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第五章 细胞与基因的量子信息逻辑（第4页）

加州大学的大卫豪斯勒认为：如果一个DNA片段对一些重要分子进行了编码，突变往往就会产生灾难性的损害。自然选择将淘汰大多数的突变。但是，如果一个DNA片段不做那么多，它就能在不引起任何损害的情况下发生突变。在数百万年的时间里，与那些不太重要的DNA片段相比，一个重要的DNA片段几乎不会收集突变信息。

细菌对环境的改变必须作出迅速的反应。营养供给随时都可能发生变化，反复反常。要想得以幸存必须具有可以变换不同代谢底物的能力。单细胞真核生物也同样生活在不断变化环境中。而更为复杂的多细胞生物都具有一套恒定的代谢途径，无需对外部环境作出反应。

在细菌中，很需要灵活性，也需要很经济，因为细菌遇到合适的环境就大量消耗营养的话，这对其本身也是不利的。在缺乏底物时就不必要合成大量相关的酶类，因此细菌产生了一种调节机制，即在缺乏底物时就阻断酶的合成途径，但同时又作好了准备，一旦有底物存在就立即合成这些酶。

2011年6月，马萨诸塞大学医学院的科学家们发现，当果蝇处于胁迫条件下的时候，它们会因适应环境而发生改变：原本紧密结合在“异染色质”DNA缠绕区域的一种转录因子被释放出来，这些缠绕区域得以解开并进行复制。

在很多时候，环境对基因或者遗传的影响是非常迅速的，这些现象大大改变了人们对基因与环境互动的传统看法。下面例子可以说明环境对遗传的影响。

运动可以立刻改变你的DNA状态：科学家发现剧烈运动后，肌肉中的DNA启动子区域立刻呈现出低甲基化的变化，使得一些相关的基因能够被迅速表达，从而达到重建身体机能的效果。通过科学家们的努力，健美和塑身的分子生物学机制的面纱正在被慢慢揭开。论文发表在《》杂志上。

吸烟标识可以进入DNA：2012年11月，英国詹姆斯—弗兰纳根与保罗—维尼斯教授合作的研究指出，已经在血液DNA中发现许多由吸烟导致的化学标记。

这项研究发现吸烟会在不改变基因编码序列的情况下在DNA的表面留下标记。在参与试验的吸烟者血液样本中发现某些基因部分发生了“甲基化”。这种情况被称作“后生性”改变。当一个人戒烟的时候，这种标记就开始消失，但是也不能与不吸烟者没有标记的DNA进行比较。

社会地位影响猕猴基因表达：美国研究人员在美国《国家科学院学报》报告称，社会地位的变化能够显著影响猕猴的基因表达。野生猕猴群构成一个等级社会，不同猕猴的社会地位可以从其获得食物、水以及性伴侣的顺序分辨。杜克大学等机构的研究人员对5个圈养猕猴群进行了研究，利用基因芯片测量了猕猴6000多个基因的表达。他们对49只不同地位的雌性猕猴进行比较后，发现了987处基因表达差异，其中112处与免疫系统功能有关。

研究人员还根据基因表达的差异较准确地推测猕猴的社会地位变化。在一个猕猴群中，碰巧有两只被移出，另有新猕猴加入，这意味着部分猕猴的社会地位将发生变化。研究人员根据基因表达差异，准确预测了7只猕猴中6只的新地位。

在人类研究中，较低的经济社会地位以及高强度压力也会提高患病风险。此前有研究显示，社会地位较低或经常面临慢性压力的猕猴免疫功能也较低。研究人员表示，他们的新研究呼应了此前的研究成果。不过研究人员说，野生猕猴的社会地位与基因表达是否存在同样机制仍尚未可知，而社会地位变化对人类基因表达的影响更需要研究来证实。

研究发现植物受淹时激活特定基因助“抗洪”：植物和人一样，被水淹会因缺氧而难以呼吸。不过，最新研究发现，植物在被淹时可激活体内的特定基因，助其“抗洪”。这项成果或有助于人类提高作物的抗水淹能力。植物被浇了过多的水，便难以获得足够的氧以维持细胞正常呼吸。这时，植物体内细胞膜会释放一种名为RAP2。12的转录因子，这种蛋白质会激活特定基因，帮助植物更好地应对缺氧状况。这项研究是德国马克斯—普朗克分子植物生理学研究所2011年10月23日发表新闻公报宣布的。

寄生植物从宿主窃取大量DNA：“尸花”是一种生存在婆罗洲丛林中的寄生植物，最新研究表明，它不仅以宿主体为食，还大量窃取宿主植物的DNA。

研究发现，这种花从宿主体分离出来，但共享着大量宿主体的基因，它们“吮吸”基因的过程类似于一些动植物遗传获得基因。这项发现令科学家非常困惑，它将改写人类理解寄生体—宿主体之间的关系。科学家并不清楚这些植物窃取基因的目的，一些植物已置换了它们的基因，并将从宿主体获得的基因进行遗传，但他们认为这种变换方式肯定具有某些优势性。美国哈佛大学查尔斯—戴维斯（CharlesDavis）教授说：“起初，我不知道是否这是一些基因子集，来自宿主体应对攻击的防御性基因。然而，这些基因表现出许多功能性，其中包括：呼吸、新陈代谢，以及一些有效的防御功能。如果是这样的话，这项发现可能映射出一些关于寄生体的基因伪装性或者基因模拟性。多年以来，尸花保持着神秘的进化性，这是由于它非简单地具有基因工具箱，从质上讲，植物基因主要与光合作用存在关系。”这项研究展示了寄生植物系统特征，呈现出水平基因传输现象。

轮虫可无性繁殖并吞噬DNA：蛭形轮虫是一种小型的全部为雌性的生物，在过去漫长的8千万年中它们忍受着无性繁殖的生存方式。2012年11月，来之剑桥大学艾伦（AlanTunnacliffe）等人的研究表明，一种怪异的吞噬基因可能造成了这种无性繁殖与其他生存方式的区别，这种蛭形轮虫有10%的活性基因是来源于细菌和真菌、藻类等细小微生物。

“剽窃”细菌基因的甲虫：咖啡浆果钻孔甲虫是一种能够钻入咖啡内部的微小害虫，只有几毫米长。但这种害虫每年给种植者带来数亿美元的损失。

科学家里卡多—阿库尼亚研究发现，钻果甲虫的祖先从细菌那里剽窃了一种基因，而这种细菌存活于它的内脏中。这种基因帮助昆虫消化咖啡浆果中的复杂糖类。

甲虫在咖啡浆果内部产下卵，它的幼虫唯独只依赖浆果含的糖分生存。而细菌中的HhMAN1基因帮助幼虫产生一种名为甘露聚糖酶的蛋白质，能够分解半乳甘露聚糖，但是昆虫一般不会产生甘露聚糖酶。阿库尼亚发现，钻孔甲虫的基因与细菌中的基因有着更相近的关系，他确定HhMAN1基因来自甲虫自己的基因组，而不是来自内脏的细菌，全世界的咖啡浆果钻孔甲虫都有HhMAN1基因，而其他临近种族的甲虫并不具有。在微生物界，细菌经常交换基因，这种交换让细菌能在新环境中繁殖，避开抗生素的攻击或者发动致命的感染。很明显在这个特例中，甲虫从内脏细菌中获得了这种基因。

像在动物或者植物这些更加复杂的生物中，这种基因水平转移更加罕见。但是随着研究的深入，发现基因转移也有一定的普遍性。

基因的本质是量子信息的流程

生物体是一个复杂的系统。生物体受细胞、免疫有机分子、激素、微量元素，温度等环境影响，很多因素来自环境的互动。在生物的基因中，还有非DNA遗传现象，有逆转录现象，有基因修饰，有基因切除与补充，有数量庞大的小RNA调节发育与表达。动物体内有病毒基因片段，有被冷藏的基因，人的有效基因占基因库的数量不超过2%。基因里面藏着科学家至今仍不知道的秘密。

有时候我们不禁要问，生物的基因代表谁的基因。

细菌与病毒领域，经常交换基因，但这种现象在像动物或者植物这些更加复杂的生物中，基因转移也经常发生。比如轮虫类从真菌、细菌和植物中获得基因，一种沃尔巴克氏体属细菌把自己全部基因注入了一种果蝇基因中。而且一些寄生虫能够把它们的基因传递给人类，胡蜂通过从古老的病毒哪里获得基因用来制造生化武器，杀死自己的敌人。在另一个例子中，真菌的基因影响了昆虫的颜色。

人类细胞中原始细菌线粒体及其基因已经整合到人类基因组里面，并发挥重要作用。人类基因中不少来自细菌与病毒，其中有大约8%来自病毒基因，病毒混入人类的远祖体内，并将其DNA添加到代代相传的遗传物质中。这些病毒一旦侵入人类基因组，有的参与到人的遗传工作中，发挥作用；有的经过许多代以后，发生变异，然后就会失去移动的能力。

人们对遗传了解越多，越发现基因已经逐渐脱离了最原始的初衷，基因已经丧失了最初科学家希望的定义，丧失了其明确的物质基础，而且越来越无法给予明确的空间与功能定义，这需要我们重新认识基因，并尽力给出其他定义。

传统认为基因（遗传因子）是遗传的物质基础，是DNA分子上具有遗传信息的特定核苷酸序列的总称，是具有遗传效应的DNA分子片段，是控制性状的基本遗传单位，基因通过指导蛋白质的合成来表达自己所携带的遗传信息，从而控制生物个体的性状表现。

当我们对现代生物学了解不是太多的时候，科学家曾经把基因定义为三个特征，即自我复制、突变并保留突变、功能单位（表达蛋白质）。后来随着DNA分子遗传学的发展，基因又被定义为连续的、分立的、有功能的核苷酸片段。后来遇到了调节基因、含有内含子的断裂基因、能够重复表达的基因片段。这些都导致越来越难以对基因下定义。

含有为肽链编码的结构基因的DNA序列不是连续的，而是由不编码的内含子与外显子交替混合的，在细胞核内当mRNA转录的时候，要经过剪接，去除内含子，将有用的外显子连接起来，然后两端加上帽子，才转移出细胞核在核糖体合成蛋白质。在DNA序列中有些是不编码蛋白质的调节基因，负责编码基因的调控，在编码区的前端有启动子，在编码区的后端有终止子。有的调控序列在启动子周围，而有的调控序列与编码区的距离有几千到上万个碱基的距离，有的调控基因可以控制多个基因的转录，这说明基因是不连续的。

一些DNA序列有不同程度的重叠，就是说一段核苷酸序列可以重复地被不同基因使用，但这些重叠的基因具有不同的读码框架。不同的DNA序列重新组装成一个基因的组装基因，以及在一个基因中的内含子中，包含着另一个基因的套装基因，这些说明基因不是分立的、独立的。有一些DNA序列可以移动，从而影响基因的表达，这说明基因是不固定的。

在DNA序列中，能够编码的基因只占不到2%的比例，那些通常被认为是假基因及垃圾基因的现在也被重新重视。科学家已经宣布“垃圾DNA”是被误解的，相反这些基因是相当活跃的，“垃圾DNA”里藏着惊人的秘密。它们拥有庞大的遗传开关，复杂控制及调节遗传，这些“垃圾DNA”也能控制器官及组织发育。比如，美国伯克利劳伦斯国家实验所遗传学家阿克塞尔·菲泽尔等人在2013年10月24日《科学》杂志上发表的研究表明，他们发现“垃圾DNA”中有一些序列片段，可以像开关或放大器一样影响脸部基因的作用。眼睛、鼻子、头颅的形状等都可能与这些被叫作“增强子”的序列片段密有关系。这模糊了多余DNA与有用DNA之间的界限。

在编码蛋白质的基因中，细胞核内信使mRNA剪辑不同，就会形成不同的转录mRNA，最终形成不同的蛋白质。有些信使mRNA片段在转移出细胞核后，也能够继续被剪辑。mRNA在核糖体表达出来的肽链后还要经过不同编辑后，就会形成不同的肽链，这也会形成不同的蛋白质，同一肽链结构不同也会形成不同性质的蛋白质。有时候，核糖体会把两条不同的信使翻译成疑条肽链。不同基因的外显子被连接起来，也会形成一条新的信使mRNA。有些蛋白质并不是由一条肽链组成，而是由两条以上的肽链组成。这些都打破了基因与蛋白质的一对一的关系。形成核糖体的RNA是在核仁中形成的，这说明核仁担负着比传统认识更强大的功能。

基因与蛋白质之间不仅仅是复杂的多对多的关系，而且是有基因及DNA外的其他因素（酶，激素等）共同参与的基因表达，甚至小RNA分子都起到调控的作用。南京大学张辰宇的实验证明，植物的微小RNA可以通过日常食物摄取的方式进入人体内，它们将通过调控人体内靶基因表达的方式影响人体的生理功能，进而发挥生物学作用。在第六章里有很多案例证明不仅小RNA分子能够遗传，而且饮食也能够改变人的基因。

1979年春，中国科学院武汉水生生物研究所的科学家，把鲤鱼胚胎细胞的核取代了鲫鱼卵细胞的核。鲤鱼细胞核和鲫鱼卵细胞质能够融合，而且发育出有“胡须”的“鲤鲫鱼”。这种鱼有“胡须”非常像鲤鱼，但它侧线的鳞片数和脊椎骨与鲫鱼数目相同。这是具有突破性的发现，这表明，鲫鱼卵细胞质里含有遗传因素，遗传具有多重性。对哺乳动物来讲，无论是正常的生殖，还是克隆，都需要卵细胞与**结合，或者把正常细胞的细胞核移植到卵细胞中，才有可能孕育一个正常的生命，而普通细胞无法代替卵细胞。这说明卵细胞含有DNA之外的生物遗传因素。

从量子角度讲，第三章里证明了量子具有系统协调性、记忆性、自我组装性。细胞里的有机物质本质都是量子，无论是细胞中的哪种有机物质都具有这三种性质，这从蛋白质病毒能够从蛋白质到蛋白质的复制中可以看出。量子构成的有机物质必然有比分子化学更深刻的量子逻辑，一方面，量子组成的有机物质都具有平等性；另一方面，由于结构不同，所处位置不同、本身特性不同，在生命起源及生命运作中就会承担不同的分工。而DNA正是生物进化中细胞有机物质分工合作后承担的角色。

现代研究认为RNA是生物生物进化过程中首先出现的，DNA只是进化后的产物，很多病毒只以RNA作为其唯一的遗传讯息载体。RNA世界包括RNA、RNA酶、RNA逆转录及RNA与蛋白质组成核糖体、RNA核糖蛋白颗粒、小RNA分子等。这些RNA世界的功能涉及到了生命中的各个部分，它们为生命的开始形成奠定了初步的基础。即使一开始生命是初级的，RNA分子链是长的或者短的，但是几十亿年前生命还没有形成的时候，RNA或许是断续的，或许有一个前身，但是生命不仅仅是DNA及它的前身RNA世界，所有有机物质都具有各自的角色，正如蛋白质能够把自己信息复制其他蛋白质，没有蛋白质，没有其他物质，生命将一样无法体现。

科学已经证明DNA这么微小的空间，能够储存比传统计算机磁盘更多的信息。构成生命与物质的原子，原子核与电子占有的空间相对非常微小，其空间充斥着运动的电磁场。那么DNA及RNA的储存信息必然不像传统的计算机那样储存信息，这里有一个更深层的信息通道，这个信息通道必然到达原子的电磁场层级里面，在物理世界的原子核外的电磁层里，必然有一种属于生命的储存、驱动及表达空间。而且这种信息是流动的，有一定逻辑秩序的，基于有形物质的，细胞有机物全部参与并各自分工的。细胞里的蛋白质等有机物质能够接受信息，并按照指挥完成细胞的各种功能，必然有一个基于量子的信息激励与运作通道，这比化学信息更有基础性，这种信息通道应该主要介于原子核到几百万分子族之间，当然细胞构成的大型动植物也属于这个范畴之内。从量子角度探索生命现象及其进化，将会扩展人们视野，同时对宇宙、物理及生命理解更深刻、更广义。

基因丧失了其明确的物质基础，便无法给予明确的空间秩序与功能定义，我们从量子角度来说，基因就是一群生物群体基于量子空间的信息集合有秩序的流程。基因是生命体整体的量子信息流程。