地球上生命的演化表现出一个特定的方向——从简单朝向复杂的“生命之矢”，即从简单的原核生物到复杂的真核生物，从单细胞个体到多细胞个体。本讲座计划从生命之树及其底层逻辑、独立于环境的随机性演化、生命世界与环境的信息交流、链接生命世界的内在网络等4个部分讨论生命复杂性的由来。

2024年5月14日，博古睿讲座26“从生命之树到生命之网——生命复杂性的由来”在浙江大学人文高等学院举办。本次讲座由中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）研究员、中国科学院上海高等研究院国家蛋白质科学研究（上海）设施主任、2023–2024博古睿学者吴家睿教授主讲，由北京大学生命科学院荣休教授、2020–2021博古睿学者白书农教授主持。本次讲座从进化的视角观测了生命的复杂性，内容涉及了生命之树及其底层逻辑、独立于环境的随机性演化、生命世界与环境的信息交流、链接生命世界的内在网络等话题。

一    生命的底层逻辑

生命经历了从简单到复杂、从单细胞到多细胞的复杂演进过程，这一过程就是“进化”。进化遵循着一套底层逻辑，他特别提到达尔文的《物种起源》，并认为在“适者生存”的自然选择观念之外，还包含了达尔文的另一重大贡献，即“进化之树”，也称“生命之树”的观念。生命之树上的不同物种有各自不同的来源，但是同一物种之间存在着同根同源的联系。于是，达尔文通过建构进化之树统一了生命世界的复杂联系。结合现代生命科学的发现，这些联系就对应着生命进化的底层逻辑。在阐述这一逻辑时，他回到1953年由美国科学家沃森和英国科学家克里克提出的DNA双螺旋结构，其基本构成包括A、T、G、C四种碱基，每三个碱基可组成遗传密码子，特定顺序的密码子对应特定的氨基酸，总数达64种之多。DNA链就是由多种密码子连接起来的碱基链条，对应特定的氨基酸组成及其序列，指导不同蛋白质的形成，不同的蛋白质又执行不同的生理机能。形象地说，碱基、密码子、多核苷酸链的关系就像字母、单词和句子，生命就好比一本大书。

对于生命的进化而言，另一个重要的底层逻辑是生命信息的传递规则。俗话说，龙生龙、凤生凤，老鼠生子会打洞。这就体现了遗传信息的传递，其本质是DNA双螺旋结构的传递。DNA决定了我们的肤色、身材等多种性状，在细胞增殖的过程中实现转录，遵循着A—T、G—C的碱基配对规则，保障新细胞所携带的遗传信息和原细胞是一致的。不过遗传信息的传递也可能产生错误，一个例子就是镰刀型贫血病。镰刀型贫血实际上就是红细胞在复制过程中出现了碱基序列和密码子的变化，使得氨基酸的带电性及其组成的蛋白质结构发生变化，红细胞在通过毛细血管时从正常的草帽状变成镰刀状。所以变化和进化之间呈现一组微妙关系：若没有变化也便没有进化，但变化太快有可能导致在进化中被淘汰，所以我们整个生命都在寻找一种平衡。

因此，吴家睿教授将生命的底层逻辑总结为：简单的生命之树将复杂的生命世界进行了统一，统一的关键就是DNA双螺旋结构和其上的四种碱基及其配对规则，保障了遗传信息的稳定传递，此外在遗传过程中还可能出现突变，需要在变化与不变之间进行平衡。所谓生命的进化，就是在遗传语言的基础之上完成的，生命科学研究中的一个基本认识就是，生命的演化就是遗传信息的传递和迭代。

二    生命世界的整体性

生物进化的整体进程可以被简单概括为“简单的无核生物”（如大肠杆菌）到“简单的有核生物”（如酵母细胞），再到“复杂的多细胞生物”（如人类和其他动植物）的过程。生命之树上的各种生物是按照特定次序排列的，每个物种如同一本书，那么生物学家作为图书管理员则需要将这些书分门别类。按照学科的划分，自然科学之下有生物学，生物学之下还有分子生物学、生物化学等，但在生物分类当中还有一种常见的分类方法是林奈的“双名法”，也即“界”“门”“纲”“目”“科”“属”“种”的物种分类方法。“物种”是其中极为重要的概念，达尔文提出生命之树的书目也叫《物种起源》。那么“物种”有何重要意义呢？它的重要意义在于界定了遗传信息得以垂直传递的界限：在同一物种之内，物种之间的遗传信息可以传递；但是在不同物种之间，物种之间的遗传信息不能交流，也即存在生殖隔离，一个典例就是马和驴的后代骡子无法繁衍下一代。许多研究已经证明，通过探测不同生物DNA信息的联系和区别，就能确定它们的亲缘关系，生命之树上的生物之间的距离远近也和这种关系的远近是一致的。

在物种之内，遗传信息垂直传递；物种之间、生殖隔离之外，生命的进化还包含基因的平行转移这一不容忽视的现象和规则。通过人类基因组计划的研究，我们能够发现，不同物种之间虽然存在着生殖隔离，但是在遗传信息上还是存在着许多的相似性，比如一些植物当中包含了很多病毒的基因，病毒当中又包含了一些动植物的基因。具体来说，号称地球上最顽强的生命的水熊虫的基因组大概有32.12亿个碱基，探测出来它的大量基因都是从其他动植物和细菌中通过平行转移的方式形成的。此外，很多细菌之所以有耐药性，也可能是依靠基因的平行转移。由于达尔文当年研究的重点主要是鸟类等动植物，对于细菌研究甚少，所以没有提出基因的平行转移理论。当遗传信息的垂直传递规则和平行转移规则结合起来时，生命之树的复杂性就增加了，物种之间的关系也从条块状变成了网状。

三    生命世界与外部环境之间的信息连接关系

生命与环境不可分割、相互影响。经典的例子包括长颈鹿的长颈之谜。达尔文和拉马克给出了不同的解释：在达尔文看来，长颈鹿有颈长和颈短两类，由于前者比后者更容易吃到更多的树叶，因此在自然选择的过程中胜出，保留下来的基因也都是长颈的基因。这种解释方案更多强调外界环境对基因的选择性影响。拉马克却认为，长颈鹿本身是为了吃到树叶，不断地尝试伸长脖子，这种尝试被作为一种信息记录下来，传递到下一代，成为一种经过发展的生理性状。这种解释强调外界环境对基因特定变化方向的影响，和达尔文版解释的不同之处在于：环境深度参与了基因的遗传和变异过程当中。在过去几十年，人们是推崇达尔文版解释，抛弃拉马克版解释的，但是现代生命科学的发展越发发现事情并不是达尔文描述地那样简单，基因传递过程中还存在化学修饰的现象，环境信息就可以通过生殖细胞形成过程中的化学修饰环节传递下去。针对斑马鱼和老鼠的实验已经证明了这一点。以老鼠实验为例，给老鼠进行电刺激并同时进行味道刺激，让其将两者产生深度联结之后进行繁殖，会发现给老鼠后代进行味道刺激，即使没有电刺激，它们也会变得非常恐惧和紧张，这就直接展现了环境信息影响对基因传递的深入影响，就连精神活动都能够进行遗传，这种现象也叫作表观遗传。表观遗传的原理是：即使决定遗传信息的碱基及其序列不变，但是环境影响碱基之上的化学修饰情况发生改变，也可以产生某些特征的遗传。这就不同于达尔文的理论，因为根据他的理论，只要基因不变，环境的影响都不会影响遗传。

总之，物种之间的遗传不仅是垂直地传递，上一代受到的各种影响，都可能通过某些渠道传递给下一代。地球40亿年当中99%的生物已经灭绝，1%的生命还在继续，但是在灭绝和存续的生物之间，都共用一套遗传语言，也即DNA上的碱基复制、配对及传递规则。这套语言为生命的复杂性提供了基本的动力和养料，形成了丰富多彩的生命世界，但是又使其呈现出一种内在的统一性。这就是我们今天要对生命拥有的一种基本认识。

在最后的现场交流环节，吴家睿学者与现场提问者就从细菌到生物体演进过程中的数据交换、生命的定义、表观遗传的具体过程、基督教创世论和现代生物学对人类起源的不同解读等问题进行了深入交流。讲座在热烈讨论当中圆满结束。

记录人：陈一宏