不會讀「鴻鵠之志」不要緊，是不是北大的都該知道這些！

最新 05-24

讀錯「鴻鵠之志」的，絕非北大的林校長一人，而不知道「遠緣雜交」、「轉基因」、「基因編輯」，甚至提到「轉基因」就談虎色變的人，是不是更多呢？讓大象與豬、蛇與蠶遠緣雜交那是笑話，但我們的主食之一小麥，卻是通過遠緣雜交演化而來的。現代的轉基因技術、基因編輯技術，讓許多人們以前不敢想像的願望成為現實。了解一點科學常識，與不讀錯字同樣重要！

本刊上一期發表的「第一千零二夜的故事」，講述了北大教授在大躍進年代所從事的科學研究--動物遠緣雜交的奇葩經歷：象與豬雜交，想讓豬長得像大象那麼大；蛇與蠶雜交，要培養像蛇那麼大的蠶寶寶。如果你以為那樣的事情只會發生在那樣的年代的話，你就大錯特錯了。

兩個月前，知呼網站上有這樣一則帖子：

我們學校有一個教授，他做了很多年的試驗，通過某種技術手段在做「遠緣雜交」。主要是以植物為母本（小麥、玉米，應該也還有其他），用自製試劑（可使柱頭鈍化，使花粉進入）與父本混合（以前跟他做過小麥x含笑、芒果、扶桑、黃皮等等，技能操作，現在跟他做玉米x奇亞籽，正在實驗中），然後塗抹在柱頭上，重複授粉，接著就等收穫了。這種操作很簡單甚至有點令人難以置信。以他的話是，通過這種方法，可以讓任何兩種東西雜交（最遠到動物與植物），他之前做了一個奶牛X玉米品種送去了華大做基因檢測，但結果未出來。對於他，學校大多主流老師都覺得他這是偽科學，不承認他的做法，很是鄙視。其實我也有些疑惑，為什麼這種雜交出來，形態仍然是母本（玉米和其他雜出來是玉米），沒有一點父本的形態，而且後代很多都可育，相比之下，我更覺得這是一種轉基因，......

無論是上個世紀六十年代還是今天，奶牛都不可能與玉米雜交！但採用現代基因工程的方法，將一段奶牛的基因導入玉米還是可行的。比如說用玉米生產牛奶蛋白，這一願望早在十年前就已經實現了。 2008 年美國依阿華州立大學（Iowa State University）的保羅.斯考特教授（Paul Scott）通過轉基因技術，在玉米的胚乳中生產出了牛奶蛋白的主要成分--α-乳清蛋白，並改善了玉米的氨基酸平衡（Transgenic maize endosperm containing a milk protein has improved amino acid balance )。

那麼，如果不通過轉基因的方法，能不能實現植物與植物、動物與動物，甚至動物與植物之間的遠緣雜交呢？

讓我們首先來弄清楚什麼叫「遠緣雜交」。

遠緣雜交就是不同種間、屬間,甚至親緣關係更遠的物種之間的雜交。物種是生物分類的基本單位，一般所說的種即是物種。

在有性生物中，物種是一個統一的繁殖群體，是由佔有一定空間、具有實際或潛在繁殖能力的種群所組成，而種群與其它的生物群體在生殖上是隔離的。

血緣關係近的，比如馬和驢交配生的騾子，獅子和老虎交配生的獅虎獸或者虎獅獸，這些後代基本都沒有繁殖能力，這叫生殖隔離。所以馬與驢、獅子與老虎，在生物學上都是名副其實的、相互獨立的物種。

狗有很多很多的品種，但不同品種之間沒有生殖隔離，各種狗都能「雜交」產生後代；同樣，狼和狗的後代依然能交配繁衍後代，所以說，狗只是狼的一個亞種。

各種膚色的人都是從非洲原始人衍生而來的，都能通婚，生出健康的娃娃，沒有生殖隔離。所以說，人類同屬於一個物種 (Homo sapiens)，染色體數目完全相同，都是 23 對。

因為人類的繁殖方式是有性繁殖，所以我們常常不會意識到，這僅僅是自然界物種繁殖的方式之一。實際上，許多物種都採用無性繁殖，例如病毒、細菌等微生物，等足目和輪蟲綱的動物，它們都只有一種性別。它們的後代就是自身的複製，除了極少數的變異外一般與自身完全相同。

大約三、四十億年前，地球上出現了第一個生物，它無疑是一個簡單的化學分子。生命從此開始了嗎？還沒有。

只有當這個生物開始生殖時，生命才真正存在。生命是通過生殖而存在的！此後，生物通過分子和細胞的不斷分裂和繁殖而保持著生命。同時，生物也在進化：既不斷地創造新的個體，又創造著互不相同的新物種。

複製式的生殖和通過變異實現的進化，是生命初始階段的兩大基本特點。那時：既無性別之分，也無性的機能。

無性繁殖有許多優點。首先，無性繁殖的物種可似完全免去尋找和選擇配偶的難題。其次，所有基因都可以毫無損失地保留下來。無性繁殖的這些優點恰好是有性繁殖的缺陷。

到了植物和昆蟲的階段，大自然的進化開始加速，因為它們出現了真正的性別。其最基本的區別是，各自具有構造不同和功能不同的生殖器官，分別產生和傳播雄配子（精子）和雌配子（卵子）。

因此，科學把這種生殖器官的差異特徵，叫做第一性徵或者基本性徵。兩性之間不同生殖器官的分化，將生物帶進了一個嶄新的階段——有性生殖。

產生有性生殖功能的意義巨大，一是可以更可靠、更有效地生殖，創造新個體；二是在精子與卵子的結合中，變異的可能和概率，都比分裂或者複製式生殖大得多。因此可以說，從細菌到人的整個生物界，之所以能生生不息，能分化創造出如此豐富多彩的萬千氣象，恰恰是靠了人們所最不願明言的兩性生殖器官。

另一方面，有性繁殖的物種面臨著求偶和擇偶的難題，這需要耗費大量的時間和資源。而且，有性繁殖的個體，只有一半的基因遺傳給後代，較之無性繁殖的物種損失了50%。

既然有性繁殖要花費這麼大的代價，為什麼還會被進化而來呢？眾所周知，有性繁殖最重要的優勢是產生了基因多樣化的後代。較之於無性繁殖的後代與父母完全相同（除了突變),有性繁殖的後代，與父母的基因有所不同，後代之間亦是如此。

這兩種手段，尤其是後一種，大大促進了多樣性。龍生九子，子子不同，說的就是這樣一個事實。有性生殖的生物都有兩份染色體，一個有利的顯性基因，可以掩蓋與之等位的、不利的隱性基因，這樣，親代在改變後代的基因時，就會更「保險」一些。這種現象還造成另一種後果，就是有性生殖可以暫時保存不利基因，維持了基因的多樣性。這樣在當顯性基因不再適應環境時，與之等位的隱性基因可以迅速上位。

有一個著名的觀察實驗，講在一個地方的蛾子大部分都是白色的，只有少數是褐色的，因為他們棲息的樹榦的顏色也是白色的。白色是他們的保護色。後來一家排煙的工廠搬到這個地區，濃煙很快把樹榦熏成了褐色。幾年後發現，這裡的蛾子大部分都是褐色的了。在褐色樹榦的環境中，褐色的蛾子不容易被天敵發現，具有生存優勢。而這種顏色的快速切換，只有有性生殖才能做到，無性生殖是做不到的。

有一些低等動物，比如扁蟲，既可以無性的出芽生殖，又可以有性生殖。如果水質良好，食物充足，他們就出芽生殖；如果年景不好，他們就紛紛尋找生命的另一半，完成有性生殖。它們的選擇耐人尋味。適應環境的時候，就盡量保持基因的不變，而一旦環境發生劇烈變動，就用變異率高的方式求得後代對環境的適應。

從植物到魚類，雖然有了兩性的生殖器官，卻還沒有兩性之間的交配! 植物靠風或者昆蟲，魚類靠水流，來實現其基本生殖過程——精子與卵子的相遇和結合。

雖然大多數的植物都保持了無性繁殖的能力——將植物的一段嫩頭插在水裡，很快就能長出根來，成為一個新的完整的個體；將任何一株植物的活細胞分離出來，作組織培養，都能長成一個完整的植株。植物細胞的這種「全能性」是動物細胞所不具備的。

但在自然狀態下，植物一般都是通過有性繁殖的方式來繁衍後代的。春天讓很多人過敏的花粉，便是植物的雄花釋放出的「精子」，那些天文數字的花粉粒，能夠碰到雌花並受精產生後代的幾率是非常低的！植物的所採取的策略無疑是廣種薄收，以量取勝。

魚類比植物也好不到那裡去。大多數魚類是雌雄異體，卵生。雌魚的生殖腺為卵巢，到生殖季節發育長大後，可占體腔的大部分；雄魚的生殖腺在生殖季節也增大，叫魚白，是產生精子的場所。著名美食魚子醬便是鱘鰉魚卵、鮭魚卵等的腌製品。

魚類的受精方式絕大部分是體外受精，魚爸、魚媽分別把精子和卵子排入水中，精子和卵子依靠在水中的隨機碰撞而受精；胚胎髮育在體外進行，胚胎髮育完全依靠卵內的營養物質。所以，對於魚類而言，養兒育女的魚水之歡其實是無歡可言！

像植物和魚類這樣的生物，在大自然中隨意「傳精送寶」、廣種薄收的還有很多很多！春季天空中，同時飛揚著各種各樣的花粉，春夏之交，水塘中許多魚兒同時產卵，雖然物種間有生殖隔離，那會不會有誤中、誤傷的呢？

有，肯定有！現在種植的普通小麥，就是由三種野生植物，經過兩次天然的遠緣雜交、九千多年的自然選擇和人工選擇而形成的。

人類最早種植的小麥叫一粒小麥，一粒小麥的產量是很低的；以後是二粒小麥，二粒小麥就是由一粒小麥與擬斯卑爾脫山羊草，經天然遠緣雜交而產生的，二粒小麥的產量高，慢慢取代了一粒小麥；二粒小麥又遇到另外一種田間雜草叫粗山羊草，通過二粒小麥和粗山羊草之間的雜交和染色加倍，形成了普通小麥，又經過了五千多年的自然選擇和人工選擇，最終形成了我們今天種植的現代小麥。

如今小麥已成了小麥屬作物中的集大成者，不僅產量提高了，另外還有一個非常重要的變化，就是普通小麥的麵粉，可以發麵做成饅頭，做成麵包，二粒小麥的麵粉沒有這個功能，是不能發麵的，這個基因是從粗山羊草裡面來的。因此說，小麥的進化歷史就是一部遠緣雜交史。

遠緣雜交最重要的意義在於，它打破了種屬間，自然存在的生殖隔離，把兩個物種經過長期進化積累起來的有益性狀重新組合！天然的遠緣雜交，在許多植物的進化上發揮了重要作用；科學的人工遠緣雜交育種，在創造植物新類型、新性狀和獲得有應用價值的新品種方面意義重大。

由於各物種間存在不同程度的生殖隔離，使得遠緣雜交在很多情況下都難以成功。除了時空隔離這一非生物因素外，與植物體自身相關的障礙是主要因素。一粒小麥、二粒小麥、擬斯卑爾脫山羊草、粗山羊草之間畢竟還有一些關聯，而麥子與玉米或水稻之間的「親事」那是完全沒有可能的。

所謂的遠緣雜交，也僅限於近緣種、近緣屬之間才能發生。不同屬、科間雜交很難成功，更不用說植物和動物或微生物之間的遺傳信息交流。為了快速向目標物種中轉移優良基因，科學家發明了轉基因技術。

轉基因技術，是指將人工分離和修飾的外源基因導入受體生物基因組中，以改善生物體的特定性狀。轉基因的受體生物可以是微生物、植物和動物，分別稱作轉基因微生物、轉基因植物和轉基因動物。

轉基因微生物：將需要轉入的基因裝在合適的載體質粒（一段環狀DNA）上，再轉到受體微生物中，這就是轉基因微生物，也是人們所熟知的「經典基因工程」。例如，1978年美國將人的胰島素基因轉入大腸桿菌中，使大腸桿菌也可以合成人的胰島素；將干擾素基因轉入酵母中，獲得了可以合成干擾素的酵母。經過 40 年的發展，基因工程已經成為年銷售額超過千億美元的生物製藥產業。

轉基因植物：自 1983 年世界上第一株轉基因植物問世以來，已成功獲得 200 多種轉基因植物。目前，轉基因農作物中應用最廣泛的種類是轉抗蟲基因（ Bt基因）和轉抗除草劑基因（ Ht基因）。前者使作物具有抗蟲的特性；後者使作物具有耐除草劑的特性。

轉抗蟲基因作物的培育過程大體是，把一段源自蘇雲金芽孢桿菌的毒素基因，通過轉基因技術整合到作物的基因組中，並使其產生蘇雲金芽孢桿菌毒素，蟲子吃了這種植物後即中毒死亡，起到了殺滅害蟲的作用。已育成的轉 Bt 基因的作物有玉米、水稻、棉花、煙草、馬鈴薯和番茄等。

抗除草劑轉基因作物的培育過程類似，現已大面積種植的抗除草劑（草甘膦）作物有大豆、玉米、棉花、油菜和甜菜等，正在逐步推廣的還有水稻、煙草、向日葵、番茄、花生、馬鈴薯、胡蘿蔔、南瓜、菠菜、洋蔥、番木瓜等20多種作物。

轉基因動物：將外源基因整合到受體動物細胞基因組中，從而形成在體內表達外源基因的動物。哺乳類動物的基因轉移方法，是將改建後的目的基因（或基因組片段）用顯微注射等方法，注入實驗動物的受精卵（或著床前的胚胎細胞），然後將此受精卵（或著床前的胚胎細胞）再植入受體動物的輸卵管（或子宮）中，使其發育成攜帶有外源基因的轉基因動物。

轉基因動物除了可以用來生產某種人們所需要的蛋白質，比如用山羊作為生物反應器，已經在羊奶中得到了幾十種人們所需要的蛋白質之外，轉基因動物最廣泛的用途，是利用轉基因動物做成的各種人類疾病的動物模型。

傳統的轉基因技術雖然行之有效，但成功率低。近年發展起來的基因編輯技術則更為便捷、有效。

基因編輯：是指通過 CRISPR 技術，對目標基因進行「編輯」，實現對特定 DNA 片段的去除、加入等。CRISPR 全名為: 規律成簇的間隔短迴文重複（ Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/CRISPR-associated proteins ），它是存在於細菌中的一類基因序列，該類基因序列中,含有曾攻擊過該細菌的病毒基因片段。細菌通過這些基因片段,來偵測並抵禦類似病毒的攻擊，摧毀其 DNA。CRISPR 技術自問世以來，就有著與其它基因編輯技術無可比擬的優勢，技術不斷的改進後，更被認為能夠在活細胞中最有效、最便捷地「編輯」任何基因。

CRISPR 系統具有搜索和替換 DNA 的雙重功能，可以通過替換鹼基，輕易地改變 DNA 的功能，因此被認為是本世紀最重要的基因工程技術之一。這一革命性技術的發明人之一，麻省理工學院的華人教授張鋒，最近被評為美國科學院院士。

另一位，因基因編輯技術而聞名於世的是河北科技大學的韓春雨。2016 年 5 月 2 日，韓春雨課題組在《自然-生物技術》上發表了 NgAgo 技術的論文。

在論文中，韓春雨報告稱，他在哺乳細胞系統中使用 NgAgo 技術，以 DNA 為嚮導，對 DNA 雙鏈進行了高效的切割。

論文發表後，在國內外引發強烈關注，甚至被個別媒體譽為「諾貝爾獎級」實驗成果。但此後不久，該論文內容就陷入爭論：有人提出韓春雨的試驗無法重複，有人說可以重複，彼此爭論不休、難有定論。

2017 年 8 月 3 日，《自然-生物技術》發布聲明稱，韓春雨團隊主動申請撤回其於 2016 年 5月2 日發表在該期刊的論文。

自 2012 年被證實具有基因組編輯功能以來，CRISPR/Cas9 已經成為深受實驗室喜歡的工具，並在糾正致病突變、尋找癌症免疫療法的必需基因、解決器官異種移植關鍵難題等領域創造了多個突破和成果。但是該技術仍然存在一些局限性，例如「編輯範圍有限」、「脫靶效應」等。

很多研究團隊一直試圖優化這一工具。哈佛大學 /Broad 研究所的華裔科學家 David R. Liu 便是其中的一員。2018 年 2 月 28 日，他的團隊公布了一種 CRISPR/Cas9 的「升級版」，將其命名為「xCas9」，並證實其在基因編輯時更靈活、更精確——可以靶向更多的基因位點，並減少「錯誤編輯」的風險。

與轉基因老鼠、轉基因兔子等基本一樣，轉基因非人靈長類動物的培育方法並不複雜，2008 年，中國第一例轉基因猴子在昆明出生。

轉基因猴：採用類似與小鼠轉基因的方法，研究人員先從雌猴體內取出卵子，使其體外受精，獲得了 81 個胚胎。在胚胎不同發育階段，將綠色熒光蛋白基因注入。經過 3-5 天培養，有 70 個胚胎產生了綠色熒光蛋白。從中選出了 30 個囊胚，植入 8 個「代孕媽媽」體內，其中 5 個懷孕，1 個三胞胎，4 個單胞胎。考慮到三胞胎難以存活，研究人員提前將其取出，經檢測，其中一個有綠色熒光蛋白。4 個單胞胎則順利出生，其中 2 個有綠色熒光蛋白。

克隆猴：是用細胞核移植技術，使用成年猴的體細胞（分化細胞）核作為供體而獲得克隆猴的。自 1996 年第一隻克隆羊「多利」誕生以來，20 多年間，各國科學家利用體細胞技術，先後克隆了牛、鼠、貓、狗等動物，但一直沒有能夠解決與人類最相近的非人靈長類動物克隆的難題。科學家曾普遍認為現有技術無法克隆靈長類動物。

2018 年 1 月，中科院神經科學研究所孫強團隊經過 5 年努力，成功突破了世界生物學前沿的這個難題。利用這一技術，可望培育出大批基因編輯和遺傳背景相同的模型猴。目前，中國每年出口獼猴數萬隻，主要被國外的研究機構用於科學研究、藥物篩選。有了體細胞克隆猴技術，科研人員就可以使用體細胞在體外有效地做基因編輯，產生基因型完全相同的大批胚胎，研製大批遺傳背景相同的模型猴。