現(xiàn)在每一個受過良好教育的人都知道生命的密碼存儲在每個細胞中若干條名為DNA的超長有機分子鏈中，如今有很多商業(yè)機構已經(jīng)開始推廣DNA檢測業(yè)務，只要一點點唾液，就可以知道很多有關你人生的信息。
那是不是說一個人的全部信息都已經(jīng)藏在了DNA中了呢？這些信息是否像一張精密的設計圖，可以準確地描繪人體的每一個細胞和功能？只依靠DNA信息是否就可以通過計算機模擬復原一種已滅絕的生物呢？今天咱們就來研究一下這個在大家心中可能都默認的誤解。
基因信息量少的驚人
首先問一個問題：人類的基因總計有多少信息？人類的身體又擁有多少細胞？
答案：人總共有約31.6億個DNA堿基對，因為堿基對只有4種類型，最小可以用兩個bit來表示，那么總的數(shù)據(jù)量大約是7.9億字節(jié)（Bytes），大約是790兆（M Bytes）。這是一個并不怎么大的數(shù)據(jù)量，幾十年前的VCD，一部糊得不得了的電影大概就這么大。
DNA是透明的，只有在分裂時能夠被染色從而被觀察到，所以稱為染色體
而人體有大約30萬億個細胞。
是的，基因和細胞數(shù)量的比例約為1：37974?；驍?shù)量遠小于細胞的數(shù)量，就連記錄下每個細胞在哪里的可能都沒有，更不要說還包含諸如神經(jīng)細胞的連接，發(fā)育周期的控制，新陳代謝的節(jié)奏。只用一點點信息就完成了如此驚人的偉業(yè)，這究竟是如何做到的？
要解答這樣一個問題，我們需要回想一個初中學過的生物課內(nèi)容，讓思考從那里開始吧！
再一次審視生長素
還記得初中化學中有關植物向光性的研究嗎？生長素——這種化學名為吲哚乙酸的激素決定了植物的尖端會向光線更強的方向生長。生長素由植物尖端胚芽鞘分泌并向下運輸，光線的照射會讓莖的向光面和背光面出現(xiàn)濃度差（名為生長素轉運蛋白的蛋白質鑲嵌在細胞膜上，在光線照射下會被賦能激活，激活后的蛋白會把生長素運輸?shù)郊毎?，而沒有向外“泵”生長素的背光側細胞則會保留生長素），生長素濃度更高的區(qū)域，細胞膨脹的更大一些，從而讓植物的背光側比向光側長的更長，表現(xiàn)為向光性。
向光性
不僅如此，生長素還有另一種功能——頂端優(yōu)勢。在主干上是生長素濃度高的生長快，但是在分支上則是生長素越高生長越慢。所以離頂芽更近的枝條長的會比較慢，從而形成了很多植物尖尖的塔形結構。
那么現(xiàn)在就有三個問題：
為什么頂端會分泌生長激素？
為什么同一種化學成分會表現(xiàn)出不同的效果？
說到底，生長素是什么起效果的？
基因表達到細胞分化
要解釋這幾個問題就要從基因表達說到細胞分化。
生長素是一種激素，激素之所以被稱為激素，就是因為這些化學物質會與細胞內(nèi)的特定蛋白質結合，二者結合后蛋白質就會激活，轉而影響細胞核中DNA的轉錄和表達。也就是說雖然每個細胞里都含有了全部的基因，但是它們只有一部分正在活躍著，參與表達的特定基因合成的蛋白質會讓細胞表現(xiàn)出特定的形態(tài)和結構，所以我們多細胞生物的體細胞形態(tài)千變?nèi)f化，功能極其豐富，這被稱為細胞分化。
RNA翻譯合成蛋白質
那么受體蛋白質又是從哪里來的呢？是DNA通過轉錄，翻譯合成出來的。嗯，是不是有一種奇妙的感覺？這二者存在可以相互影響的關系，基因影響蛋白質，蛋白質又可以影響基因。
RNA翻譯合成蛋白質
不僅如此，激素只是可以影響基表達的一種因素而已，還有很多自然存在的影響因素，比如鳥類胚胎發(fā)育過程中的第一次分化——從囊胚到原腸胚，就是在骨形態(tài)發(fā)生蛋白、成纖維細胞生長因子、節(jié)點信號蛋白、Wnt信號蛋白這四種信號遞質的影響下產(chǎn)生了近-遠軸不對稱，從而讓胚胎細胞發(fā)生極性卷曲。這幾句用人話來說就是，哪邊營養(yǎng)好（卵黃方向）就向哪邊卷。發(fā)生卷曲后這些細胞就會開始向不同的方向分化，出現(xiàn)內(nèi)胚層，中胚層和外胚層，它們再進一步分化成幼體的所有組織和器官。
原腸胚的極性卷曲，
所以有關生長素的三個問題就很好解釋了：因為細胞分化了，所以每個不同組織的細胞功能都不同，只有正在生發(fā)的尖端細胞其合成生長素的基因才會表達；
而又因為分化后的細胞功能不同，受體蛋白也不同，所以同一種激素甚至可以起到完全相反的效果；
生長素發(fā)揮的過程就是通過受體蛋白達到調(diào)控DNA表達的過程和其他生化反應的過程，如果直接說本質就是通過參與復雜的生化反應實現(xiàn)的。
多到不能模擬的可能性
從上面的內(nèi)容已經(jīng)能看出一些端倪了，基因從來不會像大家想象中的那樣直接調(diào)控一個具體的性狀，一個基因只負責生產(chǎn)一種蛋白質，而這種蛋白質如何參與生物的發(fā)育，會產(chǎn)生怎樣的效果則是由“綜合環(huán)境”（小到每個細胞內(nèi)部的具體化學成分，大到宇宙射線的強度和引力）共同決定的。
所以圍棋不能使用窮舉法
這是一個非常有趣的概念，也就是說基因的表達在一定程度上影響了綜合環(huán)境，而綜合環(huán)境又會對基因表達塑形。這二者產(chǎn)生了相互影響，是一個頭尾相接的環(huán)形邏輯，其中包含著數(shù)不清的參數(shù)。想用數(shù)學的邏輯來計算根本不可能，要知道僅僅19 x 19大小的圍棋盤竟有多達1.7408965065903 x10^172（174000……共170個0……0）種布局，比全宇宙所有的原子數(shù)目加起來還要多得多！
一個職場和細胞的比喻
下面我將拿出一個我思考了一夜才整出來的比喻，幫助還是一頭霧水的讀者理解基因在細胞調(diào)控中在高效到底是怎么實現(xiàn)的。
我把每個細胞比喻為一個辦公隔間，里面坐的員工和其他所有物品就是細胞中所有生化反應物質的集合，而基因是放在抽屜里的錦囊。
大概就這個樣
現(xiàn)在所有人正在埋頭工作，因為他們來后的前5個錦囊就放在桌面上寫著“工作必讀”，學完了這幾個錦囊的內(nèi)容后大家開始了工作——把源源不斷送過來的文檔錄入電腦。
第5個錦囊只記錄了一條指令“每錄入完一個文檔就看一下自己辦公桌向東方向的隔板”，可是除了一塊板你什么也沒看到，當然什么也不會發(fā)生。
變化發(fā)生在日出的時分，一縷美麗的陽光從窗子照進來，這里奇妙的事情發(fā)生了。坐在靠窗戶處的員工又完成一次文檔的錄入后，按程序抬起頭來看了一眼隔板，但這一次不一樣了。他們發(fā)現(xiàn)隔板上有字，原來隔板中有類似紙幣上使用的水印，如果沒有光的透射是看不到的，隔板上寫著“打開左一抽屜中的錦囊7”（這里類比的是光對細胞分化的影響）。
美元中的水印，富蘭克林
于是當大家還在不停地錄入文件時，有幾個人已經(jīng)悄然開始了其他工作。錦囊7的內(nèi)容只有一句話“打開左二抽屜并完成工作”，左二抽屜中放的是好幾份審批文件，審批完成后會發(fā)現(xiàn)下面還有一張紙，寫了這么兩句話“將以上文件分發(fā)到其他人手中”、“打開左一抽屜中的錦囊41”。
這些發(fā)送到其他人手里的文件雖然也記錄了各種相同的信息，但因每個人的具體的情況不同，所執(zhí)行的操作也不盡相同。比如其中有一條指令是“已經(jīng)錄入文檔超過40個的人打開錦囊213”，坐的離門較遠的人沒有獲得足夠的分發(fā)，不足這個數(shù)量，不會對此指令做出響應，（這里類比的是細胞的極性分化）。
就這樣，經(jīng)過若干個回合后辦公室每個人都開始執(zhí)行不同的工作了，而且隨著工作進度的不斷加深，每個人的工作內(nèi)容也會差別越來越大，他們會增加人手，開辟新部門，開展新業(yè)務，從一個數(shù)十人的辦公室變成一家員工幾十萬億的巨大公司。
與世界的規(guī)律合作
那么現(xiàn)在我們再來分析一下剛剛的故事，基因是錦囊，其中包含了“具體工作的方法”和“指令”兩種信息，這兩種信息實現(xiàn)的過程都是通過合成蛋白質。但是僅僅依靠錦囊記載的信息可以判斷出最終結果嗎？不能。仔細想想就會發(fā)現(xiàn)，其中最多的信息都是由一些已經(jīng)存在于細胞之中的物質和環(huán)境信息提供的，比如為什么所有人都會打字？為什么左二的抽屜一打開就有幾份文件？為什么坐在離門近的位置就會獲得更多錄入機會？這些信息決定了基因不投入到具體環(huán)境中根本不知道會產(chǎn)生什么樣的結果。
《鋼之煉金術師》中的真理之門，雖說生命的繁殖依賴的也是“真理”，卻和這種意象沒有關系
指令“已經(jīng)錄入文檔超過40個的人打開錦囊213”可以實現(xiàn)極性分化所依賴的根本原因是“只有一個門”，與門的距離決定了哪些員工會響應指令。但“門的數(shù)量”、“門的位置”、“門的大小”、“門的開啟和關閉時間”、“文件的傳送頻率”、“其他人的處理速度”都沒有在基因中記錄，當然也不需要記錄。這一切的實現(xiàn)條件都是因為“門已經(jīng)在這里了”而已。
這也就是說，我們生物之所以會發(fā)育成這個樣子，其實絕大多數(shù)信息來自這個宇宙中的物理規(guī)律，化學規(guī)律?；蛩龅闹皇峭度肓艘幻缎⌒〉氖樱@枚石子究竟會出現(xiàn)什么樣的效果，是無聲無息還是出來一頭尼斯湖水怪，那就要交給漆黑的水面之下了。
精妙、優(yōu)雅、高效、稀有
因此，基因只需要非常少的信息量就可以奏響生命的樂章，將無序化為有序，從一片無機的世界里創(chuàng)造出生命。要問這種精妙高效的邏輯是如何產(chǎn)生的，其實也非常簡單——試出來的，僅此而已。
生命的偉大在于其稀有。
宇宙雖然廣闊，物質雖然豐富，但大多單一枯燥，宇宙中的恒星比地球所有沙灘上的沙粒都要多，可是它們和沙子又有多少不同呢？我們的地球就像是無際沙灘上的一枚璀璨寶石，它散發(fā)著迷人的光澤，那是藍色的海洋，富氧的，充滿生機的世界，也很可能是世界所有沙灘上唯一的一枚寶石。
這一篇的內(nèi)容就到這里啦，你有沒有什么從小到現(xiàn)在都一直很困惑的問題呢？可以把你的問題寫在下面的評論區(qū)，酋知魚或許就會在下一篇文章中為你解答呦！咱們下一篇再見！
