DNA 里面到底可以写入多少信息？ 第1页

TBBT里面，哪个谁打翻了DNA模型，谢耳朵吃饱撑了拼回去，花了一个半月。

被邀请回答了。

因为这个问题很难，需要一个非常棒的科普作家才能讲好。而且，这个问题用一个这样的回答，甚至科普文章，都不够过瘾。这玩意完全可以像读一侦探小说一样去读。如果你有时间，我建议你可以去读 Sean B. Carroll 的 Endless forms most beautiful: the new science of evo devo and the making of the animal kingdom（Norton, New York, 1st ed edition, 2005）这样的书。

如果你不想去读这本书，那就听我这种伪专家随便说说了。

首先要澄清一下问题。先问一个，DNA 是什么？依中文维基的说法：

〝脫氧核糖核酸（英语：Deoxyribonucleic acid，縮寫為DNA）又稱去氧核糖核酸，是一種分子，可組成遺傳指令，以引導生物發育與生命機能運作。主要功能是長期性的資訊儲存，可比喻為「藍圖」或「食譜」。其中包含的指令，是建構細胞內其他的化合物，如蛋白質與RNA所需。帶有遺傳訊息的DNA片段稱為基因。其他的DNA序列，有些直接以自身構造發揮作用，有些則參與調控遺傳訊息的表現。〞

换句话说，这本身是一遗传编码机制，问 DNA 能写入多少信息，就好像问用莫尔斯电码能发多少信息。只到有时间有空间，想写多少就能写多少。

幸好，有问题说明，原来提问者关心的是那些先天就会的生物本能，和控制这些本能知识的可能性。

这样我想，问题其实是：DNA 存储的是什么样的知识？DNA 是如何存储这些知识的？这样的存储机制是如何生成的？

一般人的反应，或许是，DNA 就是关于怎么让一个人成为一个人并正常运作的知识，这知识当然是通过基因及其调控机制来存储的，通过进化来完成的。

看上去，这涉及了发育，生理，分子生物学，遗传学等诸多领域，好像是紧密相连的数个不同的问题，但我想强调的是，这是几个高度重叠的问题，从科普的角度上，它们完全可以当成一个问题来理解。

这可能有点令人困惑。

假如人是一橦房子（很不恰当的比喻），其实上面的问题就相当于：这房子有什么样的功能，是怎样运作的，房子是如何建造的，房子的图纸又是如何，建筑历史如何，等等。

房子怎么住，必然要在设计建造时考量，但，这毕竟是两件事吧。

好，让我们看看人是怎样的一橦房子。

假设我们认为人是一橦光鲜亮丽的大房子，当我们走进门，会发现，在这光鲜的外表下，还有一橦房子，看上去要古老一些。外面比起里面来，可能多了一些单元和附件，有些外表的改观，多了些管线，但是，外面这大房子却是里面这老房子撑起来的，最核心的部位和功能，供水供电，承重墙，都依赖里面的老房子。

当我们走进里面这橦老房子，会发现里面还有橦更老的房子，它和外面的那橦老房子的关系，就像那橦老房子和最外面的房子的关系。老房子相对于更老的房子，也有些新的单元，而这些新单元，相对于最外面的房子的很多部件，已经是不可或缺的基石。

当我们走进这更老的房子，现在，不出意外的话，你已能预料到，这里面还有一橦更更老的房子，里面还有一橦更更更老的......

直到我们走到这些房子的最里处，会看到那橦最古老的房子，它或许不能称得上是房子，或许只是个小棚子而已，但是，它却是整橦房子的基石，比如能量生产，最核心的管线都会走到这里，在这里完成一些最基本的原料加工。

举了这个比方，是想说，生物的进化，不是一次次的革命，一次次的推倒重来，而是递进累加的，就像是这房子，总是在原来的基础上，小改小修，加建补建。

有人可能会奇怪，因为毕竟人，自然界的各种动物，相差何止千里，比如龙虾，甚至，说到绝一点，那古老的三叶虫，除了 DNA，细胞这些微观的，难道人和这些动物真得在形态机理上共享着很多东西？

（如果不记得这些东西长什么样了，请自己搜索一下，并照照镜子。）

但是稍微一看，一想，你会发现人和这些动物有很多共同的形态特征。

比如，大家都有头，都有左右，都有肚腹。是的，这些是对称性动物最基本的形态特征，就是从一个胚胎开始，哪怕还只是一个细胞，它们就会有三条基本的轴线：头尾，胸背，内外。你可以看看鸡蛋，看它是不是有头有尾。

让我们往更复杂的形态特征看，专注头尾这条轴线。龙虾的一个基本特征，就是这玩意在头尾方向上是一节一节的。而三叶虫也是一节一节的。事实上你可能马上会联想到自然界中无数的动物都有这样的环节特征：蚯蚓，蝴蝶......。而我想说的是，人也是这样的，不信你摸摸自己的脊柱。

这当然不是偶然的。这种环节特征在发育时是由一组专门的基因控制的，叫 Hox genes，英文 wiki 上是这样说的（中文维基说得很不清楚）：

“Hox genes are a group of related genes that specify the anterior-posterior axis and segment identity of metazoan organisms during early embryonic development. ”

这组 Hox genes，在上面提到的这些生物，包括人身上，都有，虽然各有不同，但基本功能一致，是所谓的同源基因，从同一组基因进化而来。

同理，关于各种重要的器官，也都有相应的基因来调控。而这些基因，也大多是在各种动物中有同源的基因。而就是这些基因，通过自身的调控机制，让一个胚胎细胞能在正确的时间和位置一步步的分化发展成各种不同的组织细胞，协同工作，构成一个复杂的多细胞生物体。

出现这样的情况，其实是很好理解的：

进化毕竟不是造房子，不是旁人给你建，不是平地起高楼，而是在自己身上建，要一边住一边建。所以，要是改动过大，把住户自己给玩死了，那进化也就无从谈起了。所以进化也不是随便进化的。

为了把事情说清楚，让我们回到进化论的本源，重温一下 Darwin 在《物种起源》里提出的基本观点。粗粗来说，Darwin 在《物种起源》里的主要观点有四个：

1. 物种的可变性。
2. 自然界的可认知性。
3. 因为随机变异而产生的发散型的变异趋势（branching off）。
4. 自然选择。

在当年，对头两条大家是普遍接受的，而引起争议的，还没轮到现在最常被提及的自然选择（所谓适者生存），而是第三条，就是进化不是单线条的。单线条式的进化，就是 Lamarck 这样的，更高等的动物替代掉低等动物，附合人对自身优越性的肯定，乃至人种论，所以在当年，甚至现在，也容易被认同。而 Darwin 所认为的发散型，则没有了这种优劣感，递进性，变成了物种的多元化，平等性，一个在当时相当可怕的概念。

Darwin 的观点在当时没能被大家接受，一个重要的原因，就是进化的机理还不情楚，人对 DNA 一无所知，更不用说什么变异进化了。

现在我们知道，生物的进化是客观存在，只要是 DNA 进行复制，就存在变异的机率，而且，变异本身是一种相对独立的过程，会有各种不同的结果，就是 branching-off。

但是，因为自然选择的存在，导致进化有很大的方向性。

为了说明这种方向性，要对基因和它们的调控单元有个大概的理解。

依照研究搞顺势调控的专家 Eric Davidson 的说法，基因和它们的调控单元们可以大致分为这样几类（中文是我加的，不知是不是学术界的说法，所以下面都用英文）：

• 核心单元（kernel）：有专门进化意义的单元，基因之间有复杂的反馈控制，相互依赖性极高。
• 插件单元（plug-in） ：有专门功能，可以被各种系统移为己用
• 通信机制（i/o device）：完成各个单元之间的通信
• 分化显型单元（differentiation gene batteries）：这是基因网络里最后的处理单元，直接决定了各种显形，比如肤色，身材…

古典 Darwinian 进化论，其实观察到的是最后的 differentiation gene batteries 和它们对应的显形之间的关系。比如著名的 Darwin's Finch。这也没办法，Darwin 当年也无法观察到基因型。这到更显出他老人家的洞察力了。

Davidson 说，kernel 的进化是最关键，最不可逆的。一但一个重要的 kernel 出现，就决定了整个物种走上了一条很难回头的道路。比如对称性的生物形体一旦出现，就应该没有倒退过，这是因为决定这一对称结构的 kernel 具有非常高的完成度，任何影响此 kernel 机制的简单变异都无法维持该物种的延续。从物种角度，kernel 基本上决定了门以上的分化，而 plug-in 和 i/o，决定了亚门以下的分

类，differentiation gene batteries决定的，可能也就是种属里的区别吧。

而这些分类都是相对的，因为基因之间慢慢会建立更紧密的关联，基因也会开始一专多能，让以前不是特别关键的基因也变得重要。

所以可以保留下来的变异，一般是这样的：

• 在分化显型的基因上的一些变异。这些变异是最外在的，对物种的生存不会产生立刻的影响，可以由自然选择慢慢决定。比如人的肤色是一种典型的显型单元，可以迅速变异（100 代之内，人的肤色可以完成从纯黑到纯白的进化）。
• 产生多余的拷备。变异有时可以大段的复制基因组。重要的基因，有时可以有多余的拷备，对物种的存在也无直接响。
• 变异出现在这些有拷备的基因上，因为原来的基因还有副本在，所以变异不会影响正常的生存机制。这样会产生一组直系同源基因，比如上面提到的 Hox genes，就可能是这样出现，让动物产生了越来越多的环节，然后不同的环节再进化出不同的插件单元，比如翅膀，手臂，附肢。
• 在原来的基因上增加了新的调控机制，这样可以让同一个基因在不同的发育时间，不同的组织细胞里扮演不同的角色。
  

要再次强调的是，变异是客观存在，而再加上自然选择，让动物的基因组很难有冗余，所以才有了上面的这些机制。

另一点要强调的是基因开关，基因调控机制的重要性：

一个常见的惊叹是：人的基因组只有 30000 个基因，不仅远远小于以前的预期，更 “骇人” 的是，有 98％ 的基因跟猩猩的基因是一样的，而既使是线虫这样的低等动物，还有 19000 个基因。

但基因只是编码蛋白质，所以不管是什么动物，装配和运转它的基石都是差不多的。进化更令人感叹的，是用差不多的原材料，人的基因能搭出如此复杂的生物系统：像线虫这样的低等动物，每个基因只有一两个调控区，而人的基因则可以有多达几十个调控区，可想而知，人基因的表达模式的组合要比线虫多出不知多少倍。

按照进化生物学的说法，就是生物多样性的进化不是因为专门的基因的出现，而是依赖于对同一组基因按照不同的方式来配置。

一般，说完规则，还要讲一些例外。是的，有些东西不是基因能完全决定的，这个，叫表观遗传学，参见中文维基定义

“ 表觀遺傳學又稱“擬遺傳學”、“表遺傳學”、“外遗传学”以及“後遺傳學”（英文epigenetics），是一門生物學學科，研究在沒有細胞核DNA序列改變的情況時，基因功能的可逆的、可遺傳的改變。这些改變包括DNA的修饰(如甲基化修饰)、组蛋白的各种修饰等。也指生物發育過程中包含的程序的研究。在這兩種情況下，研究的對象都包括在DNA序列中未包含的基因調控信息如何傳遞到（細胞或生物體的）下一代這個問題。在西方文字中epigenetics即指在DNA包含的遺傳信息以外附加的（希臘文前綴epi-）。”

好了，有了上面的介绍，我们大约能理解，生物的进化是环环相扣的，所以才有了这样一个独特的造房子的过程。

那，这和往人基因里加一些知识有什么关系呢？

我要说的是，因为这种环环相扣，人的发育的过程，也是一个这样的一层层造房子的过程。这是因为几亿年的时间决定了这些基因调控在时间空间上的精确的相互依赖机制。

如果你看人类胚胎发育的过程，也能看到人的胚胎有长得像虫像鱼的时期，有自己的尾巴，指间有蹼，慢慢的伸展发育开来。就是说，人的发育和动物的发育在开始有着惊人的相似性。而很多那些我们认为让人成为人的特征，也就是说，那些在最近几十万年，乃至几万年才进化出的特征，在孩子身上也是很晚才发育完成的，比如人的大脑门儿。

这发育有多晚？要知道，人的发育可不是在出生后就结束了，还有十多年的路呢。是的。这也是人的特质之一：比其它动物长得长的童年成长期。

先说解题里提到了一些出生的生存本能。其实人也有不少，比如抓握反射，游泳反射等。这些都是新生儿要生存必需会的。但是，这些反射在绝大部分人身上，不久就消退了。记住上面提到的进化无冗余。如果只是在出生时有用的东西，进化会把它变异掉，没必要保留。

而其它的知识呢？

我们要看看大脑的发育。

人脑的一个重要的特点就是自主记忆，和长时记忆。虽然现代研究不断挑战既有的认知，但我认为对大部分人，大部分记忆能力是在 2－3岁时才发育的，以前只有短时记忆：有谁记得自己四岁以前的事？如果有，大部分是家长事后唠叨的结果。

人的记忆能力和语言能力是密切相关的。我们现在知道，人大脑里负责的语言部分的是主管语义的 Wernicke’s area，和主管语法（动词和介词）的 Broca’s area。这后者，Broca’s area，在大部分动物中几乎不存在，对于猩猩这样的动物，它们的语言大脑也基本在负责语义的部分，所以即使是经过专门训练的猩猩，它们可以学会许多单词，甚至会使用简单的词组，但是它们不会造句，因为它们的大脑缺乏造句的生理机制。

两岁的儿童跟猩猩一样，出于学习单词，理解词义的阶段，然后开始会两词的词组，最后，当语法部分的大脑发育后，才开始掌握语法。因为语法的发育很晚，持续时间很长（可到小学 5－6 年级）。

而重要的自我意识，理性思考呢？一般到两岁半的时候，儿童会有自我意识，他们可以意识到镜子里的孩子是自己。到四岁的时候，儿童会意识到其他人的存在。到六岁的时候，逻辑和推理能力才开始完备。小学设在六岁，也是有它的道理的。

至于决䇿自控这样需要脑前叶发育的，则可要等到青春期，童年尾声才成熟（有些人要更晚）。

如果你想要输入的“先天”知识所需的生理准备程度和这些必要的前提条件不附，那还是不要逆天了。

那我们可以不可以改良人这个物种呢？

理论上是可以的。（虽然，你看了上面写的，应该明白进化无优劣。）

根据我上面说的，你也许可以意淫这些事：

一种是加快变异的速度：

• 引入新的独立单元。比如新的免疫机制。
• 一些显型的变化，比如用键盘很重要的话，或许手部或脊柱某些肌肉的增强，不易劳损，会增加这些人的竞争优势。不过这显然不如提高身体的某些其它特征靠谱。
• ......
  

一种是改变自然选择的规则（不过效果要几百几千年后了，如果社会条件不变的话）：

• 比如上面说的键盘重要性。
  
• 如果社会压力大到没有祖父母，乃至曾祖父母帮助，就无法延续后代的话，那更长寿的人会有竞争优势。
• 有研究表明，脑前叶发育早的孩子在现代社会的学校里有优势，自控能力强，能较好完成作业，取得好的考试成绩。
  
• ......
  

老实说，这些都是，至少在现在和你的有生之年，都是扯蛋的事。

人能容忍的，最多也就是用基因工程来治治病，或者，我觉得这个很多家长可能很希望哦，让孩子智力发育的快一点。

最后，你想/敢/愿去娶/嫁一个基因改造女/男么并生儿育女么？