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最令人敬佩的是，雅各布和莫诺成功地推导出这个结论时，世上还没有人能够直接提取这一过程中涉及的特定基因和蛋白质。他们解决这个问题的方法只是借助信息的棱镜，细致观察细菌。换言之，他们不需要知道自己研究的细胞过程中的重要化学物质和成分的所有细枝末节。相反，他们从基因入手，让参与这个过程的基因发生突变，将基因视为控制基因表达的抽象的信息成分。
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雅各布写了《生命的逻辑》（The Logic of Life ），莫诺写了《偶然与必然》（Chance and Necessity ），这两本书都对我影响至深，所涉及的问题与我在本书中讨论的议题也有共通之处。我没见过莫诺，但和雅各布见过好多次。我们最后一次见面时，他邀请我在巴黎共进午餐。他想谈谈自己的生活，再讨论一些想法：如何定义生命，进化论的哲学含义，以及对比一下法国和盎格鲁-撒克逊的科学家们对生物学的发展做出的贡献。战时的旧伤让他备受困扰，他是典型的法国知识分子，阅读量大得令人难以置信，哲学、文学和政治无所不通，对我来说，那是一次重要且难忘的会面。
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雅各布和莫诺做研究的那个年代里，人们正在慢慢了解信息如何从基因序列转移到蛋白质，再转移到细胞功能，以及这种转移是如何被控制的。这种以信息为中心的思路也指导了我的思考。在开始自己的研究事业时，我想知道细胞是如何理解自己的状态，并组织其内部的化学成分以控制细胞周期的。我不只想描述细胞周期中发生的事情，还想了解是什么控制了细胞周期。这就是说，我要回到信息的角度去思考细胞周期，不仅把细胞看作化学机器，还要把它视为一台逻辑和演算的机器，就像雅各布和莫诺认为的那样，它的存在和未来都要归功于它处理和管理信息的能力。
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近几十年来，生物学家们开发了强大的工具，投入了大量精力去识别、统计活细胞的各种成分。就拿我的实验室来说吧，为了完成裂殖酵母的全基因组测序，我们做了大量工作。我们的合作者是巴特·巴雷尔，他曾和弗雷德里克·桑格共事过。20世纪70年代，弗雷德里克·桑格发明了第一个实用可靠的DNA测序方法。在这个项目中，我见过弗雷德里克好几次，虽然那时他已经正式退休了。弗雷德里克相当安静、温和，喜欢种植玫瑰，而且，与我这些年来遇到的许多最成功的科学家们一样，总是愿意慷慨地花时间与年轻科学家们交谈，鼓励他们。他走进巴特的实验室时就像一个迷路的园丁，当然，这可是一位获得了两次诺贝尔奖的园丁啊！
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我和巴特共同组织了来自欧洲各地的十几家实验室通力合作，读取了裂殖酵母基因组中约1400万个DNA字母。在百余人的努力下，这项工程大约用了3年才完成，如果我没记错的话，这是第三种被完全且准确地进行了测序的真核生物。当时是2000年前后。现在，同样的基因组可以由几个人在一天之内完成测序！在这20年里，DNA技术的进步可谓日新月异。
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收集这类数据固然重要，但这只是迈出了第一步。更具挑战性的关键目标是了解这一切是如何共同运作的。心怀这个目标，我认为，大多数进展必将基于这种观点：将细胞看作由一系列单独的模块组成，它们共同运作，以实现更复杂的生命特性。我用“模块”这个词指代作为部件的一组成分：为了执行特定的信息处理功能，它们是作为一个单元发挥作用的。
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用这个定义来看，瓦特的调速器就是一个目的明确的“模块”：控制发动机速度。雅各布和莫诺发现的基因调控系统也是一个例子：调控细菌消化糖类。从信息的角度来看，它们以相似的方式工作，都展示了一种名为“负反馈循环”的信息处理模块。这种模块可以用来维持稳态，在生物学中使用非常广泛。负反馈循环可以使你的血糖水平保持相对恒定，哪怕你吃了糖衣甜甜圈之类的高糖食物。胰腺中的细胞可以检测到你血液中过量的糖，并做出反应，将胰岛素释放到你的血液里。反过来，胰岛素会触发肝脏、肌肉和脂肪组织中的细胞，让它们从血液中吸收糖，降低你的血糖，并将其转化为不溶性糖原或脂肪，储存起来供以后使用。
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另一种类型的模块是“正反馈循环”，可以形成不可逆的开关：一旦开启就永远不会关闭。正反馈循环可以通过这种方式控制苹果的成熟。正在成熟的苹果细胞会产生乙烯气体，既能催熟苹果，同时又能增加乙烯的释放量。因此，苹果的成熟度永远不会降低，相邻的苹果还可以互相帮助，让彼此更快成熟。
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不同的模块连接在一起时，它们就能产生更复杂的结果。比如，有些机制产生的开关可以在开、关两种状态间来回跳动，或像振荡器一样，有节奏地不断脉冲式地开和关。生物学家已经发现了在基因活动和蛋白质层面运作的振荡器——它们被用于许多不同的目的，例如区分白天黑夜。植物叶子中的细胞会利用基因和蛋白质的振荡网络来估量时间的流逝，让植物预知新的一天即将开始，并在天亮前开启光合作用所需的基因。还有些振荡器会因为细胞的互动沟通而产生脉冲式的开关效果，比如此刻在你胸口跳动的心脏。另一个例子是在你的脊髓中嘀嗒作响的神经元振荡回路，它激活了腿部肌肉反复收缩和放松的特定模式，使你能以均匀稳定的步伐行走。所有这一切都不需要你刻意去想，它们自然而然就发生了。
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不同模块在生物体中相互联系，产生了更复杂的行为。打个比方，智能手机有很多功能，诸如通话、上网、拍照、播放音乐、发送电子邮件等，你可以把每一种功能都想象成在细胞里运作的模块。设计智能手机的工程师必须确保这些不同的模块能够共同工作，以便让手机完成所有需要做的任务。为此，他们创建了逻辑图，显示信息在不同模块间是如何传递的。从模块层面开始设计一部新手机，可以让工程师确保他们的规划在功能上是合理的，而不至于迷失在单个部分的细节中。这样一来，他们就不需要从一开始就为组成每个模块的大量单独的晶体管、电容、电阻和其他无数电子元件而费神。
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用这种思路，我们就更容易理解细胞了。如果我们能够了解细胞的不同模块，看到细胞如何将它们关联起来去处理信息，我们就不一定非要知道每个模块运作的所有微小的分子层面的细节。首要目标应该是把握其中的意义，而非仅仅对复杂的项目进行分类编目。比方说，我可以给你一个清单，上面包含所有印在这本书里的单词，以及它们出现的频率。这个编目就像一份零件清单，但缺失了说明书；这固然可以让你感受到文本的复杂性，但几乎所有意义都丢失殆尽了。为了把握意义，你必须以正确的顺序阅读这些词，琢磨它们以句子、段落和章节的形式在更高层次上传递了什么信息。它们共同作用，为我们讲清故事、说明问题、沟通想法和做出解释。生物学家对一个细胞中所有的基因、蛋白质或脂质进行分类编目时，也同样如此。这是一个重要的起点，但我们真正期盼的是了解这些部分如何共同运作，如何形成保持细胞活力和繁殖力的模块。
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从电子和通信领域推衍出的类比对理解细胞和生物体很有帮助，就像我刚才举的智能手机的例子，但我们必须谨慎使用。生物所使用的信息处理模块和人类制造的电子电路所用的信息处理模块在某些方面是极其不同的。数字计算机硬件一般是静态的、不可变通的，所以我们才称它为“硬件”。相比之下，细胞和生物体的“线路”是流动的、动态的，因为它基于生物化学成分，可以在细胞的水分中扩散，也可以在不同的细胞区室和细胞之间移动。各种成分可以在细胞中更自由地重新拼接、重新定位和改换用途，有效率地重新排布整个系统的线路。硬件和软件的比喻很生动，但很快就不够用了，这就是系统生物学家丹尼斯·布雷（Dennis Bray）[4] 创造了“湿件（wetware）”这个有见地的术语的原因，它可以用来描述生物体中更具灵活性的计算材料。通过湿化学媒介，细胞在不同部件间建立了关联。
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在大脑这个典型的高度复杂的生物计算机中也是如此。在你的一生中，神经细胞不断生长、收缩，与其他神经细胞建立或中断连接。
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任何一个复杂系统要想表现为一个有目的性的整体，就要在系统内的不同组成部分之间、系统与外部环境之间进行有效的沟通。在生物学上，我们把进行这种交流的模块组合称为“信号通路”。激素被释放到血液中就是个信号通路的例子，比如调节血糖的胰岛素，除此之外还有很多其他类型的通路。信号通路可以在细胞内、细胞之间、器官之间、整个生物体之间、生物种群之间，乃至整个生态系统的不同物种之间传递信息。
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为了实现各种不同的结果，信号通路传递信息的方式可以有所调整。它们可以传递很简单的信息，比如开启或关闭一个信号源，就像打开灯的开关，但也能用更精巧的方式传递信号。比如，在某些情况下，一个微弱的信号会开启一个信号源，而另一个较强的信号会开启第二个信号源。类似的情况是，一声耳语可以引起你身边人的注意，但要在紧急情况下疏散整个房间里的人，就需要一声大喊。细胞还可以利用信号通路的动态行为来传输更丰富的信息流。哪怕信息本身只是“开”或“关”这么简单，也可以通过改变这两种状态延续的时间来传输更多信息。摩斯电码就是个很好的类比。只需简单地改变信号脉冲的持续时间和顺序，摩斯电码就能靠“点”和“划”传递出信息流，无论是紧急求救信号还是达尔文《物种起源》里的章节，其意义都能在这种信息流中得到传送。以这种方式运作的生物信号通路可以生成繁杂的信息，远比“是/否”或“开/关”之类的简单信息序列更富深意。
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细胞不仅要把信息传递到空间里的另一点，还要想办法把信息传递到时间中的另一点。为了实现这一点，生物逻辑系统就必须有存储信息的能力。这就是说，细胞可以携带以往经历的化学印记，我们不妨把它想象成在我们大脑中形成的记忆。这些细胞记忆的跨度很广，从片刻前发生的事留下的短暂印象，到DNA保存的极其长久且稳定的记忆。细胞会在细胞周期中使用短期历史信息，比如细胞周期早期发生的事件的状态被“记录”并被信号传递到周期后期发生的事件。举例来说，如果复制DNA的过程尚未完成，或是出现问题，这个事件就需要被记录下来，并传递给负责细胞分裂的机制。否则，细胞可能在整个基因组被正确复制好之前就试图分裂，这就可能导致遗传信息的丢失和细胞的死亡。
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基因调控的过程使细胞能够在较长时间里储存信息。这是英国生物学家康拉德·沃丁顿（Conrad Waddington）在20世纪中期特别感兴趣的课题。1974年，我开始在爱丁堡大学做博士后研究时有幸结识了沃丁顿。他是一位非凡的人物，在艺术、诗歌和左翼政治方面有着广泛的兴趣，但他最著名的创举是创造了表观遗传学（epigenetics）这个词。他用这个术语来描述细胞在胚胎发育过程中逐渐承担更加特定的角色的方式。只要成长中的胚胎示意细胞一门心思扮演某个角色，它们就会记住这个信息，几乎不会再改变自己的发展方向。就这样，一旦某个细胞决意成为肾脏的一部分，它就将一直是肾脏的一部分。
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当今大多数生物学家对表观遗传学这个词的用法都基于沃丁顿的想法。这个术语描述的是细胞以相当持久的方式开启或关闭基因的一系列化学反应。表观遗传过程并不改变基因本身的DNA序列；相反，它们起作用的方式常常是在DNA上或与DNA结合的蛋白质上添加化学“标签”。这种方式缔造了基因的活动模式，这一模式可以贯穿整个细胞的生命周期，有时经由数次细胞分裂，该模式延续的时间甚至更长。偶尔——但也确实不太常见——还可以从上一代持续到下一代，以化学形式将个体生物的生命经验信息直接经父母传递给子女，乃至他们的子孙后代。有些人认为，这些基因表达模式的跨代存续不啻为严峻的挑战，质疑了遗传仅基于DNA基因序列的观点。然而，目前的证据表明，跨代表观遗传只在少数情况下发生，在人类和其他哺乳动物中似乎非常罕见。
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不只是基因调控，信息处理对于生物体如何在空间中创造有序的结构也很重要。以我的钩粉蝶为例。它的结构精巧复杂：翅膀的形状是被精心设计过的，以便飞翔；翅膀上的那些斑点和脉络也经过了非常精确的布置。此外，所有的蝴蝶都是按照同样的设计构造的，比如说，它们都有一个头部、胸部和腹部，六条腿和两根触须。这些结构的形成、生长和它们身体的其他部分一样，都是可预见的。所有这些非凡的空间结构是如何发生的？又是如何从一个均匀一致的卵细胞中产生的呢？
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就连细胞也会呈现出各种高度复杂的结构和形状，和17世纪罗伯特·胡克描述的软木细胞，以及我上学时在洋葱根茎中观察到的那些呈箱状规则排布的表皮细胞截然不同——有的肺细胞上长着梳子般的毛，它们不断地摆动，将黏液和感染物排出肺部；有呈立方体形状的细胞生活在你的骨骼中，制造骨骼；还有神经元，它长长的分支连接可以抵达你身体的各个部位；诸如此类，不一而足。这些细胞里的细胞器可以被精确定位，并随着细胞的变化调整位置、进一步生长。
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这种空间秩序是如何产生的？这是生物学中更具挑战性的问题之一。要得到令人满意的答案，就必须理解信息是如何在空间和时间中以信号传递的。到目前为止，我们真正充分了解的只有一点：生物体的结构是由分子直接组合而成的。核糖体就是一个很好的例子。较小的核糖体的形状是由分子成分间形成的化学键决定的。你可以把这些结构看作由一块块部件拼接而成的三维拼图，有点像乐高。这意味着，组装这些结构所需的信息都已嵌在核糖体组件——蛋白质和RNA——自身的形状中了。反过来说，这些形状最终是由基因携带的信息极其精准地指定的。
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要了解更大尺度上的结构，如细胞器、细胞、器官乃至整个生物体是如何形成的就更难了。各个部件间的分子的直接互动无法解释这些迥异的结构是如何形成的。一部分是因为它们比核糖体大，有时甚至大得多。但这也是因为它们可以以各种大小形态产生并维持完美的结构，即便细胞或机体长大或缩小时也一样能维持。如果是以乐高式的固定分子进行互动，这是根本不可能的事。以细胞的分裂来说，一个细胞的整体结构是有序的，分裂时，细胞会产生两个大小约为原来细胞一半的新细胞，但每个新细胞的整体结构都与原来的母细胞完全相同。
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类似的现象也出现在海胆等生物的胚胎发育过程中。受精后的海胆卵经过多次的细胞分裂，生成了一个非常漂亮、精巧的小生物体。如果把海胆卵第一次分裂后形成的两个细胞拆开，那么，每个新细胞都会生成两个形态完美的海胆，但令人惊奇的是，这两个海胆的大小都只有同龄正常海胆的一半。这种对大小和形态的自我调节非常独特，百余年来，一直让生物学家们百思不得其解。
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然而，惦记着信息的生物学家们慢慢开始对这些结构是如何形成的有所了解了。有一个办法可以让发育中的胚胎生成所需的信息，使均匀一致的一个细胞或一组细胞转变为一个高度模式化的结构——那就是通过制造化学梯度来实现。如果你把一滴墨水滴入一碗水中，墨水就会从滴入的位置慢慢扩散开来。墨水的颜色在离水滴越远的地方越浅，这就形成了化学梯度。这种梯度可以作为一种信息来源：如果墨水分子的浓度很高，我们就知道它离碗的中心点很近，也就是滴入墨水的地方。
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现在，让我们把碗换成一个由相同的细胞组成的球体，把墨水换成蛋白质，在球的一边注入一定剂量的特定蛋白质——这种蛋白质可以改变细胞的特性。这为细胞提供了添加空间信息的方法，使其可以开始构建某种模式。蛋白质会在细胞中扩散，使球的一边浓度较高，另一边浓度较低，由此形成梯度。如果细胞对高浓度和低浓度的反应不同，那么这种蛋白质梯度就能提供构建复杂胚胎所需的信息。比方说，如果高浓度的蛋白质能生成头部细胞，中等浓度的蛋白质能生成胸部细胞，低浓度的蛋白质能生成腹部细胞，那么原则上，一个简单的蛋白质梯度就可以造就一只新的钩粉蝶。当然，具体案例中的情况通常不会如此简单，但有充分的证据表明，发育中的生物体上的信号分子梯度确实有助于形成复杂的生物形态。
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