人类无法获得的“超能力”，基因编辑可以实现？

基因编辑能真的能为我们带来“超能力”吗？  图片来源：电影《Captain America: civil war》

撰文 Stephen Hsu

翻译 高云浩

审校 魏潇

Stephen Hsu 是密歇根州立大学主管科研的副校长，理论物理学教授。他同时也是华大基因（前北京基因研究院）的科学顾问、认知基因组学实验室的创始人。

我曾在俄勒冈州的尤金（Eugene, Oregon）住过很多年 —— 这是个因其悠久的田径运动传统而闻名的地方，享有 "美国田径之城"的美名。每年夏天, 美国国家锦标赛或者奥运会预选赛等等高端比赛都会在俄勒冈大学的海沃德体育场举办，为观众们带来世界级的选手。令人兴奋的是，在当地的咖啡馆或冰淇淋店常能偶遇体育巨星, 尤其是在你练习举重或跑步时，他们可能就在你身边。最让我吃惊的一件事是，某一天早晨当我在 400 米跑道跑步时, 一个女运动员一圈又一圈地超越我，仿佛我是静止的一般。她训练的速度跟我用尽全力短距离冲刺的速度一样快。

显而易见, 她是个特例，我不是。正如同自然界中的其他样本量巨大的事物，人类的运动能力遵循正态分布。这意味着随着运动水平的升高，所对应的具有杰出运动能力的个体数量会呈指数级下降。通常情况下，如果 100米 能跑进 11 秒便能成为一个高中生联赛或地区冠军。不过即使一位优秀的州冠军能跑出 11 秒以内的成绩, 在 100 位这样的州冠军中也只有少数人拥有跑进 10 秒的可能。

卡尔 · 刘易斯在 1984 奥运会上男子 4x100 接力比赛的最后一棒。

处在正态分布曲线右端的“超人”

沿着这条正态分布曲线向右, 你将会发现“人上之人”——这些杰出运动员是世界纪录的创造者，也是人类极限的挑战者。当卡尔 · 刘易斯（Carl Lewis）在二十世纪八十年代末称霸短跑比赛时, 很少有人能在 10 秒内完成 100 米短跑。 即便在奥运会这样高手云集的赛事中，跑进 10 秒意味着每一细微处都保证了极高的完成度。刘易斯体格修长，身高 1 米 88 , 拥有曾被外界认为对于短跑运动员来说过高的身高。从传统观点上看，比他更高的身高将不利于保持跑步节奏并会影响速度，因此人们普遍认为身高过高将是短跑运动员的劣势。

正因为如此，没有人能预料尤塞恩 · 博尔特（Usain Bolt）的出现。他身高 1 米 95 , 肌肉发达，所取得的最好世界纪录相比前一代快了近半秒钟, 简直像个“非人类”。他的步幅长度可以达到惊人的 2.83 米, 2013 年发表于《欧洲物理学杂志》（European Journal of Physics）的一篇研究这样描述了他的运动能力： "博尔特的运动能力在物理学上非常罕见。时至今日，他的加速度和速度依然无可匹敌。”

博尔特的百米速度比世界上任何人都快。甚至比前一代世界级运动员使用兴奋剂后的速度还要快。牙买加裔加拿大短跑运动员本 · 约翰逊（Ben Johnson）曾在 1988 奥运会上以 9.79 秒的世界纪录击败了刘易斯, 并吹嘘如果他没有在终点线前举起手, 他的速度会更快。后来，他被发现在赛前使用了兴奋剂——类固醇激素。

即使是精英赛跑运动员和类固醇兴奋剂的组合, 也不足以完全战胜拥有基因优势的特例个体。博尔特在 2009 世界田径锦标赛上以 9.58 秒创下了世界纪录, 这一成绩以 0.11 秒的差距打破了他自己先前创造的纪录。

前 NBA 明星，“大鲨鱼”沙奎尔 · 奥尼尔（Shaquille O’Neal）的经历同样富有传奇色彩。奥尼尔是 NBA 联盟中第一个身高达到 2 米 1 的人，拥有与巨大身躯不相符的力量和敏捷。他既不是瘦弱的“竹竿儿”，也不是行动迟缓的“绿巨人”, 如果将其身高等比缩小到 1 米 8 , 他的体重大约在 90 公斤左右。

篮筐之下, 没有人能独自阻止奥尼尔的扣篮（有些时候两个人也拦不住他）。在他进入联盟后不久, 为了抵挡他扣篮的“破坏力”，联盟加固了所有的篮筐。在湖人队连续赢得三座冠军奖杯之后， NBA 被迫对规则进行了大幅度修改——允许实施区域联防战术，用以平衡奥尼尔在赛场上压倒性的优势。奥尼尔是正态分布中的基因优势特例, 长期以来的表现让联盟中的任何人都望尘莫及，也令联盟宽松的反兴奋剂政策一直备受争议。 例如, 从去年开始，联盟才在兴奋剂检测计划中增加了生长激素的血液检测一项。不过就算在这之前有人偷偷用了兴奋剂, 奥尼尔的运动水准也是无法被追赶的，基因带来的优势可见一斑。

相比之下, 兴奋剂对成绩提升则相形见绌。比如在举重方面, 坦普尔大学（Temple University）的运动科学教授麦克 · 艾瑟雷特尔（Mike Israetel）估计, 兴奋剂能将举重成绩提高 5～10 %。再来看看卧推的世界纪录：1898 年的记录为 163.7 公斤， 1916 年的记录为 164.6 公斤,  1953 年的记录为 226.8 公斤, 1967 年的记录为 272.1 公斤, 1984 年的记录为 302.5 公斤, 在 2015 年的记录则达到了 331.1 公斤。使用兴奋剂确实足以赢得任意一场赛事， 但是它并不能带来世界记录长期不断的提高。这种世界纪录的刷新很大程度上是由那些拥有基因优势的特例个体推进的。随着举重选手的数量不断增加, 这些处在正态分布曲线右端的“基因特例个体”会越发突出, 继续创造新的世界记录。

兰斯·阿姆斯特朗（Lance Armstrong）在 1999 年的环法自行车赛中以领先亚军亚历克斯 · 祖尔（Alex Zulle） 7 分 37 秒的优势夺冠，这段“优胜时间”相当于总时长的 0.1 % 。然而这一荣誉由于阿姆斯特朗涉嫌使用兴奋剂而被取消。在过去的半个世纪中，阿姆斯特朗的这点（有可能是依靠兴奋剂带来的）优势远远不及新一代运动员整体运动表现的提高。艾迪 · 莫克斯（Eddy Merckx）是 1971 年环法自行车赛的冠军，1971 年比赛路程与 1999 年的比赛路程相当，可艾迪 · 莫克斯的成绩比亚历克斯 · 祖尔的成绩落后 5 % 。毫无疑问, 成绩的进步确实有一部分得益于训练方法的不同和比赛车辆性能的提高。但更主要的原因在于体育竞赛总能够找到那些天赋秉异的运动员，他们是处在正态分布曲线的尾端的特例，并且他们的运动能力领先平均值的程度也越来越远。

拥有基因突变优势的“特例”

我们对基因特例个体的认识才刚刚起步。这种运动竞技能力的正态分布式表现，是各种相互独立的因素相互累加造成的结果。归根结底, 这些累加效应来源于基因变异, 或等位基因，导致身高、肌肉发达程度、协调性等身体特性受到一些正面或负面的影响。现在已认知的是, 惊人的身高通常是由于大量基因的有益变异的叠加，以及一些罕见但能够造成巨大影响的突变所导致的。

研究基因组学的科学家乔治 · 丘奇（George Church）手上有一份清单，列出了一部分上述的单一突变。这当中包括可以使骨骼异常强壮的 LRP5 基因变异, 可以产生强健肌肉的 MSTN 基因变异，以及与疼痛耐受有关的 SCN9A 基因变异。

同时乔治 · 丘奇也参与完成了近几十年来最伟大的科学突破之一—— 高效基因编辑工具 CRISPR 的研发, 这一成果现已获批进入临床试验阶段。如果 CRISPR 相关的技术能如预期一般发展, 基因编辑人类将在几十年内成为现实。受孕后不久的基因编辑技术是最易完成的，这时胚胎只包含少量细胞，不过成年人的基因编辑也并非不可能。今年开始的 CRISPR 的临床试验将通过注射病毒载体进入成人体内的方式，实现对成体细胞的基因编辑。在不远的将来， CRISPR 及其改良版本, 很可能会成为既安全又有效的基因编辑技术。

操控基因，能创造出新的“运动超人”吗？

人体各种复杂的性状被大量基因变异所控制，而人类的潜能十分巨大，不论是奥尼尔，博尔特，还是其他人，都尚未将自身的潜能完全开发出来。 从没有任何一个人类个体能将所有基因的有益突变集于一身。其实竞技体育事业一直是个寻找基因特例个体的搜索算法，但是它只运行了不到一个世纪, 而且并不高效。它的方法是被动等待基因变异随机组合在一起，产生基因特例个体，并寄希望于这些杰出的个体能够在竞技项目中脱颖而出。

如今我们正在迈向一个新的时代, 这个时代将不再依赖 DNA 自身的随机组合, 而是通过基因编辑工具来提高人类的智力水平。随着我们对复杂性状能力的理解越来越深入, 遗传工程学家将有能力改造人类个体的强壮度、体格、爆发力、耐力、反应力、速度、甚至大部分运动训练所需的决心和动力。身高和认知能力是两个人类最复杂的性状，控制它们的基因变异的数量约为 10000 个。我们可以做个简单的假设, 在这 10000 个突变中, 有利突变占总数的一半, 那么经过随机分配所产生的、集合了所有有利突变的特例个体出现的概率大约是0.5¹⁰⁰⁰⁰。当然, 想要获得一个集合了所有有利突变的个体是不太可能的。因为有些有利突变带来的影响过于强烈，比如体格过大, 肌肉过多, 心脏过于强劲，反而会削弱个体的运动能力。尽管如此, 如果真的有这样的人类个体存在，那么 TA 肯定拥有比之前任何人类都要高超的能力。

Katie Ledecky 在美国奥林匹克游泳队选拔赛中参加 800 米自由泳比赛。

换言之, 在地球上出现过的 1000 亿人口中找到这个“最强人类”几乎不可能。在完全随机的情况下，需要10¹⁰⁰的人口数量做基础，这一奇迹才有可能出现。

但是, 我们应该能够通过基因工程极大地加快这一搜索过程。毕竟, 畜牧业中鸡和牛的养殖育种就是一种有针对性的定向筛选, 很容易大量培养那些在野生种群只占 10 亿分之一的特殊个体。我们可以借鉴这一方式寻找某一特定运动项目的“最强人类”。不过借助 CRISPR 基因编辑技术可以让我们用更快的时间制造出比博尔特更快，比奥尼尔更强的优秀个体。

基因编辑技术的普及将会极大推进这一进程。来自父母的自愿选择很可能会增加整体人群中对运动能力有益的基因突变发生率。这会逐步提高人口的平均水平, 那些处在正态分布曲线尾端的特例个体也会更强大。当标准偏差保持不变（例如, 男性身高的标准偏差为 7.62 厘米,  IQ 的标准偏差为 15 点），而整体平均值在增加的时候, 就极有可能让一个个体成为“最强千分之一”（例如，在美国，男性身高达到2米）的概率提升超过 10 倍。

弗里曼·戴森（Freeman Dyson）推测, 为满足太空探索的需要，人类将借助基因技术提高自身素质——以实现耐辐射、耐真空环境、耐零重力环境、甚至能够直接通过阳光获取能量。基因将跨越物种差异被整合在一起 （如光合植物基因）, 这重新诠释了转基因生物的定义: “物种形成”或将成为可能。

人类的运动能力可能也会遵循类似的方式发展下去。运动员的自身能力和参加的竞技项目可能都会由于新的基因技术而发生改变。这一构想毫无疑问是充满争议的：暂且将人类基因编辑的伦理之争放在一边，运动竞技项目是否会被变成一场惊奇秀？普通大众是否会因此失去对竞技体育的兴趣？ 也许在 2100 年，观赏性体育运动将是身高 2 米 4 的巨人的笼中格斗，他们个个能够完成芭蕾舞般的旋转踢和复杂的柔术移动。亦或是跑的非常快的 100 米短跑项目。你会有兴趣观看吗？

参考文献：

1. Dizikes, P. 3 Questions: Anette Hosoi on Engineering and the Olympics news.mit.edu (2012).

2. Hernández Gómez, J.J., Marquina, V., & Gómez, R.W. On the performance of Usain Bolt in the 100 metre sprint. European Journal of Physics 34, 1227-1233 (2013).

3. Robertson, D. Armstrong’s Tour De France Victories www.sfgate.com (2009).

4. A conversation with George Church on Genomics & Germline Human Genetic Modification www.ipscell.com (2015).

5. Hsu, S.D.H. On the genetic architecture of intelligence and other quantitative traits. arXiv:1408.3421 (2014).

6. Crow, J.F. On epistasis: Why it is unimportant in polygenic directional selection. Philosophical Transactions of the Royal Society B 365, 1241-1244 (2010).

原文链接：

http://nautil.us/issue/51/limits/we-are-nowhere-close-to-the-limits-of-athletic-performance-rp

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