饶毅教授|墨子沙龙第二期：《基因与你》上篇—先有蛋还是先有鸡？

      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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        以下为上篇“先有蛋还是先有鸡？”记录(分篇标题为小编自取）：

        我的题目《基因与你》是希望从基因的角度来讲四个层面的问题。第一是讲什么是生命，生命的本质是什么；第二是讲什么是人，人是怎么来的；第三是讲我们怎么理解基因；第四是讲理解了基因以后，有什么意义。        首先我们想一下，假设你是一条鱼，鱼是怎么来的？是鱼的爸爸和鱼的妈妈分别排出细胞来，两条鱼并排游，边游泳边排出细胞，父亲鱼排出的是一堆精子，母亲鱼排出的是卵子。鱼可以同时排出很多卵子，人是一个月只有一个。单个的精子和卵子结合以后，形成新的受精卵。受精卵形成的过程是，母亲的卵子含有遗传信息，也含有营养物质，父亲的精子含有的物质相当少，一般认为包含的是基因的染色体，精子进入到卵子里面。所以在很多动物里面，简单的想法是，父亲贡献的只是基因，通过在染色体上的DNA贡献基因。母亲那边除去她的全套基因，还有其他的物质。

       受精的细胞继续发展，一个细胞分裂成两个细胞，两个细胞分裂成四个细胞，指数性分裂，早期细胞，或者说胚胎分裂的时候是同步的，分裂到一定程度后就不同步了，有一部分细胞继续分裂，有一部分细胞停止分裂；有的细胞分裂的快，有的细胞分裂的慢。这些细胞分裂了以后，要变成不同的细胞，有一部分细胞变成你的心脏、眼睛、肝脏和肺。这只是一个简单的说法，事实上心脏、肺脏都由多种细胞组成，器官里有多个组织，里面有多种不同类型的细胞，实际上我们要产生一个复杂的个体，最早可是从一个看起来都一样的细胞开始，这个细胞携带着信息，这些信息在不同的时间空间表达是不一样的，最后才能造成全身有很多不同的细胞，这些不同的细胞其中一部分组织成为眼睛，一部分组织成为肝脏或者心脏，所以这些器官本身也是多种细胞组成的。      父母各贡献一套遗传信息组成新的一套信息，这套遗传信息在不同的组织里面表达是不一样的。如何在发育的整个过程中，这套遗传信息在不同的组织有不同的操控表达，你才能得到不同的细胞，这些细胞还要互相协调才能组成不同的组织器官，最后组成你整个个体，这本身是一个很重要的问题，这是遗传信息如何控制我们所有人的形成、发育过程。我们发育成一个人之后，这个人还要做很多不同的事情，最明显的是肌肉的运动，可是做事情最多的是人类的大脑，人脑每天消耗的能量占全身耗能的40%，因为人脑一直在工作。人脑中有不同的细胞，它要形成特定的环路，它进行的一部分运算比现在的计算机都快，有一部分运算现在的计算机已经可以比人脑快了。除了进行特殊的运算以外，它另一个很大的特点是节约能量，一些同样的计算，人脑和计算机同时计算，计算机的耗能要比人脑高得多，还有许多人脑的工作是计算机无法取代的。大脑计算的时候并不只是线路工作，它内部也有细胞、分子、基因的活动在参与，包括我们学习、记忆，比如今天听了什么课，这在细胞原理中，是某一些环路在学习之后，运行速度是有变化的。在一部分学习里面，大脑要把环路的变化变成基因表达的变化，以后再碰到这样的事情，基因的表达已经被更新了。所以基因不仅指导我们人体的形成，基因在我们生活的每天都发挥作用，从生命的第一个细胞到生命结束，基因最迟包含的遗传信息和基因通过调节其他的分子和细胞的活动，在人类的一生中都发挥着作用。

       将生物的历史向更早推进，就产生了一个问题，什么是生命？两千年前，有人说生命是上帝制造出来的，上帝什么样子？上帝跟我们长得一样，因为上帝按照他的样子设计了我们。中国人在盘古开天地中没有讲盘古长什么样子，没有自洽，犹太人把前前后后都讲了，系统性的宣传了上帝。犹太人只是在两千年前的情况下说的圆满，比如洪水来了，诺亚知道要把各种动物的一对放进诺亚方舟，当时不知道有微生物，没有显微镜看不到微生物，所以那时候没有说放一对对的微生物进诺亚方舟。同时当时的人不知道有一部分生物是没有性别的。有性繁殖是如何产生的？目前为止是没有答案的。我们知道有性繁殖在很多地方出现，但实际上无性繁殖产生的生物数量要多于有性繁殖。无性繁殖的典型方式是单细胞分裂，我们酿酒的酵母是单细胞生物，酵母不是父母在一起产生的，就是一个个体，把所有的遗传信息放在细胞的两端，细胞从中间分开变成两个。分裂以后，单个细胞继续成长，继续分裂。这种繁殖方式就是首先遗传信息分成两套，然后细胞分裂成两个，这样两个后代和他们的父（母）辈是一样的，这就是无性繁殖。两千年前的犹太人和世界上其他人都不知道无性繁殖，当时的基督教、犹太教都是根据当时的情况作出一些看起来合情合理的解释，但合情合理不一定是事实，合情合理只是在当时的情况下作出已知的解释。        当我们知道有无性生殖和有性生殖后，有肉眼可见和不可见，必须借助显微镜才能看到的生物，从大的生物可以推理小的生物，动物和植物也有共性，还有发现了几百年的微生物。我们研究的生物越来越小，那么到多小就变成非生物呢？生物和非生物的界限在哪里？人类对生命的定义，和我们对事实的了解、科学的推进和哲学都有关系。

       大家都知道鸡和蛋谁先有这个问题，这个在生命学上是有确切答案的，鸡和蛋当然是先有蛋后有鸡，不可能先有鸡后有蛋，原因很简单，我们要分清楚种性发生细胞和体细胞。体细胞就是身体全体的细胞，种性细胞就是人类的精子和卵子，鸡的蛋，就是精子和卵子，在鸡以前，我们可以叫它鸡前或者前鸡，在前鸡变成鸡的时候，不可能是体细胞发生变化，体细胞发生变化是不能遗传的，一定是性细胞发生变化，变得不同于前鸡，这样才可以进化成为鸡。所以第一只鸡的出现一定是在鸡蛋里发生了变化才有鸡。所以这个问题虽然很简单，但包含了很深奥的科学原理，从鸡往前推，鸡前面有前鸡，前鸡前面有其他生物，那什么时候不是生物呢？所以生命和非生命的差别，如何定义，是需要我们人类去思考的问题。目前对生命的定义是一个能够自我复制的分子。这是我们人类从自我分析，向前推到小动物，从多细胞多器官到单细胞，从有细胞核细胞到无细胞核细胞，细胞核里装载了染色体和DNA，没有细胞核的细胞也有DNA，它的DNA和遗传物质和细胞浆没有分开，是原核生物。原核和真核的区别在于是否把遗传物质和其它物质分开，酵母是真核生物，细菌是原核生物。细菌是有细胞形态的，外面有细胞膜，内部有细胞浆，体内仍然有很多分子；细菌再往前推是病毒，病毒典型的形态是中间是核酸——DNA或者RNA，外面包了一层蛋白质，它的分子数量很少，但病毒也可以自我复制，它体内的核酸是遗传信息，蛋白质保护遗传信息，当病毒遇到细胞的时候，蛋白质就结合到特定的细胞上，把核酸打入到细胞中去。核酸携带了足够的信息，可以告诉被感染的细胞，你帮我合成我的核酸和保护我的蛋白质，再组装起来。所以一个病毒感染一个含有许多分子的细胞后，可以让细胞大量组装病毒，作出许多病毒颗粒继续传播。所以病毒也是可以自我复制的，虽然它含有的分子不足以自我复制，但它仍然有完整的可复制的遗传信息，只不过通过别的细胞来帮助它完成复制。这是病毒，那我们是否可以丢掉蛋白质或者核酸？或者再去掉一些分子？分子可以变得多少？再往前推就是生命的起源了，而生命的起源我们目前是不清楚的。生命是如何起源的？那肯定是在没有生命的状态下，出现了有生命的分子。

        从80年代开始有一种说法，很多人认为最早的生命可能是RNA，核糖核酸，还有人认为可能核糖核酸和蛋白质在最早的时候是在一起的，还有人提出有其他一类分子可能有这个特性。对于生命的起源，人们有不同的研究和推论，但目前还没有结论。生命的特征是很清晰的，就是它可以自我复制，无生命是不可以自己复制自己的。所以这就是生命的起源，无机分子在某些时间空间条件下，生成了有自我携带遗传信息的分子，这些分子可以自我复制，和其他（不能自我复制的）分子有所区别，数量越来越多，到后来阶段，又和其它分子合作。比如核酸携带了遗传信息，而蛋白质可以保护它和帮助它繁殖，它们就在一起，组成了病毒。后来更多的分子在一起组成了细胞，以细胞为整体进行复制，细胞里的不同分子有不同的作用，有的是功能，有些供代谢，有些寻找合作者，有些排除损害者。分子们组成细胞以后决定把遗传信息集中在一起封存起来，防止遗传信息丢失，组成细胞核，形成了真核细胞，遗传信息更加稳定，不会随着外界分子的变化而产生变化。真核细胞进化过程中发现，它抓取细菌也就是原核细胞吃掉以后，无法排掉原核细胞，它将原核细胞的大部分丢掉以后，留下一部分作为它的产能，这就是线粒体。我们人体的每个体细胞都有线粒体，线粒体的来源是很古老的时候，真核细胞吞进来一个细菌，并对它进行简化，把对我们没用的扔掉，有用的留下制造能量，这就是线粒体，植物里的叶绿体也是同样的情况，有相似的功能。      从单细胞开始，细胞们开始合作组成多细胞，多细胞又走向不同的进化路线，成为植物、动物，还有继续维持微生物状态的，动物从很小的动物进化成为大的动物。最小的动物体内含的细胞类别很少，随着进化过程，慢慢复杂，到了人类，细胞之间的组合成为用于呼吸的肺部、用于血液循环的心脏、用于过滤和排出毒素的肾脏，等等。这就是多个细胞高度分化、同时高度合作的结果。        由此我们可以得出，所有的生命就是起源于细胞、分子的复制。在生命进化的过程中，遗传信息可能会发生变化，有几个原因。一是遗传信息在复制过程中本身有一定的出错率（突变频率），有一些变化没有太大影响，有一些则会（导致生命特性）发生很大的变化。另外还有物理、化学的原因会导致遗传信息在复制过程或者自身发生变化。举个例子，人们用毛笔写字的时候，可能别的颜料进入墨汁，导致墨汁颜色发生变化，或者写好字的纸放在日光下晒，由于颜料的问题导致字消失。遗传信息是物质组成的，所以会因为物理、化学的原因发生变化，产生不同的后代。遗传信息的变化造成了生物的演变。

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