2024年9月7日，博古睿讲座系列第30期“生命的因果性幻象”在北京三里屯中信书店举行。本次讲座由中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）研究员、上海交通大学主动健康战略与发展研究院执行院长、2023—2024年博古睿学者吴家睿教授主讲。

1    引言：生命的因果性

物理学家薛定谔（Erwin Schrödinger）在《生命是什么？——活细胞的物理观》（What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell, 1944）中探讨了如何通过物理学和化学的定律来解释生命现象，尤其是遗传信息的传递。他从还原论的角度定义生命，这一观点直接启发了20世纪50年代DNA双螺旋结构的发现，标志着分子生物学的诞生。

生命活动的主要成分是蛋白质。以新冠病毒为例，病毒表面有突出的蛋白质，称为S蛋白或刺突蛋白（spike protein）。这些突出的蛋白质决定了病毒如何与人体细胞进行识别和结合。具体来说，S蛋白会寻找人体细胞表面的一个信号分子，我们称之为ACE2受体。S蛋白与ACE2受体结合后，病毒便能够入侵细胞。如果没有这种蛋白质，病毒就无法找到进入细胞的途径，也无法感染人体。

研究人员因此需要研究这种蛋白质的结合方式，探讨如何让病毒和人体细胞的蛋白质相互识别。通过研究这些蛋白质的空间结构，我们发现病毒的S蛋白与人体细胞表面的ACE2受体在空间上具有特定的配合。正是这种配合，使病毒能够“识别”并入侵特定细胞。这种结构上的理解帮助我们揭示了病毒传染的机制：特定的蛋白质通过相互作用使病毒得以侵入细胞。

起初，我们对生命的理解相对简单，认为生命是由一些具有特定结构的生物大分子、蛋白质和基因组成，而这些结构决定了它们的功能。就如我们分析一辆自行车：车轮、链条、刹车等零件，每个部件弄清楚后，我们就能知道自行车如何运作。同样的思路，我们以为只要解析这些生命组成部分，便能理解生命。然而，经过40多年研究，我们逐渐意识到生命的复杂性远超出我们最初的想象。

生命科学界有一本重要的杂志叫做Cell（《细胞》）。2014年时，为了庆祝创刊40周年纪念，Cell举办了一次大型研讨会，科学家们讨论了各自的研究成果及其对生命认知的贡献，从免疫学、病毒学到癌症研究等。最终，大家一致认同一个核心关键词：“复杂性”（complexity）。经过多年的研究，科学家们发现生命呈现出的图景越来越复杂，远非20世纪50年代时所认为的那样，可以通过解析各个“零件”来简单地理解生命。在40周年纪念特刊中，Cell杂志的封面由艺术家创作，主题正是“复杂性”。编辑们告诉艺术家需要体现这个主题，艺术家经过深思熟虑，最终呈现了一幅让人感到复杂的作品。这正是科学家们想传达的：生命远比我们最初想象的要复杂得多。

2    网络视角：生命的复杂性

首先，吴教授从网络的视角探讨生命的复杂性。他以酵母为例，这是一种体积极小的单细胞真核生物，仅能通过显微镜观察。酵母的每个细胞中包含6000多个基因，这些基因通过最新的研究手段被发现彼此之间具有高度的关联性，构成了一个复杂的基因网络。虽然酵母是一种简单的单细胞真核生物，但其基因网络结构异常复杂。相比之下，人类拥有超过2万个基因，这些基因同样通过复杂的网络相互作用。例如，血压、血糖等复杂性状并非由单一基因决定，而是多个基因共同作用的结果。

通过系统生物学的研究，我们发现基因间的联系类似于社交网络，存在近距离和远距离的相互作用：有些基因直接影响特定性状，而另一些基因则通过间接联系产生作用。吴教授借用经济学中的“长尾理论”来形容这种复杂性，指出基因网络中也存在类似的“长尾效应”。即使某些关键基因在控制特定性状时起着显著作用，那些远距离、看似不重要的基因，随着时间的推移，依然能对生命体的功能产生重要影响。 

随后，吴教授以“P53基因”为例说明这种网络复杂性。P53基因作为抑制肿瘤的基因，在不同环境下表现出不同的功能，甚至有时还会促进肿瘤的发生。这种现象可以通过网络的观点进行解释：当P53与抑制肿瘤的分子形成网络时，它发挥抑制作用；但当它与其他分子组成不同的网络时，它可能会起到相反的效果。这种基因网络的复杂性证明了生命现象的多样性和不可预见性。

生命的复杂网络不仅存在于分子层面，还涉及细胞、组织、器官等不同层次，并且各个层次之间存在跨层次的连接，形成一个庞大复杂的整体生命网络。这种网络结构进一步增加了理解生命现象的难度，但同时也为探索生命的本质提供了新的视角。

如果用“木桶理论”做比喻，一个木桶是否能盛水，取决于所有木片的完整性，而非单一木片的完好。每块木片（即基因）都是必要条件，但只有所有木片的协同作用才构成充分条件。因此，传统的生命科学研究通常只是研究生命活动的必要条件，把这种必要条件定为因果关系是有问题的。严格的说，只有满足了充分必要条件的联系才能是真正的因果关系。从生命的复杂网络的角度思考，研究者面对的是生命活动网络里众多的连接变量，因此很难确定生命活动的因果关系。

3    碳基生命与随机性

我们知道，生命的起源与基因和蛋白质密切相关，但这些基因和蛋白质是如何构成的呢？它们是由化学分子组成的，而这些化学分子中最关键的元素是什么？是碳。碳是生命的基础，因此我们常称生命为“碳基生命”。为什么生命选择了碳作为基础？

碳原子有一个重要特点：它可以与四个不同的原子结合，比如氢、氧、或者其他碳原子。碳原子与这些原子结合后，会形成一种特定的空间结构，我们可以类比为“镜像对称”现象，比如我们的左右手，它们虽然形状相似，但无法完全重叠，类似镜中的倒影。具有这种结构的分子在化学中称为“手性分子”，即具有手性对称的两种分子。这种手性在生命的基本构造中非常重要。生命中的基本结构是由碳原子组成的，而这些碳原子形成的分子通常有手性的偏好性。比如，在蛋白质的构造中，氨基酸是基本成分，然而，生命只使用了一类特定手性结构的氨基酸，而不是对称地使用两种不同手性结构的氨基酸。

人体大约由30万亿个细胞组成，远远超过银河系的星球数量。生命体是从一个受精卵开始分裂，逐步形成30万亿个细胞的。然而，随着科学技术的发展，我们现在可以通过基因测序来研究每一个细胞，结果发现，人体内的细胞基因组之间有一定的差异。每个细胞的DNA在复制过程中会发生随机的突变，这种突变是随机的。这意味着人体细胞的基因组其实是一个“嵌合体”，就像马赛克一样。

生命与非生命的最大区别在于，生命能够携带和使用信息。DNA是信息的载体，而蛋白质则是执行这些信息的工具。我们可以把生命视作一个信息的携带者和使用者。然而，过去的研究更多是定性的，而非定量的。随着技术的发展，我们开始能够精确地测量这些分子，并发现了许多意想不到的随机现象。例如，基因表达的过程中，同一个基因产生mRNA拷贝并不是按照我们想象的那样所有的拷贝都是精确地从一个起点到终点，而是有长有短，表现出不规则性。这表明，基因表达并不像我们过去认为的那样是确定的，而是充满了不确定性。

癌症就是由细胞分裂过程中出现的DNA复制错误引发的。新冠早期的变种被称为德尔塔（Delta），之后出现了奥密克戎（Omicron），最近又有新的变种。由于病毒变异，虽然曾经感染过，但变异后的病毒可以再次感染人体，免疫系统需要重新识别这些变种。目前，病毒的突变规律尚未完全弄清楚。应对病毒变异的办法是，等到新的变种出现后，研究其特性并开发相应的疫苗。类似地，在美国，流感也是一个困扰，因此许多人会接种流感疫苗。美国的流感疫苗分为多价疫苗，如5价、6价、9价疫苗，分别可以防护对应种类的流感病毒株。如果新的病毒株出现，可能需要开发更多价的疫苗，以应对病毒的不断变异。

生命科学中的一个关键概念是“中心法则”，即生命体是信息的载体和使用信息的机器。DNA和RNA携带信息，蛋白质负责执行这些信息。然而，研究发现，信息传递的过程并不像过去认为的那样简单和线性。在某些情况下，基因表达的结果可能出现不同的RNA片段，有些蛋白质拷贝数量与其对应的RNA拷贝数量之间没有线性关系。这一现象揭示了生命内部机制中的不确定性。

总结来说，随机性不仅贯穿了生命的起源和进化，还渗透在基因表达、细胞分裂、病毒变异等诸多层面。我们从生命诞生之初就无法逃脱随机性，它塑造了我们的生命形态，也为未来的科学探索提供了无限的可能性。

文字：Berggruen Intern 李林壑