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）

基因不僅指導人體的形成，從生命的第一個細胞到生命結束，基因包含的遺傳信息和它對其他的分子和細胞的調節活動，在人類的一生中都發揮著作用。

2016年3月27日，墨子沙龍邀請到饒毅教授在中國科學技術大學上海研究院作題為《基因與你》的報告。本文根據報告整理而成。

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第一部分

“先有雞還是先有蛋”——生命的起點

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

▲恐龍化石模型（來源：羊城晚報）

這個問題很簡單，但包含了很深奧的科學原理。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，就產生了一個問題，什么是生命？有性繁殖是如何產生的？目前為止是沒有答案的。無性繁殖產生的生物數量要多于有性繁殖。它的典型方式是單細胞分裂，比如我們釀酒的酵母是單細胞生物，它們的繁殖方式就是把遺傳信息分成兩套，然后細胞分裂成兩個，這樣兩個后代和他們的父（母）輩是一樣的。

當我們知道有無性繁殖和有性繁殖后，我們發現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，對生命的定義是一個能夠自我復制的分子。生命的特征很清晰，它可以自我復制，無生命是不可以自我復制的。無機分子在某些時間空間條件下，生成了自我攜帶遺傳信息的分子，這些分子自我復制，和其他（不能自我復制的）分子有所區別，數量越來越多，后來又和其它分子合作，這就是生命的起源。

從單細胞開始，細胞們開始合作組成多細胞，多細胞又走向不同的進化路線，成為植物、動物。最小的動物體內含的細胞類別很少，隨著進化過程，慢慢復雜，到了人類，細胞之間的組合成為用于呼吸的肺部、用于血液循環的心臟、用于過濾和排出毒素的腎臟等等。這就是多個細胞高度分化同時高度合作的結果。

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

當我們發育成一個人之后，產生了各種活動，其中人腦的活動每天消耗的能量占全身耗能的40%。大腦計算時，它內部也有細胞、分子、基因的活動在參與，在一些學習、記憶活動之后，大腦會把腦環路的變化變成基因表達的變化，以后再碰到同樣的事情，基因的表達已經被更新了。所以基因不僅指導我們人體的形成，從生命的第一個細胞到生命結束，基因包含的遺傳信息和基因通過調節其他的分子和細胞的活動，在人類的一生中都發揮著作用。

在生命進化的過程中，遺傳信息可能會發生變化，因為遺傳信息在復制過程中本身有一定的出錯率（突變頻率），物理、化學原因也會導致遺傳信息在復制過程或者自身發生變化。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”——基因的發現

基因到底是怎樣被發現的？中國古代說父精母血，西方的細胞學說也經過了幾百年才得以建立。西方從古希臘文明到文藝復興，為了培養更好的農作物，一直有人在研究這個問題，直到1854-1866年，奧匈帝國的一個小村落里，修道士孟德爾用豌豆說明了最簡單的遺傳規律，也是第一個系統地去教這樣的遺傳規律的人。

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

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

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

他當時寫下了這個表示遺傳規律的方程式，后人把它歸納為孟德爾第一、第二定律。孟德爾是生物學領域中遺傳研究的第一個高峰。

1869年，瑞士生物學家弗雷德里希·米歇爾（Friedrich Miescher）在德國的圖賓根（Tuebingen）研究傷口化膿里面的白細胞，發現核酸和當時已知的蛋白質、糖、脂肪都不一樣，他命名這個新的物質為核素，后來叫核酸。

1944年，默克菲勒大學的三位科學家（艾弗里、麥克勞德、麥卡蒂）提出基因是主要遺傳物質。1953年，英國的物理學家朗西斯·克里克（Francis Crick）和美國的生物學家詹姆斯·沃森（James Watson）提出DNA雙螺旋假說，發現DNA的鏈是螺旋雙鏈結構。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，因為腺膘呤(A)總是與胸腺嘧啶（T）配對、鳥膘呤（G）總是與胞嘧啶（C）配對，叫做堿基對，這就是當時雖然他們雖然看不見但是可以推論的堿基配對。一個細胞里，一套DNA就是這樣的雙鏈。在細胞分裂前，雙鏈要分成單鏈，兩條單鏈以自己為模板，各自進行配對，形成另外一條鏈，組合成兩個全新的和原來一樣的雙鏈。這就是DNA復制的核心。

▲DNA雙螺旋。這是Watson和Crick那篇討論DNA結構的成名作中的插圖，出自Crick的妻子Odile之手。（來源：環球科學）

人類的DNA非常長，一套雙鏈分成23段，成為23個染色體，我們和別人的關系，可以從這些染色體，也就是DNA堿基的排列相似度進行推測。上文提到有性繁殖和無性繁殖的區別，當發現了人的DNA結構后，人類是從細菌或病毒進化來的，這樣一個事實也得以驗證。通過將人類DNA和酵母等細菌DNA進行對比，可以獲得驗證。所以，進化不是理論，而是被實驗所證明的事實。

那么遺傳信息是怎么在我們身體里產生功能的？DNA上的遺傳信息指導特定蛋白質的產生。一方面，通過蛋白質作用于糖、脂肪和其他蛋白質和核酸，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，蛋白質就直接或間接控制了人體內的功能。

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第三部分

基因測序與編輯——倫理的追問

了解了分子生物學的原理后，我們知道如果改變DNA，就可以改變蛋白質、改變細胞功能。我們利用基因來生產我們以前生產成本太高、安全性太低的東西。比如改造植物，提高植物對病蟲害的抵抗力，或者提高產量；甚至改造動物。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系與差異，并分析這些差別部分是環境造成的，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系。分析哪些基因哪些變化會造成哪種病，這就是DNA序列和人的性狀的相關性分析。大部分情況下，我們的性狀不是一個基因造成的。現在的計算機輔助分析，可分析出影響人身高的基因有幾百種。因參與的基因太多，無法從你的父母準確預計你的高度。因此，現在很多研究著眼于多基因，小變化、小貢獻對我們的不同性狀有什么影響。

目前，基因相關性分析辦法越來越快。1953年分子生物學產生，1973年，人類學會剪切DNA，1977年，人類開始進行基因測序。人類的第一次全套基因測序大概花費了上億美元，現在一千美元就可以測一個人的基因組，未來5到10年乃至10年以后，一塊錢就可以測一個人的基因組。

基因測試技術的迅猛發展，帶來了不可忽視的社會倫理問題。我們是否能修改已知的和精神疾病相關的基因、和先天癡呆相關的基因、和阿茲海默癥相關的基因？這會不會帶來對人腦的影響？從“先有雞還是先有蛋”的追問至今，基因的分析和操縱技術已經走了很遠，在我們不斷的科學研究中，不斷產生新的理解，帶來新的技術，這些理解和技術與社會的關系，是我們應當持續關注，審慎思考的。

文字整理：詩學