第3章
生物技术的潜能
从制药到生产，生物技术将为个人、企业和经济打开一扇充满无限可能的大门。
2050年，《经济学人》杂志也许会直接投射到你的大脑里。DARPA（美国国防部高级研究计划局，美国国防部下属的军事研究机构）希望在数字设备与人的大脑皮层之间建立一座桥梁。这个耗费6000万美元的项目有一个宏伟的目标：让大脑具备通用的数字输入输出功能。很难预料这种整合最终会产生什么，但有一点很明确，生物学的未来并不限于我们今天想象的样子。电子器件与生物计算紧密的、直接的融合，能够为生命和非生命的潜能拓展新的、无法预测的前景。
DARPA的开发经理有时把这个神经接口称为“大脑皮质调制解调器”（cortical modem），该项目是建立在将人类神经元链接到电子设备的大量临床实验的基础上的。耳蜗植入和人造视网膜已经被应用了很多年，用于恢复患者的听力和视力。临床实验中，植入大脑的电极阵列已经用于对损伤脊髓的神经信号进行路由，并且能够实现神经对机器人肢体的直接控制。在某些情况下，这些神经假体已经能够让截瘫患者再次行走。
即使研究人员在建造“无敌女金刚”（bionic woman）方面取得实际进展，这种颠覆性技术本身也正在被颠覆。电子义肢修复技术将很快面临生物组织再生和移植技术的挑战。组织工程师正在生产或者“种植”可移植的内脏、骨骼和结缔组织。这些创新技术中的一部分还在实验室里面，但其他的已经应用于临床，包括诸如膀胱、髋关节、阴道、气管、静脉、动脉、卵巢、耳朵、皮肤、膝盖半月板、受损心脏的补片等。
生物组织的制造方法越来越多，使得该领域的进步在不断加速。正如皮质调制解调器将扩展生物潜能（包括直接访问计算机）一样，数字计算机的成果也能为细胞控制提供新的手段。对将来的器官工程师而言，以前被限制在培养皿里面把单个细胞培养成组织，现在可以使用3D打印机将细胞准确地放置到器官形状的支架上，就像汽车、飞机或者智能手机外壳里面的部件一样。我们的身体，作为一种特殊的外壳，很快就可以用新的组织替换病变或者坏掉的组织。我们的“湿件”（wetware）将具有可升级性。
制造替代组织只是可再生医学作为一个能初步提高生活质量的学科的第一步，将来其能得到更大的拓展。在我看来，在未来的几十年中，针对衰老的分子机制的疗法将逐步增多。可能永远不会有那么一天让我们能说“我们完成了”，但随着时间的推移，影响力将会不断地累积和叠加。
除了解剖和药物干预之外，人类很快就可以编辑自己的基因。首先，我们将尝试消除人类的某些疾病，从那些相对容易识别的遗传变异引起的疾病开始，如β地中海贫血、亨廷顿病、镰状细胞性贫血等。接着，我们将降低人类患上阿尔茨海默病、各种癌症和心脏病的风险。
现在很多观察家担心在实验中把基因改造技术应用于非存活的受精卵，但其影响比是否直接修改后代的基因组更直接。个人将很快能够有机会根据自己的需要改变自己的基因组。我们很容易就能为此列出一堆理由，如人类希望通过修改基因组来改善他们的健康状况、精神和身体状态以及外貌。我们将面临几十年的伦理方面的大讨论，讨论在基因改造这条路上我们应该走多远，以及谁有权力使用这种技术或者禁止使用这种技术。
不管这场辩论的过程如何，实际需求将引导技术快速被采用，这可能比规则制定者做出决定来得更早。这种需求根植于人类想通过技术增强自身精神和身体潜力的愿望。这种愿望在我们身边随处可见，如整容手术、文身、视力矫正，以及在比赛和考场服用提高成绩的药物等。因此，即使身体修复可能要用到生物学技术，但对于提升自身机能的欲望将驱动相关技术的发展和实施，包括大脑皮质调制解调器。
把互联网接入自己的大脑
神经接口能为人类思维与互联网提供直接的联系。通过这些连接，可以把可用的物理、电子和经济基础设施整合成一套假肢，为使用假肢的个人提供强大的力量。我们可以通过互联的机器人把人类的触觉延伸到全世界。我们可以直接连接到图书馆、超级计算机和太空望远镜来扩展我们的思维。我们的思维将不再局限于狭窄的颅骨内，而是可以真正地暴露在宇宙中，这将给我们带来极大的好处，同时带来巨大的风险。
根据定义，大脑皮质调制解调器将是一个双向的通信信道。把这个接口连接到人类的神经将引发一个问题，即什么样的内容能够嵌入信息流。如果我们开始把互联网接入自己的大脑，那么将需要面对目前所有的网络安全问题，很可能还会出现一些新问题。智能手机里面的垃圾邮件和恶意软件将不再是我们关注的焦点。DARPA已经意识到潜在的问题，最近已经把移植仿生手臂的力量限制为“人体正常”水平，主要是因为担心网络安全问题。该机构担心具有超常力量的手臂的程序被破解，不管是被手臂的佩戴者，还是其敌人。这些安全问题才刚刚显现。
谁将持有你的大脑皮质调制解调器的密码？谁来控制软件更新？今天政府安全机构坚持获取电话、电子邮件，以及你的手机和电脑里面的内容。35年之后，政府是不是会坚持在你的大脑里面装个后门？其他人是不是也会经常使用这个后门？即使面临这一系列问题和风险，很多人还是会选择采用这些新技术。
这是一个轻而易举就能做出的预测。科幻作家威廉·吉布森敏锐地观察到“未来已经到来，只是还分布不均”。科幻作品是一种关于想象力的文学形式，其出类拔萃者能提前很久就预测到未来的情形。虽然已经开始进行研发，并且分布不均，但是目前人们已经可以使用初级的神经假体了。这种技术并没有物理学、化学或者生物学方面的根本性难题，其发展速度将仅取决于我们减少在如何制造设备方面的无知的速度。未来的需求肯定是巨大的，技术的推广很快将由生产开发进度表决定，而不是由基础科学决定。其实，每种技术的到来都伴随着惊喜。正如今天，能否获取互联网所带来的“数字鸿沟”被认为是某种形式的教育歧视，那么脑部植入技术是会消除还是会加剧这些问题呢？当人体增强技术变成了关于是否能承担升级费用时，我们是否又顺便让社会或者经济增加了一些新的阶层？我们正在逐步进入吉布森已经写好的每部小说的序章，同时我们也得做好准备面对还在其头脑里面酝酿的章节。
当软件遇上湿件
最终，基因工程、再生医学以及信息技术将趋于融合。弥合计算与生命体之间的隔阂，将同时带来好处和挑战，就像网络让银行、公共事物和制造业等的安全问题变得更加复杂一样。这再次把我们带到吉布森及其首部小说《神经漫游者》的开篇部分，主角发现他移植的人工器官被黑客注射了毒素，他必须完成任务才能获得解药。临床实验已经使用了很多人工器官，当该技术更加普及时，我们必须关心在工厂里面，我们的湿件是否会被安装恶意软件。如果湿件在安装之后需要升级，那该怎么办？谁来负责管理这些升级工作，他们是否有权通过生物网络来发布这些更新，就像现在的智能手机软件更新一样？换句话说，我们是去医生那里进行调试，还是有其他的方法来传送生物代码？也许该恢复“病毒式传播”的本来含义。我们是否可以拒绝这些更新？谁又最终拥有我们这些移植器官的“密码”？不管这个“密码”具体是什么样的形式。
再次让人感到奇怪的是，在这种场景中，并不存在物理学、生物学或者化学方面的障碍。与大脑皮质调制解调器一样，人们对于这类技术有巨大的需求，如减少疾病带来的负担、提高老年人的生活品质，终极目标是把衰老从某种不可避免的终点转变为可管理、可持续的过程。不过，前方长路漫漫。
大脑皮质调制解调器和再生医学都体现了人类在未知领域的工程能力。虽然我们还不能设计一个大脑，或者像大脑一样工作的东西，因为我们对于大脑细胞的工作原理还没有完全理解，不论是单个细胞，还是作为一个整体，但是我们正在消灭无知，为人体生理创造新的能力。我们现在可以通过把神经连接到计算机上来直接读写其信号。我们已经有足够的能力控制人类细胞的活动，把它们粘贴在一起组成可利用的形状，利用我们现在还没完全理解的机制制造可用的器官。这表明在未来的几十年，生物技术的范围将不会受限于我们目前所知道的生物学的点点滴滴，而是如何把这些新技术组合在一起充分利用好。在历史上，这种方法已经获得了巨大的成功。
生物技术繁荣的基础
现在我们还在学习如何高效安全地修复或矫正人类的身体，包括我们的基因组。几十年来，我们已经能在实验室里对其他生物的基因编码进行读写。人们对于这种技术的需求是十分巨大的。虽然还处于早期阶段，但是在享受生物技术带来的经济利益时，很关键的一点是，我们需要知道去往何方。基于基因工程的商业活动已经逐渐、悄悄地成为美国经济的主要贡献者之一。
到2012年，生物技术在美国创造的收入已经超过GDP（国内生产总值）的2%（见图3–1）。这些收入主要由三大子行业组成：生物制品（如生物制药），转基因农作物，以及工业生物技术产品（如燃料、酶和材料）。如果把生物技术作为一个行业，2012年其对美国经济的贡献高于采矿业（0.9%）、公共事业（1.5%）或者计算机和电子产品制造业（1.6%）。相比较，生物技术行业的相对体量是不是有点出人意料？这主要是因为一直以来人们都疏于对其进行测量。美国商务部至少早在1958年就开始跟踪半导体对于美国经济的贡献度，那个时候这个贡献度还不到GDP的0.1%，但是到2016年还没有对于生物技术贡献度的官方跟踪，所以其经济影响是悄悄发挥的。
图3–1 美国生物技术收入
生物技术的收入越来越多地依赖于对DNA碱基对上的基因编码进行的读、改、写（见图3–2）。现在自动工具可以进行电子信号与生物信号之间的直接转换，这是过去30年技术发展取得的成果。这个时间段很重要，因为它比从现在到本书给出的时间点——2050年更短。在未来30年，这项技术将更加便宜、普及和强大。自1985年以来，读写DNA的成本大幅下降，而仪器的效率呈指数级增长，大概每18个月翻一番。最近几年，测序的效率呈超指数增长，主要是受到基因指令读取及编码的强烈需求驱动，并且已经应用到人体、病原体、肿瘤、农作物、宠物，以及科学家可以接触的其他任何生物。
图3–2 卡尔森曲线和摩尔定律
一旦被数字化，这些基因序列就可以组成一个指令集合，用于构建新的基因来制造有机体，目前通常是微生物和植物。这种DNA可以用于针对药物的某种蛋白质进行编码，或者用于编码整条合成途径中的酶，用于制造现在从石油中提炼出来的任何分子。经过几十年的生物学研究，我们已经不再局限于设计自然环境中能找到的基因，或者对这些基因进行排列。
现在人类可以根据具体的功能需求来设计基因编码，然后将这些指令整合为一个基因组。与大脑皮质调制解调器以及人工器官一样，虽然我们已经开始设计基因线路，但是并不知道所有这些组件是如何工作的。目前商业应用中最复杂的合成基因线路只包含大约12个基因，这些基因被粘贴在酵母基因组中，酵母基因组本身由超过5000个基因组成，其中很多基因我们知之甚少。生物工程目前是一项对复杂的遗传系统的侵入行为，并没有合适的操作手册。在未来的30年，人类会投入大量资源来消除在这方面的无知。
在这几十年里，我们将研究生命的各组成部分和各系统是如何结合在一起的。这些组成部分在数量上、功能上以及相互交互方面都是有限的。毫无疑问，随着时间的推移，我们将充分理解它们。随着我们对其理解的提升，不断增长的市场需求将不可避免地带动工程能力的进步。当我们真正知道自己在做什么时，世界又将是怎样一番景象呢？
生物工程的未来
要想对生物工程的未来做出一些预测，可以反过来考虑一下这个例子。在波音777飞机起飞之前一个世纪——1892年，人们会如何看待它？在那个时代，汽车都还是稀罕物，马匹、马粪还充斥在人们的日常生活之中，现代飞行器的每一个部件在当时看来都是一个奇迹。制造飞机的材料和方法、保持飞机在空中飞行的引擎和系统、能够全天候自动处理90%起飞和降落的计算及复杂管理能力，在当时看来都是不可思议的。1892年，虽然在物理上被证明是完全可行的，但是波音777飞机还是超越了当时人们的想象力和工程水平。
然而，在100年的时间里，波音777飞机的各个方面都取得了进步和提升，并整合为一个在今天看来似乎很普通的功能整体。现在这个基础已经非常成熟，并且集成度很好，设计人员可以坐在办公桌旁，操作在地球另一边的自动化生产线。
但我们仍然不能彻底地明白机翼是如何在湍流中维持上升的。我们的设计不是基于飞行的详细物理原理，而是通过大量的模拟来对流体动力学建模。最终，我们相信可以从这些模拟得出波音777飞机的适航性。但是，这些通过“可制造性设计”制造出来的飞机如此安全，并具有极高的可重复性，以至于只要飞机一起飞，我们就能安心地进入梦乡。虽然现代航空飞行器不能给我们带来多大刺激，却给我们带来了生物技术方面激动人心的线索。虽然听起来有些可怕，但是在未来，生物制造就会像现在的飞机制造一样平淡无奇。
改变已经到来。生物设计自动化行业，类似于现代航空业，目前在全球各大洲都涌现了不少雄心勃勃的初创企业。大型制药和工业生物技术公司尾大不掉，无法灵活地把自己的研发力量转移到这个方向，它们是这种新方法的主要客户。当可制造性设计最终变成生物工程的一个普通部分时，我们将拥有一个技术平台。通过这个技术平台，可以制造我们在大自然中看到的任何物体。未来，生物技术的边界将远远地超出我们今天描述的生物零件和生物过程。
随着我们扩展自己在利用生物学方面的能力，我们以前被现有经验严重束缚的创造力将逐渐得到释放。当我们突破了现有知识附加在想象力上的限制后，我们将利用生物元件制造出什么来呢？DARPA的另外一个项目能够为我们提供一些线索，该项目旨在利用生物学来改变我们操作无生命物质的方式。
标准合成化学技术为我们提供了一个分子动物园，这是现代经济的基石。今天很多产品只能通过完全由人类制造的分子来完成。无论是塑料、涂料，还是催化剂，合成化学改变了我们的世界。其实，合成化学只能制造一部分我们想象中的材料，酶却可以让化学制造更多的潜在材料。DARPA希望能够拓展这种能力，通过各种酶的组合来制造1000种以前并不存在的材料。此外，经过一个世纪的努力，我们已经学到了足够的生物、化学知识来设计具有新功能的酶，进一步扩大了可制造材料的范围。
因此，我们一方面正在努力准确、全面地理解生物学的本质，另一方面，我们正在利用生物技术摆脱之前技术方面的种种限制。除了制造新材料，生物技术也被视为电子系统的重要组成部分，特别是生物技术有可能改变我们存储数字信号的方式。
从磁盘到DNA
互联网正在迅速扩张，现有技术将很快无法满足我们对于数据存储的需求。如果继续沿着当前的道路走下去，在未来几十年内，我们不仅需要成指数级增长的磁带、磁盘或者闪存，而且需要更多的工厂来生产这些存储介质以及存放这些介质的仓库。即使在技术上可行，在经济上也不太合适。生物学可以提供一种解决方案。DNA是我们迄今遇到的最复杂、最密集的信息存储介质，甚至超过了磁带或者固态硬盘的理论容量。
一个装满磁带的大仓库可能会被一块方糖大小的一堆DNA取代。另外，磁带可以保存数十年，纸可以保存几千年，我们在加拿大苔原冻土里面的75万年前的动物尸骸中却发现了完整的DNA。因此，这将推动我们把读写DNA的能力与人类长期保存信息的需求相结合。目前已经有在DNA里面进行文本、图片和视频的编码及检索的相关案例。
政府和公司都看到了这个机会，提供资金来支持相关的基础研究，如提高DNA合成与测序的速度。为了与传统的磁带驱动器竞争，单个“DNA驱动器”必须每分钟能读写大约相当于10个人类基因组的信息，这是目前全球每年DNA合成需求的10倍以上。鉴于人类对于DNA存储的需求如此之大，如果其价格合适，那么将彻底改变读写基因信息的市场格局。目前，该市场的规模只有数十亿美元，处于生物技术市场的边缘，同时，其带来的巨大应用潜力也将改变我们的生活。生物技术的这种非传统应用的影响将随着时间的推移越发显现。
牛奶工厂和生物经济
来看看发酵业的生产潜力，这是生物学与过程工程（process engineering）相结合的行业。啤酒酿造无论是在技术上，还是在经济规模上，都分为不同的等级，例如，从跨国巨头每年生产数百万升到街角小作坊的几千升精酿。这种产业结构表明分布式的生物制造业可以与集中的生产互相竞争，这与经济规模会越来越大的观念相悖。此外，综合性的石油公司需要数百亿美元才能运转，发酵行业的公司可能只需要几千美元的基础设施投入，就可以正常运转。
通过调整这个生产平台中的生物部分，我们可以瞄准有利可图的市场。啤酒的主要成分是水，每升最多值几美元，而微生物可以产生每升价值数万美元的分子。2012年，生物技术行业为美国经济贡献了1050亿美元，其中至少有660亿美元来源于已经在全球市场取代石油化工产品的发酵生物化学产品（这里面不包括2012年为美国GDP贡献了100亿美元的生物乙醇）。另外一个需求是，制药行业正在从类似抗生素这样的超小分子化学合成药物，转向生物合成。这样可以节省资金，减少废水和碳的排放。越来越多的包含生物和非生物的生产系统将满足人类飞速增长的针对可再生化学品的需求。
农民已经在乳业日常运作中尝到了挤奶机器人的甜头。奶牛和机器人组成了一个极具生产效率和赢利能力的综合系统。全球有超过25000个这样的系统正在运转。奶牛能够很快学会在固定的时间去挤奶牛舍，在这里它们的身体状况以及产奶量能够被脖子上的电子标签跟踪，形成了“奶牛的互联网”。重要的是，奶牛也能从这种系统中受益，可以减少兽医的检查次数并生产更多的牛奶。联网的奶牛把吃下的食物加工成有价值的物质，然后自动地运往一个集中的地方让人们进行收集。
这里的关键点是，就像酿造啤酒一样，自动化的奶牛场是一个非常高效、灵活且分散的制造系统。这种整合已经持续了几十年，牛奶的总产量几乎翻了一番，而“奶牛队”的规模却减少了一半。
现在假设这些“过剩”的奶牛不是被用来产奶，而是用来生产燃料或者化工品，那么这个生产量将相当于美国2017年可再生能源的使用量，或者美国汽油总需求量的17%左右。
根据目前的计划，完成这项任务需要投入大概1700亿美元，用来建造数百个假设中的“综合生物精炼厂”（integrated biorefinery）。相比之下，目前美国的全部奶牛价值大概为200亿美元，在这个数字上我们再加100亿美元用来研究如何利用奶牛生产燃料和化工品，我们还需要超过1000亿美元的资金。
其实，开发成本可能会更低，因为我们不需要像对奶牛进行生物工程那样把产品送到机器人挤奶仓。我们可以建立包含工程化微生物的发酵系统，微生物消耗复杂的有机原料并生产有价值的化学物质，这些生物化工产品一直都比石化产品更具竞争力。同时，我们即将拥有使用轮子或者腿来行动的自动机器人。把这些技术结合在一起，将彻底改变我们管理资源和组织生产的方式。
你好！机器牛
想象一下，装有生物处理模块的机器人在牧场（甚至在高原地区的恢复草地）上行走，把吃进去的各种原料加工成燃料、化学制品以及药品等产品，然后再把产品运至采集设备。这些机器人看起来像牛，或者只是类似于现在的卫星导航的自动化收割机外加了一个发酵罐。这些混合的“机器牛”，实际上就是移动微型啤酒作坊，将是自主的分布式生物制造平台。
不管这种混合体的最终形式是什么，我们将使用最合适的生物组件、机器人或者数字计算机。其中的重点不在于计算机技术将扩展生物学的极限，而是由于两种技术的相互影响，将在一些新的方向上取得进步。
这听起来有点天方夜谭，但本书涵盖的是未来30多年的发展。生物技术的优势已经创造了巨大的需求，进入壁垒已经急剧降低，30年后我们的经济将极其依赖于整合了工程化生物和非生物的混合设备。
很难预测在将来制造的人工产品具体会是什么样子，但展望未来，关键的一点是过去和现在的种种限制将不复存在。未来并不是由我们今天已知的生物学来定义的，而是由我们明天将创造的生物学来决定的。