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伊甸园之河

黄中大吕
2010-01-19 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《伊甸园之河pdf》,可适用于高等教育领域

内容报要《伊甸园之河》为美国约翰·布罗克曼公司组织世界著名科学家分别撰写并于年开始推出的一套反映世纪之文科学前沿问题的《科学大师佳作系列》丛书之一。全世界有多个国家和地区共同推出这套丛书的各种文本。本书是一本以现代生物学观点来解释生命进化过程的科普书。作者将生命的进化过程比作一条基因之河基因在时间长河中相互碰撞、混合、重组。本书文字通俗易懂作者在阐述自己观点的同时还穿插解答了一些有趣的问题读来饶有趣味。责任编辑李维靖张跃进谨以此书纪念亨利·道金斯(~)牛津大学圣约翰学院教授一位明断事理的大师《科学大师佳作系列》中文版序人类正在迎接世纪之交。即将消逝的世纪科学技术又有了过去无法比拟的巨大发展与进步。科学上的重大发现与技术发明、创造相互交替影响与促进使人们对客观世界的认识更深入、更丰富多采了。以“宇宙演化”这一课题为例《科学美国人》杂志年月号以“宇宙中的生命”为题的专刊登载了詹姆士·皮博(PJamesEPeebles)等位科学家的综述文章介绍了近年来对宇宙起源的演化问题的研究成果大爆炸标准模型。按照这一理论宇宙是在大约亿年以前从炽热而且稠密的物质与能量“大爆炸”而形成随着它急骤膨胀、冷却逐渐衍生成众多的星系、星体、行星直至出现生命。人类生活于其中的太阳系约在亿年前才开始出现。这篇文章指出研究宇宙学问题的还有哲学家、神学家、神秘主义者然而与他们不同的是科学家们只接受经过实验或观测检验过的事实。文章还指出“我们对宇宙起源与演化的认识是世纪科学研究的重大成就之一这正是基于几十年的创新实验与理论研究的结果。用地面和发射到空间的现代望远镜可探测到远在数十亿光年之外的星系发出的光它告诉我们宇宙年青时是何种模样。用粒子加速器可探索宇宙演化初期其高能环境的基础物理学。用人造卫星可探测到宇宙旱期膨胀后留下的本底射线使我们在能观察到的宇宙最大尺度范围内勾画出它的大致图象。”当然由于观察和实验受到条件和能力的局限正如过去许多理论认识仅是客观真实的一种近似那样也还有许多问题尚不能由这一理论作出回答需要科学家们继续努力进行创新研究并通过更多的观察、实验来解决。江泽民同志近年来多次指出各级领导干部要努力学习与掌握现代科学技术知识。年月中共中央、国务院发出了《关于加强科学技术普及工作的若干意见》要求从科学知识、科学方法和科学思想的教育普及个方面推进科普工作。问题是:当代科学之发展如此迅速其前沿领域又如此艰深究竟能不能凭借通俗的语言使广大干部和社会公众对当代科学成就取得比较中肯的了解?这很不容易但回答仍是肯定的。已故美国科普泰斗艾萨克·阿西莫夫(IsaacAsimov)曾经说过:“只要科学家担负起交流的责任对于自己干的那一行尽可能简明并尽可能多地加以解释而非科学家也乐于洗耳恭听那么两者之间的鸿沟便有可能消除。要能满意地欣赏一门科学的进展并不非得对科学有透彻的了解。归根到底没有人认为要欣赏莎士比亚自己就必须能写出一部伟大的文学作品。要欣赏贝多芬的交响乐也并不要求听者能作出一部同等的交响乐。同样地要欣赏或享受科学的成就也不一定非得躬身于创造性的科学活动。”这番话很有道理。而美国布罗克曼公司组织编写的《科学大师佳作系列》(ScienceMastersseries)则堪称贯彻这一宗旨的上乘之作。该系列的作者们既是当代科学前沿研究领域中享有盛誉的专家又是成绩卓然的科普作家。他们的这些作品内涵丰富深入浅出水准确实是很高的。同时该系列的选题布局也很有特色:既有选择地抓住了当前科学发展的若干热点或焦点又从整体上兼顾了学科覆盖面。这从该系列第一辑本书和第二辑本书的选题即可见一斑。《科学大师佳作系列》是世界科普出版界的一项盛举:它将在全球范围内的十几个国家中以二十几种语言出版。上海科学技术出版社与布罗克曼公司签约取得了出版中译本的版权。为确保中译本早日问世出版社邀请了余位专家、学者组成中文版编译委员会决定每拿到一本英语原著打字稿即着手组织本学科领域中既有学术专长又有著译和科普写作经验的学者翻译。经过编译委员会诸同仁和全体译、校、编者的共同努力《科学大师佳作系列》中译本中首先推出的本已呈献于读者面前即《宇宙的起源》、《宇宙的最后三分钟》和《人类的起源》。这本书也正好是我前面举例讲到的介绍“宇宙的起源与演化”课题的精辟之作。作为中文版编译委员会的主任我对此委实是不胜欣喜的。该系列的作者之一、哲学家丹尼尔·丹尼特说过:“我将这项计划(按:即出版《科学大师佳作系列》)视为向这个世界撤下了一张网它捕获的将是我们这颗行星的下一代思想家和科学家。”但愿果真如此。与此同时我也衷心地企盼我国的科学家、科普作家、出版家们能并肩奋斗不懈努力写作和出版一批足以雄视世界科普之林的传世佳作为我国科学事业的长足进步作出更大的贡献。谨序如斯愿与读者共勉。朱光亚年月日于北京前言大自然看上去是个通俗的名字。在它的名下数十亿数十亿数十亿粒子数百万数百万数百万次玩着它们的无尽的游戏。皮特·海因(PietHein)皮特·海因的这首短诗记述了传统的早期物理世界。但是当跳跃的原子小球偶然撞到一起时组成了一种具有某种单纯特性的物体重大的事件在宇宙中发生了。这种单纯的特性是指这种物体的自我复制能力即:这些物体能够利用周围的物质把自己再一模一样地“拷贝”出来在这个过程中偶尔也会出现有某些小缺点的“复制品”。在这次发生于宇宙某处的独一无二的事件之后随之而来的便是“达尔文的自然选择”于是在我们这个星球上出现了一幕奇特华丽的表演我们把它称为“生命”。如此众多的事实被如此少量的假设所解释这种情形从未有过。达尔文学说不仅仅掌握了绰绰有余的解释能力。生命自我复制所遵循的法理简洁有力具有诗一般的美感。这种美感甚至超越了最使人难以忘怀的关于世界起源的神话。我写这本书的目的之一就是要对达尔文生命论的鼓舞力给予充分的承认。线粒体夏娃比神话传说中的夏娃更富有诗意。生命的特征用大卫·休漠(DavidHurne)的话来说“最使曾经充满期望的人们着迷般地赞赏它”的是由一些元件组成的、能够完成某种明确意向的结构。达尔文称这种结构为“极端完善和复杂的器官”。地球生命的另一个特征也给我们留下深刻的印象那就是它们丰富的多样性。就估计的物种数量而言创造生命的方式就有几千万种。我写此书的另一目的就是让读者理解所谓“创造生命的方式”这种说法与“向后世传递DNA编码文本的方式”是同义语。我所说的“河”是DNA之河它流经地质时代并出现分流那陡峭的河岸控制着每个物种的遗传游戏。“DNA之河”的比喻是一种有效的解释问题的方法它有令人惊异的说服力。从某种意义上来说我所写的书都致力于阐述和探索具有无限威力的达尔文进化论原理。只要有足够的时间让原始的自我复制的结果呈现出来达尔文主义的威力随时随地都会释放出来。《伊甸园之河》继续执行这一使命并从宇宙的高度讲述简单的原子撞击游戏中发生复制现象之后接着发生的故事。在本书的写作过程中我有幸得到各方面人士的支持、鼓励和建议以及建设性的批评他们是:迈克尔·伯基特(MichaeIBirkett)、约翰·布罗克曼(JohnBrockman)、史蒂夫·戴维斯(SteveDavies)、丹尼尔·丹尼特(DanieIDennett)、约翰·克雷布斯(JohnKrebs)、萨拉·利平科特(SaraLippincott)、杰里·菜昂斯(JerryLyons)。特别是我的妻子拉拉·沃尔德(LallaWard)。本书中有一些段落曾在别处发表过在这里引用时又做了加工。第一章中关于数字计算机和模拟计算机代码的那些叙述摘自我发表于《观察家》(TheSpectatOr年月日)的一篇文章。第三章中记述了丹·尼尔森(DanNilsson)和苏珊娜·佩尔格(SusannePelger)关于眼睛进化的研究部分取材于我撰写的“新闻与展望”《自然》杂志(Maiure)年月日一文。我要感谢这两本刊物的编者允许我引用上述文章。最后谨对约翰·布罗克曼和安东尼·奇塔姆(AnthonyCheetham)邀请我参与《科学大师佳作系列》丛书的写作致以谢忱。年于牛津第一章数字之河任何民族都有关于他们部落列祖列宗的英雄传说。这些传说往往形成他们的宗教崇拜。人们敬畏甚至崇拜自己的祖先因为正是他们的祖先而不是那些超自然的神灵掌握着揭示生命奥秘的钥匙。生命诞生后大多数在长成之前就死了能达到成年并繁殖后代的只是少数能够繁殖千代的更是极少数。这少数中的极少数是元祖中的精华他们才是以后世世代代后人的真正祖先。祖先虽少后代众多。现今所有活着的生物体包括每一种动物和植物所有的细菌和真菌各种爬行类动物还有本书的读者都能回顾自己的祖先并骄傲地宣称:在我们的祖先中没有一个是幼年夭折的。他们都活到了成年每位找到了至少一个异性伙伴并交配成功。我们的祖先没有一个在有了至少一个孩子之前就死于敌手或死于病毒侵染或死于失足坠崖。我们祖先成千上万的同龄人有很多就是由于这些原因而不幸陨命。然而我们的每个祖先都逃脱了这种厄运。上面的陈述是再明白不过的了然而还远不止这样一些事情。还有很多事既难以理解又出人意料或者既清楚明了又让人惊异。所有这些都是本书将要讨论的内容。所有生物体的基因都是从它们祖先那里继承的而不是从列祖列宗那些失败的同代人那里遗传的。因此所有的生物都有一种倾向那就是拥有成功的基因。它们具备能够使它们自己成为祖先的那些东西即生存能力和繁殖能力。这就是为什么生物都自然地会继承这样的基因这些基因倾向于建造一个设计良好的机器一个积极工作的机体仿佛是在努力使自己成为一个祖先。这也正是为什么鸟儿那么善于飞翔鱼儿那么善于游水猴子那么善于攀缘而病毒又是那么善于传播。这也正是为什么我们热爱生命热爱性事热爱孩子。这是因为我们所有的人无一例外地从延绵不断的成功祖先们那里继承了我们全部的基因。这个世界到处都有生物而这些生物都具有那些能够使它们成为祖宗的东西。一句话这就是达尔文的进化论。当然达尔文的进化论远不止这些而且现在我们能说的就更多这也就是为什么我们读的这本书没有到此止笔的原因。这里很自然会出现对上面这段话的误解这是极有害的。它会使人认为由于祖先们做了成功的事情便产生了一种结果:它们传给它们孩子的基因比它们从上一代那里继承的基因有了提高。有关它们成功的某种东西留在了基因中这正是它们的后代所以善飞翔、善游水和善于求爱的原因。错了大错特错了!基因不会在使用过程中得到改善除非出现非常少见的偶然错误它们只是被按原样传下去。并非成功产生了好的基因是好的基因创造了成功。任何个体在它一生中所做的一切都不会对基因产生任何影响。那些生下来就具有好基因的个体最有可能成长为成功的祖先因此与不良基因相比好的基因更有可能传至后世。每一代就是一个过滤器、一个筛网:好的基因能够穿过筛网到达下一世代不良基因则由于个体幼年夭折或者没有后代而终止。或许不良基因有幸与好的基因同在一个身体之①严格地讲例外的情况是存在的。有些动物比如蚜虫是无性繁殖。现在采用人工授精之类的技术人类不经交媾就可以有孩子甚至鉴于体外繁殖的卵子可以从女性胎儿体内取得人类不等发育成熟即可生育。但就论题而言我的观点的说服力并未减弱原注内它们也可能通过一两代的筛选。然而要一个接着一个地通过个筛网就不仅是要有运气了。通过个世代的逐次筛选之后那些让生物体能经受筛选的基因很可能就是好基因了。我曾说过那些经历一个接一个世代存活下来的基因应该是曾成功地产生了祖先的基因。这话不错然而也有明显的例外需要在这里加以说明以免造成误解。有些个体从本能上就不会生育但它们似乎生来就是为了帮助把它们的基因传给下一代。工蚁、工蜂、白蚁中的工白蚁和黄蜂中的工黄蜂都是不能生育的。它们辛勤劳动不是为了成为祖先而是为了使它们有繁殖能力的亲属(通常是它们的姐妹和兄弟)成为祖先。这里有两点需要弄明白。第一在任何一种动物中姐妹兄弟共有相同基因的概率是很高的第二是外部环境而不是基因决定了一只白蚁是变成能生殖的白蚁还是变成不能生殖的工白蚁。所有的白蚁都带有这样一些基因它们在某些环境条件下能使白蚁成为不能生殖的工白蚁而在另外一些条件下变为有生殖力的白蚁。能生殖的白蚁把一些基因一代代传下去这些基因能使得工白蚁帮助它们繁殖后代。工白蚁在基因的作用下辛勤工作而这些基因的副本则存在于会生殖的白蚁体内。工白蚁这些基因拷贝竭尽全力帮助有生殖力的拷贝通过世世代代的筛选。工白蚁既可能是雄性的又可能是雌性的但在蚂蚁、蜜蜂和黄蜂中做工的都是雌性。除此之外原理上都是相同的。从广义上说这种情况也表现在若干种鸟类、哺乳动物和其他动物中它们中的兄长或姐姐在一定程度上抚育弟弟或妹妹。总而言之基因取得穿过筛网的通行证不仅靠那些自身将要成为祖先的个体而且也靠着那些有亲属将成为祖先的个体的助力。本书标题所说的河指的是一条DNA之河它是在时间中流淌而不是在空间流淌。它是一条信息之河而不是骨肉之河。在这条河中流淌的是用于建造躯体的抽象指令而不是实在的躯体本身这些信息通过一个个躯体并对其施加影响然而信息在通过这些躯体的过程中却不受躯体的影响。这条河流经一连串的躯体不仅不会受这些躯体的经历与成就的影响而且也不受一个潜在的、从表面上看更具威力的“污染源”的影响那就是:性。在你的每一个细胞中都有一半基因来自你母亲另一半基因来自你父亲这两部分基因肩并肩地相依相伴。来自你母亲的基因与来自你父亲的基因最紧密地结合在一起创造了你他们的基因的不可分割的精妙混合体。但是来自双亲的基因本身并不融合仅仅是发挥它们各自的作用基因本身都具有坚实的完整性。进入下一代的时刻到来了一个基因或者进入这个孩子的体内或者不参与这样的行动。父亲的基因不会与母亲的基因混合它们独立地完成重组。你身体内的一个基因或者来自你的母亲或者来自你的父亲。这个基因来自你的位祖辈之一而且仅仅来自他们中的某一位进一步推论这个基因来自你的位曾祖辈之一而且仅仅来自他们之中的某一位。依此规律可以追溯到更远的世代。我们谈到了一条基因之河但是同样我们可以说它们是通过地质年代行进的一队好伙伴。从长远的观点来看繁殖种群的所有基因互相都是伙伴。从短期来说这些基因存在于个体之内而且与同享一个躯体的其他基因成为“临时的”比较密切的伙伴。只有基因善于组建个体而这些个体又能在该物种所选择的特定生活方式下很好地生存和繁殖这些基因才能代代相传。为了能很好地活下去一个基因必须与同一物种(同一条河中)的其他基因良好合作。为了能长久地生存下去一个基因必须是一个好伙伴。这个基因作为同一河流中其他基因的伴侣或者在其他基因的背景下它必须做得很好。其他物种的基因是在另外的河流之中。不同物种的基因不会在同一个体中共存因此从某种意义上来说它们不必相处得很好。作为一个物种其特征是:任何一个物种的所有成员流过的基因之河都是相同的而同一物种的所有基因都必须做好准备相互成为良好的伙伴。当一个现有物种一分为二的时候一个新的物种就诞生了。基因之河总是适时分出支流。从基因的角度来说物种形成(即新物种的起源)便是“永别”。经历一个短期的不完全的分离之后这支流与主流不是永远分道扬镣就是其中之一或双方都趋向干涸、消失。两条河在各自的河道之内是“安全”的通过性的重组河水互相混合、再混合。但是一河之水永远不会漫过自己的河岸去污染另一条河流。一个物种分裂为两个物种之后两套基因就不再互为伙伴了。它们不会再在同一个躯体中相遇因此也就无从要求它们和睦相处。它们之间不再有任何交往。这里所说“交往”的字义是指两套基因各自的暂时载体个体之间的性交。为什么会发生物种分裂?是什么因素导致两套基因的永别?又是什么原因使得一条河流分成两条支流并且互相疏远以至永不汇合?尽管在细节上尚有争论但没有人怀疑这一观点即最主要的原因是由于偶然发生的地理上的分离。虽然基因之河是在时间中流淌然而基因的重新配对却是发生在实在的个体之内而这些个体都在空间中占有一定位置。如果北美灰松鼠与英国灰松鼠相遇它们是有可能交配并繁殖的。但是它们不大可能相遇。北美灰松鼠的基因之河与英国灰松鼠的基因之河实际上被公里宽的海洋隔开了。尽管人们认为一旦有机会这两支基因队伍仍然能够成为好伙伴但事实上它们已经不再互为伙伴了。它们已经互道珍重当然这还不是一次不可逆转的永别。但是如果照这样再分离数千年这两条河就会漂离得非常远以至如果这两种灰松鼠相遇的话它们将不能再交换基因了。这里的“漂离”两字说的不是空间上的分离而是指它们已不能相容。类似这样的事情肯定也发生在以前灰松鼠和红松鼠分离之后。这两种松鼠已经不能杂交了。虽然在欧洲的有些地区它们同时存在而且经常相遇还在一起争夺坚果它们已不能再交配产生具有繁殖能力的后代了。这两种松鼠的基因之河流得相距太远了以致它们的基因在同一躯体中已不再能够互相合作了。许许多多世代以前灰松鼠的祖先与红松鼠的祖先原本是相同的个体。但是后来它们在地理上被分隔开了把它们分开的或许是山或许是水而最终是大西洋。于是灰松鼠的一套基因与红松鼠的一套基因分道而行。地理上的隔离导致它们在生育上缺乏适应性。好伴侣变成了坏伴侣。或者如果做一个让它们交配的试验它们将表现出不是好伙伴。坏伙伴会越变越坏直至现在它们干脆就不再互为伴侣了。它们之间的分离是永别两条基因之河分开了而且注定越离越远。在很久很久以前我们人类祖先和大象祖先之间也曾发生过同样的事情。或者鸵鸟的祖先(它也是人类的祖先之一)和蝎子祖先之间也发生过这种事情。现在DNA之河或许已经有了近万条支流。所以这样说是因为据估计现在地球上大约存在着这么多个物种。而且还有一种估计现存物种的总数只不过是地球上曾经存在的物种总数的由此可以得出地球上总共曾经存在过亿条DNA河的支流。今日的万条支流之间已经发生了不可逆转的分离。它们中的大多数将最终消失得无影无踪因为大多数物种终将消亡。如果你沿着这万条河流(为了简洁明了起见我用“河流”这个词代替“河流的支流”)溯本求源就会发现它们都曾一个接一个地与其他河流互相汇合。大约在万年前人类的基因之河与黑猩猩的基因之河是合在一起的而几乎在同时大猩猩的基因之河与黑猩猩基因之河也是合在一起的。再倒退数百万年我们所加入的非洲古猿基因之河与猩猩基因之河合流。在比这更早的年代我们祖先的基因之河是与长臂猿的基因之河同流的(而长臂猿的基因之河顺流向下分裂出几个不同种的长臂猿与合趾猿)。如果我们在时间坐标上再奋力回溯曾与我们的基因之河合流的一些河流在向前流淌的过程中又分出许多支流:欧洲猴、美洲猴以及马达加斯加狐猴等等。在更久远的过去我们人类的基因之河曾经与另外一些基因之河合流一些主要的哺乳动物种群如啮齿动物、猫、蝙幅、大象等就是后来从那些基因之河分裂出来的。再往前我们又见到另外一些基因之河各种爬行动物、鸟类、两栖动物、鱼类、无脊椎动物分别是从这些河流分裂出来的。在关于基因之河的比喻中我们必须对一个重要方面加以注意。当我们想到所有哺乳动物的源头支流(而不是说细分至出现灰松鼠的小支流)时头脑中便浮现出密西西比河和它的支流密苏里河这样宏伟的图象。归根结底哺乳动物分支是在不断地分支再分支直至产生了所有的哺乳动物从倭鼩鼱到大象从掘穴而居的鼹鼠到高踞枝头的猴子等等。人们会这样想:哺乳动物的源流必定是一条滚滚向前的巨大洪流不然它怎能注满它的千万条重要支流呢?然而这种联想却是大错特错了。所有现代哺乳动物的祖先从非哺乳动物分离出来这与任何其他物种的形成相比并不显得“声势浩大”。如果当时恰巧有一位博物学家光临这个过程甚至不会引起他的注意。基因之河的新支流就像一条小溪栖居育着夜间活动的小生灵。这些小生灵与它们的非哺乳动物亲戚之间的差异极小就像红松鼠与灰松鼠之间的那种关系。只是到了后来我们才把哺乳动物的祖先当做哺乳动物看待。在最初时它们不过是另一种貌似哺乳类的爬行动物与其他十来种有口鼻部的小动物并无显著差别都是恐龙的一小口美食。所有大的动物类群比如脊椎动物、软体动物、甲壳纲动物、昆虫、环节动物、扁虫以及水母等等在早期它们的祖先分手的时候同样也没有什么戏剧性。当软体动物(以及其他动物)始祖的基因之河与脊推动物(以及其他动物)始祖的基因之河刚刚分离的时候这两群生物(可能类似蠕虫)非常相像以至它们之间还可以交配。它们仅仅是由于偶然地被地理上的障碍所分离才未能相遇和交配。比如也许是干旱陆地把原来的统一水体隔开了。没有人能猜到其中一个群体注定会生出软体动物而另一个群体注定会生出脊椎动物。这两条DNA之河不过是刚刚勉强分开的小溪这两种动物类群还很难区分开。动物学家们对这些都是很明白的但是每当他们认真注视巨大的动物类群(比如软体动物和脊椎动物)时他们就往往忘了这些而被诱入迷津认为主要类群间的分离才是重要的事件。动物学家们之所以会误入歧途是因为他们已经被教会了一种几近虔诚的信条:动物界每一个大的分界都有某种极独特的标志德文称之为“Bauplan”(生物蓝图)。尽管这个词不过是“蓝图”的意思然而它已经成为被认可的术语了。尽管在新版《牛津英语大辞典》中还没有这个词(我对此略感震惊)我总要为它找到一个对应的词。从技术意义上说Bauplan常常被翻译为“身体的基本设计”。使用“基本”这个词招致危害它会导致动物学家们犯严重的错误。举例来说一位动物学家曾经提出在寒武纪(大约亿年至亿年前)进化过程一定与晚些时候的进化过程完全不同。他的推理是这样的:现在出现的是新物种而在寒武纪时期出现的是新的类(如软体动物和甲壳纲动物)。谬误是显然的!即使是像软体动物和甲壳纲动物这样根本不同的生物原本也是同一物种仅仅由于地理上的原因被分隔开来。在刚刚分开的最初一段时间里如果它们能相遇的话还可以互相交配并繁殖后代但是它们没能相遇。在分别经过数百万年计的进化过程之后它们各自获得了现有的特征。现代动物学家事后根据这些特征把它们分别称为软体动物和甲壳纲动物。这些特征被称为“生物蓝图”。但是动物界主要的生物蓝图是从共同的源头分岔后逐渐进化而来的。在对究竟是如何渐变或如何突变的看法上显然存在着小小的差异。虽然大家发表的意见很多但差异并非特别大。还没有人(我的意思是没有一个人)认为进化会快到一步就产生出一个全新的生物蓝图。我所说的这个作者的文章发表于年。今天极少有动物学家明确地接受他的主张但他们有时会含蓄地表露出来好像动物的主要类群不是因偶然的地理上的隔离从一个祖先群体分离而成而是自己冒出来的而且一下子就完全形成了就像雅典娜从宙斯的脑袋里钻出来一样。分子生物学的研究表明在任何情况下大动物类群之间的接近程度比我们通常想象的要大得多。你可以把遗传密码看作是一本词典。在这本词典里要把一种语言的个单词(个字母中取个共种可能的三联体)标绘到另一种语言的个单词(种氨基酸加个标点符号)上。两次:的排列完全相同的可能性极小只有万亿亿亿分之一。然而事实上所有迄今为止我们所见到的动物、植物和细菌它们的遗传密码完全一样。地球上一切有生命的东西肯定都是一个祖先的后裔。没有人对此提出质疑。以昆虫和脊椎动物为例人们在研究中发现不仅它们的遗传密码本身甚至遗传信息的排序也惊人地相似。一个相当复杂的遗传机制决定了昆虫的体节的分化而在哺乳动物中也发现了不可思议的相似遗传机制。从分子角度来说所有的动物互相之间都有相当近的亲缘关系甚至植物也一样。你不得不到细菌中去寻找我们的远亲。即使如此细菌的遗传密码同我们的也一样。为什么能对遗传密码做如此精确的计算而对解剖图作同样的精细研究就不可能?原因就在于遗传密码是严格数字化的而数字是可以精确计算的。基因之河是一条数字之河下面我必须对这个工程术语详加解释。工程师们给出了数码和模拟信号之间的重大区别。留声机、录音机直到前不久还在使用的大多数电话机都是使用模拟信号。激光唱机、计算机以及大多数现代电话系统都使用数码。在模拟电话系统中由声音引起的空气压力的连续波动被转换成电话线中相应的电压波动。唱机的工作原理与此相似:唱片转动时它的波状纹道引起唱针的振动唱针的振动又被转换为相应的电压波动。在电话线的另一端受话方电话耳机里金属薄膜在变化电流的作用下发生振动于是受话者便能听到声音了。同样变化的电流通过唱机的扬声器便把唱片上记录的音乐放送出来了。这种“密码”既简单又直接:电线中电流的波动与空气压力的波动成比例。所有可能的电压只要是在一定限度之内都能通过电线传输电压之间的差异是重要的。在数字电话中通过导线的只有个可能的电压或者若干个可能的离散电压值例如个或个。信息并非蕴含于电压本身而是包含在离散电平的图形中。这叫做脉冲编码调制。在任一时刻实际电压很少能精确地等于的整数倍(称为标称值)但是接收装置将抹去零头使它达到最接近的指定电压这样即使传输情况很差在导线的另一端信号仍然几近完美。你所要做的事是使这些离散电平相差足够大从而接收装置不致把随机波动“翻译”为错误的电平。这是数字编码的一个重大特征这也正是为什么声象系统以及其他信息技术日益走向数字化的原因。当然计算机早已在它们做的每一件事情中采用了数码。为了方便起见我们采用二进制码它只有两个电平而不是个或者个电平。即使是在数字电话中进入送话器的声音以及耳机发出的声音仍然是空气压力的一种模拟式的波动。从交换机到交换机之间传送的都是数字信息。人们要建立某种代码以便把模拟值一微秒一微秒地“翻译”成离散脉冲系列即由数码表示的数值。当你在电话里恳求你的情人时音调的每一细微差异每一次哽咽动情的叹息渴望的音色都仅仅是由数码这一种形式通过导线传送过去的。你会被数码感动得热泪盈眶但有一个先决条件就是那些感人的声音被以足够快的速度编码和译码。现代电话交换机运行速度极快可以把线路时间分成若干份这就像一位象棋大师能够同时与人车轮大战那样。采用这种方法数以千计的对话可以同时在一条电话线路上进行这些对话表面上是同时进行的但在电子学上是分开单独进行的互相之间没有干扰。一条数据干线就是一条数字的大河。今天许多数据线路已不再是导线了而是无线电波的波束可以从这个山顶直接发送到那一个山顶或者由卫星进行转发。这是成千条数字之河它们仅在表面上分享同一河道全靠聪颖的时间分配技术才得以实现就像红松鼠和灰松鼠虽然生活在同一棵树上但是它们的基因却从未混合过。让我们再回到工程师的世界里来。模拟信号只要不被反复地复制它的缺陷倒也无碍大事。录音磁带可能有嘶嘶声但它很小除非将声音放得很大否则你也许不会注意到这嘶嘶声。然而在你将音乐放大的同时嘶嘶声也被放大还带进了新的噪声。但是如果你将磁带复录复录后再复录一次又一次地复录下去经过次的复录之后磁带上留下的将只有可怕的嘶嘶声。在全模拟电话时代这种现象就成了问题。任何电话信号经过很长的一段电话线之后都会衰减因此必须将它们“提升”即加以放大比如每公里就要放大一次。在模拟信号时代这是一件令人头疼的事因为每一级放大都会增加背景的嘶嘶声。数字信号也需要放大但是由于我们已经知道的原因这种放大过程不会引入任何“误差”:不论需要经过多少次放大我们都可以借助一定的装置使信号得到改善完美地走向下一程。即使数字信号旅行成千上万公里嘶嘶声也不会变大。在我小时候母亲对我说神经细胞就是人体内的电话线。然而它们是模拟的还是数字的?回答是:它们是这两者有趣的混合体。一个神经细胞可不像一段导线。它是一条细长的管子一种“化学变化波”从中经过就像炸药包的引线在地上咝咝作响地燃烧着。然而又不像引线神经细胞能够很快地恢复在经过短暂的休息之后神经又能“咝咝作响”了。波的幅度(像引线的温度)在波沿神经传播时会有变化但这没有任何影响。代码不关心幅度的涨落。有化学脉冲和无化学脉冲这就像数字电话里的两个分立的电平。从这个意义上讲神经系统是数字式的。但是神经冲动不会被编码为字节:它们不能组成离散的代码数值。相反信息的强度(如声音的响度、光线的亮度甚至情绪的迸发等等)由脉冲的频率表达出来。工程师们把这种方式叫做脉冲频率调制。在出现脉冲编码调制技术以前曾经广泛采用脉冲频率调制技术。脉冲频率是个模拟量而脉冲本身是数字式的:脉冲要么有要么无没有其他量值。如同其他数字系统一样神经系统也从这一特点中获益匪浅。在神经系统中也有一种相当于“放大器”的东西但不是每公里才有一个而是每毫米就有一个在脊髓和你手指尖之间便有个这样的“放大器”。如果神经冲动的绝对幅度在发挥作用人的一支胳膊的长度就足以使所传输的信息面目全非更不要说一头长颈鹿脖子那样的长度了。每一次放大都会引人更多的随机误差就像进行次的磁带复录一样。或者就像用复印机进行复印复印件再复印经过次复印之后最后得到的将是模糊一片的灰色。数字编码为解决神经细胞的问题提供了唯一的解决办法而自然选择也充分接受了它基因的情况也是如此。弗朗西斯·克里克(FrancisCrick)和詹姆斯·沃森(JamesWatson)是揭开基因分子结构之谜的人。我认为他们应当像亚里士多德和柏拉图那样世世代代受到尊敬。他们获得了诺贝尔生物学和医学奖他们应该获此殊荣。然而与他们的贡献相比这奖励是微不足道的。谈论继续不断的革命在字眼上几乎是矛盾的然而不仅仅是医学还有我们对生命的全部理解都会发生一次又一次的革命。这些革命是观念变化的结果而观念上的变革是这两个年轻人在年发起的。基因本身以及遗传疾病只不过是冰山的一角而已。在沃森和克里克之后分子生物学真正的革命性变化是它已变成数字式的了。在沃森和克里克之后我们知道从内部的微细结构讲基因本身就是一长串纯数字信息。尤其是基因结构是真正数字式的像计算机和激光唱机那样完全的数字化而不是像神经系统那样部分的数字化。遗传密码与计算机代码不同不是二进制的:遗传密码与某些电话系统也不相同不是位码遗传密码是一种进制代码它有个符号基因代码完全像计算机的机器代码一样。除了专业术语不同之外分子生物学杂志里面的每一页都可以换成计算机技术杂志的内容。关于生命核心的数字革命带来了许多结果其中最重要的是它给活力论者们关于“有生命物质与无生命物质有极大区别”的观点以致命的最后一击。直到年人们可能还相信在有生命的原生质中存在着某种基本的、不可再分的神秘物质。自那以后不再有人这样想了。甚至那些原先倾向于机械生命论的哲学家也不敢期望他们那最不切实际的梦想能得到满足。下面这段科学幻想小说的情节还是说得通的只是技术上与今天不同比今天的技术略微超前了一些而已。吉姆·克里克森(JimCrickson)教授被外国的邪恶势力绑架他们逼迫克里克森在一个生物战实验室里工作。为了拯救世界文明他所应该做的最重要的事情就是把一些绝密的信息传递给外部世界然而所有正常的联系渠道都断绝了。只有一个例外DNA密码有个三联体“密码子”足够组成一个包括个大写字母和个小写字母的完整英文字母表外加个数字、一个空格符号和一个句号。克里克森教授从实验室的样品架上取来一种恶性流感病毒用无懈可击的英语句子将他要传达给外界的完整情报设计在病毒的基因图谱中。他在设计的基因图谱上一遍又一遍地重复发布他的情报还加上了一个极易辨认的“标志”序列就是说为首是个引导数字。他让自己感染了这种病毒然后到一个挤满了人的房间里不停地打喷嚏。一个流感浪潮横扫全球。世界各地的医学实验室都开始分析这种病毒基因图谱的排序以期设计出一种疫苗来对付它。人们很快就发现病毒的基因图谱中有一个奇怪的重复的模式。引导数字引起了人们的警觉:这些数字是不可能自发产生的。于是有人无意中想到采用密码分析技术来解决问题。这样没费多少工夫克里克森教授所传递的英文情报就被人们读懂了消息传遍了全世界。我们的基因系统(也是我们这颗行星上所有生命的通用基因系统)是彻底数字化的。你可以一字不差地把《新约全书》编入人类基因图谱中由“闲置”DNA占据的部分这些DNA还没有被利用至少是没有被人体以通常的方式利用。你体内的每一个细胞都含有相当于盘巨大的数据磁带的信息通过无数个同时工作的“读出磁头”将数字符号取出。在每一个细胞中这些磁带染色体所包含的信息是一样的但不同类型细胞中的读出磁头根据它们自己的特殊目的挑出数据库中不同部分的信息。这就是为什么肌肉细胞会不同于肝细胞。这里没有受到心灵驱使的生命力没有心跳、呻吟、成长也没有最初的原生质神秘的胶体。生命仅仅是无数比特数字信息。基因是纯粹的信息是可以被编码、再编码和译码的信息在这些过程中其内容不会退化也不会改变。纯粹的信息是可以复制的而且由于它是数字信息所以复制的保真度可以是极高的。DNA符号的复制其精确度可与现代工程师们所做的任何事情相媲美。它们一代代被复制公有的极偶然的差错只足以引起变异。在这些变种中那些在这个世界上数量增多的编码组合当它们在个体内解码和执行时显然能自动地使个体采取积极步骤去保持和传播同样的DNA信息。我们一切有生命的物质都是存活下来的机器这些机器按照程序的指令传播了设计这个程序的数据库。现在看来达尔文主义就是在纯粹数码水平上的众多幸存者中幸存下来的。现在看来不可能有其他的情况。我们可以想象一下模拟式的基因系统。我们已经知道模拟信息经过连续若干代的复制之后会产生什么样的后果:变成了一片噪声。在设有许多放大器的电话系统中在多次转录磁带的过程中在复印再复印的过程中总之在累积退化过程中模拟信号极易受到损害。因此复制只能进行有限的几代。然而基因则不然它可以自我复制千万代而几乎没有任何退化。达尔文的进化论之所以成立仅仅是因为复制过程是完美无缺的除去一些分立的变异自然选择法则决定了这些变异或者被淘汰或者被保留下来。只有数字式的基因系统能够使达尔文的进化论在地质时代中永放光华。年是双螺旋年它将被看作是神秘论生命观和愚昧主义生命观的未日而达尔文主义者则把年视为他们的学科最终走向数字化之年。纯粹的数字信息之河庄严地流过地质年代并分解成亿条支流。它是一个强有力的形象。但是它在什么地方留下了熟悉的生命特征?它在什么地方留下了躯体、手脚、眼睛、大脑和胡须树叶、树干和树根?它又在什么地方留下了我们和我们的各个部分?我们动物、植物、原生动物、菌类和细菌难道仅仅是供数码式数据从中流过的小河河道吗?从某种意义上来说是这样。但是正如我在前面所说还不止这些。基因并不仅仅是复制它们自己一代一代往下传。它们实际上把时间消磨在躯体内它们存在于躯体内它们影响一代接一代的躯体。躯体从外观到行为都受到它们的影响。躯体也是重要的。就拿北极熊来说。北极熊的躯体不仅仅是数字小溪的河道它还是一部像熊那么大而复杂的机器。整个北极熊种群的所有基因是一个集体它们是好的伙伴肩并肩地走过时间旅途。但是它们并不把时间都消耗在陪伴这个集体中所有其他成员上:他们在集体的一群成员内更换伙伴。“集体”这个词的定义是它是一套基因这些基因有可能与这集体中的任何其他基因(但不是世界上其他万个集体之一的成员)相遇。实际的相遇总是发生在某一北极熊躯体的某一个细胞之中。因而那个躯体并不是消极地接受DNA的一个容器。每个细胞里都有完整的一套基因想象一下细胞的巨大数目便足以使你震惊:一只大公熊体内有亿亿个细胞。如果将一只北极熊的所有细胞排成一队足以从地球到月球排一个来回。这些细胞分成几百种截然不同的类型所有的哺乳动物基本上都有几类细胞:肌肉细胞、神经细胞、骨细胞、表皮细胞等等。同一类型的细胞聚集在一起形成组织:肌肉组织、骨组织等等。所有不同类型的细胞都具有构成这种类型所需的基因指令。只有与相关组织相适应的基因才能被激活。这就是为什么不同组织的细胞形状和大小均不相同。更有趣的是特定类型细胞中被激活的基因导致这些细胞长成特定形状的组织。骨骼并不是没有形状的、硬实而坚固的大块组织。骨骼有它们特定的形状:有中空棒状的有球状和凹窝状的还有脊椎骨和骨距等等。细胞由它内部激活了的基因编好了程序就好像它们很清楚自己的相邻细胞是哪些自己的位置在哪里。它们就这样形成了自己的组织长成了耳垂或者心脏瓣膜、眼球、括约肌等不同的形状。像北极熊这样的复杂有机体它有很多层次。北极熊的躯体就是许多具有精确形状的器官(如肝脏、肾脏、骨骼等)的复杂集合体。每一个器官又是由特定组织构成的复杂的大厦建造这些组织的砖块就是细胞它们通常是一层层或一片片的也常常是块状的实体。从更小的尺度上讲每一个细胞都有高度复杂的内部结构即折叠膜结构。这些折叠起来的膜以及膜之间的液体是发生多种不同类型的、错综复杂的化学反应的场所。在一家化学工业公司或者碳化物公司里可能有数百种性质截然不同的化学反应正在进行。这些化学反应被烧瓶壁、管道壁等分隔开来。在一个活的细胞里可能有差不多数量的化学反应同时发生。从某种程度上来说细胞内部的膜就如同实验室里的玻璃器皿。当然从两个方面来看这种比喻不大恰当。其一尽管有许多化学反应是发生在膜之间但也有不少化学反应发生在膜上。其二还有更重要的手段将不同的反应分隔开来。每一种反应都是由它自己特殊的酶来催化的。酶是一种非常大的分子它的三维立体结构提供了能促进反应的表面从而加速特定类型的化学反应。由于对生物分子来说最重要的是它们的三维立体结构所以我们可以把酶分子看作一台大型机床它通过仔细筛选形成一条制造特定形状分子的生产线。因此在任何一个细胞里面都同时独立地发生着数以百计的不同化学反应这些化学反应都是在不同的酶分子表面发生的。在一个特定的细胞中发生哪些特定的化学反应取决于存在哪些特定类型的酶分子。每一个酶分子包括其十分重要的形状都是在特定基因的决定性影响下装配出来的。确切地说基因中数百个密码符号的精确顺序根据一套完全已知的法则(遗传密码)决定了氨基酸在酶分子中的序列。每一个酶分子都是一条氨基酸长链而每一条氨基酸长链都自动盘绕成一个独一无二的、特定的三维立体结构就像一个绳结。在绳结中长链的某些部分与另一些部分形成交联键。绳结确切的三维结构是由氨基酸的一维顺序决定的因此也就是由基因中密码符号的一维顺序决定的。这样细胞里发生什么化学反应就取决于究竟是哪些基因被激活了。然而在一个特定的细胞中是什么决定了应该激活哪些基因呢?回答是:那些存在于细胞内的化学物质。这里包含着一个鸡和蛋的悻论然而并非不可超越。实际上对这一悖论作出解答虽然在细节上很复杂但是在原理上却很简单。计算机工程师把这种解答叫做“引导程序”。我第一次开始使用计算机是在年代所有程序都必须通过穿孔纸带来输入(那时美国的计算机通常使用穿孔卡片但原理是一样的)。在你装人大型程序纸带之前你必须先装入一个小的程序称为“引导装入程序”。这引导装入程序只做一件事:告诉计算机怎样装人纸带。但是这里就有了鸡和蛋的悖论:这“引导装入程序”自己又是怎样“装入”的呢?在现代计算机中相当于“引导装入程序”的功能已经由计算机里的硬件来完成了。但是在早期你必须按照规定的顺序操作键盘才能开始工作。这一系列按键告诉计算机怎样开始阅读引导装入程序的第一部分。然后引导装入程序纸带的第一部分又告诉计算机如何阅读引导装入程序的下一部分等等。待引导装人程序全部输入计算机后计算机就知道如何阅读任何纸带了这时它才变成一台有用的计算机。胚胎是这样开始形成的:一个单细胞(也就是受精卵)分裂成两个这两个又分别分裂这就变成了个细胞每个细胞再分裂变成了个细胞等等。用不了多少代细胞数就增加到了万亿个这就是指数分裂的力量。但是如果仅此而已的话那么这数以万亿计的细胞就全是一模一样的了。如若不是这样它们又是怎样分化(请允许我使用技术术语)成为肝细胞、肾细胞、肌肉细胞等等并且各有不同的基因被激活各有不同的酶在活动呢?通过“引导”。它是这样工作的:尽管卵子看上去像是个球体实际上它内部的化学物质存在极性。它有顶部和底部很多情况下还有前后之别(因此也有左边和右边)。这些极性的表现形式是化学物质的梯度。某些化学物质的浓度从前向后逐渐升高另一些化学物质的浓度自上而下逐渐升高。这些早期的梯度虽很简单却足以构成引导运作的第一步。例如当一个卵子分裂成为个细胞的时候也就是第五次分裂之后这个细胞中的某些细胞会得到多于平均数的顶部化学物质另一些细胞得到了多于平均数的底部化学物质。细胞首尾之间化学物质也可能出现不平衡。这些差异足以在不同细胞内激活不同的基因组合。因此在早期胚胎各不同部分的细胞中会出现酶的不同组合。这就使得在不同的细胞中有更多的不同基因组合被激活。因此细胞不再与胚胎内它们的克隆祖先保持一致细胞出现了世系趋异。细胞的世系趋异完全不同于前面谈到的物种趋异。这些细胞趋异是依程序进行的并且可以预见其细节。而物种趋异是由于地理上的突然变化所带来的偶然性结果并且是不可预见的此外当物种趋异时基因本身发生趋异这种情况我曾充满想象力地称之为“永别”。当胚胎中发生细胞世系趋异时分裂双方都接受相同的基因全都相同。但是不同的细胞接受化学物质的不同组合而不同的化学物质组合会激活与之相配合的不同基因而且有些基因的使命就是激活或阻断其他基因。“自我引导”就这样进行下去直到我们有了不同类型细胞的全部指令系统。正在发育的胚胎不仅仅是分化为数百个不同类型的细胞。它的外部和内部形态还同时经历了精致的动态变化。或许最具戏剧性的是最早期的一个变化原肠胚形成的过程。著名胚胎学家路易斯·沃尔波特(LewisWolpert)甚至这样说:“虽然不是出生、结婚或死亡但它真正是你一生中最重要的时刻这就是原肠胚的形成。”在原肠胚形成时到底发生了什么呢?一个由细胞组成的空球经弯曲变形之后变成了一只带衬里的杯子。一般来说整个动物界的所有胚胎都要经历相同的原肠胚形成过程这是胚胎学多样性的共同基础在此我只是把原肠胚的形成作为一个例子一个特别引人注目的例子提出。在胚胎发育中经常见到整层细胞不停地做着类似折纸的动作原肠胚形成只是这类动作中的一个。在折纸能手的表演结束后经过一层层细胞无数次的折叠、伸展、鼓起和拉平后在胚胎的一些部分生机勃勃而和谐有序地生长另一些部分被消耗后在分化为化学性质和物理性质上各异的数百种细胞后当细胞的数量达到以万亿计的时候这最终的产物便是一个婴儿。不婴儿诞生并不是终点因为个体的整个生长还有躯体的某些部分比另一些部分生长得快包括经由成年直到老年的过程应该视为同一个胚胎学过程的延伸这才是完整的胚胎学。个体之间的不同之处就在于它们在整个胚胎学过程中在数量细节上存在差异。一层细胞在折叠起来之前长得有点过头这结果是什么呢?可能是鹰钩鼻于而不是朝天鼻子还可能是扁平足这也许能使你免于战死疆场因为扁平足者不准参军也可能肩胛骨的形状特殊它使你长于投掷标枪(或者掷手榴弹或者打板球这取决于你所处的环境)。有时细胞层折纸动作的个别变化会带来悲剧性后果比如天生胳膊残疾或无手的婴儿。由纯粹化学因素而非细胞层折纸动作引起的个体差异其后果也同样严重:不能吸收牛奶、同性恋倾向、对花生过敏或者吃芒果时感觉像吃松节油一般恶心。胚胎发育是一种非常复杂的物理化学过程。在它的发展进程中任何一点细节上的改变都会给全过程带来不可估量的影响。你只要回忆一下这个过程在多么大的程度上借助于“引导”对这一点就不会感到太惊奇了。许多个体发育过程中的差异是由环境不同引起的例如缺氧或者受到引起胎儿畸形的药剂的影响。许多其他个体差异是由基因的不同引起的不仅仅是那孤立的基因还有那些与其他基因相互作用的基因还有与环境差异发生相互作用的基因。胚胎发育是个复杂的、千变万化的过程又是个错综复杂、互相影响的自我引导过程。胚胎发育过程既强有力又很敏感。说它强有力是因为它排除了许多潜在的变异对抗着有时看来势不可挡的种种可能产生出一个活生生的于代。与此同时它对变化非常敏感以致不存在两个所有特征都完全一样的个体甚至没有一模一样的双胞胎。现在这一讨论已渐渐引到这个论点上。在由于基因所引起的个体间差异(差异的程度可大可小)面前自然选择可能倾向于胚胎折纸动作或胚胎化学的后代而淘汰其他个体。就你的投掷手臂受到基因的影响来说自然选择有可能接受它也可能淘汰它。如果善投掷对个体存活时间是不是够长是否能有自己的孩子产生了一定影响(不管这影响是多么轻微)而投掷能力又受基因的影响这些基因便有较大的可能性传到下一代。任何一个个体都可能因为与他的投掷能力没有关系的原因而死去但是导致个体善投掷的基因(有这个基因的人比没有这个基因的人更善于投掷)将寄居于很多人体内延续许多世代。从这个特定基因的角度来看其他的死因将是均等的。以基因的观点来看存在的只是流经世世代代的DNA之河只是在某一个躯体内临时寄居只是与伙伴基因临时共享同一个躯体而这些伙伴基因可能是成功的也可能是失败的。经过很长一段时期之后基因之河里充满了历经万难仍存活的基因。

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