互动科普

生命到底是什么？这个问题一直困惑着从古至今的科学家和哲学家们。简单讲，生命就是“活的”物体，那到底什么又是“活的”呢？现代生命科学研究给“活的生命”做出了归纳：一、能够与外界进行物质和能量的交换，进行新陈代谢；二、能够自我复制并产生新的个体，进行遗传与突变；三、能够对外界的刺激做出响应，有应激反应。比利时科学家普利高津提出了耗散结构理论（1977年获诺贝尔化学奖），认为生命体是一种耗散结构，需要不断与外界进行物质能量交换，通过吸收外界的负熵来抵消自身的熵增，维持自身有序的结构。20世纪50年代，沃森和克里克发现了DNA双螺旋结构，揭示了生物遗传突变的分子基础。无论是高等生命的人，还是低等生物的细菌，都包含有DNA分子，这些分子承载着编码特定生命体的遗传信息，而DNA的双螺旋结构正好保证了遗传信息的可复制性和稳定性。那么，是否可以说“生命就是含有DNA遗传信息并具有耗散结构特征的物体”？问题并没有如此简单。病毒，其结构简单，仅仅包括一个由蛋白（有时有磷脂）分子构成的衣壳和一个包含遗传信息的DNA/RNA核心，自身不能进行新陈代谢，不具有耗散结构特征，但可以在宿主体内进行遗传复制并产生新个体。那病毒属于生命吗？未来的机器人或许可以自我修复、复制和进化，那么这些机器人属于生命吗？

是否存在构成生命的关键元素？生命体是由化学元素构成的，其中碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、磷（P）和硫（S）这六种元素（CHONPS）占了98%以上，被称为“生命元素”。是否存在着其他生命元素？2010年12月，《科学》报道了美国宇航局西蒙（Simon）博士的研究，她在美国国家公园莫诺湖中分离得到一种“食砷”的细菌GFAJ-1，这种细菌能在不含磷元素的培养基上利用砷元素生长，最让人吃惊的是分析表明该细菌的DNA分子中包含了砷元素。生命元素磷可以被砷所替代？这一结果在让人感到振奋的同时也受到了大量质疑。2012年7月，《科学》连续发表两篇论文，论证了GFAJ-1的生长需要磷元素，并通过更精密的质谱技术排除了其DNA分子含有砷元素的可能。至此，一场关于生命元素的争论暂时划上句号。然而，究竟是生命选择了CHONPS，还是地球为生命选择了CHONPS呢？

除了“结婚生子”外，我们能够以其他方式制造生命吗？科幻电影《侏罗纪公园》描绘了一个符合科学逻辑的梦想—提取包于琥珀中的远古时代蚊子腹中的恐龙血液，对血液DNA进行测序分析并利用青蛙DNA进行修复，最终将合成的恐龙DNA植入爬行动物受精卵内，使其发育成恐龙；此外科学家还通过在DNA中引入“氨基酸缺陷机制”来控制恐龙的生长和活动。影片涉及多项生命技术—高精度DNA测序合成技术，细胞核移植技术和表观遗传学技术。这些技术的发展和应用已经为生命科学带来了多次突破和飞跃。1996年，英国科学家威尔穆特（Wilmut）博士通过体细胞核移植技术成功克隆了一只小羊“多莉”，首次实现了动物的无性繁殖。2006年，日本的山中伸弥（Shinya Yamanaka）教授通过将4种基因（Oct3/4, Sox2, Klf4, c-Myc）—山中因子，注入老鼠皮肤成纤维细胞中，成功将其转变为多功能干细胞（iPS细胞），这种细胞可以分化成多种类型的细胞。2008年，美国克雷格研究所成功合成出一种支原体DNA，并将其植入一个活体细胞，完成了“人造细菌”。可以预见，未来人类通过合成方式制造特定的生命是有可能的。最近中科院动物所周琪等利用基因修饰的单倍体胚胎干细胞获得了健康成活的转基因小鼠；中科院广州生物医药与健康研究院裴端卿等利用iPS技术将病人尿液中的细胞诱导转变为神经干细胞和牙体组织细胞—这些研究成果向“人造生命”和“再生医学”又迈进了一步。

我们理解生命了吗？生命体表现出多级有序的结构特征。从个体到系统、器官、组织、细胞，从细胞到细胞器、生物大分子（蛋白质和核酸），最后到氨基酸和核苷酸，在每一个层次上生命都表现出各自的特征和结构，对这些结构和特征的剖析对于我们理解生命至关重要，这也是当前研究的重要内容。在这些层次中，细胞是绝大多数生命体所共有的结构单元，因此对细胞的认识是理解生命的关键。为什么山中因子能够诱导细胞发生反转成为多能干细胞？细胞为什么是“活的”？这些问题挑战着21世纪的科学家们。

（本文发表于《科学世界》2013年第10期）