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生命：进化生物学、遗传学、人类学和环境科学的黎明 13 ON BIOCOMPUTATION 生物计算
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J. Craig Venter克雷格·文特尔顶尖基因组科学家，“人造生命之父”。
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Ray Kurzweil雷·库兹韦尔世界领先的发明家和未来学家，著有《奇点临近》《人工智能的未来》。
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Rodney Brooks罗德尼·布鲁克斯机器人专家，曾任麻省理工学院人工智能实验室主任。
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很久以前，大脑是一个流体力学系统。后来大脑变成了蒸汽机。在我小时候，大脑是一个电话通信网，后来它又变成了一台数字计算机，再之后就变成了大规模并行数字计算机。
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——《生物计算》
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克雷格·文特尔：对于“生物计算”这样一个大话题，我都不知道该从何说起了，所以，我决定从整个星球的基因组开始说起。大多数人都知道，2000年我们才开始对人类基因组测序，之后我们有了一份完整的人类基因记录。慢慢地，随着我们在此之上添加了越来越多的基因空间，比如，在去年我们就已经从环境里的新基因中增加了两个量级，我们开始根据基因空间而非基因组和物种来理解世界，这也把我们带向了对其成分进行分析的过程。
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这一点影响了我们在文特尔研究所3个主要领域的工作。癌症是我今天最想谈的领域之一，但我也会提及其他领域。随着我们可以对诊断结果和相应的基因进行详细划分，癌症已经被分解成越来越多不相干的疾病了，但我们现在开始换一种视角，把癌症视作一个总体性疾病，去关注基因空间，这样的话，基因空间就能把癌症当作一个整体来处理。很多种癌症一直在基因层面被对待，而且我们所有人都有癌症的基因。它实际上是由体细胞突变而来，当我们从环境中吸收毒素，如辐射等，就会导致癌症的发生。直白地说就是，随着我们基因里越来越多的体细胞的突变激增，直到超出了一个阈值，突然我们就生长出了不受管制的细胞。
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结果表明，由一个约518个基因组成的集合，叫作激酶受体，控制着细胞的增长。我们现在可以在基因组里识别出全部激酶受体基因。我们可以在患癌症的人身上观察突变，看他们是否遗传了那些突变。既然我们可以做高通量的基因测序，我们就能对那些基因进行测序，去寻找体细胞突变。在每一种类型的癌症中，我们都找到了那些基因里的突变。通常是这些突变导致了不受管制的细胞的增长。而这又激活了激酶受体持续活动下去，形成了一种恶性循环。
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对于这个问题，我们在过去几年已经有了显著的突破，只要用一些药物拦截激酶受体，干预癌细胞的增长，就能阻碍病症发展。我们可以利用基因技术研制的抗癌药物，一种治疗性抗体赫塞汀，它可以影响一种激酶受体。格列卫（Gleevec）也许是最重要的突破，它可以阻止白细胞的急剧增长，对癌症有一种近乎奇迹般的疗效。另一种是诺华集团销售的药物，最初在实验的时候并没有效果，直到在癌症患者体内给一些激酶受体测序之后才开始起作用。他们发现，这种药物对他们观察的10%的病人的受体里存在的那些突变几乎全部有效。
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通过理解基因空间，和理解我们生命中所搜集到的突变，我们发现我们有可能拥有一些可以普遍地对抗大多数癌症的分子，。还有其他一些分子群可能也具有这种疗效，所以我们有了一个重要的治疗新方案。我们招募了国立癌症研究院的鲍勃·施特劳斯贝格（Bob Strausberg），还联合了路德维希癌症研究所，以及约翰·霍普金斯大学的伯特·沃格斯坦（Bert Vogelstein），我们想去寻找癌症中的体细胞突变。一旦我们搜集了足够多的突变集，我们就可以轻易地设计出基因芯片，只要几美元就能帮人们测定，而不需要花费昂贵的基因测序费用。所以，我们试图利用生物信息技术去预测其他看起来属于同一范畴的基因集，弄清楚我们是否能够得到一份迟来、囊括了可以有效抵抗大多数癌症的细小的分子和抗体的报告。在前沿领域工作实在是令人惊叹！其中大多数东西都代表了一种哲学转变。
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第二个领域就是我们把同样的方法用到抗病毒药物和抗生素上，考虑到所有对生物恐怖主义的担忧，我们只利用了少量抗病毒药物，以此探究一般性机制和传染物。但在这个过程中，我们遇到了瓶颈，我们以为可以阻止那些传染物，但是没有考虑它是埃博拉病毒或是SARS病毒。现在有很多组织在研究这一块。在后基因组时代，理解基因空间及其运作会给予我们很多新的见解。
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如我所说，我们在环境中利用霰弹枪定序法增加了指数级的基因数。在蛋白质数据库里，有18 800个性质完好的基因。若在海洋里利用随机的霰弹枪定序法，我们会获得近乎百万个新基因。我们利用所有这些相互联系的数据集，试图去弄清楚地球上有多少不同的基因家族，从而整理出基本的要素集。至今，我们已经整理了大约4万～5万个不同的基因家族，囊括了我们所知的所有物种。每次我们从生态环境中取得一个新样本，并给它测序时，其实就是在以线性的方式增加新的基因家族，看来我们对星球上的全部生物还所知甚少。基本上我们还有上百万个不知道其功能的基因，其中有一些基因家族里包括了上千个相互关联的蛋白质或基因。它们对于生物学显然很重要，对于进化也很重要，如果利用生物信息工具给它们分类的话，将会在很多不同的领域给我们带来很多新工具。
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第三个也是最后一个领域，就是合成生命。为了确定一个细胞的基本要素，我们尝试分离出一些基因，目的是确定那个基因对于所在细胞来说是否是必须的，但每一次实验获得的结果都不一样，这取决于实验过程：不同的生长条件，批量增长或是克隆出的细胞。前不久我们确定，唯一能够实现上述实验目的的方法就是构造出人工染色体，并且让它在实验室里和在自然环境中一样进化。
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我们利用5个或更多的基因构造出100个基因盒，我们可以通过替换基因盒，创造出人造染色体，我们尝试用这些独特的集合创造出人造物种。但是现在，我们有了800万个基因，随着这项工作继续下去，在一两年之内，我们就有希望获得一个具有3 000万、4 000万、甚至1亿个基因的数据库。电子业所经历的那种开端，就是没有任何预兆地，人们就拥有了所有电子元件，并且能够利用各种元件创造出所需要的东西，我想生物学距离这个状态也不远了。但我们碰到的问题在于，我们还不理解生物学的全部基本原理，但是我们却先拥有了工具，也就是先获得了人造物种的元素。我们认为，我们能够在计算机里设计物种，设计出我们想要它所拥有的生物功能，并将之添加到已有的骨架上。
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理解基因的构成要素，并沿着这个方向前进，我们就可以将其应用到能量的生产上去。我们尝试通过对氧不敏感的氢化酶，去改变光合作用，我们把直接来自阳光的电子转化成氢。因为我们是利用分子转换器来进行这些工作的，所以这些工作进程就掌握在我们自己手中，如果你想停止生产氢，你只要关掉开关就好了。我们还尝试了新的从树林中发酵的方式，这样我们就能在更开阔的层面接近目标了。把基因当作生物的基本要素，也是工业的未来。
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目前禽流感又成新闻了。但其实禽流感是可以避免的。实际上，我们和泰国首相合作，也与中国香港合作，尝试用同样的测序工具去追踪那些新的传染物。但问题在于，流感病毒是可以被重组的，从而构成无数新的病毒粒子。对于那些以我们不希望的频率转移到人体的病毒，以及那些通过鸟类转移到其他动物身上的新病毒，我们只要在传染病暴发之前追踪到病毒就行了。
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人们目睹了SARS病毒的情形：由于人们坐飞机旅行，在中国爆发的SARS，传播到了多伦多。通过追踪全世界的序列空间，我们试图开发出一种程序，通过这种早期的侦测程序，我们可以在很早期就做好准备，以便对基因空间进行测序，尽管我们还不理解，为什么1918年的流感病毒那么致命，但我们现在知道，通过理解其中的基因要素并且追踪其重组方式是完全可以避免的。这也是我们希望实现的。
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雷·库兹韦尔：我准备在文特尔发言的基础上接着说。我们刚才听到他说起那么多还处于早期阶段的应用，很令人激动，那些应用要从基础项目开始，我们要搜集生物学的机器语言，并对它进行反向编译和反向工程。我会从几个不同视角来思考这个问题。实际上我在生活中有两个兴趣。一个是计算机科学，罗德尼和我都在人工智能领域工作。另一个是，我一直对健康问题感兴趣，那始于我父亲在我22岁的时候英年早逝，而我在35岁左右被诊断得了糖尿病，传统治疗使我的病情恶化了。但在使用我自己想出的治疗方案之后，我再也没有出现过糖尿病的症状。1993年时，我还为此写了一本关于健康的书。
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因此，我对健康问题非常感兴趣。我最近大部分书都是关于健康问题的，我在书里探讨了三座能够立刻通往长寿的桥梁。“桥梁一号”就是我们现在能做的，实际上还能比人们所知的做得更多，那就是放慢退行性疾病的进程，这在某种程度上也能放慢变老的进程，甚至能保持婴儿时那样的状态，这样的话，我和我的合著者都能保持良好的身体状态，直到生物技术的革命全面展开，这就是我和罗德尼主要兴趣的交叉点，也就是信息技术和生物学的交叉。
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这也是我们所说的第二座桥梁。这能够延长我们的寿命直到第三座桥梁，也就是纳米技术革命的全面展开，这样我们就能够突破生物学的极限，尽管生物学在很多方面很突出也很复杂，但它也有内在的局限。比如说，我们大脑里的神经元连接点能以化学信号的速度处理信息（每秒几十米的速度），而对比一下电子元件每秒钟几亿米的速度，很明显，电子的速度要快数百万倍。
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罗布·弗雷塔斯（Rob Freitas）为红细胞做了一个机器人设计，他称之为“人造红细胞”（respirocytes）。保守地分析，如果你用那些机械设备替换自身10%的红细胞，你就可以参加奥林匹克短跑比赛保持15分钟不喘一口气，或者在游泳池底憋气4个小时。我们的生物系统确实很聪明，但并非是最佳的。我曾在显微镜下观察过我自己的白细胞，它确实是智能的。因为它能够注意到病原体（我是在载玻片上观察到这一点的）。我观察到，白细胞迅速抵抗了病原体，并围追堵截消灭了病原体，但它不能快速完成，需要一个半小时，这让我观察得有些不耐烦了。有人说，当技术发展到20世纪20年代时，血液细胞大小的机器人可以把这个处理速度提高数百倍。这听起来很有未来感，但我想指出的是，已经有4个重要的会议在探讨生物微机电（bioMEMS）了，就是利用血液细胞大小的小设备，把生物微机电用在动物身上做治疗和诊断。比如说，有位科学家就是利用一个纳米工程的设备和7个纳米孔，给一只老鼠治疗Ⅰ型糖尿病的。
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出于我对健康问题的兴趣，我认为这种生物技术革命就是第二座桥梁。我们已经处于这次革命的起点了，但是从现在起的10～15年之内，很多文特尔提及的技术将会变得成熟，其实其中有很多技术已经在开发之中了。
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我的另一个兴趣就是信息技术。作为一名发明家，我意识到想要让你的发明创造成功，那么当你完成这项发明时，它们就要给世界创造意义。很多发明创造之所以失败，正是因为能动技术没有到位。因此，我成为了一名热衷于技术的学生，并开始去探索建立技术进化方式的数学模型。我想说的关键点就是，信息技术正在以指数级速度发展。
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当首次宣布人类基因组项目时，这个项目就饱受争议，当然文特尔已经经历过了这些。文特尔说：“你们要如何在15年内完成这一项目？按照测序的速度和我们拥有的工具，可能要更长的时间。”2/3的人同意了这一项目的提议，但是反对派的批评依然强势，因为整个项目还有很大一部分没有完成。我将展示给你们一些图表，证明过去这段时间DNA测序的成本经历了指数级下降，但同时有指数级数量的DNA已经完成了测序工作。我们确实曾花了15年时间去给艾滋病病毒测序，但我们也在31天内就完成了对SARS病毒的测序。这一过程顺利地实现了指数级增长。大家一定很熟悉摩尔定律，有人说这是一条自我实现的预言，但实际上，这是任何信息技术的根本特质。我们创造出越来越多厉害的工具，那些工具可以用在下一阶段。通常科学家们没有考虑到这样一个事情，就是他们不需要用同样的工具去解决下一个10年中的问题。因为工具会变得越来越厉害。
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