自从二十世纪下半叶分子生物学在剑桥的卡文迪许实验室发仞算起，新发现和新技术日新月异。人类的基因图谱，大豆、玉米和水稻等农作物的基因图谱相继被发现。随着转基因的大豆和玉米等在全世界的广泛采用，各种基因克隆动物的出现，人们相信通过改变基因而获得新的物种的基因时代已经来临。各国的大学纷纷建立生物工程，他们相信这将象百年前的电子工程一样从无到有，逐渐出现在人类社会的每一个角落。MIT甚至针对全世界的在校大学生建立了基因工程设计大赛（iGEM)，使用原核生物E. Coli作为模板，你可以象设计汽车和手机那样设计出这个宇宙中绝无仅有的新的物种。比如让这种新的细菌生产生物柴油，分泌抗生素，甚至作为感光胶片。这些惊人的成就，让人们欢呼基因和生物工程时代的出现。然而，Oxford的系统生物学家Denis Nobel最近出版了一本新书《The music of life》， 给基因时代的欢呼者们大大泼了一瓢冷水。他认为生命本身远远不能为DNA中的编码-基因所认识。我们对生命构成要素的认识，才刚刚开始。书的开始举了一个生动形象的例子，我在此给出其中国版本。

关于基因的濠梁之辨

设想在写这篇博文以前，我决定听听音乐放松一下。于是我拿出我最喜欢的小提琴协奏曲《梁祝》的CD放到音响中，当听到哀婉凄凉的楼台会时，不禁为之泪下。假如庄子与惠施穿越时空看到这一幕，他们会想，到底是什么原因使我泪下呢？他们首先意识到屋子里有音乐的存在，然后有因果律有音响的存在，有音乐CD的存在，最后发现音乐CD上一大串的0、1代码是最终的原因。

于是惠施说：“此人泪下的原因，是CD上一大串的0、1代码所决定的。”

庄子问道：“你是如何知晓的呢？”

惠施答：“你看，若是我们将楼台会这段0、1码做一个变异试验，将表现的速度加快或减慢一倍，或反向表现，或片断删除，这人就不再泪下了。”

庄子又问：“难道不会是其他原因吗？”

惠施答：“不会，若是我们换一个不同的功放，或不同的喇叭，不管是iPod还是其他播放器，这人一样都会泪下。”

这可能是非常理性的逻辑分析了。但是我们知道，这并不是正确的答案，我真正泪下的原因是：

·        作曲家精熟驾驭的技法

·        演奏者将这段小提琴曲演绎的如此哀婉动人

·        这段曲子让我想起一个催人泪下的爱情故事

因此，音乐CD上的0、1代码不过是准确地记录了那些让人泪下的瞬间，当重放的时候，它能够帮助我在脑海中重新构筑出这些的瞬间罢了。CD只不过是一个数据库，关于这些瞬间可以用0、1码表示，也可以用胶木唱片表示，一场精彩的现场演出更可以胜任。这样浅显的道理，似乎谁都可以明白。但是真正到了关于基因与生命的研究，人们往往会落入相同的逻辑圈套，认为DNA上的ATGC就决定了生 命的一切，这真正是大谬不然。基因只不过是记录了那些生命所需物质的数据库，可以帮助细胞分子机制重新构筑出生命运动罢了。如果有一种像温泉细菌那样耐高温的稳定的蛋白质， 记录生命所需物质的DNA上的ATGC也可以完全由20种氨基酸来代替。正如CD只是音乐演奏的储存的载体，基因只不过是这个宇宙创造和演进生命的记忆和再造的模板。它不会比这个创造和演进生命的过程多，只会比这个过程少。甚至如果抹去所有的基因的话，我们把无机小分子放到生命演进的环境当中，有关生命的信息仍然会以某种分子方式来储存和再造。基因固然重要，但基因所记忆的生命形式更为重要。就好像研究音乐，除了研究的音符和乐句，我们还需要研究篇章和段落。

基因是主人，还是囚徒？

自从1953年Waston、Crick发现DNA的双螺旋结构以来，基因中心论一直在科学媒体，甚至不少科学家中占据着主要地位。就像认为音乐CD上的0、1代码能催人泪下一样，不少人相信有导致高血压的基因，有高智商基因，甚至还有同性恋基因等等。他们认为DNA上的片段代码先天性的决定生命的某些特征，原因在于DNA决定了蛋白质，蛋白质决定了生物化学路径，生物化学路径决定了细胞的功能机制，细胞的功能机制决定了细胞之间的相互作用，细胞之间的相互作用决定了生物组织结构，生物组织结构决定了器官的功能，器官的功能决定人的一切生命特征。简而言之，就是如Fig. 1的一条单向的因果链：

Fig.  决定人体生命特征的单向因果链

在Dowkins著作的1976年经典之作《自私的基因》中，这样的观点被发挥得淋漓尽致：

“Now they (Genes) swarm in huge colonies, safe inside gigantic lumbering robots, sealed off from the outside world, communicating with it with tortuous indirect routes, manipulating it by remote control. They are in you and me; they created us, body and mind; and their preservation is the ultimate rationale for our existence.”

Nobel 以为这决不是以科学的观点，只不过是一个有趣的比喻罢了。正如佛家的借喻，有一明，必有一遮。他提出“囚徒的基因”的比喻，跟上述恰恰相反：

“Now they are trapped in hug colonies, locked inside highly intelligent being, moulded by the outside world, communicating with it by complex processes through which, blindly, as if by magic, function emerges. They are in you and me; we are the system that allows their code to be read; and their preservation is totally dependent on the joy we experience in reproducing ourselves. We are the ultimate rationale for their existence.”

他挑战分子生物学家能否设计出实验，来验证哪一种观点正确。但是到目前，没有人能设计出实验来验证正反两种观点。为什么设计不出来？因为即使从基因到蛋白质，我们都不能说是完全基因在控制。基因在DNA的这根长链上不是连续分布的，基因的片段(外显子亦称为exons)为很多非基因的片段(内含子亦称为introns)所分割。RNA polymerizer 在合成messenger RNA的时候，可以对基因的片段有不同读取和组合的方式，因此可以合成很多种不同的蛋白质。比如，基因中有三段exons，分别为a，b，c，可以读取为：a，b，c，ab, bc, ca, abc, 甚至 cba, cb, ca, ba等等。以果蝇Drosophila名为Dscam的基因为例，它有110个introns，理论上讲有成千上万种组合方式。而且研究者们发现，在果蝇发育、幼虫、成虫的不同阶段，Dscam基因为例的组合方式各有不同，完全是整个系统选择的结果，而不是单单有基因所决定的，见Fig. 2 。

Fig. 2  决定人体生命特征的双向因果网络

同时，认为基因决定生命，基因是“生命之书”也是不全面的。因为我们不但但从父母双方继承了他们的基因，我们还继承了一个完整的卵细胞，其中有一百多种蛋白质是读取、复制基因并由此制造蛋白质所必需的。如果说基因是“生命之书”的话，这本书的段落之间有大量的空白。 这些空白是由细胞的分子机制和我们所处的这个世界的物理和化学定律所填补的。比如基因中没有lipid的信息，lipid自组织成为细胞膜是生命形成的关键条件。比如基因中没有蛋白质的三维结构信息，是由蛋白质长链在水环境中自主形成的。水做为极性分子和其永不消停的热运动，是一切蛋白质发挥功能乃至生命形成的不可或缺的条件。因此，正是基因加上细胞的分子机制和我们所处的这个世界，才构成了生命。从这个意义上讲，生命的确是“天人合一” 的。难怪2003年Sydney Brenner 在哥伦比亚大学作演讲时提到：“I believe very strongly that the fundamental unit, the correct level of abstraction, is the cell and not the genome.”

 (待续)

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自周旭科学网博客。
链接地址：https://blog.sciencenet.cn/blog-3468-32124.html

上一篇：Biophysics Journal Scan
下一篇：基因时代的终结者 (2)