作者：克雷格·文特尔
出版社：浙江人民出版社
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生命的未来试读：
前言
我的“薛定谔演讲”
2012年7月12日，我应圣三一学院的邀请到都柏林发表演讲，这次演讲时值著名物理学家、诺贝尔奖得主薛定谔初次发表他的《生命是什么》系列演讲整整70年之后。主办者要求我再次论述薛定谔当初提出的伟大主题，并且希望我在现代科学的基础上，就有关“生命的定义”这一深奥的问题提出新的洞见和答案。显而易见，对于这个问题，几乎每个人都非常有兴趣，个中原因可谓不言自明。我本人也不例外，不过我还有一些个人的原因。我年轻时曾在越南当过医护兵，在那个时候，我无比惊异地发现，“有生命的”与“无生命的”两者之间的区别竟是如此的微妙：一张小小的纸巾就能把活着的、有呼吸的人与死人区分出来；甚至在良好的医疗护理下，存活下去的可能性也仍然部分依赖于病人积极向上的思想和乐观开朗的心态。这就证明，高度的复杂性源于活细胞的组合。
在一个美好的星期四晚上，时间是下午4：30，得益于数十年来分子生物学的发展，我终于走上了薛定谔曾经站过的那个讲台。像他一样，我也是在爱尔兰总统面前发表演讲的。唯一不同的是，现在这个礼堂已经成了圣三一学院的考试大厅，但是讲台仍然是那个无与伦比的讲台。在巨大的枝形吊灯的照射下，站在威廉·莫利纽兹（William Molyneux）和乔纳森·斯威夫特（Jonathan Swift）等人的肖像画下面，我注视着讲台下400位听众，所有人的脸上都浮现出翘首以待的表情；数不尽的式样各异的摄像机闪耀着令人眩目的亮光。当然，我还知道，与薛定谔当初发表演讲时不一样的是，我这个演讲将会被录音、被现场实况转播、被写进博客，还将会在Twitter上被大量推送，尽管我所要回答的问题，就是我的前辈们已经付出过许多努力试图给出答案的那同一个问题。
在演讲开始后的60分钟时间里，我向听众详细地解释了DNA是如何驱动生物机器运行并最终组成生命的。所有活的细胞都在运行着DNA这个“软件”，它指挥着成千上万个“蛋白质机器人”。自从我们人类第一次搞清楚如何通过对DNA进行排序来解读这个“生命的软件”以来，我们对生命进行数字化操作的历史已经有几十年了。现在，我们可以从计算机数字代码出发，走到另一个方向，即我们能够设计出一种新的生命形式，用化学的方法合成它的DNA，然后用它来“生产制造”出实实在在的生命有机体。这是因为，我们现在可以对所有的信息进行数字化处理，并且能够将它们以光的速度发送到任何地方，并且最终能够重组DNA，再造生命。坐在爱尔兰总统恩达·肯尼（Enda Kenny）旁边的是詹姆斯·沃森1，沃森一直自称是我的老牌竞争对手。在我的演讲结束之后，沃森走上讲台，握着我的手，大方地祝贺我发表了“一个非常美妙的演讲”。《生命的未来》这本书的部分内容就是在圣三一学院演讲的基础上写成的。本书的宗旨是，将我们现在已经取得的令人难以置信的进展描述清楚。自薛定谔发表《生命是什么》系列演讲到现在，才过了70多年，说起来这只不过相当于一个人的生命周期。但是在这段时间里，我们确实已经取得了极大的进展。从薛定谔的“非周期性晶体”（aperiodic crystal）到对遗传密码的正确理解，再到第一个合成染色体的成功构造，又到制造出第一个人造细胞，从而最终证明DNA就是生命的“软件”，这些伟大成就是建立在过去半个多世纪以来的各项巨大进展的基础之上的，也是来自世界各地的许多杰出科学家在各自的实验室里不断努力的共同成果。
在本书中，我将对分子和合成生物学领域中的进展进行一个综述，一方面是对这个史诗般的事业和成就的致敬，另一方面是对那些为这个伟大事业做出杰出贡献的无数重要科学家的致谢。当然，我的目的并不是对合成生物学的发展历史做一个全面、完整的描述，而是希望借此阐明，被我们称为“科学”的这项事业，它的力量固然无比巨大，但是它也极其需要所有人齐心协力进行合作。
现在，作为数字化信息的DNA不仅能够在计算机数据库中实现不断的积累，而且能够通过生物传送器以一种电磁波的形式以光速或者接近光速进行传输，从而在一个遥远的地方重新创造出蛋白质、病毒和活的细胞，或许这将永远地改变我们对生命的看法。随着这个对生命的全新理解以及我们驾驭生命的能力的逐步扩展，我们有力地敲开了一扇全新的蕴含着无限可能性的大门。这是极其激动人心的。
随着工业化时代接近尾声，我们有幸见证了“生物设计时代”的来临。人类即将进入一个全新的演化阶段。引言合成生命时代向我们走来
薛定谔认为，生命现象一定能通过物理学和化学来解释，染色体一定包含了“很多种能够决定个体未来发展的完整模式的密码本”。1953年，沃森和克里克发现了DNA双螺旋结构，这标志着人类迈出了重要一步；2010年，文特尔利用合成DNA创造了第一个“人造细胞”，这预示着合成生命时代向我们 走来。LIFE ATTHE SPEEDOF LIGHT
在一个生命有机体的范围内，那些发生在空间上和时间上的事件，如何用物理学和化学知识来解释呢？在解释这些问题的时候，当前的物理学和化学明显表现出了“无能为力”的状态，但这绝不能成为我们合理怀疑这些事件可以用物理学和化学方式来解释的理由。——埃尔温·薛定谔，《生命是什么》“生命是什么”就这简简单单的五个字，却引发出了无数极具挑战性的问题。到底是什么把生命体从无生命体中分离了出来？构成生命的基本要素是什么？最早的生命体出现在哪里？第一个生命有机体是如何演化的？生命无处不在吗？在宇宙中到底存活着多少生命？如果在外星存在着其他生命物种，那么它（他）们是跟我们一样有智慧吗，还是比我们更加聪明？
直到今天，在生物学的各个领域中，所有这些关于生命本质和起源的问题仍然持续引发着最广泛、最激烈的争论。在一定程度上，我们可以说，生物学整个学科归根到底是依赖于生命这种现象的。幸运的是，对于上述这些问题的答案，虽然我们现在仍然处于艰苦的探索过程当中，但是在过去的几十年里，我们已经取得了巨大的进步。事实上，我们记忆犹新的这些最新进展，比现代意义上的人类出现在地球上之后十多万年以来所取得的全部成就还要巨大。我们现在已经进入了我所说的“数字化生物时代”；在这个时代，原本属于不同领域的计算机程序和用来对生命进行编程的技术开始合二为一，出现了新的协同效应。在这种效应的推动下，全新的演化方向将会出现，而且演化方式也将变得非常“激进”。
薛定谔的“密码本”
如果非要让我对我心目中认定的现代生物科学诞生的时间和地点做一个选择，那么我会选择1943年2月的都柏林。因为正是从那个时候开始，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger，1887—1961）把他所有的注意力都集中到了生物学领域的一个核心问题上。1939年薛定谔把家安在了都柏林，一方面是为了逃避纳粹的迫害，另一方面是因为这个城市能够包容他非传统的家庭生活方式（他过着“三人行”式的家庭生活，在精神上追求“激烈的性冒险”），另外也出于当时的爱尔兰总统埃蒙·德瓦勒拉（éamon de Valera）的提议，德瓦勒拉在很早以前就曾经邀请薛定谔去都柏林工作。
薛定谔是量子力学中波动方程的提出者，因为这个贡献，他于1933年获得了诺贝尔奖。他提出的波动方程非常强大，能够解释下自亚原子微粒、上至宇宙本身，以及介于这两者之间的任何事物的行为。十年之后，在都柏林高等研究院的赞助下（这个研究院本身就是薛定谔他在德瓦勒拉的帮助下成立的），薛定谔在都柏林的圣三一学院举办了一个系列讲座活动，前后共发表了三次演讲。直到今天，这些演讲的内容仍然经常被人们引用。薛定谔给这个系列讲座确定的题目是《生命是什么：活细胞的物理学观》。这是从现代物理学的角度对活细胞所进行的一次考察，系列讲座部分是因为薛定谔受父亲在生物学方面的兴趣所鼓舞的结果，部分则是因为他被一篇发表于1935年的论文所激发的结果。这篇论文源于第二次世界大战前德国物理学和生物学的一次早期碰撞。在当时，德国物理学家卡尔·齐默（Karl Zimmer）和马克斯·德尔布吕克（MaXDelbrück）曾经与苏联的遗传学家尼古拉（Nikolai Timoféeff-Ressovsky）一起研究过一个课题：估算基因的大小（“大约为1 000个原子”）。他们的估算是建立在X射线破坏果蝇基因的能力和引起果蝇基因突变的能力的基础上的。
薛定谔是在1943年2月5日（那一天是星期五）下午4：30开始他的系列演讲的，当时爱尔兰总统就坐在他对面的观众席上。一个在现场的《时代周刊》记者为我们留下了这样的描述：“演讲现场人满为患，大量的听众被拒之门外。在场的内阁部长们、外交官们、学者们和社会名流们则不停地大声喝彩。这个出生在维也纳的物理学教授的雄心壮志远远超过了任何一位数学家。”第二天，《爱尔兰时报》（The Irish Times）刊登了一篇题为《活细胞和原子》的文章，该文一开头就强调，薛定谔的目标是，试图只利用物理和化学原理就搞清楚活细胞内部发生的各种“事件”。这个演讲非常受人欢迎，以至于薛定谔不得不在接下来的那个星期再一次发表了同一个系列演讲。
对自己的演讲稿进行了一番整理和修改之后，薛定谔写出了一本小册子，并在第二年公开出版。这本小册子就是《生命是什么》（What Is Life?）。它出版那年，正好是我出生的前两年。《生命是什么》这本书已经影响了一代又一代生物学家。在薛定谔发表这些举世瞩目的演讲50年周年之际，圣三一学院的迈克尔·P.墨菲（Michael P.Murphy）和卢克·A.J.奥尼尔（Luke A.J.O’Neill）组织了一个隆重的纪念活动，许多学科领域的杰出科学家都应邀前来参加——被列入来宾名单当中久负盛名的客人包括：贾雷德·戴蒙德（Jared Diamond）、斯蒂芬·杰·古尔德（Stephen Jay Gould）、斯图尔特·考夫曼（Stuart Kauffman）、约翰·梅纳德·史密斯（John Maynard Smith）、罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）、路易斯·沃尔伯特（Lewis Wolpert）和诺贝尔奖得主克里斯汀·德·迪夫（Christian de Duve）和曼弗雷德·艾根（Manfred Eigen）。这个庆典活动还有一个重要目的，那就是，预测接下来半个世纪的“主宰”将会是什么。《生命是什么》这本书是我的最爱，我至少已经在不同的情境下读过五遍了。每一次阅读它的时候，我本人都处于职业生涯的不同阶段，因此它每一次都能给我带来了不一样的信息以及全新的感受和意义。
薛定谔的这本小册子之所以拥有如此强大的影响力，恰恰是因为它所要表达的中心内容是极其简单明了的。在这本书中，薛定谔从一个全新的角度对生物学的核心问题进行了正面冲击：遗传以及生物体是如何利用能量来保持自身“有序”的？薛定谔的观点清晰而简洁。他认为，生命必须遵守物理法则，由此出发就可以得到一个必然的推论：我们必定能够利用物理法则来得到一系列有关生命本质的重要结论。薛定谔发现，染色体一定包含了“很多种能够决定个体未来发展完整模式的密码本（code-script）”。他推断，密码本必定包括“一个秩序井然的原子联盟，它拥有足够的电阻以保证秩序的永久性”。薛定谔还解释了，在一个“非周期性晶体”内的原子数量是如何携带了足够多的遗传信息的。他使用“晶体”这个术语来暗示它的稳定性，并用此来刻画它“非周期性”的特点，即这与那种周期性的、重复性的模式是不一样的。对此，《爱尔兰时报》的解释是，这就像是“用一张普通花纹的墙纸与一条有精致刺绣的挂毯相比”。非周期性意味着可能包含着更高的信息含量。薛定谔认为，这个晶体内大量的原子的排列并不是十分复杂，它很可能是与二进制代码一样的最基本的东西，比如说，与莫尔斯电码类似。据我所知，在所有提到遗传密码的人当中，薛定谔是有史以来第一个认为它如同二进制代码一样简单的科学家。
就生命而言，最显著的一个特征就是，它拥有创造秩序的能力，即从我们的混乱化学环境中“培育”出一个复杂而有序的“身体”。乍一看来，这个能力似乎是一个奇迹，它颠覆了悲观的热力学第二定律，即一切事物都倾向于从有序走向无序。但是，热力学第二定律只适用于一个“封闭式系统”，比如说一个密封的试管，然而有生命的物体却都是开放式的（或者是一个更大的封闭系统中的一小部分），它们融合在周围的能量和质量当中。生命体花费大量的精力去创造有序而复杂的细胞形式。
薛定谔有许多演讲都致力于解释生命热力学，但相对于他本人有许多重要洞见的遗传学和分子生物学领域，他对这个主题的研究不那么充分和深入。对于生命，薛定谔是这样描述的：生命“本身就是一条浓缩的‘有序的河流’送给我们的礼物，这样一来，生命就可以避免在‘原子的混乱无序’中衰败的命运，而且能够从适宜的环境中汲取‘秩序’来维持自身”。薛定谔力图搞清楚的是，一个“非周期性晶体”是如何参与到这个创造性的“伟大壮举”当中的：密码本内置了一些重新组织附近的化学物质的方法，这样就能够在那巨大的熵流中利用“涡流”，保证自身以细胞或身体的形式生活下去。
在第二次世界大战中，美国为了制造原子弹，组织了“曼哈顿计划”，无数科学家都参加了这个庞大的项目，并做出了巨大的贡献。不过，随着时间的推移，对于这个计划的“伟大意义”，许多物理学家和化学家开始不再抱有幻想。在这种情况下，薛定谔提出的这些假说极大地激发了他们的兴趣，使他们把注意力转向了生物学。值得注意的是，在薛定谔发表上述系列演讲的时候，科学界的共识是，形成遗传物质的基础是蛋白质而不是DNA。直到1944年，才出现了第一个明确的证据确凿无误地证明，是DNA而不是蛋白质才是信息的载体。事实上，促使美国的詹姆斯·沃森和英国的弗朗西斯·克里克（Francis Crick）去全力探索密码本奥秘的，正是薛定谔的《生命是什么》这本书；这最终使得他们破译了DNA：他们发现了生物学中最完美的结构——双螺旋链，在这条链当中，隐含着所有的遗传密码。在双螺旋链中，每一条链都是与其他链互补的；它们按相反的方向（反向平行）延伸。因此，这个双螺旋链可以从中间任何一点解开，而且每一条链都可以作为另一条链的模板或样板，这样一来，DNA所包含的信息就可以被复制并进一步传递给子孙后代。1953年8月12日，克里克给薛定谔写了一封信，里面就说到了这些内容，并且还加上了一句：“您提出的那个‘非周期性晶体’的术语运用得非常恰当。”
这个密码本到底是怎样发挥作用的呢？到了20世纪60年代，具体精确的细节已经被科学家们揭示出来了，密码本得到了破译。在此基础上，克里克在1970年提出了“中心法则”（central dogma），明确了遗传信息在生物学系统传递的具体途径和方式。到了20世纪90年代，我带领的一个研究团队破解了第一个活细胞的基因组；然后我又带领另一个研究团队破译了人类基因组。我的这个团队是世界上两大旨在解读人类密码本的顶尖科研团体之一。我们与沃森及其他一些科学家展开了高调的“竞赛”，这种竞争不但非常激烈，而且在竞争过程中往往很容易触怒对方，甚至还带有一定的政治性。最后，在世纪之交来临之际，我们团队获得了第一个意义非凡的、真正包含了人类生命全部编码信息的非周期性晶体的详细密码本。
在薛定谔的思想中隐含着这样一个观念：在生命的第一缕曙光刚刚开始出现的时候，密码本就已经发送出了它的信号，这个时间大约为距今40亿年前。后来的许多学者都对薛定谔这个思想进一步展开了论述。例如，生物学家兼著名科普作家理查德·道金斯（Richard Dawkins）2就在这个思想的基础上提出了“伊甸园之河”这个能够唤起我们想象的形象比喻。这条缓缓流淌的河流由信息以及能够创造出生命的编码构成。一个要点是，DNA在复制过程中的“忠诚度”并不是那么完美的，在“代代相传”的过程中，不可避免地伴随着氧化、磨损以及紫外线的损害，这些足以引起DNA的变化，进而产生许多新变异出来的物种。由此而导致的结果是，这条“河流”开始分裂，分出了许多岔道，这就是说，在数十亿年的生命演化过程中产生了无数新的物种。
早在半个世纪以前，伟大的演化遗传学家木村资生（Motoo Kimura）就曾经估计过，在过去的五亿年里，遗传信息的数量增加了一亿比特。DNA密码本已经开始统治生物学，以至于21世纪的生物学将转变成一门信息科学。对于这个趋势，诺贝尔奖得主、南非生物学家悉尼·布伦纳（Sydney Brenner）评论道：密码本“必然会成为生物学理论的核心”。现在，分类学家已经开始使用DNA条形码来区分不同的物种了。其他一些人则开始利用DNA进行计算，或者把DNA作为储存信息的一种方式。至于我自己，努力的方向并不仅仅局限于解读生命的数字密码，我的目标还要更进一步，把它写出来，并且在计算机里模拟出来，直至对它进行重组以构建出全新的活细胞。01.“合成生命”是可能的吗？
德国化学家维勒通过化学方法合成尿素，虽然并未对“活力论”造成实质性影响，却吹响了反击的号角。我们唯一需要做的就是用化学物质创造出一个人造生命。当我们创造第一个合成细胞时，我们在某种意义上“扮演了上帝的角色”。LIFE ATTHE SPEEDOF LIGHT
这种类型的合成生物学，不仅对创造人造生命提出了巨大挑战，同时也对我们定义生命理论提出了重大难题。如果生命只不过是一个有能力进行达尔文式演化的、能够自我维持的化学系统，而且如果我们能够真正理解化学是如何支撑演化的，那么我们就应该能够合成一个有能力进行达尔文式演化的人造化学系统。而如果我们真的成功地做到了这一点，那么也就证明了支撑上述成功的这些理论实质上是“赋权性”的；相反，如果我们不能通过努力创建一个化学系统来创造人造生命，那么我们就必须承认，我们的生命理论是有缺陷的。——史蒂芬·A.本尼尔
长期以来，人类一直痴迷于人造生命的概念。从中世纪帕拉塞尔苏斯的侏儒，到犹太民间传说中有生命的泥人，再到玛丽·雪莱创作的《弗兰肯斯坦》和《银翼杀手》中的“复制人”，各种神话、传说以及通俗文学作品中到处都充斥着合成生命以及机器人的故事。然而，如何给出一个精确的定义，以便恰当地刻画出生命体和非生命体之间的差异以及生物生命和机器生命之间的区别，却依然是科学和哲学面临的一个重要的、不断被重新提起的难题。
几个世纪以来，科学研究的一个主要目标就是，我们必须在最基本的层面上理解生命，然后才是学会控制生命。出生于德国的美国生物学家雅克·洛布（Jacques Loeb，1859—1924）或许是第一位真正意义上的生物工程师。洛布的实验室广泛分布于芝加哥、纽约、伍兹霍尔和马萨诸塞等地，在这些实验室里，他埋首于制造他在1906年出版的著作《生命物质动力学》（The Dynamics of Living Matter）中曾经提到过的“经久耐用的机器”。洛布创造出了双头蠕虫和其他许多东西，其中最著名的是他在没有受精的情况下使海胆卵子独自发育成为胚胎。洛布的探索给辛克莱·刘易斯（Sinclair Lewis，1885—1951）无穷的灵感，后者塑造了马克斯·戈特利布这个人物形象。马克斯·戈特利布是刘易斯于1925年出版的小说《阿罗史密斯》中的一个人物。这部小说为刘易斯赢得了普利策文学奖，它也是第一部理想化的纯科学研究巨著，里面特别提到了具有抗病毒能力的噬菌体。
菲利普·J.保利（Philip J.Pauly）在《控制生命：雅克·洛布和生物学工程理想》（Controlling Life：Jacques Loeb and the Engineering Ideal in Biology）一书中曾经引用过洛布写给奥地利物理学家兼哲学家恩斯特·马赫（Ernst Mach，1838—1916）的一封信。在这封信中，洛布这样写道：“现在，有一个想法一直在我的脑海中盘旋：人类自身可以成为一个造物主，他们甚至能够依据自己的意愿创造出一个生物世界，人类至少能够掌握‘创造有生命的物质的技术’。”15年后，洛布在为自己的科学论文集作序时对这个想法进行了更加深入的解释，他写道：“尽管主题各不相同，但是收集在这部论文集中的所有文章都渗透着一个主导思想，即我们有可能让生命处于我们的掌控之下。生物学的目的就是控制生命，别无其他。”
事实上，早在洛布与马赫通信的很多个世纪之前，洛布这种生命机械论思想的起源就能窥见一斑了。那就是与神创论生命理论形成了鲜明对照的“唯物主义”生命理论。（神创论生命理论是以某种“物质”本体之外的非物理过程和某种超自然的创造生命的方式为基础的。）恩培多克勒（Empedocles，前490年—前430年）认为，所有东西——包括生命——都是由四种永恒的“元素”或“一切的根”所构成的，这四种元素是土、水、空气和火。亚里士多德（Aristotle，前384年—前322年）也是最早的“唯物主义者”之一，他把整个世界分为三大类：动物、植物和矿物。直到今天，我们的学校教育依然是这样进行分类的。1996年，我带领的研究团队完成了对第一个古生菌基因组的测序工作。这个序列被许多人赞誉为是代表生命的第三大分支的古生菌的重要证据之一——首次提出古生菌这个生命分支的人是美国微生物学家卡尔·乌斯（Carl Woese，1928—2012）。这个消息一传出去，电视节目主持人汤姆·布罗考（Tom Brokaw）便反问道：“我们已经有了动物、植物和矿物，那么新的分支还能是什么呢？”
随着理解的深入，思想家们变得更加雄心勃勃了。在古希腊时代，改变自然以满足人类欲望或试图控制自然的想法都被认为是极其荒谬的。但是，自从16世纪科学革命发生以来，科学的主要目标已经不仅限于在最基本的层面上研究宇宙了，而是要控制宇宙。实际上，英国博物学家、经验主义创始人弗朗西斯·培根（Francis Bacon，1561—1626）早就阐述过“动手去做”胜于“坐而论道”这个道理了。他认为，希腊人“真的具有孩子的特征，他们敏于喋喋多言，却从来不可能动手去做出什么东西来；因为他们的智慧原本就是擅于文字而贫于行动的。……过了这么多年之后，从希腊人创造的任何一个体系中，以及从所有这些体系中衍生出来的各门学科中，竟然仍然找不到一个实验是用于改善人类境况或增进人类福祉的”。
培根在他1623年出版的乌托邦式小说《新亚特兰蒂斯》（New Atlantis）里描绘了他心目中未来社会的轮廓。这个想象中的世界充斥着人类的发明创造和发现成果，他甚至还设想了一个由国家支持的科研机构——所罗门学院。他写道，建立这个学院的目的是“取得自然界的统治权并且尽可能地去影响一切事物”。他还在这本小说里描述了一些对“野兽和鸟类”所做的实验。事实上，这些实验有点儿像是在进行基因改造。“使用人工手段我们能够使它们变得比正常品种更大或更小，也可以使它们侏儒化或停止生长；还可以使它们变得比普通品种更多地生育和繁衍，或者相反地，使它们不生育或失去传宗接代的能力；我们也可以使它们在颜色、外形、活动及其他诸多方面发生变异。”培根甚至提到了设计生命的能力：“这并非巧合，而是我们早已知道哪些生物可以混合和杂交，这种混合和杂交将会产生什么样的新物种。”
而在这个试图征服自然的过程中，所有科学成果都要联合起来共同为人类服务。我们知道，勒奈·笛卡尔（René Descartes，1596—1650）是光学先驱，但在提到他的时候，我们更常想到的是“我思故我在”这句名言。在他的《方法论》（Discourse on the Method）一书中，笛卡尔期待着，终有一天，人类将会成为“自然界的掌控者和所有者”。笛卡尔和他的后继者们都把对自然现象的机械论解释拓展到了生物领域，并且探索了这种拓展的内在意蕴。然而，从这一类伟大的努力诞生之日起，批评者们就表达了一系列反对意见，他们认为，在追求对自然更加高效的掌控过程中，人们有可能会忽略许多重要的道德问题和哲学问题。毫无疑问，随着这种浮士德式的现代科学精神的兴起，引发了一场有关人类“扮演上帝”这种做法的争论。
毫无疑问，对某些人来说，假设人类能够“扮演上帝”的最佳证明是，在实验室里创造出一些活的生命体。在《自然与生命的起源：源于新的知识》（The Nature and Origin of Life：In the Light of New Knowledge）一书中，法国生物学家和哲学家费利克斯·勒·当泰克（FeliXLe Dantec，1869—1917）曾经讨论过这样一个问题：现代物种是从早期的非常简单的有机体演化而来或者“变种”而来的。在达尔文主义盛行之前，法国学者经常用“种变论”（transformism）这一术语来讨论物种变化。勒·当泰克说，这种早期的非常简单的有机体是“具有最少的遗传特征的生命原生质”。在那本书中，他写道：“阿基米德说过一句名言，‘给我一个支点，我将撬起整个地球’。当然，阿基米德是在象征和比喻的意义上这样说的，因为如果只从字面上的意义来看，这句话无疑是相当荒谬的。类似地，今天的种变论者也完全有权力说：给我一个活的原生质，我就能再造一个完整的动物和植物王国。”当然，勒·当泰克清醒地意识到，这项任务极其艰巨，仅凭他自己所掌握的那个时代简单初步的方法是无法完成的：“我们对胶质物（大分子）的认识是如此粗浅和原始，以至于我们根本不应该指望自己能够快速而成功地制造出一个活的细胞。”但是，勒·当泰克非常坚定地确信，将来一定能够制造出一个合成细胞，而且他还指出：“随着新的科学知识不断积累，即使没有亲眼目睹原生质的构造过程，那些思想开明的学者也将会相信，在生物与非生物之间，既不存在本质的区别，也不存在绝对的不连续性。”
事实上，早在19世纪，许多杰出的化学家就已经对生命体与非生命体之间的界线问题进行过探索。这其中包括举世公认的现代化学伟大先驱之一、瑞典科学家琼斯·雅可比·贝采里乌斯（Jöns Jacob Berzelius，1779—1848）。贝采里乌斯在法国化学之父安托万—洛朗·拉瓦锡（Antoine-Laurent de Lavoisie，1743—1794）和其他人研究工作的基础之上，开创了原子理论，并把它应用到了“活”的有机化学中。贝采里乌斯把化学的这两个主要分支定义为“有机化学”和“无机化学”。有机化合物指含有碳原子的化合物，它与其他的化学物质不同。在“有机”这个术语被广泛使用的第一个世纪里，“有机”指的是“来自生命”。贝采里乌斯在他出版于19世纪初的那本相当有影响力的化学教科书中对“有机”这个术语所做的定义，我们至今仍在使用。活力论者和新生代活力论者甚至从一个更为独特的视角去看待有机世界：“有机物质至少由三种成分组成……这些成分是无法通过人工制造的方式获得的……它们只能通过某种与生命力密切相关的方式才能获得。很显然，同样的法则并不适用于有机化学和无机化学，生命力的影响是至关重要的。”
合成尿素，一个对神秘生命力说“不”的故事
德国化学家弗里德里希·维勒（Friedrich Wohler，1800—1882）曾与贝采里乌斯短暂共同工作过一段时间。长期以来，人们一直认为维勒的一项重要发现证明了活力论者的观点是“虚假”的，那就是尿素的化学合成。你将会在现代的教科书、讲座以及文章里发现对维勒实验结果的引用。这个成就确实堪称科学发展史上一个伟大的里程碑，它标志着“生命必定是从古绵延至今的”这一观点的终结（而这一观点一度非常有影响力）。这种观点是说，存在着一种“生命的力量”，它能够区分有生命与无生命（生命与非生命），即存在着一个特别的“灵魂”，任何一个身体，只有在注入了“灵魂”之后，才能被赋予生命。与此不同，维勒的实验所涉及的是一种纯化学物质，因此从某种意义上讲，维勒似乎已经创造出了某种形式的生命。这确实是一个独一无二的瞬间，它充满了所有的可能性。仅仅凭借一个实验，他就改变了整个化学的面貌——在那之前，化学被区分为两个相互独立的领域，一个领域研究有生命的分子，另一个领域研究无生命的物质。维勒打开了一个缺口，最终使化学这门学科彻底远离迷信，走向科学。值得一提的是，维勒这个伟大的成就是在玛丽·雪莱的哥特式小说《弗兰肯斯坦》发表10年之后取得的；另一个巧合是，这个重要事件还发生在乔凡尼·阿尔锹尼（Giovanni Aldini，1762—1834）试图通过电击方法让一个死囚“死而复生”之后没几年。
1828年1月12日，维勒给贝采里乌斯写了一封信，解释了他这个突破性实验。在这封信中，维勒细致地描述了他在柏林理工学院意外制造出尿素时的情景。在他得到这个成果之前，尿素一直因其为在哺乳动物的尿液里发现的最主要的氮化合物而广为人知。维勒一直试图利用氰和氨这两种化学物质来合成草酸（草酸是大黄含有的一种成分），但是最终制造出来的居然是一种白色的晶体物质。经过仔细的实验研究，维勒得到了天然尿素的精确分析结果，并且证明了他制造出来的晶体与天然尿素完全相同。在那之前，尿素一直只能从“动物资源”中分离出来。由于一直没有收到贝采里乌斯的回信，心急如焚的维勒在1828年2月22日又给贝采里乌斯写了一封信，他在信中说道：
我希望您已经收到了我于1月12日写给您的信。尽管我每天，甚至每时每刻都希望看到您的回信，不过现在我已经等不及要给您再写一封信了，因为我不需要再隐瞒我发现了尿素这个事实了，我希望尽快把这一消息公布出去。我能够在不需要肾脏的情况下制造出尿素，无论是人的肾脏还是狗的肾脏都不需要了。我得到的这个氰酸铵盐就是尿素……只要把氰酸加入铵溶液中，让它们发生化学反应，就很容易获得这种人工合成的氰酸铵盐。让氰酸银和氯化铵溶液发生反应也可以得到同样好的结果。用这两种方法都可以获得这种四面直角的非常漂亮的棱状晶体物质。对它们用酸进行处理时，不会释放出氰酸；用碱进行处理时，也不会释放出氨气。但是如果用硝酸进行处理，则会产生一种容易结晶的泛着光泽的化合物，这种化合物拥有强酸的性质。我个人倾向于认为这是一种新的酸，因为它在加热时产生的既不是氮也不是亚硝酸，而是大量的氨气。我又发现，如果把它浸到碱溶液中，那么就会重新出现一种被称为氰酸铵的物质，利用酒精，就能够把这种东西提取出来。现在，突然之间，我明白了，所需要的只是对尿液中的尿素与氰酸盐中的尿素进行比较就可以了。
当然，贝采里乌斯最终还是对维勒的来信给出了回复，而且他的语气既幽默风趣又满腔热情：“当一个人已经决定用尿液这个东西来赢得自己的不朽名声时，他就毫无疑问有无数个理由去利用这个东西来完成这项伟业。真的，维勒博士确实已经设计出了一个非常好的方法，这个方法为他打开了通往真正不朽名声的道路……当然，这对未来的理论必定是很有启发意义的。”
事实的确如此。例如，尤斯图斯·冯·李比希（Justus von Liebig，1803—1873）也对维勒的成就给予了高度评价。冯·李比希是一个非常有影响力的人物，他在很多方面都对推动化学这一学科的发展发挥了至关重要的作用。其中一个例子是，他证明了氮是植物生长的重要营养成分。1837年9月，冯·李比希给利物浦的英国科学促进协会写了一封信。在这封信中，冯·李比希谈到，维勒“在没有任何生命机能的帮助下，制造出了这个非同寻常的、在某种程度上令人难以置信的东西——尿素”。冯·李比希强调了这个成就的意义，并指出，“科学从此进入了一个全新的时代”。
维勒这个伟大的贡献很快就被写进了教科书和科学史著作中。其中特别值得一提的是赫尔曼·弗朗兹·莫里茨·柯普（Hermann Franz Moritz Kopp）所著的《化学史》（History of Chemistry）一书。在这本书中，柯普描述了维勒的实验如何“摧毁了早先被广泛接受的关于有机体与无机体之间的区别的理论”。直到1854年，维勒关于尿素合成的重要意义仍然被学界广泛强调，例如，德国化学家赫尔曼·科尔伯（Hermann Kolbe，1818—1884）这样写到，人们一直认为存在于动物和植物体内的化合物的形成“应该归功于一种专属于生物界的非常神秘的固有力量，即所谓的生命的力量”。但是现在，随着维勒划时代的重大发现，有机化合物和无机化合物之间的鸿沟已经被填平了。
然而，与历史上一再经受重新考察的许多重大发现一样，维勒所完成的贡献也经历了一个重新解释的过程。“修正后的故事”带给我们的新见解甚至可能会使那些接受传统教科书解释的人感到惊讶——科学史学家彼得·兰贝格（Peter Ramberg）把这种传统解释称为“维勒神话”。这个神话在1937年达到顶峰，伯纳德·贾菲（Bernard Jaffe）在他所著的一本相当受欢迎的化学史著作《严酷的考验：伟大的化学家的生活和成就》（Crucibles：The Lives and Achievements of the Great Chemists）中，细致生动地描写了维勒作为一个年轻的科学家在他那“神圣的庙宇”（实验室）中“辛苦劳作”，最终证伪了神秘生命力量的故事。
兰贝格指出，维勒做出的贡献当然是实验研究历史上的一个里程碑，这一点是毫无疑问的。然而，令人奇怪的是，维勒同时代的人对这一结果的反应究竟如何，为什么留下来的记录少到几乎没有。尽管贝采里乌斯显然对维勒的工作激动不已，但是这与其说是在活力论盛行的时代背景下的一种反应，还不如说是因为尿素的合成标志着可以把盐类化合物转变为非盐类物质。维勒证明，只要通过重新排列内部原子，就能够把氰酸铵变成尿素，而重量上既不增也不减，这也就意味着，他已经给出了被化学家称为“异构现象”（isomerism）的最重要的、最好的一个例子。维勒的做法无疑有助于破除原来的陈旧观念，即具有不同的物理和化学性质的两个物体不能由同样的成分构成。
历史学家现在普遍认为，仅凭一个实验不足以证明维勒发现了有机化学这个领域。维勒的尿素合成似乎并没有对活力论造成什么实质性的影响。贝采里乌斯本人认为，尿素只不过是一种废料：与其说尿素是一种有机化学物质，还不如说它“占领”了有机和无机之间的“中间地带”。此外，维勒的原料本身就来自有机物，而不是来自无机物。而且他这个成果也并非是独一无二的：早在四年前，他自己就已经利用水和氰人工制成了另一种有机化合物：草酸。科学史学家约翰·布鲁克（John Brooke）的最后结论是，维勒的合成尿素“只不过是试图阻碍活力论思想的河流滚滚向前的一小块儿鹅卵石而已”。
形形色色的“活力论”
活力论就像宗教一样，并不会随着新的科学发现不断涌现而轻易地自行消失。要实现信仰体系的更新换代，就必须从大量的实验中积累起足够厚实的证据。尽管不断进步的科学已经渐渐促使人们摆脱活力论的影响，但是这需要人们付出几百年的努力，甚至到了今天，扑灭这种神秘主义信仰的任务仍然没有最终完成。
回顾历史，我们发现，如果能够有效地利用一系列关键成果，古老的活力论思想原本早该被摧毁了。这最早可以追溯到1665年，当时罗伯特·胡克（Robert Hooke，1635—1703）开创性地使用了显微镜，有史以来第一次发现了细胞。由于胡克以及其他一些发明家的努力，如荷兰人安东尼·范·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek，1632—1723），科学家们积累了许多“细胞演化为生命的主要生理结构”的证据。在16世纪和17世纪，随着现代科学的诞生，活力论面临着更为严峻的挑战。到了1839年，即维勒合成尿素十多年后，马蒂亚斯·雅各布·施莱登（Matthias Jakob Schleiden，1804—1881）和西奥多·施旺（Theodor Schwann，1810—1882）已经明确地写道：“所有活的生物都是由活的细胞构成的。”1855年，现代病理学之父鲁道夫·菲尔绍（Rudolf Virchow，1821—1902）提出了所谓的生物发生法则（Biogenic Law），即“一切细胞皆来源于细胞”或者“所有活细胞都来自已有的细胞”。这与自然发生说的观点形成了鲜明的对照。自然发生说可追溯到古罗马时期，顾名思义，这种学说认为，生命能够从非生命的物质中自发地产生，比如说，蛆虫生自腐烂的肉、果蝇产自香蕉。
1859年，路易·巴斯德（Louis Pasteur，1822—1895）完成了一个著名的实验，有力地反驳了通过简单的实验就能实现“自然发生”的观点。巴斯德分别对装在两个不同的瓶子里的肉汁进行了加热，一个是没有塞子的直颈瓶，让肉汁直接接触空气，另一个则是S型曲颈瓶，并且塞上了棉塞。当直接暴露在空气中的直颈瓶里的肉汁冷却后，里面长出了细菌，而在另一个塞了棉塞的曲颈瓶里却没有长出细菌。巴斯德认为，他自己这个实验足以证明微生物无处不在（包括存在于空气中）。然而，与维勒的实验一样，巴斯德的这个实验的具体细节无法让人确信不疑，因为许多明确的证据都是由一系列德国科学家的后续工作提供的。
以巴斯德的实验为先导，后来的一批科学家最终排除了“生命最初是由或者可能是由无机化学物质发展而来的”这种可能性。1906年，法国生物学家和哲学家勒·当泰克写道：“人们常说，在巴斯德之前，许多科学家竭尽全力在实验室里制造生命，但是巴斯德已经证明了，这种努力终将是没有用的。但是事实上，巴斯德只是表明了：通过采取适当的措施，我们可以让所有入侵物种确实存在于某些作为它们食物的物质之上。这就是全部。生物合成仍然是一个问题，并未解决。”
虽然巴斯德已经表明了怎样可以把特定的生命形式排除在无菌环境之外，但是他没有增进我们对“数十亿年以来，生命是如何在地球形成之初就已经奠定根本的”这一问题的理解。1880年，德国演化生物学家奥古斯特·魏斯曼（August Weismann，1834—1914）把一个重要的推论引进了生物发生法则，使生物发生法则回归到了最根本的起源。魏斯曼写道：“要对今天的活细胞进行追根溯源，就必须回到古代。”换句话说，今天的活细胞必定存在一个共同的祖先细胞。当然，这也就把我们带回到查尔斯·达尔文（Charles Darwin，1809—1882）名垂青史的进化论巨著《物种起源》（On the Origin of Species）上去了。达尔文与英国博物学家、探险家阿尔弗雷德·罗素·华莱士（Alfred Russel Wallace，1823—1913）一样，都认为存在于所有生物物种上的变化或变异特征都是代际相传的。有些变异产生了有利的结果，所以在每一代都能茁壮成长，因此它们——和它们的基因——变得更为普遍，这就是自然选择。随着时间的推移，随着新的变异不断积累，某一个世系可能已经演化到了一种程度，它不再与它的近亲交流基因。到这个时候，一个新的物种就诞生了。
尽管已经取得了上述科学进展，但是直到20世纪，活力论者仍然拥有许多热情的支持者。著名的德国胚胎学家汉斯·杜里舒（Hans Driesch，1867—1941）就是其中之一。由于身体形成于一个没有任何“模式”或“图案”的单细胞这个智力难题对他来说似乎是无法解决的，于是杜里舒转向求助于实体论（entelechy，这个单词源自希腊语entelécheia）的观念。这种理论要求有一个“灵魂”“组织现场”或“生命元素”来激活生命的物质。1952年，伟大的英国数学家艾伦·图灵（Alan Turing，1912—1954）向人们展示了如何从单一的一个胚胎开始，创造出一种新的模式。类似地，法国哲学家亨利—路易斯·柏格森（Henri-Louis Bergson，1859—1941）则提出，存在着能够克服活体内部物质的阻力的生命冲动。即使在今天，虽然大多数严肃的科学家都认为，活力论早已经被推翻了，但是还有一些人坚守这种信念，认为生命是建立在一些神秘力量的基础之上的。也许这并不令人惊讶：对于它的支持者来说，活力论这个术语拥有许多含义，不过，被广泛接受的有关生命的定义仍未出现。
在我们这个时代，一种新的活力论出现了。在这个更为精炼的活力论中，被强调的与其说是“生命的火花”，不如说是“其他理论的困难”，即现有的一切理论，无论还原主义，还是唯物主义，似乎都不足以解释生命的神秘。这种想法反映了这样一种信念：活细胞的出现极其复杂，它产生于能够形成相互连接的反馈循环的大量相互作用的化学过程中，仅仅根据这些构成过程和它们的构成反应是不足以描述整个过程的。因此，今天的活力论用改变过的中心观点把自己伪装了起来，它将重点从DNA转移到了细胞的“涌现性”上来。这里所谓的“涌现”，是指细胞大于组成它的所有分子的总和，而且在特定的环境有特定的表达形式。
这个精巧的新活力论无疑会导致一些人倾向于看轻甚至忽视DNA的重要性。具有讽刺意味的是，在这一点上，还原论并不能给我们任何帮助。细胞的复杂程度是如此之高，再加上大多数大学里的教学部门不断地对生物学进行细分，导致在许多人中间出现了蛋白质中心论和DNA中心论的观点之争。近年来，DNA中心论者越来越多地把重点放在了实验胚胎学上，“开关”系统会打开或关闭细胞中的基因，以应对诸如压力和营养这样的环境因素。从许多人现在的行为表现来看，就好像是实验胚胎学真的已经彻底从DNA驱动的生物学中分离出来了，或者已经成了一个完全独立于DNA驱动的生物学的一门独立学科了。当一个人把不可测因素加入到细胞质中去的时候，那么他在无意中就已经落入了活力论的陷井了。同样地，当一个人强调细胞的“高于DNA”的神秘的“涌现性”时，也是如此。强调这些，就相当于复兴“细胞产生细胞论”，即一切活的细胞都来自现有的细胞。
当然，细胞确实是所有目前已知的生命得以演化的最基本的生物基础。因此，对它们的结构和组成成分的理解是细胞生物学、生物化学/新陈代谢这些重要的核心学科的基础。然而，正如我希望在本书中阐释清楚的那样，如果细胞缺乏遗传信息系统，那么它们很快就会死亡——通常来说，最短几分钟内，最长几天。最大的例外是人类红细胞，它的“半衰期”为120天。没有遗传信息的细胞无法造出蛋白质或者脂类分子膜，而正是这些东西构成了能够储存水性物质的细胞膜。这样一来，它们将不再演化、也不再复制，因此也就不能够存活下去了。
尽管我们承认，对维勒的尿素合成实验的神化掩盖了一些东西，使之无法精确地反映历史事实，但是维勒实验的基本逻辑仍然对科学方法造成了强大的、极具学科“合法性”的影响。在今天，证明化学结构正确性的标准做法仍是进行化学合成，并证明合成物质里包含了天然产品的所有属性。成千上万的科学论文都是从这个假设或者包含“合成的证据”这样的措辞开始的。我自己的研究也一直是在维勒写于1828年的那封信中所阐述的原理的指导下进行的。2010年5月，我自己创办的J.克雷格·文特尔研究所（J.Craig Venter Institute, JCVI）的研究团队通过计算机程序和四瓶化学物质合成了一个完整的细菌染色体，然后我们把这个染色体植入一个细胞中，创造出了第一个合成有机体。我们成功了！这是一个能够与维勒的工作和他的“合成的证据”相提并论的事件。
冯·诺依曼的“细胞自动机”
机械唯物主义生命观促使一些人试图利用机械系统和数学模型创造生物学之外的人造生命。一直到20世纪50年代，人们才终于承认DNA是一种遗传物质。在那之前，机械唯物主义的方法早已出现在科学文献当中了。根据这种机械唯物主义生命观，生命源自复杂的机械原理，而不是复杂的化学反应。1929年，年轻的爱尔兰晶体学家约翰·德斯蒙德·伯纳尔（John Des-mond Bernal，1901—1971）想象出机器有可能具有某种类似于生命的自我复制能力，他在《世界、众生和恶魔》（The World, the Flesh&the Devil）一书中描述，“在未来的后生物学时代，制造生命本身仅仅只是一个初级阶段。只有当我们打算让生命本身进行再次自我演化的时候，纯生命的制造才是重要的”。
在那之后的十年里，创造这类复杂“机械生命”的方法“合乎逻辑”地得到了发展。1936年，密码破译者和人工智能先驱艾伦·图灵描述了他那个众所周知的图灵机，它是写在磁带上的一组指令。图灵还定义了一个通用图灵机，它能够执行利用一个指令集写出来的任何计算命令。这是数字计算机的理论基础。
到了20世纪40年代，卓越的美国数学家和博学家约翰·冯·诺依曼（John von Neumann，1903—1957）进一步发展了图灵的思想，构想出一个能够进行自我复制的机器。正如图灵设想出一个通用的计算机一样，冯·诺依曼构想出一个通用的构造器（构造函数）。在1948年于加利福尼亚州帕萨迪纳的西克森举行的研讨会上，这个出生于匈牙利的天才概括了他的“自动机一般的且合乎逻辑的理论”。他指出，自然生物“一般来说比人工自动机更为复杂和精妙，因此也更让人难以精确理解其中的奥妙”。尽管如此，他坚持认为我们在自然生物身上观察到的规律对我们思考和设计人工自动机应该是很有帮助的。
从形式上看，冯·诺依曼的机器（冯·诺依曼细胞自动机）是一条由许多个细胞组成的“带子”，这些细胞编码了这台机器所要执行的“动作”序列。利用一个“写头”（也被称为“构造臂”），这台机器就能够打印（构造）出一个新的细胞模式，因此，它能够完整地复制出自身以及那条“带子”。从结构上看，冯·诺依曼这台能够自我复制的机器似乎有些笨拙，它由以下几部分构成：一个有80×400个方格的基本盒、一条“构造臂”和一个“图灵尾”，其中“图灵尾”本身也是一条编码指令的“长带子”，由15万个方格构成。（“图灵的自动机纯粹是一台计算的机器，”冯·诺依曼曾经这样解释，“而我们所需要的是能够制造出另一台自动机的自动机。”）总之，这个“生物”由大约20万个这样的“细胞”构成。为了进行复制，这台机器需要通过“神经元”来提供逻辑控制、利用传输细胞传送来自控制中心的信息、利用“肌肉”去改变周围的细胞。在“图灵尾”的指示下，这台机器会伸出它的“构造臂”，然后对它进行来回扫描，通过一系列的逻辑操作制造出一个自己的副本。这个复制品又能复制出另外一个副本，如此不断循环反复。
在我们这个数字世界和生物世界的科学进步并驾齐驱的时代，这些指令的性质变得更加清晰了。薛定谔提出了一些论述，似乎可以作为他的密码本的“第一参照”。他说：“正是这些染色体，或者可能是那些只有在显微镜下才能真正看到的、被我们误认为是染色体的中枢骨骼纤维，携带了某种能够决定个体未来发展的完整模式和成熟后功能的密码本。”紧接着，薛定谔又继续指出，这个密码本可能就像二进制那样简单：“事实上，在这样一个结构中，原子的数量不需要非常大，原因是，为数不多的原子就能制造出几乎无限数量的可能物质。为了说明这一点，不妨试着考虑一下莫尔斯电码这个例子。莫尔斯电码由点和画这两种符号组成，它们之间的不同组合不超过4种，却可以表达出30种不同的意思。”
尽管冯·诺依曼构思他的自我复制自动机的时间要比双螺旋结构的DNA中真正的遗传密码被发现早好多年，但是他确实已经把注意力集中到演化能力上了。在他的西克森演讲中，冯·诺依曼告诉听众，他这台机器执行的每条指令都“大致影响了基因功能”，他还继续描述，这台自动机中的错误是如何以像突变过程中会出现的某些典型特征的形式呈现出来的。“从规则的条件来看，这似乎是一个致命的问题，但是这同时也带来了一个可能性：有可能以修改后的特征不断进行自我复制。”正如遗传学家悉尼·布伦纳曾经指出的那样，可以说，生物学为图灵和冯·诺依曼的机器提供了最好的真实世界的例子：“作为有机体的一种符合表征的基因——密码本这个概念所表达的含义，确实是生命世界的一个基本特征。”
在上述能够自我复制的机器的基础上，冯·诺依曼还进一步构思了一台纯粹基于逻辑的自动机。这台自动机并不需要一个“物理的身体”，也不需要海量的实体零件，相反，它是以一个网格中能够不断改变自身状态的细胞为基础的。对此，冯·诺依曼的同事，曾经在美国新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯（在那里他们一起为“曼哈顿计划”而工作）与他共事过的数学家斯塔尼斯拉夫·乌拉姆（Stanislaw Ulam，1909—1984）是这样解释的：冯·诺依曼利用一个抽象的数学工具来发展他的设计。乌拉姆自己过去研究晶体生长理论时也曾经利用过这个数学工具。1953年3月2日～5日，冯·诺依曼在位于新泽西州的普林斯顿大学发表了题目为《机器和生物》（Machines and Organisms）的瓦尼克桑演讲，他的“自我复制自动机”就是在这次系列演讲中公布于世的，它也是有史以来第一台细胞自动机。
正当这些科学家继续致力于研究“模型化的生命”时，1953年的4月25日，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克在《自然》杂志上发表了题为《核酸的分子结构：脱氧核糖核酸的结构》（Molecular Structure of Nucleic Acids：A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid）这篇里程碑式的论文，至此，我们对真实生物的理解发生了改变。他们两人是在英国剑桥大学完成这项研究的，而他们提出的DNA双螺旋结构模型则是建立在由伦敦大学国王学院罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin，1920—1958）和雷蒙德·高斯林（Raymond Gosling，1926—2015）所获得的X射线晶体数据的基础上的。沃森和克里克描述了“优雅”的双螺旋分子结构，解释了它的功能以及DNA是如何进行复制并将它的指令一代一代传递下去的。这是一台天然的自我复制自动机。
科学家努力创造另一种能够自我复制的自动机的开端，以及他们对人造生命研究的起步阶段，大体上都可以追溯到这个时期，这也正
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