序

我的肺腑是你所造的。我在母腹中，你已覆庇我。

我要称谢你，因我受造奇妙可畏。

——《旧约全书·诗篇》139：13-14

地球上所有的动物和植物都有一种无以言表的美感：参天的橡树，精致的蝴蝶，优雅的瞪羚，气势磅礴的鲸，当然还有我们人类这种集万千优点与缺点于一身的生物。这些无比美丽的生命究竟从何而来？为了回答这个问题，人类的历史上诞生了数不清的故事。比如，玛雅人认为生命起源于玉米，其他文明则用各种各样的“生命之卵”作为解释。在很多文化中，世间的生物都出自一位法力无边的神或仙之手。这些文化认为生命本是一种类似黏土的材料，创世者靠自己的神力和想象力把黏土捏成不同的形状，再注入灵气，土偶便活了过来。生命诞生之后迅速繁殖，地球很快就变得生机勃勃。话虽如此，但谁也说不清这个过程的细节。

在过去的一个世纪里，我们发现了一种从唯物视角解释生命起源的方式，这个理论不需要借助神力，它的基础是一种能把数亿年间出现过的所有生物联系起来的物质：脱氧核糖核酸（DNA）。用美国国家人类基因组研究所的话说，“基因组（或者说DNA）是一份操作指南，它包含了你从一个单细胞发育成今天的样子所需的全部指令”。虽然基因与我们的样子及我们如何变成这样有毋庸置疑的关联，但要准确回答它们在这个过程中究竟扮演了怎样的角色十分有难度。

只要对基因的工作方式和它们的能力上限有较为深入的了解，再将这些事实与人们声称它们所具有的功能进行比较，你就会发现断言基因组就是人类或任何生命的“操作指南”，这种说法有多么可疑。在围绕生物体如何形成的讨论中，我们忽略了（或者更确切地说是忘记了）另一种力量：我们的细胞。本书的内容正是介绍这种力量的源头和它的威力。

将你我塑造成不同人类个体的并不是独特的DNA，而是细胞及其活动的独特组织方式。52岁的卡伦·基根急需更换一颗肾脏，她的故事就是一个很好的例子。

通过咨询医生，卡伦得知自己必须寻找遗传背景与她尽可能相似的肾脏捐献者，以降低免疫系统将外来的肾脏视为异物并发生排斥的可能性。医生告诉卡伦，她很幸运：作为三个成年儿子的母亲，她极有可能在自己的直系血亲里找到配型合适的肾脏。根据遗传学定律，她与每个孩子都有大约一半的DNA是相同的，这意味着他们都是理想的器官捐献者。接下去要做的工作仅仅是给母子四人验血，分析每个儿子具体遗传了卡伦的哪些DNA，并据此确定最佳捐献人选。可是，当实验室出具检验结果时，卡伦得知了一个令她震惊的消息：医生说，三个儿子中有两个不可能是她亲生的，原因是他们的DNA与她不够相似。卡伦提出异议，她认为肯定是实验室把检验结果弄错了。她经历过妊娠和分娩，三个儿子都是自己生的，就连他们在她子宫内生长（和蹬腿！）的感觉她都记得清清楚楚。

医院的专家琳恩·尤尔与卡伦熟识，所以她知道三个儿子都是卡伦亲生的。如果是抱错了，抱错一个孩子还好说，但两个儿子都抱错的概率几乎为零。同样，实验室把三份血液样本都弄错的可能性几乎不存在。凭借直觉，尤尔决定用卡伦的血液样本对比卡伦其他部位的组织。检验结果解开了谜团：卡伦身上的细胞含有不止一套DNA（或者说基因组），她有两套。

53年前，在卡伦的母亲怀孕之初，有两个卵子分别完成了受精，并独立地发育成细胞团，每团细胞都有属于自己的一套DNA。卵子受精后迅速发生分裂增殖，直到某个时刻，两团细胞融合为一团。这两个同时受精的卵子最终没有发育成双胞胎，而是发育成了卡伦，原本属于两个独立细胞团的细胞随机分布于卡伦全身。虽然卡伦身上绝大多数的细胞都来自同一个细胞团，但就是这么巧，她的两个儿子是源于另一个细胞团的后代。

拥有不止一套完整基因组的人被称为“chimera”（嵌合体），也就是希腊神话中的“奇美拉”（传说这是一种口能喷火的怪兽，形似狮子，背上长着山羊头，尾巴是一条蛇。所以，奇美拉的意思是多种生物拼接而成的怪物）。同卡伦一样的天然嵌合体其实很多。世界上第一例关于人类嵌合体的报道发表在1953年，也就是DNA的双螺旋结构被发现的那一年。今天，按照某些科学家的估计，约有15%的人是嵌合体。有的嵌合体仅仅是因为不同的血细胞在发育过程中混合在一起，也有的同卡伦的情况一样，是因为两个受精卵在发育时合二为一，导致全身各个部位都有两种不同的细胞。

从詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克于1953年揭示DNA双螺旋结构的那一天起，我们就开始对基因顶礼膜拜。从眼睛的颜色到某种疾病的易感性，我们认为自身的一切都是由DNA决定的。在某些人心目中，DNA甚至还决定了一个人的智力水平或性格：“这都是刻在基因里的”，家长会如此评价孩子。我们用拭子从口腔里刮下一些细胞，通过检测DNA来认识“自己是谁”，仿佛只要知道从哪一位先辈身上遗传到了什么样的基因，就能知道关于自己的一切。DNA在身份认同中扮演了无比重要的角色，以至于我们会在社交场合拿它来打比方：“团结写在我们的DNA里”，公司的CEO（首席执行官）或球队的教练经常会这样说。然而，DNA不能决定我们是什么样的人，嵌合体恰恰是大自然向我们展示这一点的方式之一——卡伦无法被一套DNA序列定义，因为她有两套。

人类基因组序列的公布开创了一个全新时代，自那以后，DNA与我们的密切联系日益凸显。人们认为绝大多数非传染性疾病都有一定的遗传学基础，比如囊性纤维化、血友病或者镰状细胞贫血，科学家几乎总能通过DNA检测找到治疗这些疾病的手段。秉承这种理念的新技术层出不穷，比如近年来风头正劲的CRISPR（“Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats”的首字母缩写，意思是“成簇规律间隔短回文重复”），被称为“基因剪刀”，能让我们随心所欲地编辑DNA。这种技术在未来医疗中的潜力不可限量。举个例子，科学家已经成功利用CRISPR对β球蛋白的基因进行了编辑，修复了该基因内的一个单核苷酸突变，从而使镰状细胞贫血患者恢复了健康。其他临床试验也在筹备当中。

但即便是在这些情景中，前面所说的理念也有问题。一个基因突变与一种功能障碍之间的关系，往往不像我们在镰状细胞贫血中看到的那么简单直白。乳腺癌相关基因1号（BRCA1）或乳腺癌相关基因2号（BRCA2）突变造成的结果是，人体可能更难以合成某种所需的特定功能蛋白，导致机体不能有效清除乳腺组织中的癌变细胞，但这并不意味着一定会得乳腺癌。从基因突变和细胞功能障碍入手研究二者的对应关系，这或许有助于我们认识某个基因在出错或缺失的情况下会造成怎样的后果，但很多人不知道的是，这种研究方法往往不能告诉我们细胞本来会如何利用正常的基因构建正常的组织和器官。事实上，超过60%的新生儿缺陷都没有明确的关联基因。许多慢性疾病的致病因素也不是遗传倾向，而是细胞对环境做出的反应。乳腺癌的情况就是这样，在确诊的患者中，BRCA1或BRCA2发生突变的情况仅占3%。

当然，基因的确携带着决定我们是谁的信息。同卵双胞胎是最经典的例子，两个人在出生时拥有完全相同的DNA，所以他（她）们的长相惊人地相似。与此同时，在一个屋檐下朝夕相处的同卵双胞胎依旧会养成不同的性格、患上不同的疾病，就连身体特征也有可能不同。因此，问题不在于DNA是否与我们的长相和行为有关系，而在于DNA究竟与它们有怎样的关系。

我们对一种以基因为中心的生命观居然如此笃信，这本身就是一件很奇怪的事。早在一个世纪以前，我们就已经对细胞的功能有了认识，经年累月的研究更是让我们对细胞的内部结构及相互之间的组织协作方式了解得细致入微。其中一些被认为是机体不可或缺的功能实体，比如由种类繁多的细胞构成的免疫系统，它的功能是对抗感染和疗愈伤口；神经元则负责处理信息，产生并控制我们的运动和思维。最新的技术成果让我们可以深入分析细胞的组成和活动，相关的研究结果让我们看到，细胞其实是一种能够创造和打破时空界限的动态实体。我们不仅录下了它们互动的影片，而且观察到它们是如何通过协作来构建和维护生物体的。我们得知人体总是处于变化状态，因为构成人体的细胞本身不断在变化。当我们从细胞的角度看待生命时，眼前浮现的是一支令人惊叹的时空舞蹈。

我一直致力于研究细胞如何构建动物（从果蝇到小鼠再到人类）的器官和组织。我所受的科研训练是成为一名遗传学家，职业生涯的大多数时间，我都是剑桥大学遗传学系教授，基于基因科学探索生物学领域的大问题。但是，眼看着人们把许多莫须有的罪名归咎于基因，我心里越来越不是滋味。遗传学为我们认识动植物的发育现象提供了重要的窗口，我们却不知节制地用基因来解释一切。

原因很简单。到目前为止，寻找基因突变和功能障碍之间的关联向来是一种成果颇丰的研究方法，遗传学在这方面取得的成功导致我们掉进了把相关性当成因果性的陷阱。我们把研究手段当作解释，把研究生命的工具当作生命的建筑师和施工队。这就好比，如果我们移走承重墙上的几块砖头，随后房子轰然倒塌，想必谁都不会认为砖头是这栋房子的设计图或建筑师。那么，凭什么从基因组里移除一个基因，然后看到生物体停止发育或出现功能障碍，我们就认为基因是生命的设计图或建筑师呢？套用法国著名数学家亨利·庞加莱的句式：砖头再多也不是房子，基因再多也不是细胞。

许多人会说，没有什么东西能挑战基因在生物发育和演化研究中的核心地位。毕竟，无一例外，所有细胞都是基因组里的基因活动和互动的产物。这种说法确实有几分道理，但事实上，细胞拥有一些令DNA望尘莫及的本事。DNA无法命令你体内的细胞向左或向右移动，也不能决定你胸腔里的心脏和紧邻胸腔的肝脏呈对侧分布；它无从测量你的臂长，也无法指示双眼对称地分布在你的脸上。之所以这么说，是因为通常情况下生物体内每个细胞的DNA都完全相同，不仅如此，DNA的结构也千篇一律。我们会在后文中看到，细胞能发号施令、测量长度，而且它的本事远不止这些。在像卡伦·基根这样的嵌合体体内，两种细胞搁置了基因组的差异，通过合作形成了一个完整的机体。为了完成自己的任务，细胞熟练地掌握了“使用”基因的方式，它们知道应该在何时打开或者说“表达”某个特定的基因，才能在恰当的时间将这个基因的产物部署到正确的位置。生物体是细胞活动的产物，而基因仅为细胞提供了必要的原材料。

我在本书中分享的生物学观点曾常年萦绕在我的脑海中，后来，随着我的实验室开展了各种各样的研究，在我看来这些观点（连同其他一些新的观点）变得越发显而易见。在这些研究中，细胞无不展现出其令人惊异的本领。我们的实验始于试图弄清为什么细胞在体外培养条件下的表现与其在胚胎中不一样。我们发现，当把胚胎干细胞（一种可以分化成任何器官或组织的细胞）这种特殊的小鼠细胞放进培养皿里并任其生长时，只要条件得当，这种细胞就会慢慢变成不同类型的细胞；这些不同类型的细胞的确是构成胚胎所需的，但它们各自为政，缺少有序的组织。同样是这些细胞，同样是这些基因，如果把胚胎干细胞放进一个处于发育早期阶段的胚胎里，它们就可以成为胚胎的一部分，尽心尽力地为胚胎的发育添砖加瓦。可细胞还是这些细胞，基因也还是这些基因。因此，肯定有某种除基因以外的东西在胚胎的形成中发挥作用。为了证明这一点，我们摸索出恰当的实验条件，使实验室培养的细胞模拟了许多原本只有在胚胎首次构建机体时才会发生的过程。这种利用细胞构建类组织、类器官甚至类胚胎结构的技术代表了生物工程学的一个新领域，我们可以由此看到细胞如何利用它们的工具以及需要遵循怎样的规则，才最终构建出完整的生物体。

我从这项研究里发现，基因和细胞之间存在某种能促进创造的张力，研究这种张力正是生物学的核心所在。细胞不仅会增殖、调控、沟通、运动和探索，还会计数、感受力与几何形状、创建形态，甚至会学习。你从来都不只是一个或一堆基因，你存在的源头完全可以追溯到母亲腹中的第一个细胞。一旦人体的第一个细胞形成，它就会开始做一些没有写在DNA里的事。凭借增殖，它创造出属于自己的空间，使后续出现的新细胞获得各自的身份并承担各自的角色，帮助它们交换信息，让它们根据各自的相对位置构建组织、雕琢器官，最终形成完整的人体——你。

接下来的内容将向你介绍细胞，包括细胞的起源、细胞与基因之间及细胞彼此之间的关系，还有它们如何构建胚胎这个“个性大熔炉”。我的叙述将分为三幕。第一幕，简要回顾基因是什么，以及我们为何会把它们视为命运的预言家；随后，我将介绍细胞并探讨它们与基因之间的关系。我们会看到，细胞总能在生命发展到某个特定阶段时，获得利用基因进行协作和交流的永久性能力，这种能力是动植物得以诞生的基础。目前主流的生物学采用众所周知的“自私的基因”视角，我将对这种观念提出挑战，并提出如何从细胞的角度重新看待我们的世界。第二幕，我们将深入探讨细胞与基因之间的关系，认识细胞在构建胚胎时所用的语言和技术，其中有的非常隐秘，就像我们人类胚胎所用的那样。在这一部分的章节里，我们不仅会看到细胞在胚胎形成过程中发挥的作用，还会了解到我们在母亲腹中的隐秘起源。在结尾处，我会介绍一项惊人的新发现，它表明你拥有的基因组其实不止一套，而是有很多套，以至于你有多少个细胞就有多少套基因组，甚至更多——这个发现彻底推翻了我们与单一基因组之间存在牢固关联的说法。你将在第三幕中了解到，从细胞的角度看，每一年的我们都是不同的人。我会向你介绍干细胞，分享这些负责修复身体的神奇细胞的最新应用进展，以及针对它们的研究蕴藏着多么巨大的潜力，有朝一日，我们或许可以通过驾驭这些细胞，在实验室里重构器官、组织和胚胎。从细胞的角度看待生命，让我们对人类的身份和本质产生了疑问，这是我们必须关注和解决的问题。因为我们正在向这样的未来迈进：通过操纵细胞，我们能做的将不仅仅是量产特定的结构，用于修复身体；让很多人意想不到的是，我们或许可以直接制造完整的个体，等到时机成熟，我们甚至能创造出类似人类的生物。

本书讲述的故事远非全面和完善。我的本意并不是为读者提供细胞生物学的速成课程，抑或关于细胞如何构建生物体的学术解释；我的目的是针对眼下那些与身份认同、健康和疾病有关的争论，把细胞推到台前，彰显它们在生命相关的这些方面扮演的关键角色。因此，为了实现这个目标，我的解释将尽可能简洁，举的例子也会带有选择性，感兴趣的读者可以根据本书末尾列出的推荐材料，做拓展阅读。

我必须就本书的一个特点诚挚地道歉：我的故事几乎只关注动物，而没有关注植物。部分原因在于我的专业，因为我是一名研究动物发育的发育生物学家，我的兴趣是研究人类的诞生及身份。作为人类同胞，亲爱的读者，我相信你一定能够体会这份心情。除此之外，在新冠病毒肆虐全球的背景下，重点关注动物细胞也显得格外合乎时宜。当我在巴塞罗那写下这些话时，新冠病毒对世界的威胁似乎已经显现出减弱的迹象，不过人类胜利的希望不在针对病毒颗粒的生物学研究——病毒颗粒不过是蛋白质衣壳加一段RNA（核糖核酸）——而在针对我们自身细胞的生物学研究。上百万死于新冠病毒感染的患者都是被细胞的过度反应杀死的，而这种细胞反应的本意是保护我们免于感染。疫苗的工作原理是将适量的病毒暴露给免疫细胞，使其形成关于病毒的“记忆”，以便在同样的RNA序列进入你的身体时，立即发动免疫细胞将其摧毁，从而阻止病毒试图让感染的细胞倒戈、对宿主发动攻击的行为。因为有新技术的光环傍身，全世界的媒体都在对RNA疫苗的效力大书特书，但我们不应该忘记，真正要感谢的其实是自身的细胞。

在对细胞如何利用基因有了更全面的认识之后，将这种认识应用于治疗包括新冠病毒感染在内的众多疾病可谓势在必行。这会改变所有人（无论是不是科学家）讨论与看待生命的方式。DNA、基因和CRISPR已然成为我们日常用语的一部分，而在接下来的几年里，细胞、胚胎和发育应该也会变成我们的常用词汇，因为它们与我们来自何处、我们是谁及我们将变成什么样息息相关。

我的初衷是分享自己通过多年动物发育研究积攒的对自然界的看法。但在写作本书的过程中，我意识到胚胎发育的方式对完全用基因定义生老病死的主流观念提出了挑战。根据我在自己实验室中的所见所闻，再结合几十年来的基因和细胞实验，我认为细胞不只是构成组织和器官的结构单位，它们也是生命的建筑师和工程师，这一点毋庸置疑。在我们能将这一层现实融入对生命的认识之前，任何围绕人与健康的讨论都无异于镜花水月。