从女娲造人到合成生命——实验室中创造生命

“在实验室里创造生命”是当代新闻报道中最常出现、也最容易引发热议的话题。人们熟悉“克隆羊”“人造细胞”之类的标题，却很少细想一个基本问题：在什么意义上，我们才有资格说自己“创造”了生命？如果把视野稍微拉长可以看到，人类对“创造生命”的想象由来已久：从女娲捏土造人，到古代工匠制作会行动的木偶，这些故事都在反复追问同一个问题，生命是否可以被人类亲手创造？进入近代以来，这个朴素问题被科学化为具体的实践：在试管中合成生命所需的物质，在玻璃装置中模拟早期地球环境，在显微镜和序列仪里拆解细胞的结构与遗传蓝图，在计算机与机器人平台上模拟生命繁衍、竞争和演化的行为。一次次技术突破，都引发“我们已经造出了生命”的争论。

人类创造生命的蓝图是否实现

本文将围绕“创造生命”这一条主线，选取几次经典的“创造生命”事件：早期有机合成和生命起源模拟实验，证明了生命原料可以人工制备；克隆和基因工程展示了在现成细胞框架内复制和改写个体的可能；数字生命与生命机器人在非碳基载体上试验生命的某些特征；合成生物学则通过人工基因组、合成细胞和重构染色体，把“写代码—运行代码”的思路落实到碳基细胞层面。通过对这些阶段性尝试的梳理与比较，回顾“实验室中创造生命”的历史。

如果要给“在实验室造生命”找一个起点，得回到 19 世纪，瑞典化学家贝采利乌斯（J. J. Berzelius）把物质分成“无机”和“有机”两类，前者来自矿物和非生命世界，后者则与动植物等生命体紧密相连。许多科学家相信，所谓“有机物”之所以特殊，是因为在其背后有一种只存在于生物体内的“活力”。在这种思路下，人们坚持认为有机化合物只能在生物的细胞内部的“活

力”作用下产生，人工合成是不可能的。

1828年，贝采利乌斯的学生维勒（F. Wohler）想要合成氰酸铵，但意外合成了尿素，尿素被认为是典型的生命产物，维勒却用无机盐为原料，在实验室条件下获得了同样的物质，虽然这一结果并不意味着他在烧杯里创造出了生命，却让一个重要的观念发生了转折，生物体内的许多物质，不是只能由“活力”生成，它们也可以按照一般化学规律，在试管中合成。接下来的几十年里，有机化学家和生理学家沿着这条思路不断前行，逐步分离和合成了越来越复杂的生物相关分子。糖类、脂类、氨基酸、维生素……变成可以用化学语言描述、在实验室条件下产生的物质。

1953年5月，米勒（S. Miller）在《科学》（Science）发表了在实验室中模拟原始地球环境的实验，成为撼动活力论根基的一个重要科学史事件。米勒在密闭装置中填充类似远古地球大气组成的气体，用电火花模拟雷电放电，几天之后，在冷凝液中检测到了多种氨基酸和有机小分子，通过对小烧瓶里溶液的检测，米勒确定了溶液中存在的五种氨基酸。其中天冬氨酸、甘氨酸、丙氨酸以及谷氨酸是生物体内蛋白质中常见的氨基酸，由此证明了无机化合物可以合成小分子物质，对后来探索前生物分子的非生物合成具有相当大的启发性。

实验室中模拟原始地球环境

这类实验的意义，不仅在于技术突破，更在于其明确地得出，生命所需的有机物质，无需某种神秘的“活力”驱动，在适当的物理化学条件下即可形成。这使人们自然地产生一个想法：既然构成生命的基本成分已在实验室中获得，我们是否已接近创造生命本身？

但客观来看，当前的成果仍处于获得“化学成分”的阶段，无论是尿素，还是模拟原始大气实验中产生的氨基酸，都只是生命体的基础材料，它们自身不会复制，也不会代谢、生长或分化，即使将所有已知的生命分子汇集在一起，它们也无法自动组合成一个能够自主维持、繁殖的完整细胞系统。正因为如此，20世纪后半叶随着分子生物学的兴起，科学界的目光开始从能不能做出生命物质，转向能不能掌握生命的蓝图，并据此复制或改写一个生命体。

20世纪40年代，薛定谔在都柏林圣三一学院发表了系列演讲《生命是什么？——活细胞的物理层面》^[1]集中讨论何为生命，从物理学的角度对生命现象进行了深刻剖析，推动了物理学的思想与方法向生命科学渗透，也为分子生物学的诞生埋下了伏笔。

1953年，沃森（J. D. Watson）和克里克（F. Crick）发现DNA双螺旋的结构，确立了核酸作为遗传物质的基础。随后中心法则与操纵子学说的提出，进一步揭示了遗传信息传递与表达的调控机制。生命在分子维度上得到了前所未有的清晰阐释，一系列突破性进展不仅夯实了生命的物质基础，也催生了分子生物学与基因工程的兴起，引发了围绕“创造生命”的新一轮科学热情。

分子生物学的诞生

一个标志性事件发生在1967年。诺贝尔奖得主、生物化学家科恩伯格（A. Kornberg）在证实DNA可自我复制后，尝试在试管中合成具有生物活性的DNA。他利用聚合酶成功构建了大肠杆菌φX174噬菌体DNA的单链，实现了人工合成具有生物活性的DNA分子。这项成果被媒体广泛报道为 “在试管中创造了生命”，但科恩伯格本人对此表述持保留态度。

比基因工程更直观、也更能引发公众共鸣的是克隆技术。1996年，克隆羊“多利”诞生，常被称为人工创造的生命。从技术表象看，仅用一个体细胞核就能培育出完整生命个体，似乎跳过了自然生殖过程。然而从生物学本质看，克隆并非真正的“创造”。其核心是将体细胞核移入已去除细胞核的卵细胞中，依赖卵细胞原有的细胞质、代谢环境和调控系统来重启发育。整个过程实质是在天然的生命支撑体系内，实现了一套已有遗传信息的重新表达。

克隆羊“多莉”技术流程图

同一时期，人类基因组计划的推进与基因编辑技术的出现，进一步强化了“掌握生命密码”的公共印象。人类基因组的完整测序，仿佛将生命翻译成了一串可存储的数字序列；而精准的基因编辑技术，则允许科学家在特定位置进行“删改”。在公众语境中，这些进展常与“改造生命”“创造新物种”相关联，生命似乎被简化为一套可自由编排的程序。

总体来看，分子生物学、基因工程与克隆技术使人类得以直接介入生命的“蓝图”，也的确带来了“我们能够创造生命”的强烈感受。但这一阶段的成就仍有明确的限度，无论是克隆，还是对细胞内基因片段的编辑，所有操作都依赖于已经存在的、完整的细胞生命系统，在细胞这个基本单元上，人类实现了对生命的复制和改写，却尚未能够“从零开始”构建出一个全新的细胞。正是基于这一认识，科学界逐渐意识到，若要真正逼近“在实验室创造生命”的目标，仅靠复制和编辑现有细胞是不够的，必须在更基础的层面上，实现对生命系统的整体重写与重构。

20世纪伴随着计算机科学的快速发展，人工生命的概念开始萌生，在一些计算机科学家的心目中“生命是什么”的概念发生了转变，地球上的生物只不过是生命的一种形式，人们将目光转移到生命的基本机制上，只有用人工的方法，用计算机的方法或其他智能机械创造出具有生命特征的行为并加以研究，才能揭示生命全貌^[3]。在这种思想的推动下，人类除去传统生物学对生命的研究，转向计算机和机器人平台，在“硅”和“机械”中试验生命的某些特征。

数字生命的构想可以追溯到冯·诺依曼（J. Von Neumann）关于元胞自动机的工作，他提出的元胞自动机是早期软人工生命最流行的建模框架之一，冯·诺依曼意识到任何自我繁殖系统的遗传物质，无论是自然的还是人工的，都必须具有两个不同的基本功能：一方面，它必须起到计算机程序的作用，是一种在繁衍下一代过程中能够运行的算法；另一方面，它必须

起到被动数据的作用，是一个能够复制和传到下一代的描述^[4]。例如，众所周知DNA是生物体内含有的一种大分子核酸，包含着生命所有的遗传信息，可以对细胞进行编码，并将这些信息传递给后代，是生物体发育和正常运作必不可少的生物大分子，如果科学家们只关注DNA的编码和遗传功能，而不管DNA是由什么组成的，也不管DNA是什么形状，那么可以使用任何东西来编码和传递信息，包括由4个核苷酸组成的DNA分子或计算机中由0和1组成的字符串。在这一角度来说，人工生命不受基质的限制。

这个思路后来在计算机中得到了具体实现。康威的“生命游戏”以极其简单的规则为基础：每一个方格的生死仅由其周围格子的状态所决定，而正是在这一规则持续不断运行的过程中，屏幕上涌现出出乎意料的复杂图形，有的稳定存在，有的周期变化，有的沿着棋盘“移动”。这些模式虽然只是黑白方块，却具备了类似生长、扩散甚至“捕食”的形态，引发了关于“数字生命是否算是一种生命形式”的讨论。托马斯·雷（Thomas Ray）开发了名为Tierra（西班牙语意为“地球”）的人工生命模拟系统^[5]，该系统在计算机内存中构建了一个数字环境，其中运行着可自我复制的程序，这些程序在复制过程中会随机产生错误，从而引入变异，不同程序之间会竞争有限的内存与计算资源。随着模拟推进，系统内逐渐演化出复杂的互动关系，甚至出现了类似寄生与防御的行为模式。通过此类实验，研究者得以在可控的数字环境中直接观察“变异—选择—遗传”这一演化过程的动态展开。雷进而指出，Tierra中涌现的具有复制、变异和竞争特征的数字实体，在功能意义上可被视为一种“生命”形式，并曾表示“创造生命其实很容易”^[6]。

与数字生命相平行的是“具身”的人工生命探索。早在现代机器人问世之前，工匠就已经尝试制作会行走、会鸣叫、会“消化”的自动人偶，20 世纪中期，英国神经生理学家沃尔特（W. G. Walter）创造的“机器龟”是机器人中最早的实例代表，可以通过简单的人工机制来实现动物在现实中的行为。沃尔特的机器龟对布赖滕贝格（Braitenberg）产生了很大的影响，并由此产生了创作灵感，于 1984 年编写了一本名为《工具：综合心理学实验》（Vehicles: Experiments in Synthetic Psychology）的书，描述了一系列关于如何设计一个简单机器人的想法，或者说是思维实验。并让它们产生了类似动物或者生命的行为，这本书成为研究人员的灵感来源，应用在机器人与人工生命的研究领域中。这些工作共同说明，哪怕底层机制很粗糙，只要感知与运动之间形成合适的关系，就能在外观上表现出类似生命的主动性。

进入21世纪，在生物材料和计算设计结合的背景下，又出现了更具争议性的“生命机器人”。2022年来自美国佛蒙特大学的计算学家们合作创造出“活体机器人”名为“Xenobot”，与传统机器人不同，它是一种通过计算机设计和生物材料所创造出的，由生物细胞组成的可编程机器人。首先通过人工智能算法设计出计算机模拟模型，接着对从非洲爪蟾中提取的胚胎干细胞进行培养并分离成单个细胞进行孵化，之后借助显微手术工具帮助切割和连接细胞，以接近计算机指定的设计。建立异种机器人是朝着破解生命形态生成机制迈出的一小步，同时也为理解生物体的整体组织方式及其信息处理机制提供了新的视角。它的出现帮助人类了解生命机制，但缺乏生命特有的身体机能和更广泛的自我维持功能，并不是完整的生命有机体。

Xenobot形态的模拟设计与实物对照图

在公众视野中，这些数字生命、机器人和生命机器人的工作很容易与“在电脑里造出了生命”“生物工程师做出新物种”这样的表述联系在一起。虽然它们在一定程度上实现了复制、变异、选择、感知、运动等生命常见特征，甚至在某些尺度上表现出开放演化的趋势。但如果沿着“在实验室创造生命”的主线来衡量，这一阶段的探索仍然有其清晰的边界。一方面，数字生命和许多机器人系统所依赖的物理基底，与自然生命完全不同。它们的“身体”是数字代码、金属框架或电子元件，代谢过程被电流和逻辑运算所取代。在概念上，研究者通过这些系统考察的是“生命现象能否在不同物质上重现”，而不是在碳基化学的层面上构建细胞生命本身。另一方面，即便是由活细胞构成的生命机器人，其细胞来源、能量代谢和许多基础活动，也仍然依赖自然发育形成的细胞机制，算法所设计的是形态排列和宏观行为模式，而不是彻底重写细胞内部的遗传系统。

从“创造生命”的角度看，这些工作让我们从侧面审视生命的特征，某些被视作生命标志的属性，例如自组织结构、适应性行为和演化过程，并非只能依附于传统的细胞，而可以在更广泛的物理和信息平台上实现。这对于“什么算是生命”具有重要意义，也推动了“通过创造来理解”的方法论转换。但就“在实验室造出一个新的碳基生命体”这一更狭义的目标而言，数字生命与生命机器人仍然停留在模型和类比的层面。美国哲学家、人工生命专家贝道（M. Bedua）认为，通过计算机模型、硬件结构和合成生物学可以进一步理解生命系统，但合成生物学的强版本在直觉上看起来更为合理，我们内心通常愿意接受那些在实验室里从零开始合成的东西是真正意义上的生命^[7]。合成生物学在这样的背景下登场，成为当下最接近“在实验室创造生命”这一命题的研究方向。

21世纪初，人类对基因的理解已经逐步完善，合成生物学的出现为人类对生命研究提供了另外一条途径：从生命最小的元件开始研究，一步一步地创建新的生物元件，运用现代工程学，按照相关生物的构成原理，旨在构造真正的人工细胞以及人工多细胞生命体。合成生物学的特别创新之处在于整体思路的转向，较之其他生命科学领域乃至其他科学领域的最大的不同就在于对于数十亿年的生命自然演化过程，特别是生命的起源实现了人类史上的首次碳基实验。

一个重要的开端是病毒基因组的全合成，2002年7月1日，切洛（J. Cello）等科学家在《科学》（Science）上刊文^[8]，宣布合成了全长约7.7 kb的脊髓灰质炎病毒基因组并成功产生了有生物活性的脊髓灰质炎病毒，在给两只小白鼠注射人工合成病毒后，出现了小儿麻痹症状，这项工作被视为人类向“创造生命”迈出的象征性一步，因为它首次证明无生命的化学物质能被组装成具有生物学功能的病毒颗粒。然而，病毒本身并非完整的生命体，它没有细胞结构，不能独立代谢和繁殖，必须完全依赖宿主细胞才能完成复制。所以说人类还没有完全创造真正的生命体。

更具代表性的创造生命是由2010年科学家文特尔（J. C. Venter）带领的研究团队在实验中创造出世界首个完全由人造基因指令控制的人造细胞，并把这个新的生命命名为“辛西娅（Synthia）”。文特尔团队通过化学合成方法，先后完成了噬菌体phi X174基因组的合成与生殖支原体基因组的合成。随后，他们成功将一种支原体的染色体移植到另一种支原体的细胞中，替换其原有遗传物质，最终获得了完全由人工合成DNA控制、具有生命活性的细胞^[1]。在许多新闻报道中，都将文特尔“在实验室里扮演上帝 ”作为标题。从“创造生命”的视角看，此项成果的意义主要体现在两个方面：一是研究首次实现了对一个完整细胞基因组的化学全合成，并使其成功主导了细胞的性状与生命活动；二是通过对基因组进行删减与改写，该工作探索了维持细胞存活所必需的“最小基因集”，在实践中向界定“最简单可行生命”迈进了一步。虽然这样的合成细胞仍然需要借用天然细胞提供的细胞质环境和基础代谢机器，还谈不上从头构建整个细胞架构，但在“合成一个基因组让它驱动细胞活下去”这一点上，已经跨出重要一步。

文特尔研究团队创造的人造细胞“辛西娅”

2016年，中国科学院覃重军团队成功创造了国际首例人造单染色体真核细胞^[10]，该项工作标志着人类在“创造生命”道路上迈出了关键一步。研究以酿酒酵母为对象，通过CRISPR-Cas9等基因编辑技术对其基因组进行系统设计、裁剪与重构，最终将天然的16条染色体融合为一条功能完整的人工染色体。改造后的酵母细胞在生长、功能与基因表达等方面与天然酵母相似，证明即使在真核生物层面，生命也可以被人为设计与重构。这项工作不仅实现了在真核生物中进行“生命创造”，更突破了自然进化形成的染色体结构限制，为后续设计与构建自然界不存在的全新生命形式提供了重要基础。

合成生物学推动了创造生命的热潮，科学家们开始尝试使用自己所设计的DNA来创造人工生命。人工创造的核苷酸、从头合成大肠杆菌基因组、人工合成光合微生物等报道层出不穷，从“实验室造生命”的角度看，合成生物学已取得实质性进展，研究人员能够为病毒、细菌或酵母细胞编写完整的人造基因组，并使其在细胞中运行，指导生长与繁殖，这已不仅仅是修改自然生物的部分基因，而是用自主设计的遗传程序来控制生命活动。然而，这种“创造”依然建立在自然系统的基础之上，当前的人造基因组必须借助天然细胞的既有结构，如细胞膜、代谢网络和蛋白质合成机制，才能发挥作用。

目前，合成生物学的研究仍集中在单细胞层面，旨在开发稳定、高效的底盘细胞或代谢工厂，然而，该领域尚无法实现从生物大分子出发，逐步组装出具备自我维持、长期演化能力，或在多细胞层级上完全按照预设蓝图构建的生命系统。因此，若将“创造生命”定义为编写能够在活细胞中运行并实现遗传传递的人造基因组，那么合成生物学已在此意义上取得初步成果，但若进一步将“创造生命”理解为生命的物质基础与组织形式都由人工设计与构建，则这一目标目前仍处于探索与积累阶段。

回顾人类在“实验室中创造生命”这一方向上的探索历程，可以看到几个清晰的阶段：早期的有机合成与米勒实验证明了生命所需的基础化学物质可由非生命过程产生，但仅停留在化学构建层面；分子生物学、基因工程与克隆技术使人类能够复制与修改生物个体的遗传信息，但仍完全依赖于既有的、完整的细胞系统；而数字生命与生命机器人研究，则尝试在硅基或机械载体中模拟生命的部分特征，其意义更多在于拓展对“生命”这一概念的认知边界。

合成生物学将焦点重新置于碳基细胞本身。通过全合成或重写基因组，构建由人造遗传程序驱动的细胞，乃至对染色体进行重排与融合，该领域已不再局限于对天然基因组的局部修改，而是能够编写出一整套可在细胞中运行并稳定遗传的指令。然而，这种“从无到有”仍具有明显的局限性。目前的人造细胞依然需要依赖天然细胞提供的膜结构、细胞质与代谢机器，大多数设计也以现有物种的基因组为模板进行删减或重组；而在多细胞乃至更复杂的生命层次上，我们距离完全依据设计构建出稳定、可长期演化的新个体仍十分遥远。

因此，与其简单地回答“已经实现”或“尚未实现”，更准确的表述是在遗传信息的编写与控制层面，人类已在实验室中实现了某种程度上的生命创造，而在更全面、更严格的意义上，“创造生命”仍然只是一个需要在今后很长时间里不断逼近的目标。本文亦谨对合成生物学先驱文特尔于2026年4月29日新近离世致以悼念，他的离去，是科学界的一大损失。

关键词：生命科学    创造生命    合成生物学■