系统与合成生物学哲学（二）

基于 DNA 的设备构建，或者 Benner 和 Sismour (2005) 更广泛地称之为工程趋势，探索了可互换且功能不同的组件在多大程度上可以以模块化方式进行设计和实现。生物砖基金会 (BioBrick Foundation) 就是这种方法的典型案例 (biobricks.org)。这种方法的指导原则是部件和功能描述的标准化、解耦和抽象化 (Endy 2005)。基于DNA的设备的例子包括阻遏器（Elowitz & Leibler 2000，参见2.1节）、合成拨动开关（Gardner等人2000；参见2.3节），以及用于抗疟疾药物的合成青蒿素的生产（Keasling 2010）。在所谓的iGEM（基因工程机器）竞赛中，对功能性设备和类似机器的控制的追求也得到了明确的体现。在iGEM竞赛中，学生团队竞争构建基因工程生物系统以解决社会问题的任务。构建标准化和可替换部件的理想是否与生物复杂性相容是一个持续争论的话题（第2和3节）。

合成生物学中，基因组驱动的细胞工程与基于DNA的设备构建的模块化假设不同，它关注的是整个基因组或整个细胞的功能（O’Malley等人2008）。这种做法包括将外来或经过修改的基因组移植到空的“底盘细胞”中以获得新功能（Chan et al. 2005），以及“最小基因组”的合成（Andrianantoandro 等人，2006 年；Simons，2021 年）。最小基因组的概念强调了这样一种观点，即现有生物体的基因组可能比生存和繁殖基本功能所必需的更复杂。人体寄生虫生殖支原体因其基因组较小而被视为探索此类问题的模式生物，并且它也是系统生物学中第一个全细胞模型的目标（Karr 等人，2012 年）。2010 年，J. Craig Venter 研究所 (JCVI) 的科学家创建了同属另一种细菌——支原体 (Mycoplasma mycoides) 的合成基因组（Gibson 等人，2010 年）。通过合成的 DNA 序列，研究人员可以部分控制新支原体细胞的产生。该基因组进一步精简为最简单的合成最小基因组（JCVI-syn 3.0）的工作近似值，使细胞仅用 473 个基因即可运作和繁殖 (Hutchison 等人 2016；另见 Sung 等人 2016)。在探索生物复杂性下限的同时，其他合成生物学家致力于操纵和控制更复杂物种（如酵母和藻类）基因组的功能 (Calvert & Frow 2015；Georgianna & Mayfield 2012；见 Simons 2021)。

合成生物学的第三类，即原始细胞创造，其雄心勃勃的目标是从头构建简单的活细胞近似模型 (O’Malley 等人 2008)。该领域的研究人员通常对生命是什么这一基本问题感兴趣，而应用科学的概念可能并不适合描述这种研究方法（见第 3.2 节）。从历史上看，关于生命是什么的理论讨论通常与湿实验室合成与早期或最小生命相关的化合物相结合。[5] 合成生物学通过合成和操控类似原始细胞的囊泡，以及通过对基因调控网络进行高级计算模拟，将这种方法进一步发展（Luisi 2006；Kauffman 2015）。这种研究实践与基因组驱动的细胞工程项目相关，这些项目研究生命系统运作、生存和繁殖的最低要求。对原始细胞的研究可能主要侧重于理解我们所知的生命起源，或者旨在以其他更简单的方式创造合成生命形式（Rasmussen 等人 2008）。

Deplazes（2009）提出了以下合成生物学实践的扩展分类：i）生物工程；ii）合成基因组学；iii）原始细胞合成生物学；iv）非天然分子生物学；以及 v）计算机模拟方法（见图 3）。虽然原始细胞和合成基因组的研究类别与 O’Malley 等人 (2008) 的分类有重叠，但基于 DNA 的设备构建在此进一步细分为生物工程（以 BioBricksTM 等组装标准为例）和非天然分子生物学。非天然分子生物学旨在创建包含不同组件的系统，例如基于不同编码系统的人工核酸。哲学家们一直在争论“非天然”一词是否能够将合成生物学实践与其他生物工程方法区分开来 (Lewens 2013; Preston 2013)。但对合成制品的强调突显了其与合成化学的亲和性，或许也体现了“化学家的思维方式”。除了分析和发现之外，还强调合成和发明（Bensaude-Vincent 2009、2013、2015；另见 Bursten 2020 编）。

[5 个圆圈排列成五边形，每个圆圈都通过线与其他圆圈连接。这些圆圈按顺时针方向依次标记为“生物工程”、“计算机合成生物学”、“合成基因组学”、“非天然分子生物学”和“原始细胞合成生物学”。“计算机合成……”圆圈的所有线上都带有指向其他圆圈的箭头：指向所有圆圈的箭头都标记为“计算机设计”{对于生物工程，还有一个反向箭头“新代谢途径”}。生物工程还有另一个指向原始细胞……的箭头，标记为“新代谢途径”。 “合成……”圆圈内有一个指向生物工程的箭头，标记为“最小底盘生物”，以及指向原始细胞……的箭头，标记为“合成基因组”；它还有一个指向和来自非自然……的箭头，标记为“非自然基因组片段”。“非自然”圆圈内有一个指向生物工程和原始细胞的箭头，标记为“非自然基因组片段”。]

图3：合成生物学五大类别及其联系的示意图。（摘自Deplazes 2009: 431，版权所有 2009 年 John Wiley & Sons, Inc.，经 John Wiley & Sons, Inc. 许可转载）。

Deplazes 的第五个类别，即计算机合成生物学，侧重于计算机模拟的开发和实际应用。Deplazes 认为，计算机合成建模应该是一个独特的类别，因为许多计算模型“很少或根本没有直接参考生物体”（Deplazes 2009: 430）。如图 3 所示，计算设计是合成生物学研究实践的重要组成部分。然而，模拟的各种角色特征可以为关于模型与目标系统之间关系以及建模、实验与综合之间关系的哲学讨论提供新的启示（Knuuttila & Loettgers 2013a,b；Carusi 等人 2012）。

从多样化的研究实践中抽象出来，合成生物学的一个显著特征是其旨在“超越单纯的建模，将生物系统视为完全可构建的对象”（O’Malley 2009: 381；另见 Schyfter 2013）。因此，合成生物学开启了关于合成与分析之间关系、人工与自然目标系统之间关系以及机器与有机体之间关系的全新哲学问题（Holm & Powell 2013；Nordman 2015）。

2. 生物学中的设计方法

2.1 设计和理解生命

系统生物学和合成生物学为重新审视工程方法在生物学研究中的前景和局限性提供了新的机遇 (Braillard 2015; Calcott et al. 2015)。工程方法通常被认为不足以理解生物的复杂性。具体而言，设计思维常常与适应主义联系在一起，即假设生物性状是由自然选择进行最优“设计”的 (Orzack & Forber 2010)。因此，批评者认为，工程方法可能导致对进化的简单理解，认为进化仅由自然选择驱动 (Lynch 2007)。然而，尽管系统生物学中的某些方法可以被描述为适应主义的 (Green 2014)，但不能假设设计方法总是包含适应主义的含义。系统生物学家可能会采用一种“薄”的设计概念，主要关注结构和功能之间的关系 (Green et al. 2015b)。由于系统生物学和合成生物学的研究往往与进化论脱节，这些研究实践可能迫使哲学家们重新审视生物功能和设计的概念，超越传统的病因学解释 (Holm 2012; Preston 2008; 另见 Mossio 等人 2009)。

在此背景下，薄弱的设计概念是否与生物复杂性相容尚有争议。一些学者担心，以机器视角看待生物体（以及设计隐喻的使用）可能会导致人们忽视诸如自主性、可进化性和内在目的性等独特的生物学特征 (Nicholson 2019; 另见 Jacob 1977; Kogge & Richter 2013; McLeod & Nerlich 2017)。设计方法可能隐含地强化了这样一种观点，即特定部件的操作和输出在不同情境下是稳定且可预测的。在生物学中，基因型-表型关系之间的语境敏感性和退化性可能会严重限制这种启发式方法的实用性 (Boudry & Pigliucci 2013; Güttinger 2013；另见第 3.1 节)。然而，正如以下章节所述，无论是在系统生物学还是合成生物学中，它与工程的联系都是多方面的。

2.2 逆向工程与正向工程

费曼在 1988 年发表的“最后一块黑板”声明“我无法创造的东西，我不理解”经常在合成生物学的语境中被引用，并引发了人们对理解与设计之间关系的哲学思考 (O’Malley 2009; Holm 2012; Calvert & Frow 2013)。尽管合成生物学与系统生物学在设计合成系统的明确目标上有所不同，但它通常被描述为依赖系统生物学作为设计理论基础的实践（Barrett 等人，2006 年）。合成生物学和系统生物学有时通过正向工程和逆向工程这两个互补的目标来描述。正向工程是指设计具有新功能的系统，通常借鉴现有的高级模型（例如，现有的代码或活细胞）。正向工程或再工程可以构建更复杂的系统，但也可以通过实现更抽象的编码语言或简化或重新布线（遗传）电路来简化系统。逆向工程是指在无法参考设计方案的情况下，通过检查现有系统来“反向”理解系统功能。寻找重复出现的网络基序（第 1.1.1 节）就是系统生物学家如何通过逆向工程系统结构来了解其功能能力的一个例子。由于诸如鲁棒性之类的功能特征不仅对生物体的生存至关重要，而且对工程设计问题也至关重要，因此，对支撑这些能力的组织特征进行逆向工程是这两个领域的重要目标 (Csete & Doyle 2002; Hartwell et al. 1999; Kitano 2004; Stelling et al. 2004)。

逆向工程和正向工程方法可能会挑战“如何可能”模型的哲学视角，而“如何可能”模型通常被视为“如何实际”解释的基石。然而，在系统生物学和合成生物学中，“如何可能”模型本身就具有解释力——可以解释如何在自然或人工系统中实现生物功能 (Green 2015; Koskinen 2017)。在工程学中，逆向工程是一项旨在识别系统设计通用特征或设计原则的活动。这些原则可在其他系统中重复使用。同样，系统生物学中的逆向工程旨在识别生物设计原则，以增进对不同系统间结构-功能关系的理解 (Csete & Doyle 2002; Doyle & Stelling 2006; Voit 2003)，并可能用于合成生物学中新型系统的设计 (Koskinen 2019)。

2.3 生物学中的设计原则

系统和合成生物学不仅采用了电子和控制工程的数学工具，还采用了一个概念框架，在该框架中，生物功能可以通过控制原则和通用表示（例如反馈控制）来理解 (Gramelsberger 2013; MacLeod & Nersessian 2013a,b)。对功能原则的探索及其在生物学和工程学中不同系统中的应用，可以追溯到控制论和生化系统理论的理念 (Savageau 1976; Wiener 1948)。负反馈控制长期以来一直是机械和电子工程的核心原则，旨在维持稳定的浓度并最大限度地减少波动。控制论的一个重要见解是，相同的形式化方法也可以描述生物过程，例如，由于同一反应产物的积累而导致反应受到抑制。因此，负反馈的抽象模型可以表示适用于更大类系统的功能原理 (Green & Wolkenhauer 2013)。

现代系统生物学中设计原理探索的特点是，该策略是通过基于大型生物数据集的网络模型中的自动模式检测来实施的，例如对网络基序的探索（第 1.1.1 节）。希望能够通过简单的控制原理，例如，正反馈和负反馈可以构成生物功能的基本组成部分，例如滤波器、开关、振荡器、放大器、检测器等（Alon 2007；Tyson 等人 2003）。其中一个例子就是所谓的拨动开关，这是一种简单的调节电路，被认为是系统生物学和合成生物学中的一种设计原则。

就像打开或关闭电器的拨动开关一样，基因拨动开关已被发现可以调节许多生物过程，例如芽殖酵母的细胞周期和果蝇的发育过程（Tyson 等人 2003；Jaeger 和 Crombach 2012）。基因拨动开关是一个双负反馈回路，它使系统在两种不同的基因表达稳定状态之间切换——允许一种蛋白质的合成，而另一种蛋白质则受到抑制。合成生物学家已成功在大肠杆菌中构建出一个合成拨动开关 (Gardner et al. 2000)，该拨动开关现已被视为构建新合成系统的设计复合材料或“计算模板”的一部分 (Choffnes et al. 2011; Humphreys 2004)。合成生物学领域的最新研究还涉及基于RNA的调控基因开关，称为核糖开关，它可以通过与特定配体结合来控制基因表达 (Mehrshahi et al. 2020)。基因拨动开关的动态行为也已在参数空间研究中得到研究，以用于网络模体鲁棒功能的实现 (Tyson & Novák 2010)，以及将动态系统理论的建模框架与从实验数据中逆向构建基因调控网络的方法 (Huang et al. 2009; Jaeger & Crombach 2012) 中得到探讨。由于所提出的设计原则的抽象性，一个有趣的哲学问题是，这些策略与关于生物学中类似规律的概括可能性的讨论有何关联。

生物系统通常被认为过于偶然、多样化且依赖于具体情境，以至于无法推导出类似于物理学中的规律或普遍原理 (Burian et al. 1996)。因此，对生物学设计原则和通用拓扑特征的探索是探索此类问题的有趣测试案例 (Green 2015b; Moreno and Suárez 2020)。这场争论的一个关键问题是，是否可以从组织结构中推断出可推广的功能，并且相对独立于细胞、生物体和环境背景。这个问题经常被讨论为多重可实现性问题，即由于系统结构决定了功能，更高级别的状态或属性是否相对独立于较低级别的因果细节或属性。系统生物学为这些争论带来了新的视角，例如，通过讨论网络基序在多大程度上提供了这种现象的具体例子 (Fang 2020)。通过网络基序实现功能的多重可实现性也被认为提供了一种设计启发法，这种启发法在合成生物学中得到了探索，例如在设计最小遗传系统和人工生化系统时 (Koskinen 2019)。对网络基序和其他功能单元的探索表明，模块化假设并未被完全抛弃。相反，模块化的概念可以通过对大型网络进行结构分解的策略进行重新配置 (Serban 2020)。然而，一些系统生物学家和哲学家质疑功能“单元”是否能够从整个网络的运作中有意义地分离出来（DiFrisco 和 Jaeger 2019；Huang 2011；Isalan 等人 2008），从而为生命科学中关于还原论和整体论的争论提供了新的视角。一个相关的问题是，对生物网络通用特征的关注与生物学解释的机械论论述有何关联（第 4.2 节）。

3. 重新审视生物复杂性

工程学通常以理性设计的理念来推动。一些合成生物学家也持有类似的观点，认为合成生物体可以通过可替换和标准化的组件进行组装，类似于乐高积木（《科学》杂志封面，2011 年 9 月 2 日 [333(6047)]）。然而，哲学家们认为，合成生物学和系统生物学的实际研究实践描绘了一幅截然不同的图景 (Knuuttila & Loettgers 2013a, 2014)。

3.1 逆向和正向的修补？

合成生物学的研究并非遵循固定的设计方案，而是常常通过被认为与理性设计相反的方式进行，即拼凑：一个笨拙、蹩脚、丑陋、愚蠢但足够好的解决方案 (O’Malley 2009, 2011b)。研究过程或许可以被描述为逆向和正向的修补，在这个过程中，人们在迭代循环中探索模块化分解和重组的机会，以得出零碎的解决方案。一些人认为，合成生物学表现出对工程学的反身性双重约束，因为指导合成系统构建的设计假设会被不断地重新评估 (Knuuttila & Loettgers 2013a)。也就是说，合成生物学的发展并非仅仅源于生物学与工程学之间的相似性。通过对工程方法的探索，人们发现了生物系统与工程系统之间的重要差异（或负面类比）（Knuuttila & Loettgers 2014）。

本文讨论的一个可能的负面类比的例子是噪声在生物系统与工程系统中的作用。在工程学中，振荡通常与噪声和精度不足有关，但振荡动力学是许多生物过程的特征，包括新陈代谢和昼夜节律（Knuuttila & Loettgers 2013a；另见Bechtel 2016）。为了研究基因表达中的振荡，Elowitz实验室的合成生物学家构建了一种名为“抑制器”（repressilator）的合成基因回路（Elowitz & Leibler 2000）。该抑制器旨在测试基因表达的振荡动力学是否可以通过简单调控回路中的连接反馈回路进行数学描述，并在合成模型中实现。

有趣的是，由于抑制器未能产生底层数学模型所预测的规律振荡，它反而带来了重要的洞见。数学模型与合成模型之间的不匹配导致人们对确定性数学模型的假设进行了重新评估 (Knuuttila & Loettgers 2013a, 2014)。随后，对同一模型随机版本的动力学研究表明，噪声可能是活细胞基因表达振荡的固有特征。噪声的功能作用及其随机建模潜力的探索已发展成为生物学家和工程师们共同关注的重要研究项目 (Briat 等人 2016；Munsky 等人 2009；O’Malley 2011b)。抑制器及其类似的例子也引发了关于合成生物学设计程序是否需要考虑细胞环境、功能的分布式组织以及其他不同于模块化机器的特征的争论 (Güttinger 2013)。[6]