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如何借助生命科学,理解我们是谁,从哪里来,向何处去?

《生命是什么》正是讲述了这样一个大自然的奇迹。立铭用生动、诗意的笔触,带我们经历地球生命几十亿年史诗般的演化历程;通过对生命现象全景式的描述,让我们领略那令人难以置信的神奇。——作家刘慈欣

作者简介:

王立铭:浙江大学教授,神经生物学家。本科毕业于北京大学,在美国加州理工学院获得博士学位。曾在美国加州大学伯克利分校和波士顿咨询公司工作。入选国家“青年千人计划”和浙江省“千人计划”。“求是杰出青年学者奖”“菠萝化学奖”“文津图书奖”“全球华语科幻星云奖”获得者。著有大众科学读物《吃货的生物学修养:脂肪、糖和代谢病的科学传奇》《上帝的手术刀:基因编辑简史》。

书籍摘录:

前言(节选)

这是一本带你了解生命科学、和你一起理解地球生命和人类智慧的书。

在我看来,在人类所有的科学领域中,生命科学是最谦卑、也是最自负的一门科学。

说它谦卑,是因为几乎所有的生物学发现都在提醒我们:生命和智慧其实只是演化的产物。

我们居住的地球形成于 46 亿年前的星云涌动,最早的地球生命诞生于 40 亿年前的一系列化学反应,我们整个人类世界和全部人类文明都来自一场跨越 40 亿年时间的伟大冒险,我们生活中习以为常的一切,我们身上的优势和弱点,我们引以为豪的智慧,都是这场伟大冒险的产品。面对生物学规律,我们必须保持谦卑。

说它自负,是因为现在的生命科学让地球人类站在了一个极其重要的历史拐点上。伴随着过去两千多年来人类对生命现象和人类智慧的深入探究,伴随着过去几十年来人类对生物学技术的持续开发,我们迎来了一个史无前例的机会,那就是可以借助生命科学的力量,主动参与到生命演化的过程中,从看客和产品,变成命运的指挥官和主人,去影响、改变甚至主导未来人类演化的方向。这是生命科学带给我们最大的自负和野心。

因此,不管是理解我们的过去,还是规划我们的未来,生命科学都是思想军火库里必不可少的武器。只有借助生命科学,我们才能真正看清我们是谁,从哪里来,向何处去。

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!

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。

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。也许,这些生物技术在短时间内还只能出现在科学新闻或者科幻电影里,但是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,是恐慌畏惧还是心如止水,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,从而更好地应对即将到来的未来。

用生物学思维理解生命

地球上的生命现象和活动纷繁复杂,千差万别。理解生命最大的难题,很可能是尺度问题。

首先,生命在空间尺度上存在着巨大的差异。例如,对于地球上最大的生命蓝鲸来说,它的尺寸是用“米”或者“十米”来计量的,蓝鲸的一条舌头就有人类制造的卡车那么大;而对于人眼看不见的单细胞生物来说,它们的尺寸是用“微米”来计量的。这两者之间相差了差不多七个数量级。

其次,移动距离的衡量尺度也有着天差地别。比如,有一种叫北极燕鸥的小鸟,每年都要在地球的北极和南极之间飞一个来回,一生之中飞翔的距离长达数百万千米,足够在地球和月球之间往返三次。相反,有很多生物从出生到死亡所发生变化的距离几乎为零。比如,很多苔藓植物一生能够生长的高度也不过是毫米数量级。这两者之间差了十几个数量级。

除了空间尺度和移动距离的尺度之外,还有很多生命现象的度量尺度,比如个体的数量、繁殖能力、寿命、智力等,在不同的地球生命之间都有着天壤之别。

这些尺度上的巨大差别构成了天然的难题——当我们在讨论地球生命现象的时候,我们该怎么框定讨论范围?该如何搞清楚具体讨论的对象到底是什么?我们能不能真的确定,在这些尺度迥异的地球生命之间,有着共同的物质和科学基础,遵循同样的生物学原理?如果在每一种特殊的生命和特别的生命活动背后都有特殊的道理,那么我们的研讨可能就会失去方向。

因此,我们需要掌握和运用生物学的思维方式,在地球生命演化的自然历史框架下,跨越尺度的鸿沟,剥开生命现象复杂的外壳,探索地球生命现象的本质,找寻塑造地球生命和人类智慧的核心要素。

我们知道,现今所有的地球生命都是通过漫长的自然选择和生存竞争逐渐演化而来的,不管是植物还是动物,是细菌还是真菌,回溯几十亿年,我们都共享一个祖先。有人还给这个祖先起了个名字,叫 LUCA ,意思是现今地球生命的最后共同祖先。当然, LUCA 是一种假想中的生物,在今天的地球上并没有。但是对现今地球生命体内广泛存在的基因和遗传信息进行分析、归类和溯源,就可以大致猜测出我们的共同祖先具有什么样的基因,可能具备什么样的生命特征。

那么反过来,我们就可以这么理解今天的地球生命:它们全部脱胎于同一种共同祖先,经过了几十亿年的演化,在丰富和多变的地球环境中反复选择,形成了不同的生存和繁殖策略,最终构成了五花八门、丰富多彩的地球生物世界。

也就是说,今天每一种地球生命的体内都蕴藏着来自古老祖先的遗传信息,都记录着过去几十亿年来地球气候环境变迁的历史,以及对生物特征的修饰和筛选。每个活着的地球生命都是一部鲜活的地球自然历史。把这段自然历史的要点解析出来,我们就能找到地球生命现象的底层逻辑和普遍规律。

也许,当我们这场思想旅行结束的时候,所有的细节(包括分子的名称、生物的名称,各种具体生命活动的名称)都没有在你脑海里留下痕迹。但是我期待,不管你从事什么职业,有没有生物学的知识储备,都能够从一个全新的维度来理解地球生命的本质,来理解地球生命如何产生,如何变化,如何繁盛至今。我相信,在这个历史性的时刻,我们讨论的很多问题和逻辑,在人类社会中,在我们的日常生活中,都能找到隐隐约约的对应。我也非常期待,这会帮助你更好地理解我们到底是谁 ,从何而来,又向何处去。


题图来自:maxpixel

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