饒毅：先有雞還是先有蛋？這只是理解生命的開始 | 星聚墨子（2）

基因不僅指導(dǎo)人體的形成，從生命的第一個(gè)細(xì)胞到生命結(jié)束，基因包含的遺傳信息和它對(duì)其他的分子和細(xì)胞的調(diào)節(jié)活動(dòng)，在人類的一生中都發(fā)揮著作用。

2016年3月27日，墨子沙龍邀請(qǐng)到饒毅教授在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院作題為《基因與你》的報(bào)告。本文根據(jù)報(bào)告整理而成。

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第一部分

“先有雞還是先有蛋”——生命的起點(diǎn)

雞和蛋誰先有這個(gè)問題，在生物學(xué)上是有確切答案的，當(dāng)然是先有蛋后有雞。原因很簡單，我們要分清種性發(fā)生細(xì)胞和體細(xì)胞。種性細(xì)胞就是人類的精子和卵子，雞的蛋，就是精子和卵子，體細(xì)胞就是身體全體的細(xì)胞。在雞以前的生物，我們可以叫前雞，在前雞變成雞的時(shí)候，不可能是體細(xì)胞發(fā)生變化，體細(xì)胞發(fā)生變化是不能遺傳的，一定是性細(xì)胞發(fā)生變化，變得不同于前雞，才可以進(jìn)化為雞。所以第一只雞的出現(xiàn)，一定是因?yàn)殡u蛋里發(fā)生了變化。

▲恐龍化石模型（來源：羊城晚報(bào)）

這個(gè)問題很簡單，但包含了很深?yuàn)W的科學(xué)原理。從雞往前推，雞之前有前雞，前雞之前更有其他生物，將生物的歷史向更早推進(jìn)，就產(chǎn)生了一個(gè)問題，什么是生命？有性繁殖是如何產(chǎn)生的？目前為止是沒有答案的。無性繁殖產(chǎn)生的生物數(shù)量要多于有性繁殖。它的典型方式是單細(xì)胞分裂，比如我們釀酒的酵母是單細(xì)胞生物，它們的繁殖方式就是把遺傳信息分成兩套，然后細(xì)胞分裂成兩個(gè)，這樣兩個(gè)后代和他們的父（母）輩是一樣的。

當(dāng)我們知道有無性繁殖和有性繁殖后，我們發(fā)現(xiàn)有必須借助顯微鏡才能看到的生物，我們研究的生物越來越小，那么到多小就變成非生物呢？生物和非生物的界限在哪里？

目前，對(duì)生命的定義是一個(gè)能夠自我復(fù)制的分子。生命的特征很清晰，它可以自我復(fù)制，無生命是不可以自我復(fù)制的。無機(jī)分子在某些時(shí)間空間條件下，生成了自我攜帶遺傳信息的分子，這些分子自我復(fù)制，和其他（不能自我復(fù)制的）分子有所區(qū)別，數(shù)量越來越多，后來又和其它分子合作，這就是生命的起源。

從單細(xì)胞開始，細(xì)胞們開始合作組成多細(xì)胞，多細(xì)胞又走向不同的進(jìn)化路線，成為植物、動(dòng)物。最小的動(dòng)物體內(nèi)含的細(xì)胞類別很少，隨著進(jìn)化過程，慢慢復(fù)雜，到了人類，細(xì)胞之間的組合成為用于呼吸的肺部、用于血液循環(huán)的心臟、用于過濾和排出毒素的腎臟等等。這就是多個(gè)細(xì)胞高度分化同時(shí)高度合作的結(jié)果。

▲2022年，多國科學(xué)家通力合作，創(chuàng)建出了迄今為止最為全面的泛組織人體單細(xì)胞圖譜：涉及33種人體組織、超過100萬個(gè)細(xì)胞，涵蓋500多種細(xì)胞類型。（來源：Nature）

當(dāng)我們發(fā)育成一個(gè)人之后，產(chǎn)生了各種活動(dòng)，其中人腦的活動(dòng)每天消耗的能量占全身耗能的40%。大腦計(jì)算時(shí)，它內(nèi)部也有細(xì)胞、分子、基因的活動(dòng)在參與，在一些學(xué)習(xí)、記憶活動(dòng)之后，大腦會(huì)把腦環(huán)路的變化變成基因表達(dá)的變化，以后再碰到同樣的事情，基因的表達(dá)已經(jīng)被更新了。所以基因不僅指導(dǎo)我們?nèi)梭w的形成，從生命的第一個(gè)細(xì)胞到生命結(jié)束，基因包含的遺傳信息和基因通過調(diào)節(jié)其他的分子和細(xì)胞的活動(dòng)，在人類的一生中都發(fā)揮著作用。

在生命進(jìn)化的過程中，遺傳信息可能會(huì)發(fā)生變化，因?yàn)檫z傳信息在復(fù)制過程中本身有一定的出錯(cuò)率（突變頻率），物理、化學(xué)原因也會(huì)導(dǎo)致遺傳信息在復(fù)制過程或者自身發(fā)生變化。這就帶來了生物的演變。

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第二部分

“黃豌豆與綠豌豆”——基因的發(fā)現(xiàn)

基因到底是怎樣被發(fā)現(xiàn)的？中國古代說父精母血，西方的細(xì)胞學(xué)說也經(jīng)過了幾百年才得以建立。西方從古希臘文明到文藝復(fù)興，為了培養(yǎng)更好的農(nóng)作物，一直有人在研究這個(gè)問題，直到1854-1866年，奧匈帝國的一個(gè)小村落里，修道士孟德爾用豌豆說明了最簡單的遺傳規(guī)律，也是第一個(gè)系統(tǒng)地去教這樣的遺傳規(guī)律的人。

▲明代《封神演義》中哪吒削骨還父、削肉還母，體現(xiàn)了中國古代樸素的遺傳觀。（來源：電影《哪吒鬧海》）

1866年，孟德爾正式發(fā)表了他的結(jié)論。 他發(fā)現(xiàn)黃色豌豆和黃色豌豆自交只會(huì)出現(xiàn)黃色豌豆，綠色豌豆和綠色豌豆自交，也只會(huì)出現(xiàn)綠色，而黃色和綠色的雜交，得出黃的豌豆，沒有綠的。他發(fā)現(xiàn)，控制性狀的因子，存在于精子和卵子里——花粉細(xì)胞和卵細(xì)胞里，它們可以走到一起來，決定一個(gè)形狀是什么，它們即使（不顯現(xiàn)）也不會(huì)消失，會(huì)在下一代繼續(xù)存在下去。遺傳的規(guī)律是排列組合的。也就是說，遺傳由“遺傳因子”（基因）控制，成對(duì)因子在配子中分離，同性狀遺傳互不干擾。這揭示了生物性狀傳遞的基本規(guī)律，為現(xiàn)代遺傳學(xué)奠定基礎(chǔ)。

▲孟德爾，1822年7月20日-1884年1月6日，被譽(yù)為遺傳學(xué)之父。（來源：wikipedia）

他當(dāng)時(shí)寫下了這個(gè)表示遺傳規(guī)律的方程式，后人把它歸納為孟德爾第一、第二定律。孟德爾是生物學(xué)領(lǐng)域中遺傳研究的第一個(gè)高峰。

1869年，瑞士生物學(xué)家弗雷德里希·米歇爾（Friedrich Miescher）在德國的圖賓根（Tuebingen）研究傷口化膿里面的白細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)核酸和當(dāng)時(shí)已知的蛋白質(zhì)、糖、脂肪都不一樣，他命名這個(gè)新的物質(zhì)為核素，后來叫核酸。

1944年，默克菲勒大學(xué)的三位科學(xué)家（艾弗里、麥克勞德、麥卡蒂）提出基因是主要遺傳物質(zhì)。1953年，英國的物理學(xué)家朗西斯·克里克（Francis Crick）和美國的生物學(xué)家詹姆斯·沃森（James Watson）提出DNA雙螺旋假說，發(fā)現(xiàn)DNA的鏈?zhǔn)锹菪p鏈結(jié)構(gòu)。只要確定了其中一條鏈的堿基順序，另一條鏈的堿基順序也隨之確定，因?yàn)橄俦爝?A)總是與胸腺嘧啶（T）配對(duì)、鳥膘呤（G）總是與胞嘧啶（C）配對(duì)，叫做堿基對(duì)，這就是當(dāng)時(shí)雖然他們雖然看不見但是可以推論的堿基配對(duì)。一個(gè)細(xì)胞里，一套DNA就是這樣的雙鏈。在細(xì)胞分裂前，雙鏈要分成單鏈，兩條單鏈以自己為模板，各自進(jìn)行配對(duì)，形成另外一條鏈，組合成兩個(gè)全新的和原來一樣的雙鏈。這就是DNA復(fù)制的核心。

▲DNA雙螺旋。這是Watson和Crick那篇討論DNA結(jié)構(gòu)的成名作中的插圖，出自Crick的妻子Odile之手。（來源：環(huán)球科學(xué)）

人類的DNA非常長，一套雙鏈分成23段，成為23個(gè)染色體，我們和別人的關(guān)系，可以從這些染色體，也就是DNA堿基的排列相似度進(jìn)行推測。上文提到有性繁殖和無性繁殖的區(qū)別，當(dāng)發(fā)現(xiàn)了人的DNA結(jié)構(gòu)后，人類是從細(xì)菌或病毒進(jìn)化來的，這樣一個(gè)事實(shí)也得以驗(yàn)證。通過將人類DNA和酵母等細(xì)菌DNA進(jìn)行對(duì)比，可以獲得驗(yàn)證。所以，進(jìn)化不是理論，而是被實(shí)驗(yàn)所證明的事實(shí)。

那么遺傳信息是怎么在我們身體里產(chǎn)生功能的？DNA上的遺傳信息指導(dǎo)特定蛋白質(zhì)的產(chǎn)生。一方面，通過蛋白質(zhì)作用于糖、脂肪和其他蛋白質(zhì)和核酸，這樣遺傳信息就可以控制我們所有的大分子。另一方面，小分子中，蛋白質(zhì)作為離子通道，控制著離子、水的分布，也就是控制了離子的濃度分布。這樣，蛋白質(zhì)就直接或間接控制了人體內(nèi)的功能。

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第三部分

基因測序與編輯——倫理的追問

了解了分子生物學(xué)的原理后，我們知道如果改變DNA，就可以改變蛋白質(zhì)、改變細(xì)胞功能。我們利用基因來生產(chǎn)我們以前生產(chǎn)成本太高、安全性太低的東西。比如改造植物，提高植物對(duì)病蟲害的抵抗力，或者提高產(chǎn)量；甚至改造動(dòng)物。我們可以通過遺傳信息找到全世界的親朋好友，通過DNA測序找到你和其他人的關(guān)系與差異，并分析這些差別部分是環(huán)境造成的，部分是遺傳造成的。

▲依賴植物自身遺傳變異培育出的白色草莓(來源：科普中國)

進(jìn)一步的，我們還可以通過DNA序列的變化分析基因與疾病的關(guān)系。分析哪些基因哪些變化會(huì)造成哪種病，這就是DNA序列和人的性狀的相關(guān)性分析。大部分情況下，我們的性狀不是一個(gè)基因造成的。現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)輔助分析，可分析出影響人身高的基因有幾百種。因參與的基因太多，無法從你的父母準(zhǔn)確預(yù)計(jì)你的高度。因此，現(xiàn)在很多研究著眼于多基因，小變化、小貢獻(xiàn)對(duì)我們的不同性狀有什么影響。

目前，基因相關(guān)性分析辦法越來越快。1953年分子生物學(xué)產(chǎn)生，1973年，人類學(xué)會(huì)剪切DNA，1977年，人類開始進(jìn)行基因測序。人類的第一次全套基因測序大概花費(fèi)了上億美元，現(xiàn)在一千美元就可以測一個(gè)人的基因組，未來5到10年乃至10年以后，一塊錢就可以測一個(gè)人的基因組。

基因測試技術(shù)的迅猛發(fā)展，帶來了不可忽視的社會(huì)倫理問題。我們是否能修改已知的和精神疾病相關(guān)的基因、和先天癡呆相關(guān)的基因、和阿茲海默癥相關(guān)的基因？這會(huì)不會(huì)帶來對(duì)人腦的影響？從“先有雞還是先有蛋”的追問至今，基因的分析和操縱技術(shù)已經(jīng)走了很遠(yuǎn)，在我們不斷的科學(xué)研究中，不斷產(chǎn)生新的理解，帶來新的技術(shù)，這些理解和技術(shù)與社會(huì)的關(guān)系，是我們應(yīng)當(dāng)持續(xù)關(guān)注，審慎思考的。

文字整理：詩學(xué)