既然有报道说人类的基因片段只占DNA序列总长的不到10%，那么这几个问题怎么解答？ 第1页

短回答： 这些看似无用的DNA片段实际上隐藏着生命和进化的奥秘。

长回答：

在人类基因组计划以前，人们对基因的认识是肤浅的：基因通过控制蛋白质的合成间接控制人体的所有生命活动。打开人类基因组的宝库，我们就可以破解生命的所有秘密，治愈所有疾病。然而，当科学家们拿到人类基因组计划结果的时候，他们估计都是这付表情:

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吃惊和失望来自两个方面。

1. 基因的数量难以置信的少。

起初人们估计人类的基因会有10万左右（早期的教科书上都是这样的数字），最后的结果却是大约23000。相比之下，一些我们看来比较低等的生物反而拥有更多的基因。这一结果无疑在万物之灵的自尊上捅了血淋淋的一刀。

（图中和人类站在一起的蛔虫是一种野生的透明蛔虫，身体包含大约1000个细胞）

2. 大量无用的DNA片段。

基因是指包含蛋白质编码的DNA片段。在DNA中，这样的片段只有1.5%。其他的98.5%，看起来就是毫无用处的垃圾。部分垃圾的来源是可以解释的，比如来自其他入侵的病毒DNA。这些DNA在某种特殊的机制下嵌入了人类DNA中，但是已经不能活动，没有任何作用。DNA的目的是寻求自己的生存和复制。从这一角度看，这些DNA无疑是成功的。另外还有一部分来自进化过程中失去的器官，比如人类没有尾巴，但是长尾巴的基因仍然存在于人体的DNA中。

这个小得出乎意料的基因库当然远不足以解释人类所有的生命现象，治愈所有疾病的希望也就成了泡影。但是，人们也认识到，人类生命的最终奥秘也许就隐藏在这些看似垃圾的DNA片段中。与其把它们叫做垃圾，生物学家们更愿意把它们称为DNA中的暗物质。最近十多年的研究，已经逐渐揭开了DNA暗物质神秘的面纱。

在继续往下讲述之前，我们先来看一个基因版的《冒牌天神》的故事。

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有一天，上帝来到你面前：“我最近搓了一个新的星球，准备在上面养几个小动物。但是我这几天有点忙，设计DNA这点小事就就交给你了。要是做好了，以后你就是这个星球的，嗯， 球长。” 压抑着第一次设计生命的激动，你挽起袖子，说干就干。

你知道DNA要包含基因，基因用来生产蛋白质，所以你列出了动物们所需要的所有蛋白质，把它们的信息一一记录在DNA中。同时，你还聪明的想到了用特殊的编码来标注基因片段之间的边界。为了让动物能够进化，你还给予了DNA在复制过程中变异的能力。“我真是太机智了”，你在封面上写下《DNA蓝图1.0》，把设计图交给了上帝。

上帝看了半天，抽出一张图纸，说：”这个刺猬如果生活在一个没有天敌的环境中，刺就没有用了。我希望它的刺可以退化掉。你需要哪些基因变异才能做到？“

你信心十足地指着图说：“没问题，只要制造刺的角质蛋白的基因坏掉就可以了。在这里。”

上帝皱着眉头说：“这样啊，它的爪子也没有了”。你说：“......"。

上帝抽出另一张图纸，说：“这条鱼以后会进化成陆生动物，它的鳍可以变成脚吗？” 你说：“......"

"这头鹿在干旱的时候需要吃高处的树叶，什么样的基因变异可以让它的脖子变长？ 还有这只鸟，它的细长嘴是用来捉虫子的吧？ 在虫子不多的地方，能不能变得粗短一些，可以敲坚果？“

正在你苦苦思索短脖子和长脖子有什么蛋白质上的差异的时候，上帝又说：”这种白马，我觉得身上长一些黑色的条纹比较好看，最好每匹马的条纹都不一样。”

”可是这到底有什么用？“ 在崩溃前，你嘟囔了一句。

”用处嘛，也许， 哦， 对了，它的天敌眼力不太好，可能是色盲。一大群这样的马跑起来可以晃花它的眼睛。” 上帝把图纸扔给你，扬长而去。

幸好你有一个程序员朋友。你请他吃饭，并把你的难题告诉他以后，他哈哈大笑：“果然是隔行如隔山。不是我打击你，你犯了一个很低级的错误。这个系统已经够复杂了，还要考虑系统升级和用户需求变化，你怎么用了一个单层的逻辑结构？”

你眼睛一亮，给他斟了一杯酒，“愿闻其详。”

“首先你要有一个底层函数库，用来做直接和硬件交互的工作。每一个函数都有自己特定的功能，逻辑要尽量简单。在这一层上面，你可以实现一些复杂的控制算法，由于有了底层函数库，你在设计控制算法的时候就不需要考虑硬件细节了。如果算法很复杂的话，你可以考虑把它再分成多个层次。需要注意的是，第一，每一层都有自己明确的功能，第二，每一层都只能调用自己下面那一层，第三，每一层要定义好自己对上层的服务接口。其实这也不是什么高科技，计算机的操作系统和网络协议都是这么设计的。你看，这个是ISO/OSI的七层网络协议。“

”七层？好像多了点。"你吓了一跳。

“是多了点。这只是一个参考模型。真正的网络没有这么多层的。另外，一个系统不能是硬编码的。你必须提供一个参数配置的接口，让同一个系统可以在不同配置下完成不同的工作。”

回去后你苦思良久，最后决定把DNA设计改成三层结构。

1. 底层是直接控制蛋白质合成的基因。
   
2. 第二层是开关逻辑，可以打开或关闭底层基因。此外，开关还可以控制底层活动的强度。
   
3. 第三层实现全局控制，通过操作开关来掌握整个身体的外形和内部功能。
   

你把新的设计交给了上帝：“您看，这是《DNA蓝图2.0》。这次我用了这个三层结构，您老上次提出的需求都可以满足了。”

“噢，说说看。”上帝说。

“我们先来看这个刺猬。刺和爪子的生长由不同的DNA开关控制，他们都调用底层的角质蛋白生成基因。如果刺的开关在变异中坏掉，就能得到一个光溜溜的刺猬，但是爪子不受影响。"

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"鱼鳍要变成脚就稍微复杂一点。鱼鳍已经有不少骨头了，每一块骨头都有自己的开关。顶层逻辑控制每一个开关什么时候打开，强度设定为多少，什么时候关闭。如果在顶层逻辑中发生少量的基因变异，鱼鳍的形状就会改变，持续的变异和环境的选择最后就会把鳍变成适合陆地爬行的脚。这种顶层逻辑的变异潜力很大，从鱼鳍一直演化的智能生命的手也所需要的变异也不多。”

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“至于长颈鹿的脖子和鸟嘴的形状就简单多了。只需要控制逻辑中几个碱基对的变异，就可以改变胚胎发育过程中脖子或鸟嘴开关开放的时间和强度，从而改变形状。”

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达尔文对加拉帕格斯雀的素描

“最后是斑马的条纹。这个问题可以用环境参数来解决。顶层逻辑可以接收环境的输入，动态的打开和关闭色素蛋白合成基因。每个胚胎发育的环境肯定有不同的，这样每一匹斑马的条纹也就独一无二了。”

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上帝点点头说：“嗯，不错。不过你这些动物能进化成智慧生命吗？这个星球以后归你管。你应该不想对着一群呆头呆脑的动物呼风唤雨吧？”

“没问题，” 你拿出了一张猿猴的DNA图纸，信心十足的说，“这种猿猴就很有进化成智慧生命的潜力。当然了，从猿到人需要很多变化，比如灵活强壮的大拇指，支持直立行走的骨骼和肌肉，然而最重要的还是一个大容量的脑。这个猿猴的脑容量还太小，某些基因变异（控制颅骨生长的顶层控制）可以增大颅腔，但是这样势必会和它巨大的咀嚼肌发生冲突。必须缩小它的咀嚼肌才行。这也不难，只要控制咀嚼肌生长的顶层控制发生微小的变异，能够提前关上开关就行了。”

“那这种智能生命就嚼不动骨头了。”

“都智能生命了，还嚼什么骨头？他们会生火煮饭吃的。”

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上帝满意地说：“很好，很好。以后这个星球就交给你了。” 过了半天，他突然疑惑的看着你：”你是不是偷看我对地球生物的DNA设计了？“

没错，这个设计方案正是地球生物的DNA结构。它包含三级的控制逻辑。最底层就是直接控制蛋白质合成的基因；第二层就是开关逻辑；第三层控制整个身体计划的是Hox基因，或者同源异形基因。它之所以也是基因，是因为它通过制造蛋白质来控制开关。Hox基因的变异可以导致身体的变形，比如人类的HOXD13变异会导致多指症（俗称六指）。实际上，真正的DNA不像上面故事中那样有严格的分层，Hox基因也会直接控制底层基因。

在这个回答中，我尽量避免涉及专业的基因学知识的前提下，用最简单的方式介绍了最近10年内对DNA暗物质的研究进展。需要说明的是，斑马条纹的产生的机理现在还没有定论，应该和基因的打开和关闭有关。是否有环境影响是我的猜测。

另外，环境对基因有影响不是我的杜撰，这是Epigenetics（表观遗传学）的观点。它认为，你的生活经历会对你的基因产生影响。它并不会改变你的DNA编码，而是会控制一些基因的开关状态。所以，DNA就像是计算机的硬件，而环境影响设置的开关就像软件。它可以帮助生物在不改变DNA的前提下适应环境变化。这可以解释为什么生活在不同环境的同卵双胞胎在多年以后会有很大差异。

更具有颠覆性的是，表观遗传学认为这些后天获得的状态可以遗传。所以，你下次在抽烟酗酒暴饮暴食的时候，可要三思而行了：你影响的可不只是你一个人。

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