染色体、基因组、细胞与生命体

    -----从《科学》刊发中国科学家的4篇研究文章的国内新闻谈起

苏镇培

3月9日“人工合成酵母基因组计划” 国际协作组宣布完成2号、5号、6号、10号和12号这5条染色体的从头设计与全合成，其中有4条染色体的全合成由我国科学家领衔完成。该重量级成果于3月10日在国际顶尖权威杂志Science以封面、专刊形式同时发表7篇论文。其中4篇来自中国，天津大学元英进课题组2篇，清华大学生命科学院戴俊彪课题组1篇，华大基因杨焕明院士与爱丁堡大学蔡毅之课题组合作发表1篇。

这消息在国内引起巨大反响，无论大众传媒还是科技报刊纷纷转载或发表评论。

深圳市政府还专门召开了“人工再造生命体”酵母基因组人工合成项目成果新闻发布会。

从这些报刊新闻与评论（多数应经相关科学家或相关专业人士审阅、同意），可以看出目前国内对生物学某些基本概念、主要研究方向和实施计划存在许多非科学的认知。

科学是概念的体系，概念是逻辑思维的基础，没有科学概念就设有科学的判断和推理。研究就不可能真正取得成果。迈尔说：“科学的进展在于新概念的开发（如选择、生物种）和用以阐明这些概念的定义的反复提炼与完善”。中国传统哲学也强调“正名”，所谓名不正，则言不顺。

一、生命的概念，即什么是生命？

多年来，人们经常混淆生物（生命体）与生命两个不同的概念，前者是实体概念，后者是实体的特性、功能概念。就如刀子与锋利的关系。按系统生物学理论，我们可将生物（生命体）称为生命系统。

生命是生物（即生命体或生命系统）整体功能特性，指有生命力---能在自然环境中生存---个体生存和种族生存（繁衍）的能力。判断是否生物，能否生存和繁殖是第一判据。

生物或生命系统是由物质、能量、信息综合组成的一大类复杂自然动态系统。系统本质功能特性是能整合多种物理、化学活动为生物活动--产生生命力，适应环境获得生存、繁衍（种族生存）--适者生存。

生命系统结构的基本要素是由生物大分子和无机物组成的细胞，经多细胞、多组织、多种器官、生理系统等层次组合突现成复杂的个体生命系统（整体）;

细胞及多细胞个体活动由能量（化学能、机械能、电能等相互转换）驱动；

生命系统靠信息（光、声、电、化学、机械等）关联控制自身及与变化的环境关联；

个体生命系统是种族生命历史遗传基因信息与现实物质、能量和信息的综合体。

只有细胞（单细胞）和多细胞动物、植物的整体，才是真正的生命体即生物。细胞或动物、植物的任何部分都不能称为生命体。

二、细胞的概念  

细胞是构成生物体最基本的单位，细胞有一定边界、内部进行着恒定化学活动和能量、信息的转换。故细胞本身也是生物系统。细胞作为一个生命系统，有多层次的复杂结构：在光学显微镜下，细胞从外向内由细胞膜、细胞质、细胞核构成；电子显微镜下，细胞由膜相结构和非膜相结构构成；分子水平上看，细胞是由无数的小分子和生物大分子组成。

1.细胞膜复杂层次结构

磷脂双分子层:细胞膜的基本骨架

蛋白质分子：镶嵌或附着在细胞膜上

膜糖类：结合于脂质分子和蛋白质上

细胞膜的物质转运、信号传递、细胞识别等功能，分别由其构成要素——膜运输蛋白、膜受体、膜抗原等来完成。

2. 细胞核复杂层次结构与功能：细胞核是遗传信息贮存器与细胞功能控制器，由核膜、核仁、染色质（染色体—DNA基因组）和核基质等构成。

3. 细胞质复杂层次结构与功能：含有多种细胞器和多种酶类。

A．酶：包括参与糖酵解、脂肪酸合成的酶类(脂肪酸合成酶)，参与尿素循环三种反应

的酶类(精氨酸合成酶、精氨酸裂解酶和精氨酸酶)，糖原合成和降解、蛋白质合成，以及中间代谢过程的酶和许多辅助因子。酶在结构上是大分子，是由氨基酸顺序排列组成的长链蛋白质。一个细胞可能具有控制许多不同反应的上千种酶。

B．细胞器：形态、结构和功能各异。在电子显微镜下人们观察到的已达近20种，这些细胞器分别按照各自执行的功能有规律的分布于细胞的不同部位，而且当细胞的功能状态发生变化时它们的数量、分布和功能也随之改变。

细胞内的所有层次结构各自执行着不同的功能，如细胞膜是细胞控制内外物质出入的门户，且具有信息传递的重要作用；细胞核贮存遗传信息，又是细胞代谢的控制枢纽；核糖体进行蛋白质合成；细胞骨架使细胞各种结构相对稳定在一定位置并维系细胞的形态，参与细胞运动；溶酶体是细胞内的“消化系统”；线粒体是细胞内的动力工厂等等，而这些细胞构成部分的综合表现正是细胞整体生命活动的动态过程。

细胞作为一个生命系统，表现出新陈代谢；生长、发育、繁殖；遗传和变异、进化等生命特征，并非单个细胞器、子系统的功能表达，而是细胞内各复杂层次结构密切配合，协调、互动的结果。分子、基因、蛋白质都要整合起来发挥作用，单个的细胞器（包括包含全基因组DNA的细胞核），都只是细胞--真正生命体的一部分，不能表现出细胞的整体生命特性与功能，都不能称为生命体，只能是生物的元器件。

酵母是单细胞真菌。作为真核生物，酵母基因组有16条染色体，含1130万个（约为人基因组的5%）碱基对。其实“人工合成酵母基因组计划” 国际协作组只合成了5条染色体，约1/3的总碱基对，并没有合成全基因组。无可否认，他们的工作非常复杂、巨大，也取得了阶段性成功，“是迈向设计并合成复杂人工生命目标的一大步”；“意味着人类向‘合成生命’的梦想迈进一大步”。但不是“从头设计与全合成，从零开始去设计，产生一个全新的染色体”。“对于整个基因组的改动比例大约在5%~8%，这相当于1000万个碱基序列中，每500个碱基有一处改动”。更不能说“此次诞生的‘酵母菌2.0’就是世界上首个人工合成的真核生物。”而所谓“人工再造生命体”酵母基因组人工合成项目成果新闻发布会,就有夸大宣传的标题党的意味。更有专家宣称：“通过化学合成的方式将这些遗传信息以DNA的形式合成出来，放入到酵母里面替代原来的DNA。这样，这个酵母的所有生命活动都变成了由人工设计合成的DNA控制，成为一种人造生命体。”；“非生命的化学物质通过设计合成再造出新的生命体，已经在实验室里实现了。”这些专家言论明显混淆了生命元件与生命体的基本概念。忘记了真核生物除靠DNA控制的遗传外，还有非DNA依赖的表观遗传；忘记了生物（生命体）是物质、能量和信息的综合体。只有信息，不知信息如何与物质、能量相互关联过程（就是细胞核与细胞质、各种细胞器和细胞膜的互动），就无法真正了解生命体（细胞），更不可能制造生命体。

三、“设计生命、再造生命和重塑生命”的愿望能在短期实现吗？

虽然，“人工合成酵母基因组计划” 国际协作组成功合成了5 条酵母染色体，“意味着用化学物质设计定制真核生物酵母生命体成为可能，科学家在合成复杂人工生命的道路上又迈进了一大步”。但可能不等于实现，迈了一大步不等于走完全程。据称该协作组2年内可全部合成16 条酵母染色体。就算染色体DNA全基因组都成功合成了，也不等于能人工合成一个由核膜、核仁、染色质-染色体和核基质等组成、真正有完整功能的细胞核。更不要说，细胞膜，线粒体、核糖体、高尔基体等200多种细胞器及细胞质内上千种酶，复杂的细胞骨架和膜性结构，至今它们的结构功能弄清楚了多少？那几种已经人工合成了？这些都没有完成，怎能合成真正完整的细胞？

物质和能量通过细胞而摄取、转化、储藏和利用，生物信息也在细胞内储存、处理和表达。生命的连续性是以细胞为基础的，遗传连续性不是单纯的细胞遗传物质如基因和染色体的逐代传递，而且包括细胞整体分裂遗传。

“深圳国家基因库基因组合成2020计划”中，第一个人造动物线虫、第一人造多细胞植物拟兰芥、第一条人的染色体——21号染色体的重塑和10000种人工噬菌体的合成都被写入。2020年前真能合成细胞吗？单细胞没有合成，怎能人工合成多细胞的线虫、多细胞植物拟兰芥？科学研究要有愿望和梦想，也要有完整可实现的具体计划。无法实现的计划，为获得基金、投资而偷换概念的抄作，是与科学精神背道而驰的。

参考文献

1.   陈芳、董瑞丰.破解基因组“天书” 中国离世界生命科学巅峰有多远. 新华社2017-03-11

2. 赵永新.4篇论文齐上《科学》封面，开启“再造生命”新纪元.人民日报2017年03月10日

3.  世界第二，我科学家利用非生命化学物质设计再造出新生命体.科技日报2017-03-10

4.  刘 垠.定制酵母基因，重塑生命并非幻想.科技日报2017-03-11

5.     王盈颖.科学家谈基因设计里程碑  合成酵母染色体是开始 澎湃新闻   2017/3/12

6.   赵熙熙. 科学家合成酵母染色体探寻进化秘密.  中国科学报2017-03-11 第2版

7.   合成生物技术：2050年领跑世界.  科技日报2017-03-14

8.   Science特刊：7篇长文解读人工合成酵母染色体——开启合成生命新纪元.生物谷Bioon.com

9.    靳莹.中国科学家打破非生命物质与生命界限. 中国科学报2017-03-14 第8版

10.  鲍文娟. 设计生命 又近一步.广州日报   2017-3-12

11.  世界首个人工合成真核生物诞生新闻发布会在深圳举行. 凤凰网 2017-3-12