普遍关注。不少人往往过于乐观地将之视为解决所有病痛的方案，有些人则认为其中存在危险，我们可以看到社会上一部分人对生命科学及其应用有着强烈的质疑。然而，有必要将科学的贡献及其运用区分开来：知识可被用来服务于任何一项事业，而过快为社会所用的技术可能带来预料之外的负面影响。伦理学问题一方面与研究人员的实验相关（例如人体研究、动物实验、使用人类胚胎干细胞或人类早期胚胎），另一方面，也与社会对新知识和新技术的使用相关（转基因、医疗辅助生殖、人机关系、机器人学、基因组数据使用等）。社会以及政治团体应当明确伦理学框架，科研人员应当在此框架内行事。在这个充满技术进步时代的广泛伦理学争论中，科学家和社会、政治组织之间，通过明确揭示研究可获得的成果来开展对话尤为重要。本书也涉及这方面内容，但是并未直接谈论争辩的关键部分，因为在我们看来，此番论战过于广泛和重大，无法被纳入我们着眼于当前生物学变革核心的探索之旅。

旅程最后将探讨非常根本的问题：在21世纪，我们可以对生命科学抱有何种期待？像法国这样在该领域成果颇多的国家，应当如何看待这些影响生命科学的巨大变动？前文提到的两个因素——好奇心和效用，自然而然会推动生命学科的发展，重点在于两者须呈平衡状态，使得每一个因素都是要素，但不会互相压制。我们知道，单单由好奇心驱使的研究往往对社会-经济领域有滞后影响，且是研究开展时无人料想也无法预见的影响；而所谓的针对性研究，在为我们了解生命机能作出重要贡献的同时，也有着同样出人意料的一面。应当正确鉴别这两种类型的研究，以使它们在互相发现的科学机遇的推动下，通过持久且流畅的交流实现互联。这便是未来应用的关键，这些应用可用来应对我们世界的社会-经济挑战。历史向我们表明，这些应用的出现有两种方式。第一种方式是依托人们可合理地预测其演变的已有知识，去钻研、去改进、去发展。这是一种必要的方法，该方法被轻易运用于一些大型项目，以动员研究人员关注政治界认定的社会问题或环境问题——任何一个关注当下及未来社会生活质量的国家都必须解决这些问题。但是历史教导我们，不能局限于这一方法。如果人类只致力于改良石斧或蜡烛，那么我们永远不会过渡到青铜时代，也永远不会使用电。这就涉及第二种方式，即所谓的突破性创新，通常来源于意外的发现，该方式可产生最有意义的创新。例如，基因工程源于沃纳·亚伯（Werner Arber）等人的工作成果，亚伯与合作伙伴通过解析细菌应对病毒感染的机制，发现了对维持细菌细胞完整至关重要的酶——限制酶，由此以完全超出预料的方式，提供了开启基因组修饰大门的强力工具，并使其成为该领域的基石。这一情景同样见于现今CRISPR-Cas9系统引领的技术革命，该技术让研究人员有能力以任意基因为靶标，抑制或激活其表达，对其进行修饰、修复或敲除，用另一基因将其替代，可视化其位点和表达，等等。倘若1980年代末研究人员没有发现大肠埃希菌（Escherichia coli，也称大肠杆菌）基因组中古怪的重复DNA序列，那么这一技术革命不会发生；倘若他们没有试图了解此现象是否为大肠埃希菌所特有，从而发现大部分细菌基因组中都存在重复序列，并且细菌病毒（噬菌体）中也存在，那么这一技术革命不会发生；倘若他们接下来没有倾力查明这在细菌中起到什么功能并发现它们对病毒的防御作用，那么这一技术革命不会发生；最后，倘若研究人员没有致力于解析保障该防御的分子机制（如今这一谜题还远没有解开），那么这一技术革命不会发生。简言之，倘若没有20多年来围绕一个纯粹出于研究人员好奇心且理论上没有任何明显应用性的课题所开展的研究，这一影响科学和社会的技术革命永远不会出现！这被神经科学家斯图尔特·法尔斯坦（Stuart Firestein）概括为如下文字：“关于预言，其最可预测的方面之一是，它们往往是错误的……我们不会借助个人推进系统而飞翔，我们不穿一次性服装，我们不吃浓缩在铝制包装中的食物，我们无法根除疟疾或癌症，数年前有如此多被相信的预言，而它们至今并未成真。不过，如今我们拥有联通全世界的因特网，我们有药丸可实现按需勃起，这两种现象都不存在于50年前甚至仅仅25年前发表的预言中。正如恩利克·费米（Enrico Fermi）所强调的，预言是有风险的举措，尤其是当它们涉及未来时。”（Ignorance， How it Drives Science， Oxford University Press，2012）

因此我们须警惕，不可自封闭于完全程序化的研究方法中，因为这类研究的目标结果相较可用于研究的时长而言期限过短。创新往往会带来无法预见的结果，并且往往远晚于有所发现的那一刻。我们不能仅仅在路灯下找钥匙，而应当去探索阴影之地，遵循好奇心去探索其中的财富。这不仅仅是明日创新的源泉，也是社会必需的知识的源泉，这样的社会开明、睿智、清醒且对自身所处的世界富有责任心：社会于世界中发展并且改变着世界，如此，社会将更了解世界，我们也会更了解我们自己。

即将阅读本书的读者们，如果这些颠覆生命知识体系的发现使你们有所惊叹，如果你们坚信这些发现承载着未来、承载着进步，那么请听一听我们的呼吁：要探索我们面前的那些未知领域；开展相关研究需要时间、需要承担风险、需要想象力、需要创造力、需要自由。一门科学若不想局限于功利——当然它本质上得有用——就必须满足以上条件（The Usefulness of Useless Knowledge，Abraham Flexner，1939）。生命科学的这一职责不仅仅由投身其中的研究人员掌握，还得根据政治意愿以及社会共识来实现。这是一个关乎我们所有人的问题。我们借本书向读者展示一部分科学进展、我们受其启示所进行的思考，以及科学进步所开启的前景。生命科学全体研究人员希望可以让读者对大自然产生兴趣和喜爱，从而成为积极参与其中的一分子。生命科学需要你们的协作，需要你们的支持。

卡特琳·热叙（Catherine Jessus）

CNRS生物科学研究所所长