新思文库·海明威的猫：基因是如何运作的

★幽默感爆棚！作者凯特·阿尼是剑桥大学遗传方向的博士、英国癌症研究所成员，也是BBC两档科学节目的主持人，你会看到她像脱口秀一样讲基因。

★脑洞大开、无比欢快！这里没有让人头大的术语，科学家们说的“科学段子”就把基因研究讲得一清二楚。

★基因如何为你编织生命的奇迹？知道你身体中的基因有多奇妙，将让你再一次爱上生活！

★“震惊了！科学家发现肥胖基因”——等一下，别被蒙了！不存在一个“肥胖基因”，也没有“自闭基因”“酗酒基因”……人们对基因的误解实在太多了，听凯特·阿尼给你八一八。

★癌症监测、非DNA遗传、人造生命……不论你是否准备好，基因研究都已经准备好颠覆你的生活，现在是时候去了解它们了！

[英] 凯特·阿尼（Kat
Arney）

科学家、科普作家，也是BBC两档科学节目的主持人。她于2002年获得剑桥大学遗传学方向的博士学位，2004年加入英国癌症研究所，现为自由作家。阿尼致力于科学技术的普及工作，尤其是鼓励女性对于科学的关注和参与。她为《科学》杂志撰稿，还有大量科普作品发表于《连线》《卫报》等主流媒体。她还有一个身份是竖琴演奏家。现居英国伦敦。

序言
碱基决定一切

话要从一张猫的照片说起。有一次，我在伦敦的英国皇家学会（Royal Society）参加一个科学会议。当时，我坐在会场的后排。忽然，一只爪子格外大、样子很可爱的猫吸引了我的视线。“这是一只海明威猫。”演讲者一边说着，一边指着他背后的大屏幕上显示的动物，“这种猫有6 趾，是多指畸形动物。据说，欧内斯特
•海明威喜欢这种猫，直到今天，它们依然生活在佛罗里达州的海明威故居里。再看这里……”他按了一下电脑，换了一张幻灯片，这张幻灯片上尽是畸形人手的照片，“……这些是畸形六指患儿的手。导致这类畸形的是同一种遗传错误。”

这些六趾猫和六指人的照片可能会很自然地让人以为这种畸形是单个基因错误所导致的。然而，事实并非如此。导致这种畸形的实际上是DNA 中的一段错误区域，这个区域发挥着调控开关的功能，在人胚胎或猫胚胎的发育过程中，它通常会在合适的时间、合适的位置开启1 个基因，指导人指或猫趾的形成。此外，从分子层面看，这个调控开关与其所调控的基因相距甚远。了解了海明威猫及其被损害的调控开关，我便思考下面的问题：基因是如何发挥作用的？作为一名科普作家和科学节目主持人，我怎样才能通过我的工作向大众解释基因发挥作用的原理？

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我与现代遗传学的首次真正接触是在我的中学时代，这还得感谢那位令人生畏的迈尔斯副校长。他常常怒气冲冲地穿过学校的走廊，冷冰冰的目光里透着苛刻和不满，他还随意扣留学生。除了担任副校长，他还兼任我们的生物老师。一天，轮到他主持学校的例会。我们老老实实成群结队地走进会议大厅，盘腿坐在地板上，尽量避开他的目光。他穿着黑色学袍走到台上，长袍在身后像个斗篷一样飘动着，他手里紧紧攥着的好像是一本杂志，不过那肯定是某种科学期刊。他站在台上，情绪激动不已，愤愤地朝我们挥动那本杂志，仿佛那是从男士卫生间的水箱后面搜出的一本色情读物。“看看这个吧！”他一边大声地说着，一边拍打着布满了字母A、C、T、G 的一页纸，那些字母好像在无限地交替排列着。“这就像

电话簿一样！全都是字母。字母，字母，字母。”他停顿了一下，喘了口气接着说，“这就是现在的生物学。”

迈尔斯先生当时可能以为ACTG 是一个由4 个字母组成的词。然而近年来，基因领域的术语已经颇为常见。基因就是你的DNA中决定你的眼睛蓝、肚子大或者头发卷的那些成分。报纸上说，基因控制着我们患癌症、心脏病、酗酒及老年痴呆症等疾病的风险。花1000 美元就可以在数日内测出你自己的基因组序列，测序结果会被妥善地存储到一个优盘里交给你。遗传知识有力量拯救我们——有些药物是针对肿瘤中的错误基因进行治疗的，基因治疗领域的一些新近的研究成果能够使盲人重见光明。我们可以在地球上看似无尽的生命变体中追溯显而易见的基因发展轨迹——归根结底，进化只是遗传物质随时间发展的结果。

今天，我们愉快地谈论着“在我们的基因中”的一切，从歌唱天赋到危及生命的癌症都是我们谈论的话题。我的母亲对家族史非常痴迷，认为我或者我的姐妹在性格上的方方面面几乎都能追溯到我们早已作古的祖先那里，他们有可能是虔诚的传教士，也有可能是郁郁寡欢的酒鬼。（这两种性格特质我竟然都具备。谢谢你，妈妈。）科普作家兴致盎然地描述基因组——一个生物体所携带的一套完整的DNA 序列——将其比喻为生命的蓝图，类似于计算机的程序或建筑师的设计图。DNA 的双螺旋结构已经成为一种文化符号，甚至连一些广告也将其用作科学的代名词。虽然遗传学术语已经渗入到公众的意识中，但是真正了解基因及其功能的人却少之又少。

大多数生物学教材把基因定义为特定的DNA“字母”链——即叫作碱基的化学物质——所有的生命体都包含4 种碱基：A（adenine，
腺嘌呤）、C（cytosine，
胞嘧啶）、G（guanine，
鸟嘌呤）和T（thymine，胸腺嘧啶）。这些字母的具体排列顺序编码成为指令，指导身体里的细胞制造出各种各样的分子，这就像不同的食谱指导人做蛋糕、馅饼或者炖菜一样。

不幸的是，我们不能简单地把我们的基因组看成具有生命的张三或者李四。随着技术的发展，科学家们发现了更多隐藏在我们的细胞内部的秘密，基因开始变得深不可测。在你的身体里，几乎每一个细胞中都包裹着2 米多长的DNA 长链，这个长链上布满了成千上万的基因，而这些基因需要在合适的时间、合适的位置被开启或关闭。根据我们现在的了解，基因组可不像一套装订整齐的食谱，而是像一个动态的螺旋状的图书馆，里面有很多生物学读者和作者在忙忙碌碌。书上的内容被不停地复制，不停地修改，有时甚至会被彻底损坏。每一本书上都写满了注释，还有成千上万页的内容看上去简直就是废话。面对这个图书馆的编目系统，即使是世界上至为能干的图书管理员也会感到崩溃。然而，就是在这样的混沌中，我们创造着生命。

起初，当一个幸运的精子进入一个卵子内，基因活动所演绎的复杂的生物芭蕾舞便创造出生命，使我们从一个细胞发育成一个婴儿。复杂的结构由此形成了：弯弯曲曲的血管，布满褶皱的大脑，形似鸟儿的小小骨架。在这个过程中，每一种细胞都发挥了自身的专长。皮肤细胞发展成结实而平整的皮肤，把肉体包裹起来；脑细胞之间通过微小的突触传递脑电波。这一切都是由基因来控制的。然而基因是如何做到这些的？基因究竟是怎样发挥功能的？

为了寻找答案，我以面谈和电话沟通的形式访问了近年来世界各地工作在遗传学前沿的一些研究者。我的访问名单并不是通过某种特别高明的方法来筛选制定的。在这些受访者中，有一些是我以前做科研工作时就认识的，有一些是别人推荐给我的，还有一些是因为他们发表的言论或著作引起了我的兴趣，于是我决定去会一会他们。他们的故事并不会都在这本书中呈现，但每一个与我交谈过的人都以某种方式影响了我的思想。我很感谢他们花时间慷慨地与我分享了他们的学术成果，还陪我喝了咖啡。真是喝了很多咖啡。

除了与每个人谈论他们的研究之外，在每次采访结束时，我都会提出同一个问题：“你觉得什么是怪异的？”科学的历史告诉我们，今日无法解释的怪异现象是明日革命性的突破。在梳理眼前知识的同时，我也想展望一下未来的路径。当我开始提笔写这本书的时候，我以为自己知之甚广。毕竟我花了许多年时间来研究遗传学，在实验室里工作，潜心研究基因转录和翻译的过程。然而，当我开始与这些人交谈，阅读他们的研究成果，继而思考这些内容，我先前的想法就像任性的小猫一样飞身离我而去。出乎意料的是，关于我们的基因，可以确定的内容远远少于许多人预想的数量，而未解之谜的数量则大大超出了许多人的想象。

在此书中，我尝试把我从各处汲取的理念汇集在一起。这绝非一本艰深的遗传学教科书，相反，这本书中充满了故事，讲述你、你的基因以及基因组是如何发挥作用创造出生命的传奇。希望你会喜欢这本书。

下次听到前沿科学家宣布新发现时，你肯定会激动万分——因为你读过了阿尼的这本书。

——《书单》（Booklist）

阿尼用谦逊与探索精神呈现了一个十分吸引人的科学故事……一部有力、欢快、明晰的DNA与遗传学入门书。

——《科克斯评论》（Kirkus Reviews）

专攻基因的科学记者阿尼以一种活泼不羁的笔调，探索了基因的内部运作机制。她的作品既迷人，又令人震惊。

——《出版人周刊》（Publishers Weekly）

在《海明威的猫》中，无论哪一部分都能立刻把你拉进它的故事——这本书能带来充分的阅读愉悦感，而且把复杂的东西变得通俗易懂，有趣而中肯。

——马克•史蒂文森（Mark Stevenson，《乐观者的未来旅行》作者）

细说“垃圾”

在约定好的时间，我打开了我那时好时坏的Skype 通话软件和对方进行网络连接，等待着一个个模糊的像素点逐渐呈现出清晰的画面。终于，我看到了一张严肃的面孔，一个看上去年纪比我大的秃顶男人正戴着一副垂着链子的眼镜充满疑惑地注视着我。我想，他大概会轻轻拍拍屏幕，问问通话连接上了没有。他的口音听上去是中欧地区的，但我难以辨出这口音究竟来自哪个国家。“英语不是我的母语。顺便说一句，我没有母语——我说话口音很重，混着三种语言的口音！”他滔滔不绝地说着。这位是来自休斯敦大学的分子进化生物信息学教授丹•格劳尔（Dan Graur）。关于人类基因组的成分及其是否有用这个话题，他可以给我们讲出许多许多内容。

与他进行通话，我感到诚惶诚恐。丹在自己的博客上大肆地抨击一些人，他称他们是“镀了金的技术员和计算机技师”，就是指那数百个（如果没有数千个的话）在世界各地参与到大规模基因组分析项目的研究人员。他认为一些关于基因组学、垃圾DNA 以及人类基因组秘密的新闻报道浮光掠影，并且毫不掩饰地对这些报道表示批判。DNA 元件百科全书被科学媒体和大众媒体连篇累牍地报道，成了人们热议的话题。

“首先，”他说，“基因组是自然过程的产物，是进化的产物。因此，它并不完美——我该用什么词来形容呢？——它并非没有瑕疵，而且人口的数量是很少的。现在世界上有70 亿人口，这个数量其实是很少的。”丹的意思是，人类的有效人口数量是很少的，这里所说的有效人口是指人类内部能够进行交配繁殖以保持该物种所必需的遗传多样性的个体数量。他耐心地向我解释道，人类人口数量激增是近代才发生的事，是在一些宏大计划的背景下发生的。不仅如此，我们能活在今时今日其实是很幸运的事。有很多证据表明，在过去的历史中，人类不止一次地经历了濒临灭绝的大灾大祸。有一个猜想是，大约在7 万年以前，印度尼西亚的多巴火山喷发了，其破坏力相当于一个核冬天，这场灾难使世界人口大为减少（虽然新的研究对此抱有质疑）。遗传的瓶颈以及在人类风雨飘摇的历史中出现的类似事件显示，能够生存下来进行繁衍的人口并不多。因此，过去的种种劫难在我们基因上留下了不可磨灭的印记。

不论这个火山理论是真是假，一些研究者对现代人类的基因组进行了分析，认为大约在100 万年前，人类的祖先所维系的繁殖人口大约为18500 人，那时人类是濒临灭绝的物种，就像今天的黑猩猩和大猩猩一样。在之后的岁月里，人类内部所保留并遗传下来的DNA 发生的变化相对很少，个别字母或一段序列出现错误也是很罕见的事，因此全世界不同种族的人之间并不存在巨大的遗传变异。虽然表面上看来，这个星球上的人多种多样，但是从基因层面看，我们是如此相似，如此千篇一律。实际上，黑猩猩的遗传变异要比人类多1 倍，小线虫的基因组多样性比人类多150 倍。人类遗传变异的匮乏以及我们所揣测的几近灭绝的经历意味着进化影响人类基因优胜劣汰的可能性相对很小。

“进化是一个非常缓慢的过程。它既不高效，也不是瞬间发生的，因此一些不好的部分或者不重要的部分可以累积下来，”丹说，“我现在生活在美国，因此我先想到的一个比喻是车库。车库里面堆满了垃圾，但它却仍旧能发挥作用。只有那些卖车的地方才有漂亮整洁的车库，里面的一切都摆放得井然有序。”如果你也和我一样是个邋遢的人，你不会愿意承认在桌子上堆放的、在厨房的抽屉里乱塞的，或者在车库里面乱堆的那些杂物并非什么精挑细选的宝贝，它们只是些无用的垃圾。类似地，一些人也不愿意相信我们人类的基因组并非样样齐备、排列整齐的DNA 样本间。然而我们也很难说人类基因组中的垃圾全部都是必需的，因为河豚——日本人用它来制作一道有毒的菜肴，这道菜也饱受争议——这种动物的基因数和人类的基因数差不多，而它的DNA 数量只是人类的1/8，但这个物种仍然好好地生存着。与大多数生物的基因组相比，河豚的基因组小得惊人，然而没有人知道这究竟是为什么。

与许多生物相比，人类的繁殖所需时间较长，这或许能够解释人类基因组中为何携带着这么多遗传垃圾。例如，果蝇从出生、交配到死亡只有短短几个星期的时间。这种快速的生命流动就好像不幸的租房客，每隔几个月就得搬一次家：它有强烈的动机要尽量扔掉各种不必要的垃圾。相比之下，由于人类的有效人口规模很小，而且繁殖周期长，我们的基因组更像是一栋长期居住的房子，里面塞满了数十年累积下来的垃圾。

就像一个邋遢的人盯着囤积强迫症真人秀节目沾沾自喜，我们并非生物界*能囤积的生物。例如，洋葱的DNA 比人类多5 倍。而且，丹告诉我们，这还不是*多的，“目前发现的*大的基因组来自一种叫作衣笠草（又称‘重楼百合’）的笨花。它的DNA 大约比人类多100 倍。”“可是人类想要觉得自己是特别的啊，”我愤愤不平地说，“难道我没什么特别之处，跟一颗洋葱是一样的？”他不屑地对我翻了个白眼，“你要么把人类想象成造物的顶点——一切都是有用的，那些DNA 比我们多的生物有垃圾DNA，而人类没有；要么就把人类看成是一种普通的生物，也有垃圾DNA，和其他生物没什么两样。”

他举了德国天文学家约翰尼斯•开普勒（Johannes Kepler）的例子，开普勒促使这个世界相信地球是围绕着太阳转的，而不是太阳绕着地球转。“每当人类被拉下宇宙中心的位置时，人们总是反驳。让我们面对现实吧，我们并没什么特别之处。有人说，‘噢，恐龙都灭绝了，人类却还存活着！’事实上，恐龙统治了地球数百万年，人类只存在了大约10 万年，所以我们还是谦虚点儿吧，你说是不是？进化才不在乎人类能写书或者上大学呢。”

这令人感到很没面子，不过他说得对。坦白地说，进化只在乎你被繁殖出来，你在进化过程中能繁殖多少后代。“这是进化唯—在乎的事，”他也同意这个观点，“如果你用更客观的眼光看待这个世界，你会发现，人类是微不足道的。蚂蚁的数量比人多。从物种的角度看，当然是甲虫居上。”他引用了伟大的遗传学家J.B.S. 霍尔丹（J.B.S.Haldane）的话，“如果能从创世论中了解到造物主的喜好，就会发现上帝似乎对甲虫特别偏爱。”

有拇指的猫

都是鲍勃•希尔（Bob Hill）害得我写这本书。有一次，他在英国皇家学会的会议上发表关于基因调控的演讲，当他展示海明威的六趾猫的照片时，我萌生了写这本书的想法。两年以后，我冒着冬日的严寒，坐上一辆哐哐作响、颠簸不停的出租车，穿过爱丁堡那鹅卵石铺就的街道，终于见到了一位与猫有关的人。

“如果你去美国北部，沿着东部沿海地区向北朝着新斯科舍方向走，你会发现，在这个地区，大约有10% 至15% 的猫都有六趾。”鲍勃一边对我说，一边往我面前的这个加了好几勺速溶咖啡的大杯子里倒热水。然后，他靠在椅子上，透过眼镜和善地看着我。我突然觉得自己不像是来采访一位遗传学教授，而是像一个小孩子等着听故事。我把手指环绕在杯子上，想借杯中的温度来温暖被冻僵的骨头。“18 世纪是航海大发展的时代，船长们喜欢在船上养猫。他们尤其喜欢养六趾猫，因为他们认为六趾猫更会捉老鼠。我在YouTube 上看到过一个视频，里面有一只六趾猫，它的第六趾几乎就像大拇指一样灵活。所以六趾猫也许更会捉老鼠吧。另一个原因显而易见，它们不容易从船上滑落下去，这或许是因为它们多了一趾，因此能够抓住东西吧。”

对于他所说的这些猫的“超能力”，我心存疑惑地皱了皱鼻子。说猫在被甩向船外的那一刹那能抓住飞过来的绳子，这样的说法我觉得有些不合理。

 “嗯，”他也承认道，“水手真的很迷信。我想，他们可能是把猫当成了幸运符。”

故事是这样的：据说，一位老船长送给欧内斯特•海明威一只六趾猫，名叫白雪或雪球。这只猫是否擅于捉老鼠或者当水手，我们不得而知，但是今天，它的一群后代——其中许多都是六趾猫——游荡在海明威在西锁岛的故居里，那个岛是佛罗里达群岛南端的一个岛屿。这群猫对于游客的吸引力不亚于这所名人故居本身。

当你看到这些长着大爪子的多趾畸形动物，或者看到多指（趾）的人，比如鲍勃的办公室墙上挂着的多指（趾）儿童照片，你的直观感受会认为这种现象是源于基因中的一个错误。但是并没有哪个基因是具体负责长出手指或脚趾的。因此这不是基因的问题，而是一个基因的调控开关出了问题，这个基因叫作“音速刺猬”（Sonic Hegehog）。是的，它是以电子游戏《音速刺猬索尼克》中的角色来命名的。

这还得从1980 年说起。那一年，两位德国科学家詹妮•纽斯兰- 沃哈德（Janni Nüsslein-Volhard）
和艾瑞克• 维绍斯（Eric
Wieschaus）发现，带有某种基因错误的果蝇幼虫长得格外短粗，而且多毛。在对果蝇进行遗传学研究的过程中，科研人员根据这种不幸的昆虫的外形给这种基因取了名字：刺猬。到了20 世纪90 年代初，研究人员在哺乳动物中发现了3 种刺猬基因。前两种的名字都取得比较合理：沙漠刺猬（Desert Hedgehog）和印度刺猬（Indian Hedgehog）。但第三种的名字是由鲍勃•瑞德勒（Bob Riddle）取的，鲍勃是这种基因的发现者之一，当时他在女儿读的连环画册里看到了世嘉株式会社出品的游戏形象——蓝色刺猬。虽然学界对于将一个基因命名为音速刺猬这件事颇有微词，认为这有点儿幼稚，但这个名字还是流传了下来。……