現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，如今有很多商業機構已經開始推廣DNA檢測業務，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鹼基對，因為鹼基對只有4種類型，最小可以用兩個bit來表示，那麼總的數據量大約是7.9億字節（Bytes），大約是790兆（M Bytes）。這是一個並不怎麼大的數據量，幾十年前的VCD，一部糊得不得了的電影大概就這麼大。

而人體有大約30萬億個細胞。

是的，基因和細胞數量的比例約為1：37974。基因數量遠小於細胞的數量，就連記錄下每個細胞在哪裡的可能都沒有，更不要說還包含諸如神經細胞的連接，發育週期的控制，新陳代謝的節奏。只用一點點信息就完成了如此驚人的偉業，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容，讓思考從那裡開始吧！

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並向下運輸，光線的照射會讓莖的向光面和背光面出現濃度差（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，激活後的蛋白會把生長素運輸到細胞外，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，表現為向光性。

不僅如此，生長素還有另一種功能——頂端優勢。在主幹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。

那麼現在就有三個問題：

1. 為什麼頂端會分泌生長激素？
2. 為什麼同一種化學成分會表現出不同的效果？
3. 說到底，生長素是什麼起效果的？

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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的特定蛋白質結合，二者結合後蛋白質就會激活，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裡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出特定的形態和結構，所以我們多細胞生物的體細胞形態千變萬化，功能極其豐富，這被稱為細胞分化。

那麼受體蛋白質又是從哪裡來的呢？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係，基因影響蛋白質，蛋白質又可以影響基因。

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，比如鳥類胚胎髮育過程中的第一次分化——從囊胚到原腸胚，就是在骨形態發生蛋白、成纖維細胞生長因子、節點信號蛋白、Wnt信號蛋白這四種信號遞質的影響下產生了近-遠軸不對稱，從而讓胚胎細胞發生極性捲曲。這幾句用人話來說就是，哪邊營養好（卵黃方向）就向哪邊卷。發生捲曲後這些細胞就會開始向不同的方向分化，出現內胚層，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。

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，只有正在生髮的尖端細胞其合成生長素的基因才會表達；

而又因為分化後的細胞功能不同，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；

生長素髮揮的過程就是通過受體蛋白達到調控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複雜的生化反應實現的。

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多到不能模擬的可能性

從上面的內容已經能看出一些端倪了，基因從來不會像大家想象中的那樣直接調控一個具體的性狀，一個基因只負責生產一種蛋白質，而這種蛋白質如何參與生物的發育，會產生怎樣的效果則是由“綜合環境”（小到每個細胞內部的具體化學成分，大到宇宙射線的強度和引力）共同決定的。

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境，而綜合環境又會對基因表達塑形。這二者產生了相互影響，是一個頭尾相接的環形邏輯，其中包含著數不清的參數。想用數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）種佈局，比全宇宙所有的原子數目加起來還要多得多！

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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控中在高效到底是怎麼實現的。

我把每個細胞比喻為一個辦公隔間，裡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，而基因是放在抽屜裡的錦囊。

現在所有人正在埋頭工作，因為他們來後的前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容後大家開始了工作——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麼也沒看到，當然什麼也不會發生。

變化發生在日出的時分，一縷美麗的陽光從窗子照進來，這裡奇妙的事情發生了。坐在靠窗戶處的員工又完成一次文檔的錄入後，按程序抬起頭來看了一眼隔板，但這一次不一樣了。他們發現隔板上有字，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”（這裡類比的是光對細胞分化的影響）。

於是當大家還在不停地錄入文件時，有幾個人已經悄然開始了其他工作。錦囊7的內容只有一句話“打開左二抽屜並完成工作”，左二抽屜中放的是好幾份審批文件，審批完成後會發現下面還有一張紙，寫了這麼兩句話“將以上文件分發到其他人手中”、“打開左一抽屜中的錦囊41”。

這些發送到其他人手裡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，所執行的操作也不盡相同。比如其中有一條指令是“已經錄入文檔超過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，不足這個數量，不會對此指令做出響應，（這裡類比的是細胞的極性分化）。

就這樣，經過若干個回合後辦公室每個人都開始執行不同的工作了，而且隨著工作進度的不斷加深，每個人的工作內容也會差別越來越大，他們會增加人手，開闢新部門，開展新業務，從一個數十人的辦公室變成一家員工幾十萬億的巨大公司

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與世界的規律合作

那麼現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。仔細想想就會發現，其中最多的信息都是由一些已經存在於細胞之中的物質和環境信息提供的，比如為什麼所有人都會打字？為什麼左二的抽屜一打開就有幾份文件？為什麼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境中根本不知道會產生什麼樣的結果。

指令“已經錄入文檔超過40個的人打開錦囊213”可以實現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。這一切的實現條件都是因為“門已經在這裡了”而已。

這也就是說，我們生物之所以會發育成這個樣子，其實絕大多數信息來自這個宇宙中的物理規律，化學規律。基因所做的只是投入了一枚小小的石子，這枚石子究竟會出現什麼樣的效果，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，從一片無機的世界裡創造出生命。要問這種精妙高效的邏輯是如何產生的，其實也非常簡單——試出來的，僅此而已。

生命的偉大在於其稀有。

宇宙雖然廣闊，物質雖然豐富，但大多單一枯燥，宇宙中的恆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。

這一篇的內容就到這裡啦，你有沒有什麼從小到現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，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！