基因密碼

鐘揚

科學是一種什么樣的游戲

今天要講的“生命與哲學”只是我在第一線做科研的一點感悟，供大家參考。我想介紹一些新知識和新思維。新知識要有趣，新思維就是批判性思維。“批判性思維”這個詞很時髦，最近，我到上海實驗學校給初中學生講課，標題中也明確用了“批判性思維”。批判性思維實際就是質疑，平時我們要求孩子們不僅要學習，而且要學習正確的知識?？墒?，科學里面都是“正確的”知識嗎？

我給中國科學院上海生命科學研究院的研究生作過的報告有一個視頻，標題叫“科學是一種什么樣的游戲”，介紹了波普爾的科學哲學—科學的基本特征是其中包含錯誤。最近，我在《科學》雜志上還討論“達爾文進化論”是否過時的問題。什么叫科學理論過時了？無非就是錯了，但錯誤居然是科學的基本特征。科學的對立面是宗教（信仰），信仰需要證實，而科學則需要證偽。這樣就確定了我們科學家的職責。科學家的基本素質之一就是研究科學（甚至讀一本書）并找出它的錯誤。而我們的教育培養的大多數人，卻是讀了一本書趕緊說這本書是對的，然后背下來參加考試?？荚囉袠藴蚀鸢福汛鸢敢挥浘退阃炅?。就這樣一直讀，讀成了博士。我對他們說：“現在寫一篇論文，論述前人是錯的?！彼麄兙蜕盗?，因為從沒考慮過前人的錯誤。不喜歡批判性思維并不是我們民族天然有缺陷。可是抱歉，科學就是要用批判性思維，沒別的道路可走。

舉個例子吧，牛頓提出力學定律后，很多人開始不相信，但經過實驗后很快就信了。再后來的上百年時間內，牛頓力學都快變成“放之四海而皆準”的學說了。但一個只會背誦牛頓力學的物理學者，在科學界一點地位都沒有，因為他違背了科學的游戲規則。他是個會講解牛頓力學的教師，但不是好的物理學家。

后來，出了一位偉大的物理學家，他的名字叫愛因斯坦。他說牛頓錯了，至少在物體運動速度接近光速時牛頓力學是錯的。他這么做使得眾人都承認他是偉大的物理學家。為什么？第一，他說牛頓錯了；第二，牛頓力學因為有錯誤倒成了真正的科學。換言之，愛因斯坦不僅通過說“牛頓錯了”證明了自己是世界上最偉大的科學家，而且也幫助牛頓力學成為科學。許多人成功地當上了名牌大學的物理學教授，但他們離世界上偉大的物理學家還有一步之遙。這一步就是，有一天寫文章說愛因斯坦錯了，或者在愛因斯坦肯定牛頓對的那一部分又發現了新的錯誤。

對這一問題的討論如果要上升到哲學層面，那么僅憑剛才說的故事就不行了。我們要經常性地提一些問題，然后大家一起思考，哪些地方對，哪些地方錯。重申一遍，我們的判斷有兩個基礎：一是批判性思維，就是懷疑一切；二是只要是科學的，就一定包含錯誤。

基因科學

基因是什么？雖然現在“基因”這個詞到處都是，比如“文化基因”“材料基因”等，但都是借用的。基因是一門學科的基礎，這門學科叫作“Genetics”（遺傳學），許多以“gene”開頭的英語單詞都與“生殖”和“生產”有關。

遺傳學是由格里格·孟德爾（Gregor Johann Mendel，1822-1884）提出來的，他本來是學自然科學的，但大學沒有讀完，后來的正式職業是傳教士。他離開維也納大學后去了今天的捷克共和國。他的人生目標是當修道院院長，空余時間管理修道院前面的小院子，他就用這片院子建立了遺傳學。

孟德爾種了一批豌豆，然后進行觀察和分析。一種豌豆的豆莢是綠色的，另一種是黃色的，如果這兩種豌豆雜交會發生什么事？他拿一支毛筆沾上一種豌豆花粉，再送給另一種。當然，蜜蜂也可以做這個事，但這樣做實驗不準確。無論是自然還是非自然的授粉，綠色和黃色豆莢的豌豆進行雜交的結果可能是黃色，也可能是綠色的。順便提一句，生物學家就把結果叫“雜（交）種”，雜種有可能產生雜交優勢。

通過雜交實驗，孟德爾發現了一個規律，假定綠色和黃色的豆莢都是純種的，它們雜交后肯定是綠色的，因為綠色是顯性的，而黃色是隱性的。但是，如果雜交出來的兩個綠色再產生的后代就會產生性狀分離現象—既有黃色，又有綠色。所以，孟德爾發現，就算雜交再有優勢，到了下一代也必須分離。

孟德爾用統計學方法一個一個分析豌豆，最后得出顯性和隱性的三比一規律。孟德爾并不知道是什么東西控制遺傳變成這個樣子，但他猜測一定有一種我們不知道的因素控制著遺傳，因此他用了一個詞“Factor”，猜測遺傳應該存在哲學上的內因。直到一九一四年左右，丹麥植物學家約翰遜（W. Johannsen，1859-1927）才發現了這個內因—基因（gene）。

有意思的是，我們今天使用的科學詞匯很多來自日語，但這個詞不是?！癵ene”在日語中翻譯成“遺傳子”，中國科學家翻譯成基因，算是充分理解了它是一種基本因子。

基因在什么地方呢？后來，人們發現了它就是染色體上的DNA，也就是脫氧核糖核酸。最早發現的脫氧核糖核酸來自于果蠅的唾液腺，肉眼都可以看到。當然，我們還需要看清它的內部結構。一位聰慧而美麗的女科學家羅莎琳德·富蘭克林（Rosalind Elsie Franklin，1920-1958）拍攝了世界上第一張DNA（B型）的X射線衍射照片。她已經感覺到它可能是螺旋狀的，但無法確定是單螺旋、雙螺旋還是三螺旋。當時，還有兩個聰明的年輕人弗朗西斯·克里克（Francis Harry Compton Crick）和詹姆斯·沃森（James Watson），他們也在想DNA的結構。沃森去訪問的時候，富蘭克林給他看了那張衍射照片，沃森看了幾分鐘（一個歷史性的時刻）后把照片還給了富蘭克林。他回去對克里克說：“我已經找到了結構，但拿不到照片，請你太太（一個畫家）用筆畫這個結構。”接下來，兩人連夜寫論文。這篇不足千個英文單詞的論文在Nature雜志發表后，改變了整個生物學的面貌（兩個人后來也因此獲得了諾貝爾獎）。富蘭克林非常郁悶，幾年后得乳腺癌去世了，真是天妒英才。的確，這個世界上只有極少數人在特定情況下能成為所謂的成功者。

下面，講一講批判性思維。當人們發現基因的基本模樣后，任何一種質疑都有可能獲得諾貝爾獎。舉一個例子：基因是整整齊齊排列在染色體上的嗎？芭芭拉·麥克林托克（Barbara McClintock，1902-1992）一直研究玉米，發現她的玉米沒有一根是純紫色的，也沒有一根是純黃色的，而是兩種顏色鑲嵌的。所以，她猜測基因排列不是整齊的，而是跳躍的。此言一出，所有人都認為她是瘋子，嘲笑了她幾十年。后來科學家們才發現基因真的有“跳躍”現象，或者稱為“轉座子”。麥克林托克也終于在八十一歲獲得了諾貝爾獎。

一個基因能決定一個功能嗎？一九九三年，美國加州大學的一位女教授發現了一個基因，叫作“Brca1”。一九九五年她又發現了“Brca2”，這兩個基因合在一起大約能預測乳腺癌遺傳風險的百分之二十五。或者說，如果你檢查出這兩個基因的致病突變，就有四分之一的可能罹患乳腺癌。當然，還要看家族的其他成員，比如外婆、姨媽、媽媽是否患乳腺癌。如果她們發病，你就是真正的高危人群，風險可高達百分之七十五，這就是好萊塢明星安吉麗娜·朱莉要去動手術的原因。

這是一個通過單基因預測癌癥風險的例子。說到癌癥，它和基因的關系很密切。世界上第一個能夠完全早期檢測和控制的癌癥是婦女宮頸癌，其元兇是德國科學家哈拉爾德·楚爾·豪森（Harald zur Hausen）發現的HPV病毒（2008年他也被授予了諾貝爾獎）?，F在，我們僅憑疫苗就可能讓高達百分之六十的婦女終身免受宮頸癌的困擾。有可能獲得諾貝爾獎的還有乳腺癌和前列腺癌研究。人們在尋找許多癌癥的相關基因，但遺憾的是大多數癌癥基因還不靠譜，比如肺癌和肝癌等，都太復雜。這些發現都說明單基因是有作用的，但多基因情況更多。于是，就需要基因組計劃。

我們現在能確認有功能的人類基因有三萬多個，估計有功能的有五萬多個。我們可以與哺乳動物比較一下，首先是小鼠，將人類基因和小鼠基因對比，大概百分之八十左右是相同的，令人震驚。很多宗教人士反對現代生命科學研究，說它褻瀆了我們人類的尊嚴，其實當人類基因組和小鼠基因組擺在一起時，我們真的沒有什么尊嚴了—兩者的基因太相像。給人類尊嚴最后一擊的是黑猩猩，我們與黑猩猩的基因更相像。在哲學意義上，我們何以為人？還好，我們與黑猩猩的微小差異幾乎全部在大腦上。我們之所以能夠統治世界，用的是腦子。

人類掌握了基因組測序技術以后，基因組就相當于一個探測器，可以知道我們是由什么組成的。艾倫·威爾森（Allan Wilson）率先在加州大學伯克利分校研究了一百四十七個人的線粒體基因組。線粒體基因的特殊之處在于它百分之百由母親貢獻，父親一點貢獻也沒有。艾倫·威爾森用線粒體基因序列構建了一棵進化樹，結果發現樹的底端全是黑人，暗示人類來自非洲。當時，奧斯卡金像獎授予了電影《走出非洲》，所以人們也將威爾遜的假說叫作“走出非洲假說”，或者“夏娃假說”。

我的同事（現任復旦大學副校長）金力院士在二○○四年用父系基因資料分析東亞人是哪來的？他用了上萬個樣品，結果表明我們是非洲來的，而且來的時間還不長（十萬年內）。

生命與哲學

既然講“生命哲學”，首要問題就是“生命”是什么呢？它不能全靠生物學家回答。病毒就是一道難題。病毒到底是不是生命呢？有人說是，有人說不是。為什么呢？因為它有DNA（RNA），但也可以像無機物一樣。它并不具備生命的全部特征。我們只能在一般意義上認為這些特征包括能量、遺傳、意識等。

第二個問題是繁殖。達爾文進化論中有趣的一點就是關于性的進化。性在生命中有什么意義？它決定了繁殖。這個世界為什么是兩性世界？兩性是不是必需的？可以明確地說，不是必需的，很多生物可以無性繁殖。比方說克隆，原意是指以幼苗或嫩枝扦插（無性繁殖或營養繁殖）的方式培育植物，現在擴展到動物克隆了。對兩性繁殖認識的重要補充是蜜蜂，因為它是三性的—除雌性和雄性外，還有一種是工蜂，它不承擔繁殖功能。不過，兩性世界的確在自然界中有平衡優勢，也是最有效率的：無性繁殖的最大優點是拋棄了“需要找對象”這樣一條限制，可以自己為自己傳宗接代，但缺點是多樣性越來越低，就好比是一種復制（copy）；有性繁殖的優點是充滿了新奇，每一次都可能有不同的組合。例如，科學家曾研究過一個問題：全世界的家長都宣稱對子女是一碗水端平的，但孩子們都感覺父母是偏愛的。父親到底偏愛誰？科學家調查的結果非常明顯，父親偏愛長得像自己的孩子。理由很簡單，它來源于一個古老的進化根源—雄性動物無法確定哪個真的是自己的孩子。所以，在多子女情況下，父親會投資那個可能繼承自己最多基因的孩子。

第三個問題是關于人類胚胎的。目前，科學家公認人類的新生命是從胚胎第十四天開始的。原因是，研究發現胚胎發育到第十四天開始有了痛感。什么是疼痛？人類知道自己的疼痛，但為何能夠由己推人？或者由人推己？這就是倫理道德。如果你用針去扎胚胎，它感到疼痛就如同你扎在自己身上一樣。

最后，再談幾個有哲學含義的問題。第一個問題是有沒有與天賦相關的基因呢？回答是可能有，但我認為不要過于追求它。曾有一個科學家（Nelson Freimer）想研究天賦基因。有一天，他讓助手加班，他的助手說我要去教人彈鋼琴。一個洗瓶子的人為什么會教鋼琴呢？助手說他家很多人會彈鋼琴，科學家領悟到這可能是一個音樂世家，而且很快發現他們家族很多人能用自己的耳朵辨別絕對音高?？茖W家從該家族中分離出“辨別絕對音高”的基因，并到紐約的茱莉亞音樂學院去測試，發現茱莉亞音樂學院有高達三分之一的孩子能辨別絕對音高，遠遠高出世界上其他任何地方。這不就是天賦基因嗎？且慢，還有三分之二的人并沒有這個所謂的天賦，說明這個天賦對成為音樂家并不是必需的。后來還發現這個基因和某些疾病有關聯。例如，一直困擾這個家族的失眠癥就是常人承受不了的。你是否愿意自己的孩子擁有這樣的基因？

另一個吸引人但也可能不靠譜的是行為基因研究。有些人行為怪異，該不該由基因負責？迪恩·哈默（Dean Hamer）先生最先捅了這個馬蜂窩，在Science雜志發表了同性戀基因研究。有人指出，這類研究的方法中有一些缺陷，如剩下的人是否有非同性戀基因？還有一些申請，要研究犯罪基因，是否殺人犯都是遺傳和基因決定的。所以，整個社會對基因說明一切的情況產生了巨大的疑問。如今，我們講得最多的還是疾病基因，其他像追求天賦、行為或者把人類分成三六九等的基因，我們都必須慎之又慎。

最后一個是長壽問題。目前，世界上的長壽研究大部分都不靠譜，其中歸納法占了主要部分。從方法論來說，找不出更科學的方式，一般很難做實驗。當然，科學家也有辦法，比方經常用來做長壽實驗的動物叫線蟲。這個動物是自由生活的多細胞生物，它從出生到死的細胞數目大致不變；它能活五至七天，這意味著科學家們可以做很多次實驗。實際上，用線蟲做研究材料是敲除個別基因來看它是否影響長壽。換言之，很難發現延長壽命的基因，但可以找出妨礙壽命的基因。科學家經過長期研究終于取得了突破，現在公認的有好幾個決定長壽的基因，因為如果把這些基因逐一敲除后，線蟲能活三十天，這是一件很了不起的事。

這類文章發表后當然成為熱門話題，但也很快展現出哲學意義。為什么？一個好消息是人也有同源的基因。這是一種強烈的暗示，即可能它也與人的壽命有關，但至今為止并沒有人做過人的相關實驗。壞消息是這個基因具有生殖功能?？茖W家們意識到長命百歲和斷子絕孫可能是同一件事。更重要的是，線蟲實驗表明妨礙長壽的基因要敲得早敲，生育之后再敲就沒用了，真可謂“魚和熊掌不可兼得”，這就是長壽的兩難境地，它是一個嚴肅的哲學命題，值得深入探討。