趙言昌
這幾年,“為學(xué)生減負(fù)”的呼聲很高,與“雙減”有關(guān)的政策和舉措也是層出不窮。不過(guò),中考、高考都是選拔性考試,有這兩座大山橫在眼前,學(xué)??偛豢赡茏兂捎螛穲?chǎng)。
在閱讀科學(xué)新聞的時(shí)候,或許你也想過(guò):能不能克隆一個(gè)我,代替我去上學(xué)呢?讓我們翻翻生物課本,從中尋找一些線索。
神奇的胚胎發(fā)育
在聊克隆之前,咱們先來(lái)看一個(gè)案例:2017 年,中國(guó)某地發(fā)生了一起傷人事件,現(xiàn)場(chǎng)的血跡屬于一位女士,法醫(yī)卻不敢相信自己的檢測(cè)結(jié)果——從性別基因的角度說(shuō),那份血跡應(yīng)該屬于一位男士。
后續(xù)研究顯示,這是一例先天性嵌合體。我們的遺傳物質(zhì)來(lái)自受精卵,如果子宮里存在兩個(gè)受精卵,而后它們互相融合,便會(huì)形成嵌合體。拿上面的例子來(lái)說(shuō),當(dāng)事人含有男、女兩套遺傳物質(zhì),血液的遺傳信息屬于男性,頭發(fā)的遺傳信息則屬于女性。
先天性嵌合體十分罕見,胚胎發(fā)育一旦出現(xiàn)異常,多以流產(chǎn)、畸形告終。正常情況下,從受精卵到嬰兒要經(jīng)過(guò)這樣的流程:受精卵一邊分裂,一邊往子宮移動(dòng),一變二、二變四,緊緊黏成一團(tuán);等細(xì)胞數(shù)目達(dá)到100 個(gè)左右,會(huì)形成一種獨(dú)特的結(jié)構(gòu),外面是一層殼,中間空空的,內(nèi)側(cè)散落著一些細(xì)胞,像是往書包里放了幾枚雞蛋,我們稱之為囊胚或是胚泡;囊胚的外殼會(huì)與子宮相接,慢慢演化成胎盤,其內(nèi)側(cè)那團(tuán)看似雜亂的細(xì)胞則擁有發(fā)育成胎兒的潛力。
胚胎發(fā)育還有一個(gè)特別的地方,它是單向的。從月季上剪下一段枝條,插入泥土之中,它便會(huì)生根、發(fā)芽,成為一株新的月季;從我們手上撕下一塊皮膚,放到培養(yǎng)皿中,它不可能重新變回胚胎,更不可能發(fā)育成另一個(gè)人。
為了解釋這一現(xiàn)象,德國(guó)科學(xué)家奧古斯特·魏斯曼于1883 年提出了種質(zhì)論:受精卵里的遺傳物質(zhì)最全,之后每一次分裂,新生的細(xì)胞都會(huì)丟失一部分遺傳物質(zhì)。因?yàn)檫z傳信息逐級(jí)減少,所以人類的發(fā)育是一個(gè)不可逆的過(guò)程。
頭發(fā)創(chuàng)造的奇跡
我們可以將受精卵記為β,將其第一次分裂產(chǎn)生的兩個(gè)子代記為a 與b。按照魏斯曼的說(shuō)法,β 含有發(fā)育成一個(gè)個(gè)體的全部遺傳信息,而a、b 在這次分裂過(guò)程中,丟失了一部分遺傳物質(zhì),如果將它們分開,只能得到兩個(gè)殘缺的胚胎。
魏斯曼提出種質(zhì)論之后,確實(shí)有一些科學(xué)家按照這種思路進(jìn)行驗(yàn)證,比如用電流殺死青蛙的部分胚胎細(xì)胞,看看剩下的能不能發(fā)育成健康的個(gè)體。然而,有的實(shí)驗(yàn)顯示能,有的實(shí)驗(yàn)顯示不能。
1902 年,德國(guó)科學(xué)家漢斯·斯佩曼想到,實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不一致也許跟實(shí)驗(yàn)手段有關(guān),強(qiáng)電流對(duì)于胚胎來(lái)說(shuō)過(guò)分劇烈了,如果換用更溫和的手段,或許能在無(wú)傷的情況下分開它們。說(shuō)來(lái)也巧,幾年前他剛剛成為父親,一直保留著女兒嬰兒時(shí)期的一縷頭發(fā)。于是,他找來(lái)蠑螈的受精卵,等到其一變?yōu)槎?,就將嬰兒頭發(fā)當(dāng)作套索,輕輕切入兩個(gè)細(xì)胞之間。結(jié)果,每一個(gè)細(xì)胞都發(fā)育成了新的蠑螈。
斯佩曼的實(shí)驗(yàn)表明,細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)不會(huì)隨著發(fā)育而變化。換句話說(shuō),每一個(gè)體細(xì)胞(生殖細(xì)胞特殊一些)的遺傳物質(zhì)都與受精卵相同。由此,他提出了核移植的構(gòu)想:將一個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞核移入另一個(gè)被去除細(xì)胞核的細(xì)胞,新組成的細(xì)胞應(yīng)該也能發(fā)育。
核移植的構(gòu)想提出于1938 年,當(dāng)時(shí)全世界都不知道它有什么用。但科學(xué)家們?nèi)匀粚?duì)此充滿好奇,開始了各種各樣的實(shí)驗(yàn)。比如,1952 年,美國(guó)科學(xué)家羅伯特·布里格斯和托馬斯·金從蛙卵的囊胚中提取細(xì)胞核,注入未受精的、已經(jīng)被去除細(xì)胞核的卵細(xì)胞內(nèi),成功實(shí)現(xiàn)了核移植。
不該被遺忘的先驅(qū)
尤其值得一提的是,1964 年,童第周先生開展了體細(xì)胞核移植實(shí)驗(yàn):將青蛙紅細(xì)胞的細(xì)胞核注入去核的卵細(xì)胞內(nèi),新組成的細(xì)胞竟然開始分裂了!
紅細(xì)胞屬于體細(xì)胞,與囊胚細(xì)胞有所不同。正常情況下,囊胚細(xì)胞一邊分裂,一邊分化,直至發(fā)育成健康的胎兒;而體細(xì)胞,或者不分裂(比如紅細(xì)胞,成熟以后便不斷工作直至死亡),或者只分裂成特定的細(xì)胞(比如皮膚的基底層細(xì)胞,只會(huì)形成新的皮膚細(xì)胞)。也就是說(shuō),體細(xì)胞固然具有個(gè)體全部的遺傳信息,卻會(huì)根據(jù)自己所處的情況,只表達(dá)其中的一部分。
了解這些,就能明白童第周先生的偉大了——他的實(shí)驗(yàn)表明,細(xì)胞質(zhì)影響遺傳信息的表達(dá);而卵細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)可以解除枷鎖,使體細(xì)胞核內(nèi)的遺傳信息重新活躍起來(lái)。我們今天說(shuō)的“克隆”,就是指體細(xì)胞核移植,將體細(xì)胞的細(xì)胞核轉(zhuǎn)入去核的卵細(xì)胞內(nèi)。
因?yàn)榉N種原因,童第周先生的研究沒有在國(guó)際上產(chǎn)生重大影響。好在國(guó)外的學(xué)者之后也得出了相同的結(jié)論。于是,下一個(gè)問題來(lái)了,體細(xì)胞核與卵細(xì)胞質(zhì)組成的新細(xì)胞,究竟能不能發(fā)育成一個(gè)健康的個(gè)體?
20 世紀(jì)后半葉,科學(xué)家們做了大量的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果有好有壞,具體一點(diǎn)說(shuō),以低級(jí)動(dòng)物為對(duì)象的實(shí)驗(yàn)有不少成功的,以哺乳動(dòng)物為對(duì)象的實(shí)驗(yàn),則因種種技術(shù)原因進(jìn)展緩慢。不過(guò),生命科學(xué)的每一個(gè)進(jìn)步,都意味著大量的實(shí)驗(yàn);反過(guò)來(lái)說(shuō),只要解決了難點(diǎn),看起來(lái)不可思議的事也能變得順理成章。1996 年,克隆羊多利在英國(guó)羅斯林研究所誕生,震驚了全世界。
多利羊之后的征程
多利羊的誕生打開了一扇新的大門,一方面,這意味著人類擁有了“復(fù)制”高級(jí)動(dòng)物的能力,可以挽救瀕危物種、大量培育有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的動(dòng)物;另一方面,激勵(lì)著科學(xué)家更進(jìn)一步——能不能用體細(xì)胞移植的辦法,在實(shí)驗(yàn)室里培育出人類的囊胚?
如果能的話,移植器官短缺就不是問題了。然而,因?yàn)閭惱碇疇?zhēng)、技術(shù)難點(diǎn),這條路走起來(lái)坎坷無(wú)比——直到2013 年,美國(guó)科學(xué)家舒赫拉特·米塔利波夫才宣布,運(yùn)用克隆技術(shù)培育出了人類的囊胚。至于如何誘導(dǎo)內(nèi)細(xì)胞團(tuán)分化成適合移植的器官,則至今沒有明確答案。
但是,慢著,讓我們回過(guò)頭來(lái)想一想:我們的目的是激活體細(xì)胞的遺傳信息,核移植、胚胎培養(yǎng)說(shuō)到底只是手段。到底是什么鎖住了體細(xì)胞的遺傳信息表達(dá)?
是基因。人類擁有2 萬(wàn)多個(gè)基因,它們合成了約6 萬(wàn)種蛋白質(zhì)。有些蛋白質(zhì)與外界交互,使細(xì)胞表現(xiàn)出特定的功能;有些蛋白質(zhì)則影響其他的基因,調(diào)控遺傳信息的表達(dá)。比如,Oct4 基因編碼Oct4 蛋白質(zhì)、Sox2 基因編碼Sox2 蛋白質(zhì),兩種蛋白組隊(duì)之后,可以結(jié)合到特定的DNA 位置,進(jìn)而影響遺傳信息的釋放。
改變基因,細(xì)胞的形態(tài)可能也隨之改變。2006 年,日本學(xué)者山中伸彌通過(guò)基因技術(shù)改變小鼠體細(xì)胞的基因,逆轉(zhuǎn)它們?cè)镜姆只肪€,從而得到了一種類似胚胎干細(xì)胞的細(xì)胞,即誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞。
借助基因技術(shù),加之繞過(guò)了倫理難題,這一領(lǐng)域進(jìn)展神速。2007 年,人類誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞問世;2014 年,日本學(xué)者用這項(xiàng)技術(shù)培育視網(wǎng)膜細(xì)胞,而后移植到患者體內(nèi),結(jié)果顯示,患者的視力有所提高。
這個(gè)領(lǐng)域?qū)?lái)會(huì)變成什么樣子?誰(shuí)也說(shuō)不準(zhǔn)??茖W(xué)難題的解決,動(dòng)輒以百年計(jì),也許下一位突破者,此時(shí)正坐在中學(xué)教室里。
行至文末,不如做兩道測(cè)試題,看看你對(duì)克隆技術(shù)的理解吧!