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五堂极简生物课 改变世界Changing the World
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2012年，我原本计划去斯科特基地的南极研究站。我一直向往去广袤的南极冰原——真真正正的世界尽头——这次终于有了机会。但我必须在临行前做一次例行体检，结果却出人意料。有生以来，我不得不第一次直面自己的死亡。
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我有严重的心脏病。获知这个令人不悦的消息后，不出几周，我就接受全身麻醉，躺在了手术室里。外科医生打开我的胸腔，找到了那些有毛病的血管，它们已无法为我的心肌提供足够的血液。然后，他从我的胸腔中取出四小段动脉，又从腿部取出一段静脉，再将它们移植到我的心脏，使血液能够绕过问题区域。几小时后，我醒来了，浑身伤痕累累，但心脏已被修复。
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那次手术救了我的命。除了为我治疗的医务人员技术高超且富有同情心外，手术能圆满成功完全取决于我们对生命的理解。每一个步骤都基于我们对人体和器官组织、细胞和化学的认知。麻醉师很有把握他给我打的麻醉药会以可逆的方式使我的大脑失去知觉。一种特制的溶液被注入我的心脏，使它完全停止跳动几小时。溶液中含有钾，医生们确定其浓度足以改变我的心肌细胞的化学反应，让它们彻底放松。一台机器暂时替代了我的心脏和肺部，它能以正确的速度给我的血液供氧并输送血液。在手术期间和手术后，医生给我注射了抗生素，以防止细菌感染。如果人类没有积累这些有关生命的知识，今天的我就可能没有机会写下这些文字。
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随着对生命的理解日益加深，我们已获得了巨大的新力量，可以操纵和改变生物。但我们必须正确地使用这种能力。生命系统是复杂的，所以，如果我们尚未对生命有足够的了解就贸然地干预生命，肯定会出问题——引发的问题可能比我们已解决的问题还要多。
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纵观历史，大多数人不是老死的，而是死于传染病。细菌、病毒、真菌、蠕虫和其他一系列寄生虫和瘟疫夺走了无数人的生命，许多人尚在婴儿期就夭折了。14世纪席卷全球的黑死病夺走了将近半数欧洲人的生命。在大部分历史时期里，死亡始终是日常生活中的隐患。
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当今世界已不再如此。只要有疫苗、卫生设施和抗菌药物，我们就有必要的工具来预防、治疗或控制很多曾经害死无数人的传染病。就连一度被一些人称为下一个大瘟疫的艾滋病毒，现在通过正确的护理，也可以被当作稳定的慢性病来治疗。想想过去的几千年里，医疗保健主要靠迷信、含糊的解释和一系列未经证实、有时甚至是危险的治疗方法，这种转变真的堪称奇迹。这一切都有赖于我们对生命的认识，它源自科学，然后被应用于全世界。
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然而，就防治传染病这一古老祸害而言，我们仍有漫漫长路要走。我在2020年春天写下这些文字的时候，新冠病毒正在全世界范围内蔓延。就像这次的新冠肺炎一样，很多病毒感染都会让人丧失正常功能，甚而丧命。2014—2015年，西非爆发了埃博拉疫情，虽然疫情之下，有效的疫苗以令人称奇的速度被研发了出来，但是，只有当这些疫苗能够及时触达那些需要疫苗的人时，这种干预措施才能对他们有所帮助。无论是富裕的国家还是贫穷的国家，至今仍有太多人无法得到完全有效的治疗。同样令人吃惊的是，一些发达国家的政治家竟然无视科学家和专家的建议，在应对此类流行病和瘟疫时欠缺有力的措施。这种忽视已然导致严重的后果。纠正这种偏颇当数人类的当务之急。
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我们生活在有良好医疗服务的社会里实属幸运，应该珍惜我们从中得到的保护。文明社会的标志之一是医疗服务——比如我在英国国家医疗服务机构接受的心脏手术——在实施时是不收费的，不管病人有没有支付能力。治疗时就收费的医疗体系对最贫穷的人来说太苛刻了，基于风险的保险体系也是在惩罚那些最需要医疗服务的人。还有一些人在没有充分证据的情况下肆意评判疫苗的安全性和有效性。他们应该记住，拒绝经临床认证的有效疫苗，是一个道德问题。他们这样做不仅是在危害自己和家人的安全，也是在危害周围许多人的安全，因为那会破坏群体免疫，让传染病更容易传播。
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然而，在与传染病的斗争中，我们永远不会大获全胜。这是因为自然选择的进化。由于大多数细菌和病毒可以快速繁殖，它们的基因也能快速适应。这意味着新的疾病菌株随时都会出现，它们不断进化出巧妙的方式来避开或欺骗我们的免疫系统和药物。这就是为什么耐药性增强会成为威胁。这是自然选择在发挥作用，而且这一切就在我们眼皮底下发生，后果也令人警醒。让细菌接触抗生素，但实际上抗生素并没有将它们完全杀死，这使得它们更有可能进化出对药物的耐药性。这就是为什么要服用正确剂量的抗生素——而且只在真正需要使用的情况下——并服完医生开给你的整个疗程的药物。如果不这样做，不仅会危及你的健康，也会殃及他人的健康。同样很危险，甚至更危险的是，给动物喂饲低剂量抗生素以使其快速成长的养殖系统。
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现在出现了一种能够抵抗我们所能采用的一切干预措施的细菌菌株，它们正在引发我们无法治愈的疾病。这样的耐药细菌可能会使医学倒退，让数百万人的生命受到威胁。试想那样的世界吧：你或家人只是被玫瑰花刺划伤、被狗咬了一口，甚至只是去医院看个病，结果就被一种无药可医的传染病击倒了。但我们绝不能因为这种威胁而听天由命。发现问题极其重要，因为它是解决问题的第一步。我们可以且必须更谨慎地使用我们现有的抗菌药物；我们还可以设计出更好的方法来检测和追踪耐药性传染病；我们需要开发有效的新型抗菌药物，并确保相关研究人员得到充分的扶持。我们必须动用关于生命的一切知识来解决这个问题——这可能决定了我们的未来。
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随着医疗水平的提高，传染病的威胁被逐渐削弱，人类的平均寿命已稳步上升。但是，人们的寿命延长了，就不得不面对一系列让人痛苦的非传染性疾病，包括心脏病、糖尿病、一系列心理疾病和癌症。其根本原因是老龄化和亚健康的生活方式。在全球范围内，这些疾病都呈上升趋势，给患者和想要了解、治疗它们的科学家们都带来了巨大的挑战。
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就说癌症吧——癌症其实不是一种疾病，而是多种疾病。每一种癌症都不一样，而且，每一种病症都会随着时间推移而改变，所以，晚期癌症往往像一个自在自洽的生态系统，包含许多不同类型的癌细胞，每一种都含有不同的基因突变。再次重申，这就是自然选择的进化的结果。当细胞出现新的基因变化和突变，导致它们开始以不受控制的方式分裂和生长时，癌症就产生了。癌细胞之所以能旺盛滋长，是因为它们具有选择性的优势：它们可以垄断身体的资源，比周围未突变的细胞生长得更快，并且无视身体的“叫停”信号。
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最有希望的一些癌症治疗新方法都得益于我们对生命的进一步理解。比如，癌症免疫疗法试图让人体免疫系统可以识别和攻击癌细胞。这个办法很聪明，因为免疫系统可以针对癌细胞发起精确的攻击，而不会伤及附近的健康细胞。我和同事们在低等酵母菌的细胞周期方面所做的工作也引生出了一些新的治疗方法。有一种药物能与CDK细胞周期控制蛋白的人类版本结合，并令其失去活力，现已被用于治疗许多患有乳腺癌的女性。40年前，我根本想不到研究酵母细胞竟会最终直接影响癌症治疗的新方法。因为癌症是细胞的适应和进化能力的必然结果，我们永远无法彻底消除它。但随着对生命的理解日益深入，我们也将越来越能及早发现癌症，且更有效地治疗癌症。总有一天，癌症不会再像现在这样引发人们的恐慌，对此我很有信心。
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要想加速解决癌症和其他非感染性疾病，解码我们基因中的信息能提供重要的新方法。2003年，人类基因组的第一份DNA序列草案面世，这预示着通往预防医学崭新未来的大门已被打开。许多参与其中的人都期待着未来的世界——在那个世界里，任何人的遗传风险因素都可以在出生的那一刻被准确地计算出来，包括预测这些风险将如何随着生活方式和饮食的变化而变化。不过，无论从科学还是伦理层面上说，实现这一目标都是极具挑战性的。
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究其缘由，部分是因为生命的复杂性深不可测。孟德尔在他的花园里研究的豌豆苗能表现出非此即彼的鲜明特征，但这样的人类特征少之又少。有一些疾病也是以类似方式发生的，即由单个基因的缺陷导致，其中包括亨廷顿病、囊性纤维化和血友病。整体而言，这些疾病带来了大量的痛苦和折磨，但每种疾病影响的人数相对较少。相比之下，包括心脏病、癌症和阿尔茨海默病在内的多数常见疾病和失调是由更多因素诱发的，是许多个基因以复杂和难以预测的方式相互作用，并与我们生活的环境相互影响所带来的综合效应导致的。先天的本性和后天的养育纠缠在一起，交织出了错综复杂的因果链，我们已着手解开这个难解的谜团，但所有的进展都来之不易，也都是急不来的。
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在这个领域，将生命理解为信息已成为显学。研究人员正在积累极其庞大的数据——其中包含了从多达数百万人生活中收集的基因序列、生活方式信息和医疗记录。但是，厘清如此庞大的数据库是极其困难的。基因和环境之间的相互作用是如此复杂，以至于研究人员们正在尽力拓展现有技术的极限，包括尝试机器学习等新方法。
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不过，不少有用的认知正在浮出水面。比方说，我们现在可以利用基因图谱来判断什么人患心脏病或肥胖症的风险较高。我们可以以此为依据，针对不同个体的生活方式和药物治疗提出定制化的建议。这是有益的进步，但随着对基因组进行准确预测的能力越来越强，我们必须认真思考如何才能最好地利用这些知识。
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对健康不佳者进行准确的基因预测，会给个人健康保险制度资助的医疗系统带来特殊的困难。如果不严格控制基因信息的使用，人们可能会发现自己被认定为不可投保，甚而被拒绝治疗，或被收取无力承受的高额保险费，但这并非因为他们自身有错。而在提供“医治时免费、医治后付费”的医疗系统中就不存在这样的问题，因为他们反而能够利用基因预测在判断易染病方面的进步，更容易地对疾病加以预测、诊断和治疗。话虽这么说，这样的知识终究是不易被接受的。假设基因科学发展到能够合理且准确地预测你最有可能在何时，以及如何死亡的地步，你会想知道吗？
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还有一点要注意的是，解读那些影响非医疗因素——诸如智力水平和教育程度——的遗传因素。随着对个人、性别和人群之间的遗传差异的了解加深，我们必须确保这些知识绝不会被用作歧视的依据。
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与读取基因组的能力同步发展的是编辑和重写基因组的能力。有一种被叫作CRISPR-Cas9的酶，堪称功能强大的工具，其作用就像一把分子剪刀。科学家可以用它在DNA上进行非常精确的切割，以增加、删除或改变基因序列。这就是所谓的基因编辑，或基因组编辑。自1980年前后以来，生物学家们已能够在简单的生物体——比如酵母中——实施这种编辑，这也是我研究裂殖酵母的原因之一，但CRISPR-Cas9可以极大地提高编辑DNA序列的速度、准确性和效率。因为有它，编辑更多物种的基因变得更容易了，其中也包括人类的基因。
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假以时日，我们可以期待基于经过基因编辑的细胞的新疗法。研究人员已经在制造对特定感染（如HIV）有抵抗力的细胞，或者用经过基因编辑的细胞来攻击癌症。但就目前而言，试图编辑早期人类胚胎的DNA是极其鲁莽的做法，这将导致新生儿的所有细胞，以及他们未来可能生育的孩子的细胞发生基因变化。目前，基因疗法可能会意外改变基因组中的其他基因。然而，即使只是编辑所需的基因，基因的改变也可能会造成难以预料的、有潜在危险的副作用。我们对人类基因组的了解还不够充分，因而无法确定。也许会有那么一天，基因改写被认为是十足安全的，且能让无数家庭摆脱亨廷顿病或囊性纤维化之类的遗传病。但将其更多用于修饰目的——比如创造具有更强的智力、惊人的美貌或非凡的运动能力的婴儿——则完全是另一码事。这个领域涵盖了当今最棘手的伦理问题之一，即生物学在人类生活中的应用。虽然目前关于通过基因编辑设计婴儿的言论热火朝天，但随着科学家们在预测遗传影响、修改基因和操纵人类胚胎和细胞方面发展出更强大的能力，许多未来的父母将在未来几年或几十年里不得不考虑一些艰难的问题。这些问题需要全社会共同讨论，而且现在就该讨论起来。
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在生命的另一端，细胞生物学的进步和发展提供了治疗退行性疾病的方法。比如干细胞：人体使其维持在未成熟状态，就像早期胚胎中的细胞。干细胞最重要的特性是能反复分裂，产生新细胞，再经分化拥有特定属性。成长中的胎儿和婴儿体内含有大量干细胞，因为他们需要源源不断的新细胞。但干细胞在成人身体停止生长后，也会长期存在于身体的许多部位。在你的身体里，每天都有数百万个细胞死亡或脱落。这就是你的皮肤、肌肉、肠道内壁、眼睛角膜边缘和其他身体组织都含有干细胞群的原因。
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近年来，科学家们已经研究出如何分离和培养干细胞，并促使它们发育成特定的细胞类型，比如神经、肝脏或肌肉细胞。现在，我们也可以从病人的皮肤中提取出完全成熟的细胞，对其进行处理，倒转发育时钟，让它们回到干细胞状态。这会带来一个令人激动的前景：有朝一日，只要用拭子在你的口腔侧壁刮一下，就能让那些细胞生成你身体中几乎任何部位的细胞。如果科学家和医生能完全掌握这些技术，并确保安全，就有可能革新退行性疾病和损伤的治疗方法，也能彻底改变移植手术。甚至有可能逆转目前无法治愈的神经系统和肌肉疾病，比如帕金森病或肌肉萎缩。
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这一进展是激发人们展开大胆预测的部分原因所在，其中许多预测来自硅谷的一些公司。他们认为在不久后的将来，我们就有可能遏制，乃至逆转衰老。而重要的是，让这些说法确凿地基于现实与实践。就我个人而言，大限将至时，我不会因为期待未来不太可能出现的情况——我可能会被唤醒，重获青春并永生——而选择低温保存我的大脑或身体。衰老是身体细胞和器官系统受损、死亡并遵循预定程序永久关闭的最终产物。哪怕有些人身体健康，皮肤也会失去弹性，肌肉不再结实，免疫系统的反应能力下降，心脏的力量慢慢衰竭。归根结底，这一切的原因不一而足，因此不太可能有一劳永逸、直截了当的解决办法。但我毫不怀疑，在未来的几十年里，人们的预期寿命将会不断提高，更重要的是，老年生活质量将得到改善。我们不会长生不老，但都能受益于更加完善的治疗方法——干细胞、新型药物、基因疗法以及健康的生活方式相结合——使衰老和患病的身体的诸多部分重获生机。
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