用電腦描繪的DNA( 脫氧核糖核酸) 雙螺旋結構圖

　　從發現基因，到基因測序的可能，到真正解密基因組，再到基因組的奧秘被運用于醫學、生物學、人類學、考古學，人類每解開一個謎團，卻發現了更多的謎團。

《環球》雜志記者/樂艷娜

　　2.65萬年前到1.9萬年前，是距離現在最近的一次極寒冷時期，學者們稱它為“末次盛冰期”。

　　在東亞地區北部，也就是今天的黑龍江流域，生活在這個時期之前的是一群被稱為田園洞人的群體。但到了此時期接近尾聲時，被稱做東亞古北方人群的另一個群體已經出現，而後出現的這群人，與現代當地人群相似。

　　這個論斷，被諸多媒體列為2021年中國關于遠古的最重要的新發現之一，它將兩類人群的分化時間向前推了近萬年，也將黑龍江流域人群的遺傳連續性向前推了6000年。而得出這一新發現的依據，是25個在黑龍江省獲取的早期人類樣本的古基因組數據。

　　“科學革命並不是一場知識的革命，而是一場無知的革命。科學革命起步的偉大發現就是，發現我們人類對于最重要的東西其實毫無所知。”以色列作家尤瓦爾·赫拉利在《人類簡史》中的這段話，在人類解讀自己這本“生命天書”的過程中，體現得淋漓盡致。

　　從發現基因，到基因測序的可能，到真正解密基因組，再到基因組的奧秘被運用于醫學、生物學、人類學、考古學，人類每解開一個謎團，卻發現了更多的謎團。正如黑龍江流域的人類故事告訴人們的，關于生命的結論可能被推翻，但阻擋不了人類對生命真相的不懈追尋。

“植物告訴我們的”

　　“問地上的植物，它們會教會你。”《聖經·約伯記》裏的這句話神奇地契合了人類發現基因的過程。這個過程始于位于捷克布爾諾的聖托馬斯修道院，一位叫孟德爾的神父周而復始地沉浸在對豌豆的播種、授粉、開花、採摘與計數的工作中。

　　印度裔美國醫生、科學家悉達多·穆克吉在《基因傳》裏描述了孟德爾的研究過程：1857年至1864年間，他曾經剝開過不計其數的豆莢，他執著地將每種雜合體的雜交結果數據制成表格，並且最終發現所有結果都驚人地一致。就在修道院花園中這一小塊空場上，孟德爾獲得了數量眾多且可供分析使用的數據，其中包括2.8萬株植物、4萬朵鮮花以及近40萬顆種子。

　　1865年，孟德爾在《布爾諾自然科學協會學報》上發表了論文《植物雜交實驗》，使用了兩個不同的詞來描述控制豌豆性狀的神秘遺傳物質：天性（Anlage）和因子（Elemente）。後面這個被提到過10多次的詞，就是今天已經被廣泛認知的基因。

　　可惜的是，盡管從亞裏士多德時代起，許多重要人物就對遺傳有過重要的假設與推論，甚至在孟德爾此篇論文發表前的6年，達爾文的《物種起源》也已引發人們對遺傳學和生物學的大討論，孟德爾仍遭遇了被很多人稱為“生物學史上最為怪異的沉默事件之一”。1866年到1900年間，孟德爾的文章僅被引用了4次，幾乎從科學文獻的領域中消失。

　　直到1900年，荷蘭植物學家弗裏斯、德國植物學家科倫斯和瑞士植物學家切爾馬克，分別在《德國植物協會通報》上發表關于植物雜交的研究論文，各自獨立地部分重現了孟德爾的發現。不過，只有弗裏斯為孟德爾提出的“因子”重新發明瞭一個詞匯。他在其《細胞內泛生論》的論文中説，“可見的遺傳現象，都是隱藏在生命物質中的最小不可見粒子的特性的表現……我將這些單位稱為泛生子（Pangene）”。1909年，丹麥植物學家約翰森又進一步在泛生子的基礎上，提煉出了基因（Gene）一詞。

　　穆吉克在《基因傳》的序言裏，將基因與原子和字節列為人類歷史上三項極具顛覆性的科學概念：“盡管這些概念在19世紀時就為人們所預見，但是直到20世紀它們才發出耀眼的光芒。”他指出，基因既是遺傳物質的基本單位，也是一切生物資訊的基礎，“人們只有在充分理解基因概念的基礎上，才可能領悟有機體與細胞的生物學特性或演化規律，並且對人類病理、行為、性格、疾病、種族、身份或命運做出判別”。

“動物告訴我們的”

　　在地球演化的46億年裏，生命存在的時間是34億年。基因也已經延續了幾十億年。當孟德爾等人在100多年前終于確認了基因的存在後，更多的問題接踵而至：基因由什麼物質組成？它們如何發揮作用？

　　現代人對攜帶著遺傳資訊的DNA概念早已耳熟能詳，但對它的發現和破解，就像人類對基因的尋找一樣，實際上經歷了極為漫長而復雜的過程。

　　1868年，在德國蒂賓根大學工作的瑞士科學家米切爾用顯微鏡研究手術繃帶中的膿液時，在細胞核中發現了一種他不認識的物質，並將之稱為核素。與孟德爾的研究一樣，這一後來被稱為脫氧核糖核酸的物質在此後半個世紀內都被忽視，人們認為其在遺傳中扮演的角色微不足道。

　　直到摩爾根和他的果蠅出現。從1908年起這位美國生物學家對果蠅進行了“嚴刑拷打”：使用X光、鐳射照射，用不同的溫度培養，加糖、加鹽、加酸、加鹼，甚至剝奪其睡眠。這同時也是充滿氣味的試驗。《基因傳》這樣描述：摩爾根“花了一年時間在裝滿腐爛水果的牛奶瓶裏飼養了上千只蛆蟲。實驗室裏挂滿了成捆熟透的香蕉，而水果發酵的氣味著實令人無法忍受，每當摩爾根移動位置，就會有成群的果蠅從桌子下面鑽出來，它們就像厚重的黑色頭紗一樣撲面而來。”

　　兩年後，紅眼果蠅群中出現了一只異常的白眼雄性果蠅。接下來復雜而有突飛猛進成果的實驗催生了被稱為遺傳學三大定律之一的“連鎖與互換定律”，並確定了基因不是一個“純理論單位”，而是居住在染色體中的有形物質，而且它們的關係就像排列在細繩上的串珠。

　　此後，生物學家、物理學家、遺傳學家們繼續沿著摩爾根的道路前進。1943年，量子理論學家薛定諤在都柏林的一次演講中，大膽地嘗試用基礎理論來描述基因的分子屬性。他設想出一種具有多種化學鍵的化學物質，能夠沿著“染色體絲”的長度伸展。這些化學鍵的序列組成了密碼本，能夠攜帶大量資訊，又可以在細胞內保持結構緊湊，盡管組成順序簡單，但代表種類繁多。從這時起，為後世所知的雙螺旋結構已經在向人類招手。

　　但等到那篇著名論文《核酸分子結構：脫氧核糖核酸結構》在《自然》雜志上發表，又經過了10年。在此期間，4位年輕的科學家沃森和克裏克、威爾金斯和富蘭克林分別在兩個實驗室裏如打擂臺般互相提出各種模型的解析，這一精彩過程被記錄于1968年沃森所寫的《雙螺旋》一書中。沃森和克裏克在《核酸分子結構：脫氧核糖核酸結構》中指出，雙螺旋結構顯示出DNA分子在細胞分裂時能夠自我復制，而戈斯林與富蘭克林在同一期《自然》雜志上的論文，為雙螺旋結構提供了有力的晶體學證據。

　　1962年，沃森、克裏克與威爾金斯憑借其發現榮獲了諾貝爾獎。遺憾的是，富蘭克林因罹患卵巢癌已于1958年英年早逝。

“基因告訴我們的”

　　富蘭克林患病，與實驗時接觸大量X光射線有關，也與家族遺傳有關，因為其家族成員患這種癌症的比例也很高。如果她活在今天，也許就能通過盡早的基因篩查，預知自己得病的幾率，從而盡早預防和治療。出生缺陷、腫瘤、傳染感染、心腦血管這4類影響健康的主要疾病，其相應基因層面的問題是致病基因、變異基因、外來基因和易感基因。大千世界的生老病死，都受控于生命的遺傳密碼——基因組。從富蘭克林的研究至今，人類對基因、基因組的研究和相關技術的運用，已經獲得了飛速的發展。

　　這一發展的速度可以用兩組數據來對比：第一組是13年和38億美元，第二組則是24小時和500美元。

　　1977年，人類第一次完成了對一個物種基因組的測序。它是一種噬菌體，其基因組只有5400個鹼基對，這在當時不啻為一部天書。1990年到2003年，美、英、德、法、日、中6個國家共同努力，用13年時間、耗資38億美元，終于完成了一個人的全基因組測序。這一被譽為生命科學領域“阿波羅登月計劃”的項目，之所以如此耗時費力，是因為人類基因組擁有30億個鹼基對。

　　近年來，基因測序技術發展突飛猛進，如今只需24小時、500美元即可完成單人基因組的測序。基因科技的進步不僅推動測序成本以超過“摩爾定律”的速度急速下降，也帶動了數不清的生命科學新發現。伴隨基因檢測覆蓋度的大幅提升，科學家們相信，在不久的將來，人人都能夠擁有自己的全基因組測序數據，為自己的健康做指導。

　　但是，在人類為自己的成就鼓掌的時候，另一組數據也時刻在提醒科學家們，人類對生命的探知才剛剛開始：到目前為止，公開發表的被解密的動植物基因組也僅有500余種，即使加上正在開展的科研項目，也不足1000種。而地球上預計存在的物種，超過870萬種。

　　在這500余種動物基因組中，中國主導完成測序的比例達到33%，美國為25%。可能鮮為人知的是，在全球已經測序完成的動植物裏，過半是由一家中國公司華大基因與其合作夥伴共同完成的。

　　1999年起，中國集中了一批生物學家參與並負責測定人類基因組全部序列的1%，也就是3000萬個鹼基對的排序，華大基因應運而生。2001年8月，中國科學家提前高品質完成了“1%項目”。

　　參與這一項目的中科院院士、華大基因聯合創始人楊煥明説，1%對整個項目而言也許微不足道，但它對中國基因組學發展的意義卻很重大，它使中國可以平等分享該計劃所建立的所有技術、資源和數據，並使中國成為世界上少數幾個能完成大型基因組分析的國家。

　　也正是在這樣的基礎上，2018年，華大基因提出了“生命周期表”概念，即對每一個已知物種進行測序，得到它們的基因組，並尋找基因組之間的關聯，進一步挖掘隱藏在數據背後的生命規律，最終實現“數字化動植物”“數字化地球”的宏偉目標。這個計劃的意義，也許並不亞于元素周期表。

　　另一方面，基于基因組全序列，一個個遺傳病致病基因的突變不斷被發現，基因治療在21世紀的第二個10年裏取得了良好療效，地中海貧血、白血病患者受益于基因技術被治愈的資訊頻現報端。在新冠肺炎疫情中，病毒及人類的基因組序列在病毒檢測、疫情跟蹤以及疫苗研制中發揮的重要作用，也讓人類看到了一個“人人基因組”未來的可能。許多科學家因此提出，在世界逐步走向“萬物互聯”的今天，“萬命互聯”也將成為下一個時代的重要特徵。

　　穆吉克懷著對自己家族遺傳病的擔憂，在《基因傳》中講述了人類在基因發展史上攻堅克難的故事。在這本書的後記裏，他指出：基因對于人類生存的影響要遠比我們想像中的錯綜復雜與驚心動魄。

　　正因如此，人類與基因的故事，才剛剛開始。

來源：2022年2月23日出版的《環球》雜志 第4期

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