用计算机描绘的DNA( 脱氧核糖核酸) 双螺旋结构图

　　从发现基因，到基因测序的可能，到真正解密基因组，再到基因组的奥秘被运用于医学、生物学、人类学、考古学，人类每解开一个谜团，却发现了更多的谜团。

《环球》杂志记者/乐艳娜

　　2.65万年前到1.9万年前，是距离现在最近的一次极寒冷时期，学者们称它为“末次盛冰期”。

　　在东亚地区北部，也就是今天的黑龙江流域，生活在这个时期之前的是一群被称为田园洞人的群体。但到了此时期接近尾声时，被称做东亚古北方人群的另一个群体已经出现，而后出现的这群人，与现代当地人群相似。

　　这个论断，被诸多媒体列为2021年中国关于远古的最重要的新发现之一，它将两类人群的分化时间向前推了近万年，也将黑龙江流域人群的遗传连续性向前推了6000年。而得出这一新发现的依据，是25个在黑龙江省获取的早期人类样本的古基因组数据。

　　“科学革命并不是一场知识的革命，而是一场无知的革命。科学革命起步的伟大发现就是，发现我们人类对于最重要的东西其实毫无所知。”以色列作家尤瓦尔·赫拉利在《人类简史》中的这段话，在人类解读自己这本“生命天书”的过程中，体现得淋漓尽致。

　　从发现基因，到基因测序的可能，到真正解密基因组，再到基因组的奥秘被运用于医学、生物学、人类学、考古学，人类每解开一个谜团，却发现了更多的谜团。正如黑龙江流域的人类故事告诉人们的，关于生命的结论可能被推翻，但阻挡不了人类对生命真相的不懈追寻。

“植物告诉我们的”

　　“问地上的植物，它们会教会你。”《圣经·约伯记》里的这句话神奇地契合了人类发现基因的过程。这个过程始于位于捷克布尔诺的圣托马斯修道院，一位叫孟德尔的神父周而复始地沉浸在对豌豆的播种、授粉、开花、采摘与计数的工作中。

　　印度裔美国医生、科学家悉达多·穆克吉在《基因传》里描述了孟德尔的研究过程：1857年至1864年间，他曾经剥开过不计其数的豆荚，他执着地将每种杂合体的杂交结果数据制成表格，并且最终发现所有结果都惊人地一致。就在修道院花园中这一小块空场上，孟德尔获得了数量众多且可供分析使用的数据，其中包括2.8万株植物、4万朵鲜花以及近40万颗种子。

　　1865年，孟德尔在《布尔诺自然科学协会学报》上发表了论文《植物杂交实验》，使用了两个不同的词来描述控制豌豆性状的神秘遗传物质：天性（Anlage）和因子（Elemente）。后面这个被提到过10多次的词，就是今天已经被广泛认知的基因。

　　可惜的是，尽管从亚里士多德时代起，许多重要人物就对遗传有过重要的假设与推论，甚至在孟德尔此篇论文发表前的6年，达尔文的《物种起源》也已引发人们对遗传学和生物学的大讨论，孟德尔仍遭遇了被很多人称为“生物学史上最为怪异的沉默事件之一”。1866年到1900年间，孟德尔的文章仅被引用了4次，几乎从科学文献的领域中消失。

　　直到1900年，荷兰植物学家弗里斯、德国植物学家科伦斯和瑞士植物学家切尔马克，分别在《德国植物协会通报》上发表关于植物杂交的研究论文，各自独立地部分重现了孟德尔的发现。不过，只有弗里斯为孟德尔提出的“因子”重新发明了一个词汇。他在其《细胞内泛生论》的论文中说，“可见的遗传现象，都是隐藏在生命物质中的最小不可见粒子的特性的表现……我将这些单位称为泛生子（Pangene）”。1909年，丹麦植物学家约翰森又进一步在泛生子的基础上，提炼出了基因（Gene）一词。

　　穆吉克在《基因传》的序言里，将基因与原子和字节列为人类历史上三项极具颠覆性的科学概念：“尽管这些概念在19世纪时就为人们所预见，但是直到20世纪它们才发出耀眼的光芒。”他指出，基因既是遗传物质的基本单位，也是一切生物信息的基础，“人们只有在充分理解基因概念的基础上，才可能领悟有机体与细胞的生物学特性或演化规律，并且对人类病理、行为、性格、疾病、种族、身份或命运做出判别”。

“动物告诉我们的”

　　在地球演化的46亿年里，生命存在的时间是34亿年。基因也已经延续了几十亿年。当孟德尔等人在100多年前终于确认了基因的存在后，更多的问题接踵而至：基因由什么物质组成？它们如何发挥作用？

　　现代人对携带着遗传信息的DNA概念早已耳熟能详，但对它的发现和破解，就像人类对基因的寻找一样，实际上经历了极为漫长而复杂的过程。

　　1868年，在德国蒂宾根大学工作的瑞士科学家米切尔用显微镜研究手术绷带中的脓液时，在细胞核中发现了一种他不认识的物质，并将之称为核素。与孟德尔的研究一样，这一后来被称为脱氧核糖核酸的物质在此后半个世纪内都被忽视，人们认为其在遗传中扮演的角色微不足道。

　　直到摩尔根和他的果蝇出现。从1908年起这位美国生物学家对果蝇进行了“严刑拷打”：使用X光、激光照射，用不同的温度培养，加糖、加盐、加酸、加碱，甚至剥夺其睡眠。这同时也是充满气味的试验。《基因传》这样描述：摩尔根“花了一年时间在装满腐烂水果的牛奶瓶里饲养了上千只蛆虫。实验室里挂满了成捆熟透的香蕉，而水果发酵的气味着实令人无法忍受，每当摩尔根移动位置，就会有成群的果蝇从桌子下面钻出来，它们就像厚重的黑色头纱一样扑面而来。”

　　两年后，红眼果蝇群中出现了一只异常的白眼雄性果蝇。接下来复杂而有突飞猛进成果的实验催生了被称为遗传学三大定律之一的“连锁与互换定律”，并确定了基因不是一个“纯理论单位”，而是居住在染色体中的有形物质，而且它们的关系就像排列在细绳上的串珠。

　　此后，生物学家、物理学家、遗传学家们继续沿着摩尔根的道路前进。1943年，量子理论学家薛定谔在都柏林的一次演讲中，大胆地尝试用基础理论来描述基因的分子属性。他设想出一种具有多种化学键的化学物质，能够沿着“染色体丝”的长度伸展。这些化学键的序列组成了密码本，能够携带大量信息，又可以在细胞内保持结构紧凑，尽管组成顺序简单，但代表种类繁多。从这时起，为后世所知的双螺旋结构已经在向人类招手。

　　但等到那篇著名论文《核酸分子结构：脱氧核糖核酸结构》在《自然》杂志上发表，又经过了10年。在此期间，4位年轻的科学家沃森和克里克、威尔金斯和富兰克林分别在两个实验室里如打擂台般互相提出各种模型的解析，这一精彩过程被记录于1968年沃森所写的《双螺旋》一书中。沃森和克里克在《核酸分子结构：脱氧核糖核酸结构》中指出，双螺旋结构显示出DNA分子在细胞分裂时能够自我复制，而戈斯林与富兰克林在同一期《自然》杂志上的论文，为双螺旋结构提供了有力的晶体学证据。

　　1962年，沃森、克里克与威尔金斯凭借其发现荣获了诺贝尔奖。遗憾的是，富兰克林因罹患卵巢癌已于1958年英年早逝。

“基因告诉我们的”

　　富兰克林患病，与实验时接触大量X光射线有关，也与家族遗传有关，因为其家族成员患这种癌症的比例也很高。如果她活在今天，也许就能通过尽早的基因筛查，预知自己得病的几率，从而尽早预防和治疗。出生缺陷、肿瘤、传染感染、心脑血管这4类影响健康的主要疾病，其相应基因层面的问题是致病基因、变异基因、外来基因和易感基因。大千世界的生老病死，都受控于生命的遗传密码——基因组。从富兰克林的研究至今，人类对基因、基因组的研究和相关技术的运用，已经获得了飞速的发展。

　　这一发展的速度可以用两组数据来对比：第一组是13年和38亿美元，第二组则是24小时和500美元。

　　1977年，人类第一次完成了对一个物种基因组的测序。它是一种噬菌体，其基因组只有5400个碱基对，这在当时不啻为一部天书。1990年到2003年，美、英、德、法、日、中6个国家共同努力，用13年时间、耗资38亿美元，终于完成了一个人的全基因组测序。这一被誉为生命科学领域“阿波罗登月计划”的项目，之所以如此耗时费力，是因为人类基因组拥有30亿个碱基对。

　　近年来，基因测序技术发展突飞猛进，如今只需24小时、500美元即可完成单人基因组的测序。基因科技的进步不仅推动测序成本以超过“摩尔定律”的速度急速下降，也带动了数不清的生命科学新发现。伴随基因检测覆盖度的大幅提升，科学家们相信，在不久的将来，人人都能够拥有自己的全基因组测序数据，为自己的健康做指导。

　　但是，在人类为自己的成就鼓掌的时候，另一组数据也时刻在提醒科学家们，人类对生命的探知才刚刚开始：到目前为止，公开发表的被解密的动植物基因组也仅有500余种，即使加上正在开展的科研项目，也不足1000种。而地球上预计存在的物种，超过870万种。

　　在这500余种动物基因组中，中国主导完成测序的比例达到33%，美国为25%。可能鲜为人知的是，在全球已经测序完成的动植物里，过半是由一家中国公司华大基因与其合作伙伴共同完成的。

　　1999年起，中国集中了一批生物学家参与并负责测定人类基因组全部序列的1%，也就是3000万个碱基对的排序，华大基因应运而生。2001年8月，中国科学家提前高质量完成了“1%项目”。

　　参与这一项目的中科院院士、华大基因联合创始人杨焕明说，1%对整个项目而言也许微不足道，但它对中国基因组学发展的意义却很重大，它使中国可以平等分享该计划所建立的所有技术、资源和数据，并使中国成为世界上少数几个能完成大型基因组分析的国家。

　　也正是在这样的基础上，2018年，华大基因提出了“生命周期表”概念，即对每一个已知物种进行测序，得到它们的基因组，并寻找基因组之间的关联，进一步挖掘隐藏在数据背后的生命规律，最终实现“数字化动植物”“数字化地球”的宏伟目标。这个计划的意义，也许并不亚于元素周期表。

　　另一方面，基于基因组全序列，一个个遗传病致病基因的突变不断被发现，基因治疗在21世纪的第二个10年里取得了良好疗效，地中海贫血、白血病患者受益于基因技术被治愈的信息频现报端。在新冠肺炎疫情中，病毒及人类的基因组序列在病毒检测、疫情跟踪以及疫苗研制中发挥的重要作用，也让人类看到了一个“人人基因组”未来的可能。许多科学家因此提出，在世界逐步走向“万物互联”的今天，“万命互联”也将成为下一个时代的重要特征。

　　穆吉克怀着对自己家族遗传病的担忧，在《基因传》中讲述了人类在基因发展史上攻坚克难的故事。在这本书的后记里，他指出：基因对于人类生存的影响要远比我们想象中的错综复杂与惊心动魄。

　　正因如此，人类与基因的故事，才刚刚开始。

来源：2022年2月23日出版的《环球》杂志 第4期

《环球》杂志授权使用，其他媒体如需转载，请与本刊联系

本期更多文章敬请关注《环球》杂志微博、微信客户端：“环球杂志”