Local EPUB Text
第15章 基因学和生物技术 解码与创新
未知
第15章
基因学和生物技术
解码与创新
我父亲在从事科学研究工作时，经常申请研究补助金。补助金通常在2万~50万美元，而且在任何地方都是如此。可以说，在这一额度范围内，只要申请有意义，就有机会获得补助金。但当他的申请被拒绝时，他就会心情不好，自然也会抱怨拨款委员会，父亲会说委员会不明白他的团队的工作的重要性。我逐渐形成了一个对拨款委员会的印象，觉得他们就像一群邪恶的酒鬼政客，什么都不懂。
下面是一个关于拨款委员会的疯狂幻想。
这是1989年的一个灰暗的冬天。拨款委员会已经组织审批完成了许多申请。会议已经开了一个小时了，大多数申请都被拒绝了。主席现在打开了一个文件夹，说道：
“这里是第9号申请。它是一个非常大的项目，所以我已经邀请了来自该科学团队的一名代表来解释它是什么。”
主席走到门口，打开门，邀请一位留着胡子、穿着西装和网球鞋的科学家进来。随后，他们都坐了下来。
“早上好，先生们。”科学家说，“我来展示一下……”
“这个申请有多大？”一个喝了酒的国会议员用一种响亮的、沙哑的声音打断了他。
“嗯，这是，呃，30亿美元。分摊在13年里。”
“多少？”
“30亿美元。”
国会议员惊呆了，但仍在想着他的威士忌。
主席现在转向那位科学家说，“也许你可以向我们解释一下这个项目的目的是什么？”
“嗯，我们要先研究一下分子结构，这对理解它非常重要……”
“我只关心为什么要花费30亿美元？”国会议员打断道，他刚从第一次的震惊中缓过神来。
“你看，这个分子式非常非常长，事实上，真的很长。”
“有多长？”主席温和地问道。
“每个分子式大约2米，抑或不到7英尺。”
国会议员感到血压上升，他开始思考。用30亿美元就换那该死的、不知道是什么的“2米”？也就是说，每毫米就要150万美元，这太疯狂了！他的思绪又飘荡到威士忌酒上去了。
“能把这昂贵的2米解释成我们听得懂的话吗？”主席说。
“我可以试一试。这种分子式主要由两根碱基组成，称为腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和鸟嘌呤。有时我们以字母称呼它们。因为每一个字母总是和另一个字母配对，总共是32亿个碱基对。”
这位国会议员在小心翼翼地将短信发送给他的秘密女友，但这位科学家没有注意到，并继续他的解释：“想象一下，我们打印出了这一系列的字母，每个碱基对都对应字母表中的一个字符。我的意思是：如果用一台普通的打印机将它们打印出来，在某种程度上，整个碱基对将是一根长长的细绳。好的，我们把这根细绳放在高速公路路边，然后我们一边打印，一边启动汽车，车一直行驶，直到打印结束，因为我们想知道它有多长。”
国会议员显然对此很感兴趣。因为他喜欢汽车。
“所以，加快车速，达到速度的极限。假设你开车的速度是75英里每小时，或者说120公里每小时。那么，要花多长时间才能打印完毕呢？”主席问道。
“如果你以这一限定速度不停地开车，那将需要两天两夜。换句话说，到达打印输出终止的地方，需要大约50个小时。”
“好吧。”国会议员说，“我们知道这是很大的项目。但是，是什么使它如此重要，足以证明花费30亿美元是合理的呢？”
科学家看了国会议员一会儿，没有回答。最后他说了一句：“这些字母掌握着生命的秘密。”
我敢肯定，没有人能比我描述得更好了（尽管有些科学家确实穿着西装配着网球鞋，我曾看见过）。然而，1989年确实存在一个项目，花费了30亿美元和13年的时间来描述一个分子，它被称为“人类基因组计划”。事实上，这一项目确实得到了资金，并于1990年启动。
人类基因组是包含在DNA分子中的代码，它和我上面讲述的故事一样，长而复杂。在我们的身体中，除了血细胞外的每一个细胞中都有一个DNA副本，而且在所有其他生命细胞中都有类似的DNA品系——动物、植物、细菌、真菌。
早在人类基因组计划开始之前，研究人员就已经知道，人类生命的遗传指令隐藏在这些DNA分子中，而每个活着的人都是一个不间断的、30亿年前的遗传链的结果，这些人都有一个共同的特点，即他们是被繁殖的（距今大约20万年前产生了智人）。换句话说，我们身上包含了在我们之前故去的人类的所有指令以及如细菌等更早期、更原始的生命形式所创造的指令。
我想把DNA分子中代码的大小，也就是32亿个碱基对，放在基因组里进行观察。在计算机程序中，代码的长度是由行数来描述的——这称为源代码行（SLOC）。世界上最大的软件程序大约包含30万行指令，平均每行有20个字符（许多行包含非常短的指令，甚至只有一个数字）。也就是说，大约有600万个字符。如此庞大的数量却仅相当于人类基因组的0.2%，这意味着我们的遗传密码大约是世界上最大的软件程序的500倍。
这种遗传密码有多少实际用途是另一回事。但我们应该了解，其中大约有80%用于产生蛋白质，尽管有很多迹象表明只有大约2%~5%的蛋白质具有实际功能。其余的遗传密码被称为“非编码DNA”或“垃圾DNA”。例如，有一个代码叫ALU（算术逻辑单元），它由300个字母组成，它在我们的DNA中重复了30万次。那有什么用处或者说好处吗？没什么，至少我们是这样认为的。它似乎是垃圾，我们暂且这样表述。
事实上，我们已经确切地知道存在着很多垃圾DNA，因为我们已经试着从动物身上移除这些垃圾DNA，而没有产生任何明显的区别，此外，来自其他物种的其他迹象也证明了这一点。举例来说，日本河豚东方鲀基因的数量与人类是基本相同的，但其DNA长度是人类的1/10，这或许可以在一定程度上证明，人类基因中存在无用处的DNA。另一方面，细菌和蠕虫的DNA比要我们多得多。阿米巴变形虫的DNA链是我们的200倍长。没人能够说服我，它们为什么需要如此的复杂。因此，我相信存在垃圾DNA，如果我们把它们去除，有用的DNA的长度就相当于大型软件程序的大小了。
因为除了血细胞之外，DNA可以在我们体内的每一个细胞中进行复制，我们有100万亿的DNA副本。如果我们把所有这些DNA首尾相接地串在一起，它们的长度将相当于地球到太阳距离的600倍。
当我开始编程时，我把计算机代码存储在穿孔卡片上。之后，我可以把它复制到磁盘上。而DNA并不是那么简单。你无法通过显微镜看到DNA链是如何形成的。相反，你必须通过一系列的化学反应来发现它。这很费时间，尽管其原理并不难。最初，这个模型是用酶并在特定的地方对DNA进行切割。然后把切割了的DNA放置在细菌中，这些细菌被复制，以获得更大的单链。随后，可以应用凝胶电泳技术来研究单链的含量。我本人在大学里也曾这么做过。这里存在一个问题，你所需要分析的分子是如此疯狂而难以置信的长。
人类大约有23 000个基因。其中的每一个基因只是全部基因组（即整个DNA链）的一部分，每个基因都代表着一个甚至是几个特定的化学功能。DNA中的小序列与所谓的“RNA”（核糖核酸）相互作用，再次构成了非常长的蛋白质基质，它们在极其复杂的过程中相互折叠并相互作用。
人类的32亿个碱基对已经被反复修改了超过44亿年的时间，这意味着每17个月就会新增加一个碱基对。这听起来可能令人印象深刻，或许还会有点儿惊讶，但我们应该记住，它们大多数都是垃圾，换句话说，每30~60年的时间才会发生一次有用的单原子改变。
另外，每一代人的出生可能只有15~20年的间隔时间，但绝大多数生命在几天或几小时内就完成了细胞分裂。大自然的“计算机代码”经常被数以百万计的小变异所改变，例如通常在每个人出生时就将发生100个小变异，而且这些不仅仅发生在一个从父到子的线性链条中。这个链条中包含成千上万、数百万、数十亿的个体，或者，就像单细胞生物一样，同一物种以数以万亿计的个体平行存在，其中最强的个体获得最佳的存活和繁殖机会。因此，进化是超大规模的并行计算，由最适应的具有最高繁殖力的简单算法驱动。
并非所有的基因都同样容易发生突变。有些基因，例如眼睛的编码，在基因中被描述为比其他部分更强健的基因。大多数的突变在发生的时候都是非常微小的——通常只有一个原子，可能只是由于氧化、太阳照射、宇宙射线或者放射性，就被淘汰出局。或者可能是一个很短的序列，被多次复制、添加，或者脱落。但也可能是一个长链，代表一个连贯的遗传指令，由病毒随机地从一个有机体传播到另一个有机体，或者在更罕见的情况下，通过细菌进行传播。在这个过程中，一个个体或有机体可以从另一个个体身上获得一长串连贯的程序代码，而这种代码有时甚至可能不属于同一物种。到目前为止，大多数这样的变异都是有害的，但是也不乏一些改进，并为下一代提供了竞争优势，后者就是创造进化和生物多样性的过程。
在最初的几年里，人类基因组计划进展极其缓慢，而且肯定有许多人怀疑它是否能够在预计的13年内完成。然而，1998年——在这个项目进行了8年之后——其中一位科学家加入了研究计划，克雷格·文特尔创立了一家名为塞雷拉基因组公司的私人公司。他声称，通过一项新技术的创新，他能够比所有公立大学团队更快地完成基因组计划。文特尔使用的方法被称为“猎枪测序”，它使用600台计算机进行每秒超过1万亿次的计算。起初，人类基因组计划的研究人员对文特尔充满怀疑，但最终得出的结论是他的方法更好。这两个项目在2002年几乎同时达到它们的目标——比原计划提前一年完成。文特尔只花费了3亿美元（即人类基因组计划原预算的1/10），必须补充的是，他可以自由访问由公共项目编制的数据库。
从那时起，文特尔的团队就已经收集了超过1万人的DNA，并开始绘制这些人基因之间的差异。他还把自己的游艇开到世界各地，从数百万的细菌、藻类和病毒中收集基因，并由他的团队人员进行破译。他的团队现在已经发现了许多新的生命形式，并将超过1 000万个基因载入其数据库中，而且这个数据库每天都在更新。作为一个次要的子项目，他也破译并发表了自己的完整的基因组，而这个项目原来需要花费130亿美元。
人类基因组计划是真正具有革命性的。在过去的300年里，世界各地的生物学家系统地研究了大量的生命物种，并对它们生存、死亡、繁殖、进食和战斗的情况进行了观察描述。现在我们再一次调查了同一物种，但这次我们研究的是基础的“数学”（即确定人类、动物、植物、细菌、真菌和病毒的“源代码”，正如它在信息技术中的说法）。此项工作有巨大的工作量——地球上有350万~1亿种物种，而只有150万~180万种完成了基因描述。
其中，用于了解哺乳类动物基因的一种方法是利用所谓的“敲击小鼠”试验，即通过植入或去活其中一种特定的基因，以观察效果。例如，我们已经发现，如果对老鼠体内一个既定的基因进行去活处理，该老鼠就会患上结肠癌，这自然表明我们应该把人类结肠癌研究和治疗的重点放在那里。人类历史上最重要的发现过程之一——也许是最重要的发现，当属探索如何精确地理解DNA片段与RNA、蛋白质的相互作用以及它们对生物体功能的影响，而且这项研究是非常前沿的。
基因组学的研究和创新正在加速，并将在未来的几十年里获得更多的进展——一些公司现在已经有能力每天分析成千上万的碱基对（字母）。现在，我们有可能以大约5万美元的价格对人类基因进行解码，但在未来几年内，其价格可能会降至1 000美元。2008年4月，我在麻省理工学院《技术评论》（MIT Technology Review）上看到了两个美国公司正在研发一种新技术，可以以100美元的价格解码人类基因。要知道，在1990年，它需要花费30亿美元，并耗时13年。现在人们只需花费100美元就可以做到了吗？哦，我有没有提到要花多长时间？只有8小时……
人类基因一旦被解码，下一步就是分析它所产生的蛋白质。说来简单，做起来却是极其复杂的，因为蛋白质可以折叠成三维的像意大利面的形态，而折叠的方式决定了它们的工作方式。然而，我们至少可以知道一件事：蛋白质总是能以一种最小的内部张力折叠。这就是为什么庞大的计算机系统可以被应用到所有已知化学键的信息中的原因。基于此，我们就可以模拟蛋白质可能产生的化学反应。
基因技术人员应用了许多不同的工作方法来进行模拟。最常见的是遗传分析和诊断，这里面包括所谓的DNA解码或者说“测序”。2002年，来自牛津大学的基因技术专家理查德·戴维斯计算出，每过27个月，DNA碱基对测序的价格就会减半，此后，测序的价格下降得更快。其中一个原因是使用所谓的“DNA芯片”，这种芯片可以在微观网格上保存DNA序列。网格的特定部分吸引了DNA序列的特定部分，当这种情况发生时，就可以通过荧光分子标记来观察序列，因为当互补链与某个特定点结合时就会发光。通过这种方式，我们现在就有可能进行羊水分析，并以很低的价格测试450个潜在的遗传缺陷。有人认为，类似的方法甚至可以用来识别类似强奸犯和杀人犯等罪犯（或者释放那些被冤枉的人）。
基因组学的另一种方法是合成，根据一个特定的方法，将一个纯粹的原子和分子结合在DNA链上。几年前，杜邦公司改造了大肠杆菌结构，这样它们就可以产生一种用作纺织的材料——丙二醇。杜邦的总经理甚至还会穿上了这件大肠杆菌制作的衣服。孟山都和其他一些公司长期以来一直致力于开发和制造基于基因改造的产品。胰岛素产业让大约400万人通过植入人体基因的细菌实现了药物治疗。或者也可以在奶牛身上植入一种基因，然后将一种所需的物质通过牛奶分泌出来，这种方法被称为转基因。
基因组合成的另一个应用领域是开发比今天更精确的治疗药物。如果我们能更好地理解是什么触发了人类的疾病，如果我们能成功地研制出能够针对疾病的药物，而不需要其他任何东西，我们就可以实现精确治疗。例如，在针对哮喘、多发性硬化症、白血病、关节炎、疟疾、高血压、风湿性关节炎、沙门氏菌感染和药物成瘾等疾病的疫苗的研制方面，我们已经取得了长足的进展。此外，我们还发现，如果能在抗击一种疾病上取得成功，往往就能阻止另一种疾病的出现。例如，癌症通常是由病毒引起的，因此对免疫病毒的疫苗接种可能就可以阻止癌症的发展。关节炎可能是由一般的炎症引起的，所以预防这些可能还会使血管更健康。另一个有趣的领域是通过阻断它们的基因表达来识别和抑制一些有缺陷的基因。
这里再讲一个特别有趣的领域，它可能是人工合成抗体的发展。当一种新的细菌或病毒被识别出来时，人类就有可能对其DNA（或某些病毒的RNA）进行分析，然后人工智能软件程序就可能研制出一种抗体。接着通过使用转基因细菌和藻类来快速地合成并大规模生产，以便对新的疾病进行快速防御，如西班牙流感。据说在1918—1919年，西班牙流感导致了世界人口2.5%~5%的死亡。来自美国哥伦比亚大学的科学家警告说，未来可能产生许多这样的新疾病。
此外，我们将能够为一个特定的病人或者仅仅为一个病人感染的特定突变细菌量身定制药物。这种药物可以帮助强化或破坏特定的细胞，也可以抑制一些不好的基因。虽然我们知道所有的标准药物都有副作用，但大部分都只出现在一小部分患者身上。通过低成本的基因测试，我们将能够准确地发现最适合每个人的药物。所有这些工作的最终目标是用药丸或注射来代替今天可怕的化疗，以阻止癌症的发生，使身体的其他部分保持健康。许多诊所甚至家庭都有简单的设备，可以对我们的血液、尿液和呼吸进行分析，并立即诊断我们是否患有癌症或其他疾病。
与许多其他新想法一样，人们用怀疑的眼光来看待基因控制，并认为它是有潜在危险的。想象一下这样一种情况：胡萝卜的品质发生了变化，因此它有了一种坚果的基因。对坚果过敏的人吃了胡萝卜，遭遇了过敏反应，然后死亡了。
没错，它可能是危险的。然而，如果说人类正在测试和控制基因，那么我们实际上并不是唯一这么做的物种，因为大自然也一直在这样做。细菌不断地变异，每当活细胞分裂时，无论是在动物体内还是在微生物中，都有百万分之一到百亿分之一的分裂是存在缺陷的。在这些分裂中，大多数分裂会破坏细胞，但有些也会使细胞变得更强壮，并帮助细胞适应分裂。举例来说，细菌就是这样发展出抗生素耐药性的。
当一个女人怀孕的时候，将平均有大约100个自发的基因发生突变（即在她的DNA中有100个原子随机发生了变化）。在这些变化中，大多数可能根本没有意义，只有很少一部分会带来特别的好处，而另一些可能会导致小错误或变化不一致的情况，但都不用在意，因为大多数这些变化都没有实际意义，虽然有些变化可能导致残疾、流产或夭折。
顺便说一下，在我们出生后，每一个细胞都发生了无数次的变化。据估计，在我们体内的细胞中，平均每天有大约1万个原子在其DNA中被剔除——大部分是来自氧化。幸运的是，一个健康的身体能够修复其中的9 997个，但仍有3个基因缺陷未被修复，随着年龄的增长，这些缺陷也会增多。当然，一天中在23亿个里出现3个缺陷并不算多，但你永远不知道这3个是否会造成灾难，带来小问题，或者根本没有影响，甚至可能是有益的。
在我们走向衰老的过程中，其中有一个问题就是上述那些由于累积的变化而开始变得很糟糕的细胞通常会存活下来。它们随后可能会释放干扰其他细胞的物质，随着这些物质的日积月累，身体通常会变得虚弱。另一个更严重的问题是，当一个突变的细胞开始不受控制地繁殖时，就可能会引发我们所说的“癌症”。
然而，我们不应该忘记，实际上，我们对大自然的基因控制已经有几千年了。在我们了解DNA之前，人们就会通过物种选择来繁殖有利于我们生活的物种。我们甚至有意识地选择植物并对其进行杂交，使它们看起来完全不同于自然界中的原始物种。农业是在大约11 000年前最后一个冰期结束后不久被引进的，通过有针对性地选择，我们已经把许多大自然的植物培育为一个与其“祖先”几乎没有相似之处的生物。许多园艺植物，包括兰花和玫瑰也都是人工培育的。
我们对动物也同样进行了选择性的繁殖。大约在12 000年前，人类开始和灰狼一起生活，之后，我们就由它们培育出了今天160多种不同的狗。我们培育出的一些可爱的小狗已经不再具有灰狼的样子，因为它们已经被人类重新创造，在野外根本没有生存的机会和能力。但在某种意义上，它们还是灰狼，可以和一只狼交配。在美国，现在大约有5 000万只这种狗，而只有3万~4万只狼。换句话说，每只“天然”狼都对应1 000多只“人工”狼。同样，我们也创造了马、猪和牛，它们与自己的自然祖先几乎没有什么共同之处，但如果我们不这样做，我们就永远无法养活世界上现有的人口。同样，谷物已经被改造成能够更好地抵御暴风雨天气、产量更大、生长更快的品种，今天的水果个头儿更大、更不易腐烂，而且通常也比自然的原始品种口感更好。
分析和合成基因的能力已经将生物技术从一个以模拟技术为主的行业转变为真正的“数字”行业，这与软件行业越来越相似。在合成过程中，一个人原则上可以待在新加坡，通过使用计算机模型来决定建立一个特定的DNA基因，根据这些模型，该DNA基因可能会有一些有用的功能。然后他可以将代码发送到远在美国的一个实验室，DNA基因将在几小时内被制作出来，然后植入一个被掏空的细菌细胞中，之后它被“启动”，就像在计算机中安装新的操作系统一样。几小时后，细菌就会改变并完成新的DNA指令。它实际上已经是一个新物种。如果我们更进一步，或许有一天我们能与距离70光年之外的文明交流。我们可以通过无线电波向他们发送一些DNA序列，然后他们将在自己的星球上重现这些物种。
基因组学的第三种工作方法是尝试改进基因组的功能。我已经提到，基因组有很多多余的序列，而且可能非常混乱。这听起来有点儿像我的电脑被过度使用，运转速度放缓一样。于是，我开始在Windows软件中进行“碎片整理”，系统将开始以更有序和更高效的方式组织这些碎片数据。此后，我的电脑又恢复了平稳运行。有些公司专门致力于改善某一特定基因的功能。这些公司产生了大量经过细微修饰的基因变体，以确定其中一些基因是否比自然界中普遍存在的基因具有更好的功能。这个过程通常被证明是成功的。我们可以将其视为一种“基因调节”。
基因技术的另一项重要应用是代谢工程。通常你会遇到自然界中的一种细菌，这种细菌虽然可以自然产生一种有用的化学物质，但是它的速度非常缓慢。通过应用代谢工程，一些基因从另一种生长速度更快的细菌中被转移出来。或者，负责生产所需物质的基因可以转移到如大肠杆菌等快速生长的细菌变种中。由于基因功能的改善被称为“基因调节”，因此代谢工程也有一个好名字，那就是“基因组调节”。
我认为，我们以计算机服务器的形式制造出一种挪亚方舟只是一个时间问题，所有已知物种的完整DNA序列都可以存储在那里。如果一个物种灭绝了，就有可能复制它的DNA，将其植入到一个被掏空的细胞中，并培育出新的一代。如果灭绝物种的DNA与现存物种的DNA大不相同，那么这个过程就可以在不同的阶段进行。第一个阶段是找到并利用现存的亲缘关系最近的物种，然后复制其中的一部分——比如说1/4——这是重建已灭绝物种所需变化的一部分。在其后代中，同样的程序只需要被重复4次。经过四代之后，已经灭绝的物种将被重新创造出来。
基因备份的4种方法
基因备份在一个健康的生态系统中会自动运行。然而，作为一种保障，它可以被细分为4种可能的备份系统：
• 在自我调节的生态系统中自然繁殖
• 在动物园或植物园，生物种类由人类培育
• 冷藏或冷冻的细胞样本、谷物种子
• 带有基因序列的计算机磁盘
第一种方法当然是我们想要的，但是其他方法可以为恢复提供备份。
在一定程度上，这种方法甚至还有可能追溯历史，复活很久以前就已经灭绝的物种，尽管几乎不可能回到《侏罗纪公园》一书（和电影）的情景中，但当这部电影在1993年公映时，科学家们仍普遍认为，这部电影在原则上和逻辑上是合理的，即使实践中很难实现（他们的想法是，琥珀中的蚊子会在自己的胃里保存恐龙的血液，而恐龙血液中的DNA可以被植入到鸟蛋里）。
现在，我们将时间快进来到2008年，在《侏罗纪公园》上映15年后，科学家们报告说，他们相信自己能够复活猛犸象，即使需要大约1 000万美元。人们已经发现，西伯利亚冰冻的猛犸象的毛发上保存着相当完好的DNA。通过分析来自同一动物的足够数量的基因组（其价格不再是昂贵的），并将DAN序列放在一起，是可能实现的。根据研究人员的说法，甚至有可能——也许是相当容易的——复活尼安德特人，尽管这几乎是难以选择的，因为最合适的繁殖动物必须是人类。
就个人而言，我认为基因控制不会止步于此。来自日本的Eubios伦理研究所的达里尔·梅瑟在1993年进行了一项调查，以了解人们对利用基因控制和筛查来预防儿童遗传疾病的国际态度。他发现，这一项目有很多支持者，尤其是在亚洲。
这些人还特别被问及对应用基因控制和筛查来提高儿童身体和心智的能力是否有兴趣。支持者的数量相较有所减少，但有迹象表明，仍有很多人赞成这个想法，尤其是在亚洲。在表15.1中，我已经给出了一些问题的答案，以“你觉得科学家如何改变人类细胞的基因组成……”开始，并以各种选择结束。
该表显示，如果目的是为了避免疾病，每个国家的绝大多数人都支持对基因的控制甚至是改变。当涉及基因操纵以提高儿童智力时，在印度（70%）和泰国（72%）获得了压倒性的支持，而澳大利亚、日本和俄罗斯的支持率则要低得多。美国以44%的支持率位于中间位置。
表15.1 关于改变未出生儿童基因的伦理问题的答案
资料来源：梅瑟，J.，J. 亚撒利雅和P. 斯乃文，《亚洲关于生物技术的国际态度》，国际生物技术期刊，2000年，第2卷，第4期。
我敢肯定，人类基因控制问题将会被越来越多的人关注，并尝试了解，甚至接受。今天，我们可以看到人们已经付出了多少努力来改善自身和自己的生活。我们创立了医学科学，它改变了自然的死亡率和生育能力，一方面，这对人口爆炸造成了影响；另一方面，它还通过避孕药来控制生育率。人们拥有更多的牙齿填充物，掌握髋关节和膝关节置换手术，心脏移植、人工听力、人工视网膜、隐形眼镜、起搏器、抽脂、头发移植、永久性脱毛、整形手术和肉毒杆菌技术也成为日常的生活方式。我发现有些东西相当令人反感，有些则是正面的，但令人难以抗拒的事实是，它们总会受到一部分人的欢迎。
我们也培育大量的试管婴儿。第一个以这种方式出生的孩子是生于1978年的路易丝·布朗，当时有评论家认为，这样的孩子会成为心理上的怪物。从那时起，已经有近50万名儿童以这种方式出生，而没有任何迹象表明他们在精神上或生理上与其他人有不同。事实上，人们对试管婴儿的第一反应和对在医院里生孩子的态度差不多。一百年前，这被认为是奇怪的。但今天，大多数人认为未能在医院分娩是一个不必要的风险。
我们已经看到在患有严重遗传性疾病的病人身上所做的第一个基因移植手术。这通常是借助感染病人体内的病毒来完成的，而这个病毒是一个带有缺陷基因的正确版本的病毒。然后病毒侵入人体细胞，并在许多情况下通过添加一个健康的基因副本来纠正这个问题，这叫作躯体疗法。可用这种治疗方法的其中一种疾病是囊性纤维化，这种疾病会阻塞肺部，产生黏稠的黏液，造成病人巨大的痛苦并导致寿命缩短。患者可以通过吸入带有相关病毒的呼吸蒸汽来治疗，还有其他的基因治疗方法，包括将裸露的DNA注入肌肉中，甚至在体外培育完整的细胞，然后再将它们植入体内。当然，从技术的角度来说，在怀孕之前纠正基因缺陷会更容易（通过对卵细胞和精细胞的基因进行分析，纠正缺陷，然后再在试管中进行受孕）。
在我看来，人类——作为第一个物种——可能会开始从基因上重建自己。其中的一个原因是我们的基因组越来越与现代生活不匹配。我们基因中所包含的人类组织几乎完全是在石器时代逐步形成的。它让我们的身体将储存脂肪作为一种保险或者说本能，以防我们找不到食物，或者在冬天地面积雪持续的时间比往年更长时得以抗寒；当我们停止生孩子后，身体似乎就失去了对自我保护的兴趣，尽管从技术上讲，这可以使我们活得更久；我们在一生中积累的知识在去世后将随之消失；我们的基因也使我们更容易歇斯底里和恐慌。可见，基因并没有给我们足够的智慧来理解我们所制造的技术。
基因工程存在的另一个原因是，大多数人希望过更长久、更健康的生活。1999年，美国普林斯顿大学的生物学家在老鼠身上添加了一种基因，使它们（老鼠）变得更聪明；同年，意大利米兰的研究人员激活了老鼠身上的一种基因，之后它们（还是老鼠）在能量没有变化的情况下，延长了30%的寿命。1985年，研究人员发现，如果单个基因被改变，那么，秀丽隐杆线虫的寿命就会延长一倍以上。1999年，其他生物学家通过植入基因创造了两种抗氧化剂，从而使某种细菌的寿命延长了50%。具体到人类自我改造的步骤可能是这样的：
第一步是进行羊膜穿刺术，将一小部分含有胎儿组织的羊水从围绕在发育中的胎儿周围的羊膜囊中取出，并对胎儿的DNA进行基因异常检测。这已经非常普遍了。携带严重缺陷的胎儿将被终止妊娠。
第二步是胚胎筛选，在植入胚胎前进行遗传缺陷筛选。有时也会在受精之前对雌性卵细胞进行筛选。这在今天也是相当常见的。
第三步可能是人们开始克隆他们心爱的狗和猫。这已经开始了，但很罕见。
接下来，也许有人会利用基因操纵培育拥有特别高的智商和长寿的狗。人们现在会购买和培育这些狗，从而产生这样一种想法：认为对动物进行基因操纵与选择性育种没有本质上的区别。
下一步可能是那些没有生育能力并计划孕育试管婴儿的夫妇，相反，他们要求对大量的卵细胞和精细胞进行大约4 000种不同的基因疾病的筛选，然后选择最好的生殖细胞。
在随后的阶段，人类可能会选择对一些基因的细节进行修饰，正如人们所熟知的，它能提供更高的智力、更好的健康或更长的寿命。换句话说，这类似于苹果手机上的“应用程序商店”。我能想象出一种情况，一个生育诊所的人问一对夫妇是否愿意让他们的孩子拥有一个天然的音高（记住特定音调的能力是在一个基因中几个原子的位置上反映出来的）。如果答案是肯定的，那么一些原子就会被改变。它甚至可以在三个变体中进行选择：（1）有些变化不会自动传递给孙辈；（2）另一些只在服用的激活原子药丸个体成长中发挥作用；（3）其他变体可能是永久性的。从技术上讲，这些都是可以做到的。那些使用它的人可能是缺乏某种天赋的人，但是他们选择给他们的孩子一个更好的机会，从而减少阶层之间的差距。
在此之后，人们可以想象一些基因从其他生物体（如植物）中被提取出来，并植入人类基因组中。例如，一种基因可以通过释放抗氧化剂来保护我们的细胞延缓衰老，因此，衰老过程可能会减慢50%，从而使人们可以健康地活到150岁。
一个极端的发展将是给人类增加一个染色体来放置新的基因。
如果这些情况发生（而且我个人认为大多数情况都会发生），我相信第三和第四阶段可能会迅速发展并广泛传播。第五阶段（试管婴儿的筛选）将在许多国家引起轩然大波，但将在美国和亚洲流行起来。下一个阶段（改良基因的植入）将面临强烈的反对声潮，特别是在欧洲、拉丁美洲和阿拉伯世界。相反，它将起源于亚洲，那里对这种想法的态度是相对积极的。
虽然基因技术可能是提高人类健康和能力的关键，但比这些技术的短期后果更重要的是解决环境和资源问题，尤其是在农业领域。从现在到2050年，我们希望将农业产量提高100%。实现这个愿望的方式有：（1）用农田取代世界上更多的荒野；（2）减少数百万人口；（3）使用精准农业（基于精确、实时测量，以优化播种、灌溉等）和基因技术，以大幅提高农作物产量。
此外，我们依靠传统农业生产的大部分食物实际上都是非常不健康的。事实上，如果按照和转基因食品相同的标准进行测试，许多天然植物将无法被批准为今天的食物。例如，许多坚果会导致过敏，有时是致命的。如果这些坚果是我们通过基因组学创造出来的，就会立即被禁用。同样的情况也很可能发生在小麦和玉米中，这些小麦和玉米通常含有少量来自植物疾病的毒性非常强的物质，或者含有脂肪的食物是否会导致动脉粥样硬化（动脉壁内的斑块形成）？这样的食物是不可能有机会被端上饭桌的。然而，事实是人们每天都吃这些食物。既然我提到了，那么我们就一定可以通过基因组学来解决这些问题。比如生产防过敏坚果。
农业的不利之处在于，我们已经清理了巨大的自然区域，已经清除了野生动植物的自然栖息地，并为农业生产提供足够空间。总体来说，我们用来耕种的土地面积大约等于南美洲的陆地面积。
生态农业不能解决失去自然栖息地的问题。相反，生态农业需要更多的土地来获得一个固定的产量。如果我们被限制在生态农业上，要么会有全球饥荒，要么几乎没有野生动物能幸存下来。如果我们的人口数量少于10亿，我们就有可能广泛使用生态农业，但我们现在有超过70亿人口，而且很快就会达到90亿。但我依然相信，生物技术可以帮助我们使农业生产变得更紧凑、更智能，就像我们把电脑从一件重达数吨的设备缩小到你可以放入口袋里一样。我们的目标应该是尽量减少我们用于种植的土地，以便最大限度地利用剩余的自然区域。
农业中的基因操纵最初是在美国加州大学和斯坦福大学进行的，它从非常原始的技术开始，比如在不同的植物中分解细胞壁，然后把它们的基因混合起来，或者用X射线加速随机的基因突变，看看这种随机的高速突变是否能带来新的更好的东西。这些过程涉及改变一些植物细胞中的特定基因，然后通过组织培养，产生全新的植物，而在大多数情况下，这个过程是相当困难的。
渐渐地，这个过程变得更加简洁。一些研究人员注意到，当根癌农杆菌感染了一种植物时，这种植物就会生长出一些奇怪的小结节，这些小结节可以被切断并单独生长。这些结节出现的原因显然是因为除了正常的DNA，根癌农杆菌还有一种松散的基因链，它侵入了植物的细胞并改变了它们的功能。科学家们将这种DNA链插入到其他植物中，也取得了同样的效果。后来，研究人员在土壤细菌苏云金杆菌（Bacillus thuringiensis，简称Bt）上进行了研究。自1901年以来，日本人一直使用这种细菌作为杀虫剂，然后他们产生了这样的想法：或许可以在细菌中找到这些基因序列，并让这些基因序列最终负责杀死幼虫和昆虫，再将这些序列整合到植物的基因组中，从而避免喷洒杀虫剂。为了达到这个目的，基因组需要进行某种改造，因为植物“阅读”它们的基因与细菌的方式有所不同。然而，在经过无数次的尝试之后，试验终于成功了，并且产生了能够抵御幼虫和昆虫的一代植物。
后来，另一个想法浮出水面。20世纪70年代，美国孟山都公司推出了除草剂农达，与市面上的其他除草剂相比，这是具有革命性的。一般而言，除草剂的药剂是相当有选择性的——既要能起到立竿见影的效果，又要使其效果持续数周甚至数月。然而，农达在第一周没有明显的效果，当其效果最终得以体现时，它已经杀死了所有的植物，然后这些植物很快就被降解了，所以农达很快就在对路边石板缝隙的喷洒中广受欢迎。农民们用它来代替耕种，即使后者可能导致土壤侵蚀，而且非常耗能。孟山都公司的想法是将正常的思维方式颠倒过来——识别那些保护有用植物免受农达伤害的基因。如果能做到这一点，就有可能对农田进行喷洒，这样就可以消灭除理想的有用植物之外的一切植物。经过多年的紧张工作，科学家们的努力得到了回报，一种具有这种抗农达改进基因的籽粒被当作“抗农达”来销售。结果是农民们不再需要犁地，其喷洒的需求也减少了。例如，美国密西西比州和亚拉巴马州的试验表明，农民们在使用了抗农达除草剂后，喷洒次数从平均每季度8次降到1.5次。总而言之，环境收益增加了4倍——既减少能源消耗、减少每英亩的产量损失，又减少土壤侵蚀和食物中除草剂的含量。
2008年，世界上有8%的耕地种植转基因作物，相关技术也在迅速发展。2009年，孟山都公司推出了转基因玉米，其产量比以前提高了5 %~10%，而抗农达II的大豆产量更是比原来的抗农达大豆的产量提高了7%~11%。
显然，这里发生了一些有趣的事情。种子公司曾经是“模拟”企业，它会检查植物，并选择最好的植株作为培育明年种子的基础——这一过程平均每年将提高1%的产量。然而，现在的农业显然是一种信息技术，它将极大地提高生产率。孟山都公司现在正在使用一种所谓的“种子凿切机”，它可以挑选一粒种子并将其旋转到一个位置，在这个位置上，种子的一小部分可以被切掉，而不会破坏其生长能力。之后，他们检查芯片中的基因组，以找到最终的植物特征的线索。通过使用这种方法选择种子，可以显著加速选择和繁殖周期。因此，他们希望将年生产率增长量提高3.5%以上，从而使2010年至2030年的产量翻倍。如果这是可行的，那将是至关重要的，因为从2010年到2030年，世界人口将会增加大约20%。因此，由于使用基因组学，同一时期的作物产量将增长100%，这意味着我们很容易就能赢得为世界人口提供食物的竞赛，同时扩大生物燃料的生产。事实上，即使有很多农民不愿意使用转基因植物，我们也很有可能不得不在2050年之前将现有一些农田还给自然。
此外，人们还会倾向于所谓的功能性食品，这些食品经过基因改造，可以带来Ω–3或其他的健康元素，如更多的维生素、纤维或蛋白质。例如，植物中的脂肪可以通过从藻类中吸收一些基因从而加入健康的Ω–3脂肪酸中。在发展中国家，这也将减少饥饿和减少营养不良成为可能，否则它们将导致数百万儿童智障、失明、虚弱甚至死亡。
对我们的食品基因直接进行干预的思想让很多人感到恐慌，尤其是在欧洲，但研究仍在继续，在未来的几年里，我们会看到更多新的农作物，其亩产量更高，生产需要的水更少，抗风霜的能力也更强。但也应该理性地看到，当欧洲人禁止从非洲和其他贫困地区进口转基因农产品时，在一定程度上不仅阻止了转基因作物在那里的利用，实际上也间接地使穷人为富人的恐慌买了单。
尽管植物生物化学的发展可能是拯救我们的环境和生存的最重要方式，但细菌的发展也可能是实现这一点的重要部分。
这个星球上最初20亿年的生命都是由单细胞组成的，然后由第一批多细胞生物进化成今天我们所看到的大型生物：树木、牛、人等。然而，许多研究人员估计，今天细菌的总数量实际上等于所有植物的数量，这些植物也包括海里的海藻和森林里的树木。由于我们一直在最奇异的地方发现细菌，比如离地球表面3公里处，因此，有许多研究人员认为，细菌占了当今世界总生物量的一半以上。
还有些细菌生活在有机物质中，其他细菌以硫黄或石头为食，或者从地热或光合作用中获取能量。有些细菌需要氧气，而有些细菌则不需要氧气。一些细菌可以忍受海底的放射性或过热的水温；其他细菌却只能在特定温度的牛奶里生活。
有些细菌喜欢生活在我们的身体里。据估计，人体内的细菌比体内的细胞还多。然而，细菌细胞平均比人类细胞小得多，因此这些生物只占我们总重量的大约10%，然而，这也告诉我们一个事实：我们真实地生活在生态系统中。
我之前提到过，2006年克雷格·文特尔开着游艇环游世界，收集水样本，以获取数以百万计的细菌、藻类和病毒样本。他把这些样本送回实验室，利用解码机器对其进行分解，并分离出了数百万的新基因。这一过程为其公司提供了一个巨大的数据库，通过搜索这一数据库就可以寻找具有已知特征的基因，这一方法无疑会被其他许多人复制。这样的工作还可能为众多新变体的发展奠定基础。例如，制造一种大量产生蜘蛛网所需物质的细菌，并以此为军队或警察织出非常薄的防弹衬衫。又或者是被改造成用于制造各种药物的细菌，事实上，这种细菌已经被广泛使用。
然而，第三代和第四代生物燃料可能是最有趣的应用：细菌或藻类通过光合作用，从空气中吸收二氧化碳，并将其转化为石油。瞧！有了这样的细菌，我们就能阻止空气中二氧化碳的积累，并拥有一个可持续的能源来源，可供飞机、汽车和船只使用，而无须对交通基础设施进行任何调整。现在美国有好几家公司都在努力试着培育这种细菌，而最有可能的结果是，在很短的时间内，这种细菌将在市场上推广，它们将与转基因藻类就制造第三代生物燃料展开竞争。当这种藻类生产或细菌生产石油的技术通过基因调节、基因组调节和修饰进行优化时，我们将不得不为它们起一些类似“酿油厂”这样的名字。燃煤发电厂的烟囱就将是一个好的起点。这种技术的作用是制造一种液体燃料，它可以很容易地融入我们目前的交通基础设施中，而且它是可再生的、紧凑的以及碳中和的。
这种技术和基因组学中的许多其他方面一样，有可能成为一个庞大的产业。除了为我们面临的许多环境和资源挑战提供简洁的解决方案之外，它还将为我们应对医疗保健挑战提供极大的帮助，因为在未来40年里，老年人口的数量预计将不会少于16亿。
到目前为止，这个领域的主要参与者来自美国、瑞士、新加坡、丹麦和许多新兴市场国家，巴西、中国、埃及、印度、以色列、南非和韩国等国处于主导地位。基因组学并没有类似信息技术那样庞大的网络效应，它降低了在相对短时间内创造出利润丰厚的公司的可能性。然而，由于缺乏网络效应，该领域也将会出现更多新的参与者。
DNA——以及蛋白质中的20个氨基酸——是最伟大的开放计算平台，它将会永远存在，而大自然所做的事情让人难以想象。人们所能想到的几乎所有的事物都是自然发生的，如果不是数以亿计的话，在地球上生存的物种已经达到数千万种。科学家相信，大约99%的曾经存在的物种已经灭绝了，当然，这大部分发生在人类出现之前很久，但从长期来看，物种数量总体上仍呈上升趋势。
生态系统与自然生态系统的相似性
生物生态系统已经存在了数百万年，但直到最近我们才开始绘制它们背后的数学逻辑。然而，就像我们所做的那样，它看起来与我们在信息世界中人为创造的一切，有着令人吃惊的相似度。在生物学和电子世界里，通常有一个巨大的软件架构，其中的层层逻辑都是建立在非常基本的代码之上的，在计算机中，它们是芯片架构和机器代码，在生物中，这些代码就是DNA序列。
其他的相似之处有：电子机械和生物个体都可使用电力传送信息，尽管神经细胞在两个世界里由不同的物质构成。此外，电子和生物世界都有错误代码和反方向代码等，而且两者都可以被复制。
电子设备——软件和硬件的结合——越来越让人联想到原始动物。今天的电脑可以看、听、嗅、自我定位，并可以说话。
生态系统与自然生态系统的相似性并没有就此结束。在计算机世界中，我们对软件进行备份。而自然界有它自己的备份系统，因为DNA是双链的。在IT行业，我们通过CAD、CAM的方式，成功地将软件设计与物质生产直接联系起来，而这正是生物在遗传学领域所做的事情，在那里，“软件”可以通过从环境中收集的化学物质产生自己的硬件。
然而，基因组学还有一个真正引人注目的方面。虽然它是一个开放的平台，而且它所创造的表达也是无限的，但不同物种背后的实际编码却有着惊人的相似度，任何编码的微小变化都会产生重大影响。想想猴子是怎么思考和说话的，通过与猴子进行有意义的“对话”，人们进行了各种各样的研究，在那里猴子可以通过按“按钮”来与我们交流，每个按钮都代表着某种意义。于是就产生了诸如此类的句子：
尼姆吃。尼姆吃。喝吃我尼姆。尼姆口香糖我口香糖。你我香蕉我香蕉你。
这里的尼姆是一只猴子，你可能没有猜到，它说的话对我们来说不太容易理解。当我们把它与人类语言进行比较时，事情看起来就容易一些了。
如果我们将一个哈达玛门（Hadamard gate）应用于量子计算机的第一个量子位，其作用是用数字为量子计算机生成一个新的描述，数字为t1，t2……假设t1=（s1+s2n/2+1）/√2……
或者这样一句话：
直到母牛回家，我才可以和你一起跳舞。第二个想法是，我宁愿和母牛一起跳舞，直到你回家。
这两句话中的第一句话，我认为是非常明确的，是科学家迈克尔·尼尔森说的，第二句话是喜剧演员格罗克·马克思说的。当我们拿猴子的DNA——比如尼姆——与类似这两位天才进行比较时，通过对逐个碱基对进行比较，两者的差别只有4%左右。不仅我自己的DNA和猴子的几乎一样，而且和许多细菌也没有什么不同。这就是我所说的世界上最大的开放计算平台。顺便说一下，根据英国伦敦大学学院史蒂夫·琼斯教授的说法，我们与香蕉共享50%的基因（这可以解释我在某些周日早上的感觉）。
但是，对于生物技术和基因组学来说，这已经足够了。我们现在将转向所谓的“信息技术”，这是我们关于人类使用电脑的坏术语。