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然而，在与传染病的斗争中，我们永远不会大获全胜。这是因为自然选择的进化。由于大多数细菌和病毒可以快速繁殖，它们的基因也能快速适应。这意味着新的疾病菌株随时都会出现，它们不断进化出巧妙的方式来避开或欺骗我们的免疫系统和药物。这就是为什么耐药性增强会成为威胁。这是自然选择在发挥作用，而且这一切就在我们眼皮底下发生，后果也令人警醒。让细菌接触抗生素，但实际上抗生素并没有将它们完全杀死，这使得它们更有可能进化出对药物的耐药性。这就是为什么要服用正确剂量的抗生素——而且只在真正需要使用的情况下——并服完医生开给你的整个疗程的药物。如果不这样做，不仅会危及你的健康，也会殃及他人的健康。同样很危险，甚至更危险的是，给动物喂饲低剂量抗生素以使其快速成长的养殖系统。
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现在出现了一种能够抵抗我们所能采用的一切干预措施的细菌菌株，它们正在引发我们无法治愈的疾病。这样的耐药细菌可能会使医学倒退，让数百万人的生命受到威胁。试想那样的世界吧：你或家人只是被玫瑰花刺划伤、被狗咬了一口，甚至只是去医院看个病，结果就被一种无药可医的传染病击倒了。但我们绝不能因为这种威胁而听天由命。发现问题极其重要，因为它是解决问题的第一步。我们可以且必须更谨慎地使用我们现有的抗菌药物；我们还可以设计出更好的方法来检测和追踪耐药性传染病；我们需要开发有效的新型抗菌药物，并确保相关研究人员得到充分的扶持。我们必须动用关于生命的一切知识来解决这个问题——这可能决定了我们的未来。
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随着医疗水平的提高，传染病的威胁被逐渐削弱，人类的平均寿命已稳步上升。但是，人们的寿命延长了，就不得不面对一系列让人痛苦的非传染性疾病，包括心脏病、糖尿病、一系列心理疾病和癌症。其根本原因是老龄化和亚健康的生活方式。在全球范围内，这些疾病都呈上升趋势，给患者和想要了解、治疗它们的科学家们都带来了巨大的挑战。
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就说癌症吧——癌症其实不是一种疾病，而是多种疾病。每一种癌症都不一样，而且，每一种病症都会随着时间推移而改变，所以，晚期癌症往往像一个自在自洽的生态系统，包含许多不同类型的癌细胞，每一种都含有不同的基因突变。再次重申，这就是自然选择的进化的结果。当细胞出现新的基因变化和突变，导致它们开始以不受控制的方式分裂和生长时，癌症就产生了。癌细胞之所以能旺盛滋长，是因为它们具有选择性的优势：它们可以垄断身体的资源，比周围未突变的细胞生长得更快，并且无视身体的“叫停”信号。
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最有希望的一些癌症治疗新方法都得益于我们对生命的进一步理解。比如，癌症免疫疗法试图让人体免疫系统可以识别和攻击癌细胞。这个办法很聪明，因为免疫系统可以针对癌细胞发起精确的攻击，而不会伤及附近的健康细胞。我和同事们在低等酵母菌的细胞周期方面所做的工作也引生出了一些新的治疗方法。有一种药物能与CDK细胞周期控制蛋白的人类版本结合，并令其失去活力，现已被用于治疗许多患有乳腺癌的女性。40年前，我根本想不到研究酵母细胞竟会最终直接影响癌症治疗的新方法。因为癌症是细胞的适应和进化能力的必然结果，我们永远无法彻底消除它。但随着对生命的理解日益深入，我们也将越来越能及早发现癌症，且更有效地治疗癌症。总有一天，癌症不会再像现在这样引发人们的恐慌，对此我很有信心。
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要想加速解决癌症和其他非感染性疾病，解码我们基因中的信息能提供重要的新方法。2003年，人类基因组的第一份DNA序列草案面世，这预示着通往预防医学崭新未来的大门已被打开。许多参与其中的人都期待着未来的世界——在那个世界里，任何人的遗传风险因素都可以在出生的那一刻被准确地计算出来，包括预测这些风险将如何随着生活方式和饮食的变化而变化。不过，无论从科学还是伦理层面上说，实现这一目标都是极具挑战性的。
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究其缘由，部分是因为生命的复杂性深不可测。孟德尔在他的花园里研究的豌豆苗能表现出非此即彼的鲜明特征，但这样的人类特征少之又少。有一些疾病也是以类似方式发生的，即由单个基因的缺陷导致，其中包括亨廷顿病、囊性纤维化和血友病。整体而言，这些疾病带来了大量的痛苦和折磨，但每种疾病影响的人数相对较少。相比之下，包括心脏病、癌症和阿尔茨海默病在内的多数常见疾病和失调是由更多因素诱发的，是许多个基因以复杂和难以预测的方式相互作用，并与我们生活的环境相互影响所带来的综合效应导致的。先天的本性和后天的养育纠缠在一起，交织出了错综复杂的因果链，我们已着手解开这个难解的谜团，但所有的进展都来之不易，也都是急不来的。
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在这个领域，将生命理解为信息已成为显学。研究人员正在积累极其庞大的数据——其中包含了从多达数百万人生活中收集的基因序列、生活方式信息和医疗记录。但是，厘清如此庞大的数据库是极其困难的。基因和环境之间的相互作用是如此复杂，以至于研究人员们正在尽力拓展现有技术的极限，包括尝试机器学习等新方法。
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不过，不少有用的认知正在浮出水面。比方说，我们现在可以利用基因图谱来判断什么人患心脏病或肥胖症的风险较高。我们可以以此为依据，针对不同个体的生活方式和药物治疗提出定制化的建议。这是有益的进步，但随着对基因组进行准确预测的能力越来越强，我们必须认真思考如何才能最好地利用这些知识。
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对健康不佳者进行准确的基因预测，会给个人健康保险制度资助的医疗系统带来特殊的困难。如果不严格控制基因信息的使用，人们可能会发现自己被认定为不可投保，甚而被拒绝治疗，或被收取无力承受的高额保险费，但这并非因为他们自身有错。而在提供“医治时免费、医治后付费”的医疗系统中就不存在这样的问题，因为他们反而能够利用基因预测在判断易染病方面的进步，更容易地对疾病加以预测、诊断和治疗。话虽这么说，这样的知识终究是不易被接受的。假设基因科学发展到能够合理且准确地预测你最有可能在何时，以及如何死亡的地步，你会想知道吗？
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还有一点要注意的是，解读那些影响非医疗因素——诸如智力水平和教育程度——的遗传因素。随着对个人、性别和人群之间的遗传差异的了解加深，我们必须确保这些知识绝不会被用作歧视的依据。
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与读取基因组的能力同步发展的是编辑和重写基因组的能力。有一种被叫作CRISPR-Cas9的酶，堪称功能强大的工具，其作用就像一把分子剪刀。科学家可以用它在DNA上进行非常精确的切割，以增加、删除或改变基因序列。这就是所谓的基因编辑，或基因组编辑。自1980年前后以来，生物学家们已能够在简单的生物体——比如酵母中——实施这种编辑，这也是我研究裂殖酵母的原因之一，但CRISPR-Cas9可以极大地提高编辑DNA序列的速度、准确性和效率。因为有它，编辑更多物种的基因变得更容易了，其中也包括人类的基因。
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假以时日，我们可以期待基于经过基因编辑的细胞的新疗法。研究人员已经在制造对特定感染（如HIV）有抵抗力的细胞，或者用经过基因编辑的细胞来攻击癌症。但就目前而言，试图编辑早期人类胚胎的DNA是极其鲁莽的做法，这将导致新生儿的所有细胞，以及他们未来可能生育的孩子的细胞发生基因变化。目前，基因疗法可能会意外改变基因组中的其他基因。然而，即使只是编辑所需的基因，基因的改变也可能会造成难以预料的、有潜在危险的副作用。我们对人类基因组的了解还不够充分，因而无法确定。也许会有那么一天，基因改写被认为是十足安全的，且能让无数家庭摆脱亨廷顿病或囊性纤维化之类的遗传病。但将其更多用于修饰目的——比如创造具有更强的智力、惊人的美貌或非凡的运动能力的婴儿——则完全是另一码事。这个领域涵盖了当今最棘手的伦理问题之一，即生物学在人类生活中的应用。虽然目前关于通过基因编辑设计婴儿的言论热火朝天，但随着科学家们在预测遗传影响、修改基因和操纵人类胚胎和细胞方面发展出更强大的能力，许多未来的父母将在未来几年或几十年里不得不考虑一些艰难的问题。这些问题需要全社会共同讨论，而且现在就该讨论起来。
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在生命的另一端，细胞生物学的进步和发展提供了治疗退行性疾病的方法。比如干细胞：人体使其维持在未成熟状态，就像早期胚胎中的细胞。干细胞最重要的特性是能反复分裂，产生新细胞，再经分化拥有特定属性。成长中的胎儿和婴儿体内含有大量干细胞，因为他们需要源源不断的新细胞。但干细胞在成人身体停止生长后，也会长期存在于身体的许多部位。在你的身体里，每天都有数百万个细胞死亡或脱落。这就是你的皮肤、肌肉、肠道内壁、眼睛角膜边缘和其他身体组织都含有干细胞群的原因。
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近年来，科学家们已经研究出如何分离和培养干细胞，并促使它们发育成特定的细胞类型，比如神经、肝脏或肌肉细胞。现在，我们也可以从病人的皮肤中提取出完全成熟的细胞，对其进行处理，倒转发育时钟，让它们回到干细胞状态。这会带来一个令人激动的前景：有朝一日，只要用拭子在你的口腔侧壁刮一下，就能让那些细胞生成你身体中几乎任何部位的细胞。如果科学家和医生能完全掌握这些技术，并确保安全，就有可能革新退行性疾病和损伤的治疗方法，也能彻底改变移植手术。甚至有可能逆转目前无法治愈的神经系统和肌肉疾病，比如帕金森病或肌肉萎缩。
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这一进展是激发人们展开大胆预测的部分原因所在，其中许多预测来自硅谷的一些公司。他们认为在不久后的将来，我们就有可能遏制，乃至逆转衰老。而重要的是，让这些说法确凿地基于现实与实践。就我个人而言，大限将至时，我不会因为期待未来不太可能出现的情况——我可能会被唤醒，重获青春并永生——而选择低温保存我的大脑或身体。衰老是身体细胞和器官系统受损、死亡并遵循预定程序永久关闭的最终产物。哪怕有些人身体健康，皮肤也会失去弹性，肌肉不再结实，免疫系统的反应能力下降，心脏的力量慢慢衰竭。归根结底，这一切的原因不一而足，因此不太可能有一劳永逸、直截了当的解决办法。但我毫不怀疑，在未来的几十年里，人们的预期寿命将会不断提高，更重要的是，老年生活质量将得到改善。我们不会长生不老，但都能受益于更加完善的治疗方法——干细胞、新型药物、基因疗法以及健康的生活方式相结合——使衰老和患病的身体的诸多部分重获生机。
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应用生物学知识不仅彻底改变了我们修补破损身体的本领，更能让人类整体欣欣向荣。从公元前10000年前后开始，我们的祖先开始耕种，世界人口总数有了第一次激增。人类祖先当时没有意识到，人口激增是他们运用人工选择的原则来驯化动物和植物而实现的。他们得到的回报是拥有了更大量、更可靠的食物来源。
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与史前人口激增相比，我这一生中目睹的世界人口增长甚至更为显著：自我1949年出生以来，世界人口几乎增加了两倍。换言之，每天必须多喂将近50亿张嘴，而产出所有这些额外食物的农业用地的面积和过去大致相同。这种变化的实现得益于20世纪50、60年代兴起的“绿色革命”。这一革命涉及灌溉、化肥、病虫害防治的发展，最重要的是，人类创造了新的主食作物品种。与历史上的所有育种家不同，参与绿色革命的科学家们能够利用在遗传学、生物化学、植物学和进化论方面所获得的各种知识来生产新的植物品种。这带来了惊人的成功，新的农作物产生了，且产量有了显著提高。然而，这并非没有任何代价。当今，一些集约化农业的耕作方式对土地、农民的生计以及与粮食作物共享环境的其他物种都有破坏性的影响。每天浪费的粮食数量也多到令人羞耻，成为亟待解决的问题。但是，如果20世纪的生物知识不曾被大量应用在农业实践上，现在每年还会有数百万人挨饿。
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今天，全球人口仍在持续增长，随之而来的是人们越来越关注人类活动对生物世界造成的破坏。展望未来，我们面临着严峻的多重挑战：既要设法从土地里收获更多粮食，又要努力减少对环境的影响。我想我们需要更进一步，超越20世纪推动农业复兴的老路子，设计出更高效、更有创意的粮食生产方式。
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可惜，自20世纪90年代以来，试图创造具有增强特性的转基因植物和动物的努力常常受阻。而这往往与科学证据和认知没什么关系。我见过一些有关转基因食品安全性的辩论，它们常常充斥着误解、不合时宜的游说、强行而刻意的误导。就说黄金大米吧，这种米经过基因工程改造，在水稻植物的染色体中添加了一个细菌基因，使其产生大量的维生素A。据估计，全世界有2.5亿名学龄前儿童缺乏维生素A，而这恰恰是导致失明和死亡的重要原因。黄金大米的出现可能不失为一种直接的帮助，可它却一再受到环保主义者和非政府组织的攻击，他们甚至破坏了专门为测试黄金大米的安全性及其对环境的影响而设立的田间试验。
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明明有了新发明，可以帮助穷人们得到健康和安全的食品，却偏偏不让他们得到，这真的能让人接受吗？尤其是当这种否定是基于潮流和片面的观点，而非合理的科学时。使用基因改造这一方法生产的食品并无本质上的危害或毒性。真正要紧的是，无论它们是如何被生产出来的，所有植物和牲畜都该接受类似的测试，以确定它们是否安全、有效，并预测它们对环境和经济是否有影响。我们需要考虑的是有关风险和收益的科学观点，而不该让任何公司的商业利益、非政府组织的意识形态观点，或这两类机构在经济上的考量左右我们的判断。
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我认为，在即将到来的几十年里，我们将不得不运用更多的基因工程技术。在这个领域里，“合成生物学”这一相对较新的科学分支可能会产生很大的影响。传统的基因工程倾向于使用相对而言更有针对性、更趋于渐进式的方法，但合成生物学家试图更进一步，对生物体的基因编程进行更前卫的革新。
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这会带来实打实的技术难题，如何控制和接纳这些新物种也是个问题，但潜在的回报可能是丰厚的。这是因为生物体的化学过程远比人们在实验室或工厂中能够操作的大多数化学过程更具适应性、效率更高。有了转基因和合成生物学，我们可以用强大的新方法重新组织和利用生物体的化学才华。我们或许能利用合成生物学创造出营养更高的农作物和牲畜，但其应用范围比这更广。我们可以创造出经过重新设计的植物、动物和微生物，生产出全新的药品、燃料、织物和建筑材料。
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经过基因编辑的新型生物系统甚至可能帮助我们应对气候变化。科学界已达成明确的共识：整个地球已进入加速变暖的阶段。这对我们的未来，以及更广大的生物圈——我们只是其中的一部分——都是一个严重的威胁。日益紧迫的一大挑战是减少我们排放的温室气体总量，降低变暖的程度。如果我们能够重新设计植物，让它们比现在更有效地进行光合作用，或者超出活细胞的限制，进行工业规模的光合作用，就有可能制造出碳中和的生物燃料和工业原料。科学家们还能研发出可以在边缘环境中茁壮成长的植物新品种，例如在退化的土壤上或容易干旱的地区，以前，那些地方都无法发展种植业。这些新植物不仅可以作为世人的口粮，还能吸收和储存二氧化碳，帮助我们应对气候变化。它们还可以成为以可持续方式运作的生物工厂的基础。与其依赖化石燃料，不如试着打造能够更有效地利用废物、副产品和阳光的生物系统。
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除了这些经由基因编辑设计过的生命形态，还有一个目标需要同步达成，即增加地球表面能自然发生光合作用的生物的覆盖面积。这个提议看起来简单明了，实则不然。要产生真正有意义的影响，就需要大规模的切实行动，还要考虑植物死亡或收割后的长久时间里的碳储存问题。这可能涉及培育更多森林，在海洋中培育藻类和海草，以及促进形成泥炭沼泽。但是，不论什么样的干预措施，但凡想取得足够有效和迅速的成果，我们都不得不尽力而为，把我们对生态动力学的理解推进到极限。正在世界各地发生的、基本上无法解释的昆虫数量下降就是一个典型的例子。我们的未来与昆虫这一物种息息相关，因为它们为我们的许多粮食作物授粉，还有构建土壤等其他贡献。
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