如前文所述，整个细胞不只是各个组分的简单组合。对于基因组而言也是如此。我们对细胞中单个分子的“蓝图”进行鉴定，其意义在于对各个组分的特征进行细致描绘可以帮助我们了解整个问题的实质。这是一种被称为还原论的研究体系，数十年来一直作为生物学研究的主导理念。然而，如果仅仅在分子层面进行鉴定却对其组装机制一无所知，那么我们仍无法解决整个问题，也无法得知整个过程是如何进行的。因此，我们需要寻找针对“系统生物学”或“生物复杂性”研究的相关方法，并且完成生物学研究中的思维模式转变，即“跳出框架去思索”。我们所遇到的挑战是：如何理解在细胞内部，以及在组织、器官与生物体水平上所发生的多种生物学过程，以及不同分子间的相互作用方式。其中最重要的问题在于“究竟是分子驱动着细胞与生命体，还是生命体驱动着细胞及其分子？”事实上，这种相互作用存在于细胞对外界环境的响应，以及细胞对内部基因表达的控制中，并在两者之间达到平衡。

细胞研究中有许多令人兴奋的新领域，其中包括基因与蛋白水平的微小变化如何引起细胞行为的巨大改变，以及如何利用细胞来治疗疾病、提炼金属、分解石油产物或利用光能来产生生物燃料等。此外，同样令人着迷的是，我们还在努力通过合成的方法来“创造”生命，以及了解衰老背后的生物学奥秘等。在本章中，我们将简要地对其中一些研究方向进行介绍，并进一步探讨其未来可能的发展方向。

系统生物学

目前，我们已经获得了小部分人的完整DNA序列信息。另一方面，我们也对细胞日常活动中所涉及的生化反应机制及其分裂、分化机理有了越来越多的了解。在过去的10年间，分子技术的进步使我们能够诱导并监测数千种基因、RNA信号以及蛋白质的变化情况；而现在，我们甚至可以在单细胞中同时检测这些指标的变化情况。这些技术革新所带来的新知识逐渐发展形成了系统生物学的主要内容，使我们了解到细胞内不同组分之间成千上万种细微的相互作用关系。在早期的实验中，人们常常会对细胞进行某种药物处理，然后观察其发生的变化。例如，在最理想的情况下，某一种药物可以与其靶向蛋白（如某种酶类）发生相互作用，使其失活。但如今通过对成千上万个基因及其产物的分析，我们已经得知除靶标蛋白外，大多数药物还可以引发许多与靶标蛋白无明显关联的非靶标蛋白的变化。这些非靶标蛋白可能增加或者减少，变化速率也各不相同。从另一角度来说，这些药物的“副作用”也推动了“更为清洁”的特异性药物的研发进程。随着各大系统相关研究的不断开展，我们逐渐了解到在细胞分裂、分化等生物学过程中，细胞内的基因表达与蛋白质水平均发生着不同变化。尽管这些实验本身所花费的时间相对较少，但由于在实验过程中获得了海量的数据，因此需要耗费大量时间对数据进行细致地分析，这样才能对这些实验背后的生物学含义有更为深刻的理解。幸运的是，目前计算机已经可以通过强大的功能实现对相关信息的处理与分析。现如今，细胞与分子生物学领域的研究越发依赖于计算机生物学（又称为生物信息学）的帮助，以解决那些基于DNA与蛋白质序列的生物学行为相关问题。

系统生物学领域的先驱——莱诺伊·胡德（Leroy Hood）提出了一个将系统生物学完美应用于医学领域的设想：一名患者躺在**，正准备接受一场手术。首先，护士给患者抽血。随后，对患者的血样进行分析，获得了其机体功能与健康状况相关的生化、基因与蛋白的完整信息。根据这些信息，计算机可以在几分钟之内推算出这名患者可能罹患的所有疾病、相应症状、治疗策略或进一步的检查建议——这便是个性化医学。这在几年前曾是遥不可及的梦想，而现在只是时间早晚的问题（尽管具体时间仍不能确定）。癌症研究领域的研究人员已经可以利用先进的蛋白质与DNA技术对实体瘤患者进行检测，及时发现其血液中数量微小的癌细胞（在实体瘤患者体内，不断生长的肿瘤需要周围的毛细血管为其提供营养，而少数肿瘤细胞则会通过毛细血管不断地进入血液系统中）。药物研究人员正是利用这些方法来研发新的广谱性抗癌药物。

鉴于活细胞具有动态的特性，若想在生命过程中（例如在干细胞的分化过程中）实现对单个蛋白的追踪，需要对一种或多种蛋白进行标记，并对它们进行实时观察。在既往研究中，人们常使用绿色荧光蛋白等分子作为标记物。然而，此类标签蛋白的分子量可能比目标分子还要大许多倍，可能会对目标分子的正常活性产生干扰。如今，我们可以使用微小的无机球（量子点）进行标记，这些标记物体积十分微小（如图1所示），因此可以直接穿过细胞膜。纳米技术是在原子或分子尺寸上操纵物质的科学，主要涉及长度在1～100纳米（DNA链的直径为2纳米）的物质的相互作用。在这种微观尺寸下进行工作的巨大优势在于反应速度极快，就如同细胞中发生的反应一般。这一新兴的研究领域已开始应用于疾病的分子分析，其未来的应用方向包括对突变基因的显微操纵，细胞内生物传感器的构建，以及DNA计算机的制造等。可以想象一下，有朝一日我们所吃下的药物不再只是一粒简单的药片，而可能是一个装有纳米机器人的胶囊，它可以发现癌细胞的DNA并对其进行重构，或及时消除那些威胁生命的病毒。外科纳米机器人可以对遗传疾病患者的细胞进行矫正，也可以将受影响的器官进行重组。

人造生命

所有的活细胞之间都存在千丝万缕的联系，因为他们共享一套相同的遗传密码，并且存在少量高度保守的蛋白序列。这一现象提示我们，所有现代生命体都起源于同一始祖生命体。在地球形成之初，温度骤降形成了一个极端的化学与物理环境，如同一个大型实验室。细胞的组成成分——DNA碱基、氨基酸，以及DNA与蛋白的小型聚合物，都是在那个时代创造出来的。而到了现在，我们已进入了一个利用各大元素创造完整生命的时代。

在进行分裂之前，细胞需要先将其所有分子进行复制，这一过程需要依赖各种“软件”以及复杂蛋白质合成的“机器”进行运作。因此，一个细胞至少需要具备以下元素：一个容纳性结构；一组含有基因的DNA序列，可进一步编码形成不同的蛋白，以进行简单的化学反应；以及最重要的，能够将这些过程结合在一起，并能持续地完成自我复制。脂质分子可以自发组装成原始的膜结构，从而形成球状结构以保护并浓缩其内容物。我们也已经可以在实验室中成功创造出协助蛋白质合成的人工核糖体，以及含有功能性合成基因组的无核细胞。最近，生物工程师合成出了一种光合泡剂，其中含有多种光合酶，可将98％的太阳能转化为糖类。总之，这些生物技术的应用方向主要是对自然生命过程进行模仿。而我们是否能够重建出完整独立的生命仍不确定，但是这些工作可以帮助我们进一步理解生命的含义。

生长的四肢

在我们的身体里，只有肝脏能够实现一定程度的自我再生，但当我们从海星或蝾螈身上砍下一段肢体后，它们却能重新长出新的肢体。因此，我们开始对这一类生物进行研究，试图去阐明其在成体阶段仍可实现四肢再生的分子信号通路。研究表明，哺乳动物只有在其早期胚胎的生长过程中才能激活肢体再生的信号通路。然而，这一通路仍有被重新激活的可能。对鸡胚进行手术操作将其翅膀切除后，如果一种被称为Wnt的蛋白可以合成，那么切除的翅膀将得以再生。蝌蚪通常具备四肢再生的能力，但当其蜕变成青蛙后通常会失去这一功能。然而，当Wnt蛋白得以表达时，青蛙也可以实现四肢的再生。Wnt信号蛋白在损伤区域周围表达可能会使成熟细胞重编程或转分化为干细胞，进而分化形成肢体所需的各种类型细胞。

永恒的存在

我们可以获得永生吗？事实上，有一种被称为“永生水母”（灯塔水母）的生物，在性成熟后非但不会变老，反而会重新回到幼年的息肉阶段（类似于胚胎细胞）。在成熟的水母（水母体阶段）中，其钟形伞盖表面与消化道器官的细胞可转分化形成息肉，然后再发育成为成熟水母，循环往复直到永远。到目前为止，这种通过逆转生命周期来规避死亡的方式，综观整个动物界都算是绝无仅有的奇观——仅仅一只灯塔水母便可以永远地生存与繁衍下去。但幸运的是，绝大多数灯塔水母（它们每24小时便可以繁殖一次）会葬身于充满危险的海洋中。

最近的一项研究表明，秀丽隐杆线虫体内的一种胰岛素样受体蛋白在其寿命控制方面起着至关重要的作用。这一基因曾被发现参与调控了线虫生殖、耐热性、抗缺氧和细菌攻击等过程，其突变可使线虫寿命延长至原先的两倍（尽管这一现象是在实验室条件下观察到的）。另一方面，一种可控制该受体表达的蛋白，其含量增加也可以使线虫的寿命延长。这一现象提示我们，哺乳动物中的同源基因可能也具有延长寿命的作用。随着我们对细胞老化机制的进一步了解，或许有一天我们可以从遗传与机理上实现对寿命的控制。

获得永生的另一种方法是创造一个自己的克隆体。第一个哺乳动物克隆体是绵羊多莉，它是通过体细胞核移植技术而获得的（将成体细胞的细胞核注入未受精的卵细胞中，然后移入代孕动物体内孕育）。这一开创性研究成果推动了一系列“永生”克隆动物的诞生，其中便包括了我们心爱的家养宠物。但值得注意的是，利用成体细胞核获得的新的动物将增加癌症等老年疾病早期发生的风险。目前，人类克隆（human cloning）与早期胚胎可作为一种新型、便捷的细胞来源，为移植疗法提供治疗性干细胞。然而，鉴于伦理与相关法规等方面的问题，此方面工作暂无进一步推进。

地球上的生命是以细胞为基础的。细菌、酵母菌和藻类等单细胞生物，在经过数百万年的光阴后已经进化成为复杂的多细胞动物。智慧如我们，甚至已经思考生命本身究竟是如何运作的。在19世纪生物学家细致观察与深刻思考的帮助下，我们了解到了细胞是什么，每个子细胞如何通过其基因与母细胞相关联，以及单个或一组细胞又是如何在自然选择的影响下，适应不断变化的环境而演化形成新物种。到了20世纪，人们见证了细胞组分奥秘的揭晓，解析了蕴藏在DNA与蛋白质中的大量信息，并初步了解了细胞与其分子组分之间复杂的通信机制。步入21世纪后，人类或许将能够利用自然或人造细胞来治疗疾病，实现身体任何部位的再生以及寿命的延长，甚至可能会创造出基于细胞的超级计算机。正如在地球形成初期不断进化的细菌可以改变生物圈的理化性质一样，类似的方法或许可以用来逆转我们在不断开发的过程中对地球造成的污染与伤害。无论将来会发生什么，活细胞（无论以什么形式存在着）都极有可能得以生存下来并很好地适应新的环境。但彼时，我们人类能否幸存下来目睹这一切的发生，仍未可知。