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【观点】未来会是个什么样?:也谈生物进化与技术进化
令狐小冲 2016-07-04
导语

究竟什么是人?迄今最有分量的回答是,谁活下来了,谁就是人。

编者按:本文作者东南大学吕乃基教授,授权发布,吕老师也是”亿科创新智库“专家成员;近日,关于韩春雨教授的质疑与评论非常多,不管这个事本身如何,都不会影响CRISPR的发展。就CRISPR而言,其科学影响意义深远,值得我们长期关注,毕竟这个世纪将是生物技术的世纪!

上世纪80年代末,研究人员在观测大肠杆菌时发现,在其中一个细菌基因的尾端,有一些奇怪的重复序列。这些序列随后被命名为Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats(即成簇的、规律间隔的短回文重复序列,简称CRISPRs)。在接下来几年内,虽然研究人员注意到,这些重复序列之间总是由一些古怪的间隔区(spacer)隔开,但CRISPR序列的重要性始终是个谜团。

几年后,科学家发现:这些“间隔区”之所以看上去很古怪,是因为它们根本就不是细菌自身所有的东西。很多“间隔区”实际上是从噬菌体病毒的DNA上“剪下”的小片段。2005年,有三组研究人员各自独立地得出了同一个结论:CRISPR 和相关基因序列扮演着细菌免疫系统的角色

CRISPR的工作原理是这样的:细菌细胞利用与CRISPR重复序列相关的基因产生一些特殊的蛋白,名为CRISPR相关蛋白(CRISPR associated proteins,简称Cas蛋白)。当病毒入侵细菌细胞之后,这些Cas蛋白便会结合到病毒DNA上,从上面“切”下一块儿来。然后这一块病毒DNA会被转运到细菌细胞的基因组中,插入其中,成为一处“间隔区”。从此之后,细菌细胞便会利用这一间隔区来识别与之对应的病毒,从而更加高效地打击病毒入侵。

CRISPR系 统意味着微生物能够高效地对自己的基因组进行编辑。事实上,很多细菌都有自己的免疫系统。按照最新的统计结果,大约40%的细菌都有CRISPR适应性免疫系统。这说明动物体内的适应性免疫系统并不像我们所想的那么独特。而且CRISPR有一个特点,使得它比我们的免疫系统还要出色—— CRISPR系统是可以遗传的。而在古细胞中(一类重要的单细胞微生物),CRISPR系统更加普遍,约90%的古细胞都有这一系统。

疫苗高效的原因在于先向我们体内输送降低了毒性的病原体,即提前对免疫系统进行训练。但子女可无法从中获益,他们必须自己经历感染、或是接种疫苗,才能获取对抗病原体的第一手经验。

而 CRISPR系统则不是这样。当有着CRISPR系统的微生物受到病毒攻击时,此次攻击的记录就会以新的“间隔区”的形式,存储到微生物的DNA中去。当 这个细胞分裂成子细胞时,这些信息就会被自动传输下去。因此即使这些子细胞从未见过对应的病毒,它们也知道如何抵抗它。

肯特大学的格里芬表示,我们并不清楚为什么CRISPR系统的工作方式看上去比人类的免疫系统高级,但也许我们的生物复杂性正是原因所在。“在复杂的生命体中,任何细微的基因变化都会对整个生命体造成重大的影响。”微生物也许能不停地编辑自己的基因组、处理基因序列的问题,但动物可能做不到这一点。

不过,从生物学的角度来看,可遗传免疫系统可谓是一个石破天惊的发现。这意味着有些微生物能够将自己生命中经历过的环境编写进基因组中,而进化生物学家从未想过会发生这样的事情。

达尔文的进化论建立在自然选择的基础上。有些生物就是能比其它生物更好地适应环境,也更容易存活和繁衍下去,但这主要是因为,它们天生就是这样的。

拉马克认为生物的一生都在不断经历变化,根据从环境中获取的经历,做出新的调整和适应,然后将这些改变遗传给自己的后代

由于达尔文的学说获得广泛认同,拉马克的观点也就不为人知了。但在CRISPR免疫系统的作用下,生物从环境中获取的经验会随之遗传给下一代,因此该系统属于为数不多的、貌似遵循了拉马克的进化学说的自然现象之一。

CRISPR系统的发现说明,进化并不完全是达尔文提出的随机自然选择的结果。有时它也会包含一些拉马克学说中的观点。CRISPR的科学影响将远远超出基因工程实验室的范围,绝对是一次革命性的发现。


几点启示:

我在生物学和进化论领域均属外行,但认同文中的一个观点:“CRISPR的科学影响将远远超出基因工程实验室的范围,绝对是一次革命性的发现”。具有不同知识背景和兴趣的人可以在这篇短文中得出不同的启示。

1. 达尔文进化论虽然包含变异,但基因的变异是客观事实,以及具有很大偶然性,因而只是为选择提供了不可预测的可能性,总体来说依然是被动等待接受自然选择CRISPR则提供了支持拉马克观点的证据,细菌在某种意义上显示了主动变化并具有针对性。技术的发展也是这样,在柔性化生产、正反馈和进化算法等方面已经可以看到这一 趋势,今后人工智能的发展必然具有更多更强大的自主学习功能,并且减少偶然性,增加针对性;从暴力搜索到蒙特卡洛树和深度学习。

2. 进化,究竟是在什么水平上发生?在文中所述的情况里,细菌的进化可以直接发生在由遗传得到的先天的基因层面,以及后天学习的经验,前者可以认为是硬件,后者则对应于软件。生物进化到人类之后,人类基本上已经停止了基因等物质层面的进化,进化主要在知识和体外进行,知识包括人对自然、社会和人性的认识,体外进化指被称为“器官延长”的技术及其成果(科技黑箱——技术知识的存在方式http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=246894  技术之树http://blog.sciencenet.cn/blog-210844-659038.html)。 前者相应于软件,主要需要后天学习;后者相应于硬件,虽也需要学习,但可以由遗传得到。人类发展的一大优势是在一定程度上可以把这两方面结合起来,将知识集成于科技黑箱,以科技黑箱作为平台提出新的知识。

然而问题在于,无论是知识还是科技黑箱,软件还是硬件,都外在于人。虽然也“植入”了一些器件,如支架、起搏器、假牙、耳蜗、钢钉之类,但都是为了治病救人,与进化无关。随着人机界面友好、人机对话、植入芯片、互联网大脑,以及基因编辑等的发展,人类开始直接在基因,在自身的硬件上着手,从而开启人类进化的新途径。此处的“新”并无褒贬之意,也未经伦理学等的审视,难以预料可能通往何处。

3. 以底色标出的部分隐含了一个事实:生物越古老,越简单,越通过硬件直接进化。否定之否定,辩证复归。后现代正在奔向前传统。人类自身的进化,或 许要在细菌乃至“古细胞”中汲取灵感。一旦走到这一步,人机合一,也就不必再担心人与“机”谁战胜谁;需要担心的是,“合一”者,或许也就是“新新人类” 将战胜原来的人类。有人说,这是又一次人猿相揖别。

究竟什么是人?迄今最有分量的回答是,谁活下来了,谁就是人。

参考资料:

神奇免疫:细菌也基因编辑,http://tech.sina.com.cn/d/f/2016-02-29/doc-ifxpvysv4992432.shtml

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作者 令狐小冲

博士生

清华大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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