饶毅教授|墨子沙龙第二期：《基因与你》中篇—遗传学的发展

      2016年3月27日，墨子沙龙第二期在中国科学技术大学上海研究院举行，北京大学饶毅教授做了名为《基因与你》的报告。     

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        以下为中篇“遗传学的发展”记录(分篇标题为小编自取）：                                                 

        现代人类的起源是非常清晰的，多个地方出现过猿和猿向人类方向进化（的证据）都有，全世界的现代人类毫无疑问的全部来源于东非。由东非的一个群落，向欧洲迁移，再到亚洲，最后到达美洲（在美洲的历史是很短的）。在走向亚洲的过程中，我们的祖先和至少两个原始部落进行了交配，其一是尼安德特人，其二就是丹尼索瓦人（赤道上的美拉尼西亚岛居民是已知唯一大量拥有丹尼索瓦人遗传血统的人）。我们通过现代人类基因可以回溯到这样两个部落的基因。在迁徙过程中，人类，以及其他动物，都常常将雄性杀死，雌性留下用于交配。       在迁徙过程中，主要到达中国的这一支不是从蒙古过来的，而是从欧洲沿着印度次大陆下到东南亚，一部分进入海洋的各个小岛上，总称波利尼西亚人（Polynesians）；另一部分从东南亚进入中国南部，再向北方扩散；也有一小部分（中国人的祖先）是从北方进来的，但主流是从东南亚来的这支。这个过程最早是由考古人类学家从（原始人）制造的工具分布和年代推论出来的，后来有了分子生物学和基因后，这个过程就更加清晰了。有人说人类有多地方起源，这也是很有道理的，但道理要服从事实，我们不是北京猿人的后代，和他的血缘关系非常小。这个用分析基因的方法就可以知道，中国人的起源就是大概这样的路线。从有细菌到有人，有人到有中国人，这样的一个过程，在你理解了分子生物学后，你可以清晰的接受，并能通过实验来证明的。从1944年默克菲勒大学的三位科学家（艾弗里、麦克劳德、麦卡蒂）提出基因是主要遗传物质，到1953年英国的物理学家Francis Crick ，和美国的生物学家James Watson提出DNA的双螺旋假说，我们就知道了DNA是遗传物质，并搞清楚它是怎么起作用的了。Francis Crick在 1953年2月28日搞清楚双螺旋结构的，在3月Francis Crick 写给自己13岁的大儿子的信里，写出了这一重大发现：遗传物质是核酸，核酸由ATGC四种核苷酸形成的一条链，DNA的链是螺旋双链结构，只要确定了其中一条链的碱基顺序，另一条链的碱基顺序也就确定了，因为腺膘呤(A)总是与胸腺嘧啶（T）配对、鸟膘呤（G）总是与胞嘧啶（C）配对，叫做碱基对，这就是当时虽然他们虽然看不见但是可以推论的碱基配对。一个细胞里，一套DNA就是这样的双链。在细胞分裂前，双链要分成单链，两条单链以自己为模板，各自进行配对，形成另外一条链，组合成两个全新的和原来一样的双链。这就是ＤＮＡ复制的核心。我们人类的DNA非常长，我们这一套双链分成23段，成为23个染色体，我们和别人的关系，可以从这些染色体，也就是DNA碱基的排列相似度进行推测。孩子的DNA50%来自父亲，50%来自母亲，他和他的兄弟也是50%相似，兄弟姐妹之间的区别就是从父母那里得到了不同的50%。我们中国人的来源也可以从这样的排列中可以推算出来。人类是从细菌或病毒进化来的，这样一个事实，也是可以通过将人类DNA和酵母等细菌DNA进行对比来证明的，是一个有据可查的事实。这之间的关系也可以从序列分析获得验证。所以进化不是理论，而是被实验所证明的事实。这样我们可以从遗传的角度看到生命的起源，和迁徙。我们不仅可以从DNA上证明，我们和东非的猿人关系更近，和北京猿人关系很小。

     对于人类起源和迁徙更直观的，从外观和从DNA序列分析我们得知，整个非洲大陆人的DNA差别远远大于其他大陆人DNA差别之和，因为我们只是从非洲大陆的其中一支演化而来，所以基因的多样性要远远小于非洲大陆上人的基因多样性。东非人和北非、南非等地人的基因差异要大于东非人和欧洲亚洲人的基因差异。同样，中国南方的人基因多样性要更大，而越往北走基因多样性越小，也是人类从中国南方向北方迁移，基因简单化的结果。所以我们从遗传信息可以理解生命的起源和进化，人类的起源和迁移，而且很直观。那怎么知道基因呢？中国古代说父精母血，西方的细胞学说也经过了几百年才得以建立。       遗传学并非简单的种瓜得瓜种豆得豆，但遗憾的是中国没有人深入的进行研究；西方从古希腊文明到文艺复兴，一直有人在研究这个问题，最开始希望培养更好的农作物、培育能产出更多羊毛的羊等，很多人开始以为遗传就是黑+白=灰这样简单，没有人进行专业的研究。直到1854年-1866年，奥匈帝国的一个小村落里，修道士孟德尔用豌豆，来说明了最简单的遗传规律，也是第一个系统的去教这样的遗传规律的人。        孟德尔是一个穷人的孩子，他不想做农民，他有两个姐妹，姐姐结婚后和姐夫一起供他读书，妹妹也将嫁妆卖掉给他交学费。孟德尔知道自己不能永远在学校读书，就到修道院做修士。孟德尔不擅长做传道等工作，院长就让他去学校教书。       院长是一个很聪明的人，在募捐之外他还在修道院里养羊、种果树增加修道院的经济收入，他手下的修士有数学家、哲学家、音乐家，厨娘也写过烹饪方面的书。孟德尔只是他一贯支持的修士中的一个，150年前的奥匈帝国是一个严谨的国家，教书要有教师证，要考试。孟德尔第一次考试的试卷保存了下来，他第一次考试不及格的原因是生物学和矿物学成绩不好，所以他不敢自称生物学家，把自己叫做实验生物学教师，因为他除了修道院的工作，还在实科中学（Brünn Realschule）教了14年书，教低年级的物理实验。孟德尔教师资格证考试不及格以后，院长送他去维也纳大学读书，他们修道院的城市在维也纳和布拉格之间，进修了两年。这两年他选了大量数学物理的课程，因为这是他所爱的，他也被迫选了生物学的课，因为考试需要。在生物课里他学到了细胞学说，细胞学说1820年~1830年已经出现，孟德尔去维也纳大学进修是大概1850年。他了解了植物的一个精子、一个卵子受精后产生后代（植物中可以多个精子和一个卵子产生后代，但在孟德尔的时代尚不清楚）。他的物理老师是Christian Doppler，多普勒效应的发现者，所以他的物理学的很好，因为他的物理老师水平很高。他教了孟德尔一年后就去世了，换了爱丁豪森（Etting Hausen），这个人教孟德尔之前就写过《组合数论》，也就是说他之前是个数学家。爱丁豪森可能在代课的时候就讲了部分数列组合的知识。也就导致孟德尔在第二年的物理课上，学到了数列组合的知识，这为孟德尔后来推导遗传规律就奠定了基础。孟德尔两年进修结束后，回到修道院，之后的这一年没有任何的记录，包括他回来后的补考成绩，现在也查不到任何结果。有一个比较美妙的说法是，他考试的时候不同意考卷（试题），然后闹翻了。当然这也可能是后人讲的故事。然后修道院的院长就说，你现在考试又没考过，没有教书证，那你怎么办呢？孟德尔就问院长要了一块地说要做植物研究。院长本来要把之前做过植物研究的科学家用的地给他，孟德尔拒绝了，要求院长给他一块空地并且在边上给他一个差不多大小的暖房，这样加起来，才能得出科学的实验结果。这是有道理的，如果在室外进行实验，他预定让A和B进行交配，但是风向、鸟类、昆虫等都可能影响实验结果，是不严谨的，而暖房里的实验不容易受到影响，还可以减少虫害。

       你看孟德尔，本身在修道院也不干活，推荐他去教书，还考不到证，送你去进修，回来还要资源，做实验。但这个院长，就真的给他了。（修道院）院长在1854年被人告了，院长是修道院的一把手，但是修道院背后是教堂，教堂的主教是当地的一把手，主教在各个地方巡视，参了（院长）一本，要求关掉这个修道院，这个（记录）在罗马教廷是可以查到的。（主教说）这个院长带领着修道院，根本是做了太多课外活动，不是在帮我们上帝干活的，是在干私活，应该关掉。现在不清楚当时为什么修道院没有被关掉，猜想是院长很有能力，去argue了一下。从1854-1864年，孟德尔就这样在做他的实验，种豌豆，种了10年，到1865年宣布他的结论，1866年正式发表了他的结论。       他看到豌豆7个性状，其中一个是颜色，豌豆有黄色的和绿色的。他发现黄色豌豆和黄色豌豆自交只会出现黄色豌豆，绿色豌豆和绿色豌豆自交，也只会出现绿色，而黄色和绿色的杂交，得出黄的豌豆，没有绿的。这代黄豌豆我们称为F1代，再将F1代自交，就发现，又有黄色的，又有绿色的。他算了8000颗，发现黄绿比例是3比1。       他算了7个性状，发现都是这样的。他就猜测，黄色和绿色作为一对相对的因子，当黄色和绿色在一起的时候，显现的就是黄色，而绿色这时候没有消失，依然存在。然后在下一代，产生黄绿比例呈现3比1的结果。而那1份绿色豌豆，继续自交永远都是绿的，而三份黄豌豆中又分成两种，其中1份是和最早的黄豌豆也就是F0代是一样的，自交永远是黄色的。另外两份是和F1代一样，自交是可以产生又一代三比一的效果。控制性状的因子，它们是存在于精子和卵子里——花粉细胞和卵细胞里，它们可以走到一起来，决定一个形状是什么，它们即使（不显现）也不是消失，会在下一代继续存在下去。遗传的规律是排列组合的。他当时写下了这个（表示遗传规律的）方程式，并在它的文章里用文字叙述后，后人把它归纳为孟德尔第一定律、第二定律。        孟德尔从数量上推出了遗传的规律，同时提出了在精子细胞和卵子细胞里有控制遗传形状的因子。他的实验做完后，有120份杂志发表了他的文章，他选取了40个抽印本寄给其他人，其中13本现在是可以找到的，其中有慕尼黑大学的一个植物学家，和孟德尔一直有通讯，孟德尔一直解释他的结论，这个植物学家就一直不相信。这里除了这个植物学家笨以外，他用来做实验的是山柳菊这样的一种植物，做不出同样的规律。这个原因到1940年才被解开，这个山柳菊是孤雌生殖，雌雄交配的比例当然也就算不出来。跟孟德尔同代的伟大生物学家——达尔文也想研究遗传的规律，他的进化论是通过观察推论出来的，他自己很想理解遗传的规律，达尔文出生在富裕的医生家庭，又和做瓷器商的舅舅女儿结婚，他舅舅是韦奇伍德（Wedgwood）瓷器商，这个瓷器在中国也有卖，如果你买Wedgwood，那就是给达尔文家捐款，如果买Phillip，那就是给马克思家捐款，马克思的母亲是Phillip公司的近亲。达尔文的生活条件很好，但他并非是个纨绔子弟，工作非常刻苦，他对遗传研究做过几种花的实验，其中有一种花他做过和孟德尔一样的实验，这种花有对称的花瓣，也有放射性的花瓣，杂交后只得到一种花瓣，如果自交就两种形状都有，他也计算了实验的结果，但第一，他的实验样本数量太小，只有两百多个，第二，他没有做比例，他算出的比例是1.38:1，不是3:1，因为他的样本数量太小。他在做另一个报春花实验的时候，得到了和和孟德尔一样的3:1的比例，但因为，他没学过数列组合，所以没有理解这个比例的意义。孟德尔死后十几年，这个理论也没有得到认可。不仅如此，最伟大的生物学家（达尔文）做过和他同样的实验，却不知自己在做什么。还有一个植物学大教授，他给他讲了一遍又一遍，那人也不信。等到1900年有人开始重新发掘孟德尔（实验成果）的时候，这好几个人的工作量还不如孟德尔（一个人）。

       第四个（做遗传研究实验的）是1910年摩尔根做染色体和遗传的关系，但在1909年他写文章把孟德尔讽刺挖苦了一遍，说这个不过就是你收集一群数字，提出有多少个因子，再进行高级的数字杂耍。摩尔根1910-1915年的工作得到了诺贝尔奖，所以这四个人——达尔文、慕尼黑大学的植物学教授，1900年的三个人加上这个领域第一个诺贝尔奖获得者，四组人前赴后继都达不到孟德尔的高度。所以孟德尔是生物学领域中遗传研究的第一个高峰。这个总结是我做出来的。孟德尔在推出了这个数量模型的基础上，也提出了因子和表型的关系，很多人思索过因子会存在在哪个地方，直到1904年到1908年，才有几个人（做的研究结果表明）染色体是遗传物质的基础。       其中比较简单的，我们很多的染色体是常染色体，是雌雄都有的；但有一对染色体雌雄是不同的，人类雌性染色体是XX，雄性是XY，有些动物也是这样。我们可以看到，Y是跟着雄性走的，我们可以推测Y可能跟雄性相关，一个染色体和一个形状相关。但具体去做（研究）的时候，整个染色体上有很多的基因，每个基因影响不同性状，所以用染色体直接跟性状对，作对应是比较难的。但最早的时候因为Y染色体只在雄性出现，这时（科学家）用（Y染色体）来推导那部分只和性相关的遗传，你就可以想到是和X或Y有关系。1910到1915年摩尔根实验室的几个人，（通过研究）得知不同的染色体控制不同的性状。染色体的遗传学说是摩尔根丰富的，染色体上有什么物质呢？是核酸和蛋白质，但研究核酸的人他根本不知道核酸是做什么的。

        达尔文的《自然选择学说》，里面说一对夫妻的几个孩子，各有不同，最后谁生的孩子更多，谁的基因就被选择，这是符合当下时间、空间等多种因素的选择的结果。这个学说告诉我们产生差异、变异，是一个自然过程。这个变化，是没有方向、好坏的。可是，当我们看回去，最后留下的，是符合自然选择的基因，也就是优势基因。这种基因在当时条件下，是可以更好地生存。也就是说，你的后代越多，你的基因被留下来，就说明你被选择。在当时，还有几种学说和《自然选择学说》对立，包括拉马克的获得性遗传学说——就是在基因的遗传过程中，基因被有目的、有方向的去改变，遗传，典型的实例是长颈鹿的长脖子进化过程——长颈鹿的爷爷脖子本来没那么长，是矮处的叶子被吃掉了，长颈鹿的爷爷越吃（高处的叶子）脖子越长。它的脖子拉长以后，后代就自然比上一代脖子长。和自然选择的物竞天择不同，获得性遗传，是说当时环境可以改变遗传信息，这是一种完美的理想状态，后来被证明是没有发生过的。获得性遗传是说当你需要某种进化的时候，你的这方面的基因会自动的做调整，强化这方面的基因。这样完美的获得性遗传以前有很多人相信，但是知道从来没有发生过。这个理论基本就是和“心想事成”是一个道理，是让你心里想的，你的下一代就能做到，只是一个完全理想化的状态，是不现实的。弱化的信息遗传可能会发生，强化的是不可能发生的。那么物种究竟是不是进化来的呢？对于中国人来说，接受人是进化来的相对容易，因为从古，我们的宗教信仰都不是那么强烈，不像西方宗教一脉相承。在我而言，宗教主要是一套道德体系的建立，里面很多东西是合理的，但在建立过程中，为了宗教的可信度和威望，宗教的开创者如摩西等人对生命起源的问题进行的错误解释并写入了圣经，物种进化理论直接威胁到了宗教的整个体系，推翻了圣经中关于生命起源的观点，所以在西方宗教体系里，人们是很难接受生命的起源问题的。抛除宗教因素，整个生命的起源和进化是不难理解的。然后，我们就要面对的一个问题是，我们人，是怎么来的？

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