基因“密码”探寻人类的生命“族谱”

王碧清

近年来，人工智能、精准医疗、基因检测、胚胎冷冻等词汇进入大众视线。生命科学不断发展，基因科学相关的技术逐步揭开了生命的神秘面纱。某种程度上，基因背后的“密码”也是我们人类族谱的宏大记载。

中国科学院生物学博士邱晓芳在《生命的语言：揭示人类基因的奥秘》一书中提到，“我们正在面临一个继农业经济、工业经济、信息经济之后的生物经济时代”，而由30亿个碱基对排列组合而成的“天书”——基因组，这当中不仅“有我们的‘自传，更蕴含着生命延续进化的密码”。

什么是生命

在我们的星球，有超过30万种生物，每一个物种都为生存而顽强奋斗着。而人类多年以来为了定义生命始终孜孜以求。

消化病学先驱扬·巴普蒂斯塔·范·海尔蒙特曾在1648年做出一个猜想：“一切生命都是化学。”量子力学奠基人之一埃尔温·薛定谔讲：“生物从周围环境汲取秩序。”亚里士多德也曾说过，形成一只鸡的原理都蕴含在鸡蛋里，一颗橡树的果实包含着整颗橡树的信息。

达尔文提出，自然每时每刻都在仔细审查世界，因此每一个微小的变化，不管它被内在细胞的生物化学机制埋藏得多么深，只要它能对生存和繁殖有用，自然选择就会把它挑选出来。

1943年，埃尔温·薛定谔开展了“什么是生命”的专题讲座，他知道染色体内蕴含了生命的秘密，但并不清楚以何种形式存储。他甚至提出，“基因太小了，应该归为一种大分子”。也是在这一年，天才数学家阿兰·图灵见证了首台可编程计算机的诞生。马特·里德利在《基因组：人类自传》当中说：“当时，没有一个人意识到图灵也许比其他任何人都更接近生命的秘密。图灵更是没有意识到，遗传物质本质上就是一种可编程的存储程序，新陈代谢就是一台通用计算机。”

演化生物学家乔治·威廉姆斯在1966年写就《适应与自然选择》，认识到“自然选择的实质是基因的存活”。

近期提出的生命的定义如下：

“一个能够获取、储藏、处理以及利用信息来规划其活动的物质系统”；

“一个能够不断得到单体和能量供应，并受到保护的核酸和蛋白质聚合酶系统”；

“一个可以实现自我组织、自我复制、通过变异而进化、可以新陈代谢且集中密闭的系统”；

“一种有序的不稳定状态”；

…………

最为广泛接受的生命定义，则是来自美国航空航天局（NASA）于1992年所提出的：生命是一个能够发生达尔文式进化的自我维持的化学系统。不过这个定义依然存在许多缺陷。以色列作家埃迪·普罗斯在《生命是什么》中，通过回顾几个世纪以来的研究表示，“在我们填平生命与非生命之间的概念性鸿沟之前，以及在将生物和物理这两个学科自然地融合起来之前，我们还难以把握生命的本质和人类在宇宙中的位置”。

步入生物科学探秘时代

今天，通过基因，我们知道了黑猩猩与人类分离晚于大猩猩，人类和猿类的分离发生在1000万年、甚至不到500万年以前。通过科学家的研究，在人类和黑猩猩的体内，负责生长样貌的基因是完全一致的。那么，什么又是基因呢？

人体当中有大约100万亿个细胞，大多数细胞直径不到1/10毫米。每个细胞内部都有黑色的一团，叫“细胞核”。细胞核当中有两套完整的人类基因组，其中一套来自母亲，另一套来自父亲。理论上，每套基因组都有相同的23对染色体，上面数万个基因。由于父母基因对上存在细小的差别，在生育时，通过父母双方染色体的交换和重组，一套完整的基因组便传给了后代。

基因是生物遗传物质的最小单位，是遗传物质DNA（脱氧核糖核酸）中有遗传信息的片段，而DNA的基本单位是4种核苷酸。这些核苷酸按照一定顺序排列，表达一定的遗传信息。

在不同人的同一条染色体和同一个位置的核苷酸序列中，有可能存在绝大多数核苷酸排列序列一致、只有一个地方的核苷酸序列不同的现象，这种现象就是“单核苷酸多态性”。科学家指出，这种“单核苷酸多态性”即基因上的细小差异导致了每个人的与众不同。

生命的种族、血型、孕育、生长、凋亡等都与基因息息相关。为什么我们会有不同的肤色、不同的瞳孔颜色？为什么人与人间会有个体差异？……这些生命的秘密正蕴藏于人类基因组之中。

基因组学有兩个主要理念：一、生命是序列的；二、生命是数字的。邱晓芳表示，“基因组学就是把生命序列化和数字化，从而可以通过序列分析、信息学分析“读懂天书”。

1988年，美国科学家提出了迄今为止最为宏大的生命科学计划——人类基因组计划。随后，来自英国、日本、法国、德国和中国的科学家加盟研究。

人类基因组计划的宗旨为测定组成人类染色体（单倍体）中所包含的30亿个碱基对所组成的核苷酸序列，从而绘制人类基因组图谱，并且辨识其载有的基因及其序列，达到破译人类遗传信息的最终目的。这是人类为探索自身奥秘所迈出的重要一步。

我国是在1999年9月正式加入这一计划的，主要承担人类基因组第三号染色体短臂端3000万对碱基的测序研究任务，因占整个人类基因组30亿对碱基的百分之一，故又称为“1%项目”。中国也是参加该研究计划中唯一的发展中国家。

2000年6月26日，科学家公布人类基因组“工作框架图”；2001年2月12日，公布了人类基因组图谱及初步分析结果。六国科学家先后参加人类基因组对23对染色体DNA大规模测序的国际合作，最终绘制了一张类似化学元素周期表的人类基因组精确图谱。

人类基因组图谱研究侧重于人类基因的共性，对人与人之间基因的差异性即基因变异研究较少。继2月12日国际人类基因组计划的科学家和美国塞莱拉公司联合公布了人类基因组图谱及对它的初步分析结果之后，双方又分别宣布将绘制人类基因变异图谱。这是生命科学的又一个重大科研项目，使基因图谱进一步迈向实用化。

2003年这一年，第一个人类基因组被测序。截至2005年，人类基因组计划的测序工作已经完成。

基因就如同我们的指纹一样独一无二。2007年，科学家首次阐述了人与人之间的DNA究竟存在着多大的差异。这对于如何治疗疾病、人类如何看待自己以及保护个人隐私等各个方面都产生了重大影响。短短几年时间，个人基因组测序成本由最早的1000～5000万美元，降至2010年的5000美元。目前，基因解密速度正在不断加快。

1990年代，中国先后启动了“中华民族基因组中若干位点基因结构的研究”和“重大疾病相关基因的定位、克隆、结构和功能研究”。至2007年10月，我国科学家成功绘制完成第一个完整的中国人基因组图谱（又称“炎黄一号”），这也是第一个亚洲人全基因序列图谱。这对中国，乃至亚洲人的DNA、隐形疾病基因、流行病预测等研究具有重要作用。

随着人类拥有了一份完整的人类基因记录，“我们开始根据基因空间而非基因组和物种来理解世界”，基因组科学家、“人造生命之父”克雷格·文特尔以癌症为例提出，随着人类可以对诊断结果和相应的基因进行详细划分，癌症已经可以被分解成越来越多不相干的疾病。“癌症实际上是由体细胞突变而来，当我们从环境中吸收毒素，如辐射等，就会导致癌症的发生。直白地说就是，随着我们基因里越来越多的体细胞的突变激增，直到超出一个阈值，突然我们就成长出了不受管制的细胞。”

就在不久前的1月17日，深圳华大基因向外界宣布，在阿里云上搭建的在线平台创下了新的世界纪录：仅用15分钟，即可完成一个高精度的个人全基因组测序全流程。这无疑为遗传病检测、肿瘤筛查等提供有力支撑。生命“天书”的破解不再遥不可及，并且随着云计算不断进入寻常百姓家。

（主要资料来源：中国科普博览、中国日报、《基因组：人类自传》、《生命：进化生物学、遗传学、人类学和环境科学的黎明》等）

责任编辑 华南