王立铭:我们比以往任何时候都需要了解生命科学

王立铭:我们比以往任何时候都需要了解生命科学
2018年12月03日 09:30 新浪科技综合

  来源:图灵教育

  不管是理解我们的过去,还是规划我们的未来,都需要从真正理解生命开始。

本文作者 | 王立铭本文作者 | 王立铭

  近日,一则“基因编辑婴儿”的新闻引起了全球范围内的关注,同时引发了法律和伦理方面的争议。基因编辑技术是否成熟? 两个孩子的命运又将如何? 未来的生物技术将把世界引向何方?此时此刻,我们比以往任何时候都更需要了解生命科学,更需要深刻地理解地球生命和人类智慧。

  我们的过去:生命的无奈

  回望过去,生命其实一直都是漫长演化历史中的看客和产品,是一场持续了40多亿年的无可奈何。今天我们拥有的一切,无论是我们的身体、智慧,还是人类的衰老、死亡,其实都是演化的产物。

  首先,对于我们的身体,我们并没有绝对的话语权。

  你可能听说过镰刀型贫血症这种病。这是一种很严重的遗传病,简单来说,就是人体负责生产血红蛋白的基因(HgB)上出现了一个微小的遗传变异,导致人体血管里的红细胞非常脆弱,很容易破碎,从而阻塞血管并影响很多器官的工作。如果没有精细的治疗和医疗维护,这些病人一般40岁出头就会死亡。直到现在,全世界每年都会有10万多人死于这种疾病,还有4000万人携带这种疾病的变异基因。你可能会问,既然这种遗传变异这么危险,为什么没有在生命演化过程中被淘汰掉呢?

镰刀型的红细胞镰刀型的红细胞

  其实,如果仔细观察世界范围内镰刀型贫血症突变基因的地理分布情况,就会发现这种病并没有平均散布在各个大陆上,在撒哈拉以南的非洲和南亚次大陆分布得非常集中。而且,它与世界范围内疟疾发病的地理分布有很高的重合度。为什么镰刀型贫血症和疟疾这两种看起来八竿子打不着的东西,地理分布居然很相似呢?

镰刀型贫血症的地理分布(粉色和紫色区域)镰刀型贫血症的地理分布(粉色和紫色区域)
疟疾的历史分布(绿色区域)疟疾的历史分布(绿色区域)

  背后的原因特别耐人寻味。虽然镰刀型贫血症是一种很严重的疾病,但是导致这种疾病的基因突变居然也是有好处的——它可以帮助抵抗疟疾!我们知道,每个人体内都有两份DNA遗传物质,一份来自父亲,一份来自母亲。当两份DNA上的血红蛋白基因都出现变异时,人就会患病;如果只有一份血红蛋白基因出现了变异,生活就是完全正常的。而如果感染了疟疾,疟疾的真凶疟原虫进入人体后会入侵人的红细胞。这时候,那些携带了一份血红蛋白变异基因的红细胞就会显出脆弱的一面,更加容易破裂死亡,这样反而歪打正着地让疟原虫跟着死掉了,从而让这些人对疟疾有了一定程度的抵抗力。

  在现代抗疟疾药物(特别是奎宁和青蒿素)发明之前,疟疾是一种非常可怕的疾病。亚历山大大帝很可能就是死于疟疾,康熙皇帝也差点因此而死。因此,在漫长的人类演化历史上,血红蛋白基因的突变虽然会导致严重的镰刀型贫血症,但是它是我们的祖先对抗疟疾的唯一武器。虽然这件武器“杀敌一千,自损八百”,但还是长期保留在了现代人的遗传物质中。

  今天,对于疾病或健康,尽管有些因素我们已经能够自主控制,但是在最底层的生物学逻辑里,控制疾病或健康的,仍然是生物演化的历史。对于我们的身体,我们没有绝对的话语权。

  其次,对于人类智慧的形成,我们也没有话语权。

  虽然我们创造了灿烂的文明,产生了理性的思考,但这一切很难说是我们人类自己的功劳。

  以人类语言为例。语言是复杂的人类社会最重要的基石之一。依靠语言,人类个体之间才可以高效率地交流经验和思想,才可能产生神话传说、政治思想和科学技术,才可能组成社会,建立国家。

  在地球上数百万种动物中,人类的语言是独一无二的。虽然不少动物也发展出了语言,也能传递简单的信息,但是只有人类语言才发展出了语法。所谓语法,就是把各种单词按照一定规则、随心所欲地拼接在一起的能力。然而,人类这种独特的语言功能可不是自己努力学习的成果。

  有不少证据显示,人类基因组上一个名为FOXP2的基因很可能和人类语言的形成息息相关。如果这个基因出了毛病,人就无法灵敏地控制自己的舌头和嘴唇,无法说出清晰的语句,即便说得出话,也基本是词汇的无意义堆积,没有正确的语法。那么,这么重要的基因,在分子层面,是不是人类和其他动物有着特别明显的区别呢?可惜没有。和我们的近亲黑猩猩相比,人类的FOXP2基因仅仅存在极其微小的突变。所以,人类拥有独特的语言能力是一个意外。

FOXP2基因的位置FOXP2基因的位置

  而且,演化生物学的模拟分析显示,人类特有的FOXP2基因大概出现在距今10万~20万年前。这可能恰恰是现代人出现在非洲大陆、打败所有的人类亲戚、走出非洲的时间。根据这些线索,生物学家估计,人类特有的FOXP2基因与人类出现语言机能、形成人类社会和人类文明存在着紧密的联系。

  再比如我们的学习能力,我们的爱情,我们对同类的关心爱护,我们的自尊心和责任感……这些我们引以为荣的智慧火花,也都不是人类凭空创造出来的。它们的背后其实是冷冰冰的生物学规则,是漫长演化历史进程中的塑造。

  所以,人类之所以成为今天的人类,不是因为人类多么奋发图强,多么聪明勤奋,仅仅是因为几十万年前一些偶然的遗传变异,才让我们从一大堆猿猴和人类亲戚里脱颖而出,君临天下。

  最后,除了我们的身体和智慧,在衰老和死亡在这个终极问题上,我们更加没有话语权。

  我们都厌恶死亡,但是死亡是我们每个人生命的必然终点。而且生物演化不排斥死亡,甚至在某些条件下,它会主动选择让我们死亡。

  比如,如果一个遗传变异能够帮助生物在年轻的时候更好地发育、成熟、求偶、交配、繁殖,那么这个生物就会被自然选择所青睐,更容易在严酷的生存竞争中存活下来。哪怕在之后的岁月里,这个遗传变异会让这个生物很快地生病、衰老和死亡,也无所谓,毕竟它传宗接代的使命在此之前就已经完成了。

  一个经典的例子是男性的睾丸酮。这是人体里一种特别重要的雄性激素,它的功能非常重要。男性器官的形成、精子的发育、生殖能力、肌肉力量、反应速度……这些都和睾丸酮有关系。打个不太严谨的比方,我们常说一个男人看起来有没有“男子气概”,这件事和他体内睾丸酮的多少就有很大关系。所以,那些在年轻的时候充满战斗力和交配欲望的男性,就会被自然选择所青睐,就更容易留下自己的后代。

  然而,睾丸酮可算不上什么好东西,它和人类许多疾病都有着密切的关系。男性的睾丸酮含量越高,得癌症的概率就越大。特别是前列腺癌,这是男性发病第二多的癌症。也有证据显示,睾丸酮的水平和人类寿命是成反比的。这个能让年轻男性充满男子气概的东西,也能让他迅速衰老和死亡。

  所以,对于生存还是死亡这个大问题,选择权也不在我们手里。我们来过,我们生活过,我们又衰老和死亡,这一切都是生命演化历史造就的必然归宿。

  无论是我们引以为豪的身体、智慧、文明,还是我们深恶痛绝的疾病、衰老和死亡,归根结底都是40多亿年演化的结果。生命只是看客和产品,从来都不是自己的主人。在自然法则面前,生命科学只能保持谦卑,一点点小心地揭开大自然的密码本,偷看几眼生命的设计图。

  而当我们掌握了生命科学,了解了更多自然和生命的秘密之后,就会本能地想要追求更长的寿命和更高的生命质量,想要改变演化的进程和方向,做自己生命的主人。

  我们的未来:生命的主人

  放眼未来,随着人类对生命活动的理解越来越深,随着生物技术突飞猛进的发展,人类开始尝试运用生命科学这一有力的武器,逆转生命演化的巨轮,从演化的看客和产品,真正变身为生命的主人。

  首先,基因编辑技术的发展,让我们有可能主动掌控自己的身体。

  我们继续以镰刀型贫血为例。这种疾病是人体内血红蛋白基因出现了区区一个位点的微小变异导致的。这个微小变异以牺牲一部分人的健康为代价,换来了更多人对疟疾的天然抵抗力。这是漫长的生命演化过程对人类身体的塑造,也是留给人类的苦难(和财富)。

  但是在今天,人类居然可以拿起手术刀,主动参与生命演化的进程了。在最近十几年时间里,一类名为“基因编辑”的技术取得了突飞猛进的发展。该技术的核心在于,能够在生物庞大的基因组信息中精准寻找到出现问题的DNA位点,然后把错误的位点剪切,再替换成正确的位点。

  可以想象,有了这把“上帝的手术刀”,人类就可以在受精卵里精确地修改镰刀型贫血症的致病基因,让婴儿完全摆脱这种疾病的困扰,让这个基因突变从此在这个家族里消失。这个小婴儿及其未来所有的子孙后代,就可以永久地走上另一条演化道路了。

  虽然这件事难度很大,目前仍面临很多技术问题,还没有真正地推向实际应用,但是很多研究已经充分证明了该技术的可行性。比如,2015年,中山大学的黄军就实验室利用一种名为CRISPR/Cas9的全新基因编辑技术,在人类胚胎中尝试进行了人类血红蛋白基因的修饰。这项研究一经问世就引发了全球范围内的巨大争议和热烈讨论。毕竟,这可能是人类历史上第一次主动而且有目的地修改人类自身的遗传物质,永久性地改变生物演化历史的进程!

CRISPR/Cas9CRISPR/Cas9

  所以,人类已经不再满足于仅仅做演化历史的看客和产品了,我们已经可以亲自走上手术台,运用神话传说里只有上帝才拥有的力量,创造我们自己的演化历史了!

  沿着这个逻辑推演下去,如果可以对人体遗传物质进行随心所欲的修改和设计,那么人类未来就有可能有针对性地设计自己的下一代,让他/她智力超群,貌美如花,永远赢在起跑线上。那么,这样会不会破坏人类千姿百态的多样性,让世界从此千篇一律呢?有钱人和特权阶级会不会利用这项技术,率先改造自己的子女,实现财富和地位的遗传,甚至造成永久性的社会撕裂和不平等?更可怕的是,会不会有人将这项技术开发成武器,毁灭敌人的遗传物质,制造地球末日呢?但是无论如何,基因编辑技术是人类开始主导演化进程的第一次尝试。

  其次,人类开始利用生物学技术破解智慧的秘密,主导智慧演化的进程。

  我们知道,语言能力是人类智慧的重要组成部分,而这很可能源自10万~20万年前的一次偶然的基因突变。从那时起,我们成为了语言天才,并且凭借这项独门绝技建造了人类社会,创造了独一无二的人类智慧和伟大文明。

  而今天,神经生物学家已经不再满足于被动地接受这个结果,开始主动破解智慧的秘密了。我们正在逐渐理解大脑的工作原理,并且尝试主动影响大脑的运转,让人类学得更快、记忆力更强、更有智慧。

  比如,2013年,美国麻省理工学院的科学家就做了这样的尝试。他们通过解析小鼠大脑中特定区域的活动规律,从中获得了记忆的存储信息。然后,他们通过随心所欲地改变神经细胞的活动,就可以擦除这段记忆,甚至人工虚拟出记忆,让老鼠产生身临其境的幻觉。

用光在小鼠脑中产生虚假记忆 (图片来源于: http://thepsychreport.com/wp-content/uploads/2014/06/lab_land_rat_520.jpg)用光在小鼠脑中产生虚假记忆 (图片来源于: http://thepsychreport.com/wp-content/uploads/2014/06/lab_land_rat_520.jpg)

  此外,还有人试图利用计算机芯片来改变和创造记忆。2015年,美国南加州大学的神经科学家尝试在人脑中植入芯片,采集大脑神经细胞的活动信息,然后利用计算机从中提取出信息,再转换为记忆,重新植入大脑。换句话说,他们已经试图人工创造出学习和记忆的过程了。

  这些技术最早会用于治病救人,帮助病人恢复正常的大脑功能。但是相信未来这些技术一定会逐渐应用于健康人和普通人。那么人类将可以直接在人脑中虚拟现实、移植记忆、拷贝知识、创造智慧。这也就意味着,人类将会迎来利用生物学技术主导智慧演化的全新历史。

  最后,现代生物学技术可以让我们更接近生命的真相,甚至改变人类的终极宿命。

  在过去数十年里,生物学家在衰老问题的研究上倾注了大量的心血。如今,科学家通过改变遗传基因和生活环境,可以让实验室里的生物活得更长久、更健康。

  研究证明,有些方法能有效延长动物的寿命,比如节食。少吃能让动物活得更长久,衰老更慢。这可能是通过影响胰岛素相关的生物信号来影响人体衰老过程的。胰岛素是人体内一种重要的激素,它和糖尿病有关,也是治疗糖尿病的药物。因此,有生物学家设想:治疗糖尿病的药物是不是可以帮助人们延缓衰老、延长寿命?如今,世界各地都有很多这样的临床试验。

  还有一种方法是换血。人们在70年前就发现,如果把年轻动物的血液输入老年动物体内,就能实现“返老还童”——老年动物的毛发会重新泛起光泽,心脏血管的机能也会重新焕发生机。只要能够找到其中的生物学机理,人类就可以利用同样的方法实现长生不老了。

  所以,虽然衰老和死亡看起来是人类无法抗拒的最终宿命,但是借助现代生物学技术,人类已经开始慢慢接近这个终极宿命的真相,甚至有可能改变这种宿命了。

  因此,无论是身体、智慧,还是生死,今天,我们确实已经站在了人类历史的拐点上。曾经的我们在演化历史的长河中随波逐流,是无数个机缘巧合造就了今天独一无二的我们和灿烂辉煌的人类文明;而未来的我们,虽然仅知晓生命秘密的冰山一角,但是已经开始跃跃欲试,试图操控智慧和愚笨、健康和疾病,甚至衰老和死亡,试图取代自然选择,成为自身命运的主宰者!

  此时此刻,我们比以往任何时候都更需要了解生命科学,更需要深刻地理解地球生命和人类智慧。毕竟这些生物技术很可能在一两代人的时间内就会变成现实。

  届时,我们人类将要亲手打开的,是阿拉丁的神灯,还是潘多拉的魔盒?

  不管是欢欣鼓舞还是忧心忡忡,我们都应该在头脑中装备好生物学的研究方法和思维模型,真正地理解生命的本质,从而更好地应对未来。

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