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摩尔定律之子 70

有名气的伟大成就者,有时自嘲得太过了。彼得·梅达沃在评论詹姆斯·沃森(James D.Watson)的《双螺旋结构》( The Double Helix )时表示,他知道自己在做什么:

就是不值得去和任何愚钝的人争辩,他们蠢到没有认识到,这些发现(分子遗传学)是20世纪最伟大的科学成就。

梅达沃和他所评论那本书的作者沃森一样,非常坦率地认为自己骄傲得有道理,不过你不必笨到反对他的看法。早先英裔美国人的发现集,即新达尔文主义现代综合体怎么样呢?物理学家可以列出相对论或者量子力学的优秀案例,宇宙论者也可以列出宇宙膨胀的优秀案例。虽然无法从根本上确定什么是“最伟大”,但是分子遗传学革命无疑曾是20世纪最伟大的成就之一,也是人类有史以来最伟大的成就之一。在未来的50年间,我们会把它发展到什么地步,或者说它会把我们带往哪里?到20世纪中叶,历史认为梅达沃比当时的人,甚至是梅达沃本人,更接近真理。

如果要求用一个词概括分子遗传学,我会选择“数字化”。当然,孟德尔的遗传学是数字化的,因为它有颗粒性,即各物种的各类基因具有独立性。但基因的内部当时并不为人知,它们依然是在性质、优势、品位等方面不断变化的物质,与其功用紧密交织在一起。沃森/克里克遗传学是彻彻底底的数字化,连其核心双螺旋结构本身都是数字化的。基因组的大小可以用千兆碱基(gigabase)衡量,和硬盘用千兆字节(G)衡量具有同样的精度。其实,这两个单位通过常数乘法可以互相转换。今天的遗传学是纯粹的信息技术。这正是能将一条北极鱼类中的抗冻基因复制粘贴到番茄中的原因。

从沃森和克里克的联名著作出版以来,半个世纪里,他们引发的爆炸式影响成指数级蔓延,好的影响就该这样。我说的就是字画意思,用一个更广为人知的比喻来佐证吧,这就是传统理解中的信息技术爆炸。摩尔定律说,计算机的运算能力每18个月翻一番。这是一条经验定律,没有一致认可的理论支持,尽管内森·梅尔沃德(Nathan Myhrvold)有一条机智的以自己为参照的备选项:“内森定律”认为软件发展速度比摩尔定律说得快,所以才存在摩尔定律。不论基于哪种原因或哪些原因,近50年来摩尔定律一直都正确。不少分析家希望它继续有效,对人类事务继续起着令人瞠目的影响——不过这并不是本文的关注点。

在DNA信息技术方面有没有摩尔定律那样的定律?最佳测量方法当然是从经济角度,因为金钱是工时和设备成本的优良综合指数。数十年后,以标准价格排序DNA千碱基的基准指数是多少?是以几何级数增长吗?如果是,倍增时间(doubling time)又是多少?注意,需要以无论由哪种动植物提供DNA都无差别的方式(这是作为信息技术分支的DNA科学的另一个方面)。排序技术及其费用在每一个10年内都大致相同。除非读取文本信息本身,分辨DNA的来源是人、蘑菇还是微生物确实是不可能的。

选好了经济基准,我还不知道该如何衡量实际费用。所幸的是,我去问了我的同事乔纳森·霍奇金(Jonathan Hodgkin),他是牛津大学的遗传学教授,这预感太对了。我高兴地发现,他最近给他以前的学校准备讲座的时候做了一模一样的事,他好心地把下述测序一对碱基对(即DNA编码的“一个字母”)的大概成本,以英镑为单位传给我。在1965年,测序细菌RNA(不是DNA,不过RNA的成本差不多)的5S核蛋白体需要大约1000英镑。在1975年,测序X174病毒的DNA成本大约为1个字母10英镑。霍奇金没有找到1985年的合适的例子,但是在1995年,测序秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)DNA的1个字母的成本是1英镑,这是一种很小的线虫,分子生物学家(当然)很喜欢它,叫它“那种”线虫甚至是“那种”虫。 到人类基因组计划在2000年左右完成的时候,测序的成本大概是1个字母0.1英镑。为了表现发展趋势的正向性,我把这些“货真价实”的数字颠倒了一下,也就是,用固定金额可以测序的DNA量,我选取了1000英镑,并且矫正了通货膨胀的影响。我把每1000英镑最终对应的千碱基标在对数刻度上,这样便于观看,因为几何增长表现为一条直线。

我必须强调,正如霍奇金教授对我强调的,这四组数据点是粗略的估算。无论如何,它们还是让人信服地几乎呈一直线,显示出我们DNA排序的能力呈几何级增长。加倍时间[或者说成本减半时间(cost-halving time)]是27个月,可以与摩尔定律的18个月形成对照。DNA排序工作取决于计算机的能力(很大程度上是这样),我们发现的这个新定律很可能取决于摩尔定律本身,正符合这个滑稽的叫法,“摩尔定律之子”。

这绝不表示期待技术发展历程应该以这种几何级的方式进步。我没有标出那些数据,不过如果说,比如飞机的时速、汽车的燃料经济度、摩天大楼的高度等被发现以几何级速度增长,我会惊讶不已。与其说是在固定时段加倍再加倍,我认为它们是以接近算术加法的速度进步的。而且,已经辞世的克里斯托弗·埃文斯(Christopher Evans),早在1979年摩尔定律还没有进展的时候,就这样说过:

今天的汽车数量和战后初期那几年不同。……但是暂且假设,汽车工业和计算机的发展速度一样,在经过同样时间之后:现在的汽车将会便宜多少,提升多少效能?……今天,你也许有能力以1.35英镑 购买一辆劳斯莱斯汽车,它一加仑汽油能跑300万英里,有足够的动力接送伊丽莎白二世。假如你对微型化技术感兴趣,你也许可以在大头针上放上半打劳斯莱斯。

对我来说,太空探索像汽车一样,可能是适度的加性增长的备选项。我想起阿瑟·克拉克曾有过一个让人着迷的猜测,他就像是不能被忽视的先知。想象有一艘未来的太空船,出发前往一颗遥远的恒星。即使以当时技术允许的最高速飞行,它可能还是需要几个世纪才能到达遥远的目的地。还没完成一半的行程,它可能就被一艘更快的飞船超越,那是下一个世纪技术的产物。于是,有人可能会说,原先那艘飞船根本不必出发。根据同样的观点,甚至第二艘飞船也不必出发,因为宇航员们必定会跟呼啸赶超过去的第三艘飞船中的曾孙们挥手告别。以此类推。解决这个悖论的一个途径就是指出,造下一艘飞船的技术如果没有经过飞得较慢的先驱着手研究、加以发展,就不可能实现。既然整个人类基因组计划现在要从零开始,实际完成还要断断续续很多年,整个规划应该适当后延——如果任何人提出这种说法,我都会给出上述那样的答案。

假如我们那四组数据点是公认的估算值,那么直到2050年的直线推算则更不确定。但是通过摩尔定律的比方,特别是假如摩尔定律之子确实和父代有联系的话,这条直线很可能具备合理的预测性。至少让我们继续看看,它会带我们去哪儿。直线显示,在2050年,我们将能够以相当于今天(160英镑)的100英镑完成个人完整的人类基因组测序。每个人将有能力负担自己的私人基因组计划,而不是“那个”人类基因组计划。人口遗传学家将会取得人类差异化的最终数据,有可能绘出连接世界上任何一个人和另外任何一个人的表亲关系树。这是历史学家最疯狂的梦想。他们将会利用基因的地理分布复原几个世纪以来的大迁徙和大入侵,寻找维京长船的航海轨迹,从阿拉斯加到火地岛追寻美洲原住民的基因,跟着撒克逊人的基因穿越不列颠岛,记录犹太人的大流散,甚至找到成吉思汗这样的征服者的后裔现在何处。

今天,胸部X光可以检查出你有没有肺癌或者肺结核。在2050年,用拍胸部X光的价格你能够知道自己的每一个基因的全部文本。医生不再给心生埋怨的普通人开处方,而是精确地提出适合你的基因组。这很好,毫无疑问,但是你的个人输出资料也带着让人恐慌的精准,预言了生命的自然死亡。我们想要知道这些吗?即使我们自己想知道,我们想要保险精算师、亲子诉讼的律师还有政府,读到我们的DNA输出资料吗?即使在一个温和的民主制度里,也不是每个人都高兴看到这样的前景。某些未来的希特勒会如何滥用这种知识,值得思考。

这样的担忧也许重要,但这也不是本文所担忧的。我回到我的象牙塔,更专注学术。如果100英镑成了测序一个人类基因组的价格,同样的金额也可以买下另外任何一种哺乳动物的基因组;只要是同样的规模,有千兆碱基等级的数量级,就适用于所有脊椎动物。即使假设摩尔定律之子在2050年之前会失灵,就像很多人认为摩尔定律会失灵一样,我们仍旧可以稳妥地预测,每年测序上百种物种的基因组是经济可行的。拥有大量的信息只是一个方面。我们要拿它怎么办呢?我们该如何消化它、筛选它、对比它、利用它呢?

一个相对适度的目标是种系关系树的全部及最终内容。因为毕竟有一棵真实的生命之树,它是实际分支进化的唯一模式。它是存在的。并且在原则上它是可知的。但是,我们还没有完全了解它。到2050年之前,我们应该了解它了,如果还没有,我们就要被击败在最末端的小树枝上,被物种的数目击败[这个数字,正像我的同事罗伯特·梅(Robert May)说的,目前还不知道最接近它的一两个数量级是多少]。

我的研究助理王彦(Yan Wong)认为,2050年的博物学家和生态学家将会随身携带一个小的野外生物分类学工具箱,就不用把样本寄送给博物馆专家做鉴定了。把挂在便携电脑上的小探针插进树里,或者是刚诱捕到的活田鼠或者蚱蜢体内。不过几分钟,电脑通过仔细检测DNA上关键的一小段,就会吐出物种名称和存储在数据库中的任何其他细节。

DNA分类学已经显露出一些令人非常吃惊的发现。对于要我相信河马和鲸鱼的关系比它们和猪更紧密这种事,让我传统的动物学家思维十分不满,几乎无法容忍。这个问题依然存在争议。在2050年之前,它会和其他无数类似的争议一起,以某种方式得以解决。它的解决是因为河马基因组计划、猪基因组计划、鲸鱼(如果那时日本友人还没有把它们全部吃光的话)基因组计划的完成。实际上,完全解决分类学上的不确定并不需要测序所有基因组。

附带的好处是,对生命之树的充分了解将使人们更难对进化的事实产生怀疑,这也许会在美国产生最大的影响。数以百计的独立基因存在于我们目前可测序的现存物种之中,在发现它们印证着彼此对唯一的真正生命之树的描绘时,相比之下,化石就变得无关紧要了。

有些话说得太多,成了老生常谈,但我最好再说一遍:知道一种动物的基因组不等于了解那种动物。继悉尼·布伦纳(Sydney Brenner)(我听到人们对他怎么至今还没获得诺贝尔奖最感奇怪 )之后,我要增加难度,考虑三个从基因组去“计算”动物的步骤。步骤1曾经有难度,但是现在已经彻底得到解决。就是从基因的核苷酸序列中计算出蛋白质的氨基酸序列。步骤2是从氨基酸的一维序列中计算出蛋白质的三维折叠模式。物理学家相信原则上可以实现,但是很难,通常也许可以更快造出蛋白质,看看会发生什么。步骤3是计算由基因而来且还在发育的胚胎,计算它们与周遭环境的互动,这个环境多是由其他基因构成。这一步最难,但是胚胎科学(尤其是Hox基因的和类似基因的运作)以2050年可被破解的速度向前进步。换句话说,我猜想,一位2050年的胚胎学家会给一台电脑输入未知动物的基因组,电脑会模拟出胚胎学,直至完整呈现动物的成年。这个成就本身不会特别有用,因为真正的胚胎永远都是比电子计算机更为便宜的计算机。但是这种方式会标志着我们的理解具有完整性。而且,特定的技术实施会有用处。例如,发现血迹的侦探也许可以发布一幅嫌疑人脸部的计算机画像——或者因为基因不会随着年纪而成熟,干脆发布从婴儿期到老糊涂的一系列脸部画像!

我还认为,到2050年,我对“亡者的基因之书”中的梦想会成为现实。达尔文的推理表明,物种的基因必须形成一种对祖先环境的描述,那些基因从该环境中生存了下来。物种的基因库是黏土,由自然选择塑造。我在《解析彩虹》里这样写道:

就像沙漠的风把砂石的峭壁雕刻成奇特的形状,像海浪冲刷海岸的礁石,为了在远古的沙漠甚至更远古的海洋中生存,骆驼的DNA被塑造着,直至成为现在的骆驼。如果我们能读懂骆驼DNA的语言,它透露的正是骆驼祖先所处的不断变化的世界。如果能读懂DNA语言,金枪鱼和海星的DNA文本写的是“大海”,鼹鼠和蚯蚓的DNA写的是“地下”。

我相信,到2050年,我们将可以读懂这种语言。我们会把一种未知动物的基因组输入计算机中,复原动物的外形,还有其祖先(大自然选择它们制造了那个世界)所在世界的种种细节,包括它们那时的捕食者或猎物、寄生虫或寄主、筑巢地点,甚至希望还有恐惧。

更直接地复原成侏罗纪公园风格那样的,怎么样?不幸的是,琥珀中的DNA不能得以完好保存,摩尔定律的儿子甚至孙子也都不能使之复原。但是可能有办法,只是许多方法还几乎没有人想出来,通过这些方法,我们就能够利用这座巨大的数据银行,里面存有我们甚至不到2050年就能掌握的生物DNA。黑猩猩基因组计划已经着手运作,这得多亏摩尔定律之子,这个计划的完成应该只需要人类基因组所需时间的一部分。

在悉尼·布伦纳一次对千禧年进行预测的即兴讲话最后, 71 他给出如下令人瞠目的提议。当完全了解黑猩猩基因组之后,通过与人类基因组进行复杂的生物智能的对比(两者只在DNA字母中有一小部分差异),应该就可能复原共同祖先的基因组。这种动物,即所谓“进化缺环”,生活在500万至800万年前的非洲。一旦接受了布伦纳的这种飞跃,把这种推理扩展到一切领域中去就变得诱人,而我不是一个会抗拒这种诱惑的人。一旦完成“进化缺环基因组计划”(MLGP),下一步可能就是整顿“进化缺环基因组”(MLG),把它和人类基因组进行逐个碱基的比较。区别两者(和之前胚胎依据的方式一样)理应产生对南方古猿的整体估算,露西(Lucy)已成为南方古猿属的标志性代表。到了LGP(露西基因组计划)完成的时候,胚胎学应该已经进步到了可以把这复原的基因组放进人类卵子,再置入女人体内,然后,一个新的露西会在今天诞生。这无疑会增加伦理上的担忧。

尽管担心着复原出来的古猿个体的幸福(这至少是一个相关的伦理问题,和“扮演上帝”的愚昧担心不同),我看到实验不仅带来了科学利益,还有积极的道德利益。现在,我们带着公然的物种歧视,因为我们和黑猩猩之间的进化过渡型都已灭绝。我在关于“类人猿计划”(The Great Ape Project)的一篇文章中指出,这种灭绝的偶然意外,应该足以摧毁专制主义认为人类生命高于所有其他生命的评价。 72 举个例子,在关于堕胎或者干细胞研究的辩论中,“反堕胎”总是意味着反对人类堕胎,而没有明智、清晰的理由。我们中间存在一个活生生的会呼吸的露西,会永远改变我们在道德和政治上自以为是、以人类为中心的视角。应该让露西成为人类吗?这个问题的荒谬显而易见,如同南非法庭曾想裁决某些个人是否应该“成为白人”一样。揭露这种荒谬,从伦理上证明露西的复原是无罪的。

正当伦理学家、道德家和神学家(恐怕在2050年仍有神学家的存在)忙于苦苦思索露西计划的时候,生物学家可能会相当有恃无恐地开始一个更有抱负的项目:恐龙计划。其中一件事,就是帮助6000万年来没再长牙的鸟类长出新牙。

现代鸟类是恐龙的后代(或者至少是可以被愉快地称为恐龙的那类祖先,如果它们像恐龙一样得体地灭绝了)。复杂的“进化发育生物学”(evo-devo)解释了现代鸟类基因组和其他幸存的初龙亚纲爬行动物,比如鳄鱼,这个解释也许能让我们在2050年以前复原广义上所说的恐龙的基因。能够在实验中诱发鸡喙生出牙胚(还诱发蛇生出脚)已经令人鼓舞,这意味着古老的遗传能力依然留存。如果恐龙基因组计划成功,我们或许可以把恐龙基因组植入一枚鸵鸟蛋,孵化出一只活的、喘气的、可怕的蜥蜴。我只担心,我活不到亲眼看看侏罗纪公园的那一天。或是不能伸出我短小的手臂触碰到新出生的露西,热泪盈眶地跟她的长臂握握手。 XXxDGH2xsZx6Pj6HLMokcURl5BnMNi0Iky9h3wghVaLcnFLSEVO7m4nisWmc/Ufp

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