基因科学02：决定律：决定生命展开的四个维度
上一讲，你知道了，基因是生命舞台上的绝对主角。
接下来的三讲，我要帮你完整地、全景式地理解一个大问题，那就是，基因是如何运作的。
我们可以把这个大问题拆解成三个方面。
第一，基因是怎么展开成活生生的生命的。我称之为“基因决定律”。
第二，在决定的过程中，基因是怎么工作的？我称之为“基因工作律”。
第三，从生命诞生的四十亿年前到现在，基因是怎样演化自身，迭代更新的？我称之为“基因演化律”。
了解了这三大定律，你就能全方位、近距离地看看生命这场恢弘大戏是怎么上演的。 这一讲，我们就来说说基因的决定律，看看基因是怎么形成生命的。
基因由ATGC这四个字符组成。从物理概念来看，基因上的信息是一维的。
而我认为，生命可以被拆解为3+1个维度，三维是生命的物理存在，第四维是生命的行为认知能力。
1.从一维基因到三维生命首先，一维的基因是怎样变成三维的生命的？
你知道，人体就是从一个受精卵发育而来的，受精卵是由父亲的精子和母亲的卵子融合形成的一个细胞。
一个细胞居然能长成一个活生生的人，好像有点匪夷所思。
难怪几百年前，当古人刚刚开始思考这个问题的时候，甚至会认为，在最初的细胞里面是不是藏着一个很小很小的小人？然后随着营养的摄取，这个小人逐渐长大，变成了大人的样子？
后来我们知道，受精卵里并没有藏着小人。
真实的故事是这样的。 受精卵会不停地分裂，一变二，二变四，四变八，八变十六，一直分裂出人体里的50万亿个细胞。
当受精卵分裂到八个细胞的时候，每个细胞还是一模一样，但是从八个细胞以后，每一个细胞的命运就发生了变化，五花八门各种各样的细胞都出现了。
显微镜观察下的细胞胚胎，正在进行分裂。
不同的细胞里含有不同的蛋白质，具备了不同的功能。
有的细胞含有胶原蛋白，组成了皮肤，得时刻保持弹性，还得抵挡病菌入侵。
有的细胞含有肌原纤维蛋白，组成了心脏里的肌肉，负责让你的心脏一刻不停地搏动。
说到这儿，我需要简单说说，这些蛋白质是怎么来的。
蛋白质是基因表达的产物，每一个基因都能生产一种蛋白质。
基因“表达”的过程分两步。
第一步，基因在一些蛋白质的帮助下，将信息拷贝成另一种物质RNA，RNA就是基因变成蛋白质的中间人。因为它能准确地传递信息，所以我们也叫它信使RNA。
第二步，是信使RNA把这些信息运输到蛋白质合成工厂，生产出蛋白质。
基因就是这样表达出蛋白质来的。
但是这里有个问题。在细胞一分为二的时候，基因也被完整复制了一份，所以，体内所有细胞的基因和受精卵的基因一模一样。那么，为什么它们产生的蛋白质不一样呢？
这是因为，每个细胞只有不到一半的基因在表达蛋白质。因为基因表达的不同，所以细胞里含有的蛋白质也不同。
总的来看，生命的信息就这样不断地由基因传递出来，产生各种各样的蛋白质，形成各种各样的细胞，最终构成了我们的生命。
这个过程听上去顺理成章。不过，生命从一维到三维的过程里，其实有一个问题困扰了科学家好多年，直到最近才准确知道了答案。
这个问题就是，第一个基因是怎么表达的？也就是说，谁是基因剧本的第一个读者？ 你可能会说，基因形成RNA不是需要蛋白质帮忙吗？受精卵里带几个蛋白质不就行了？
事实上不是这样的。
为了在孕育生命的过程中轻装上阵，精子和卵子里面除了DNA，其他的几乎什么都没有。没有蛋白质，DNA自己又不会读自己。谁来负责读取生命的第一个基因信息呢？
有本畅销书叫《从0到1》，认为从一到无穷大比较容易，但是从零到一这个过程最为艰难，我非常同意。
最新的研究表明，读取生命第一个基因信息的，是从母亲的卵细胞里带过来的信使RNA。
这些RNA就像是从受精卵娘家带来的彩礼，会先自己生成蛋白质，然后去读取生命剧本的第一行字，启动生命的第一个信息流动（参考文献1）。
2.基因决定生命的第四维度——行为认知现在，我们知道了基因是怎么三维展开的，但这只是第一步。
一个不会说话、不会动的生命可活不了，生命还有第四个维度，也就是行为认知能力。
那么，基因是怎么决定这第四维度的呢？ 行为认知能力看起来很高级很复杂，其实背后的逻辑很简单，所有的行为都遵循一个三级反应链。
第一步，感受信息；
第二步，判断抉择；
第三步，作出反应。
不管是简单动物，还是复杂动物，甚至人类都是这个套路。
感受信息需要感受器，判断抉择需要处理器，作出反应需要反应器，这些器官都是由蛋白质组成，而这些蛋白质都是基因编码的。
这就是基因决定行为认知能力的基本流程。
如果基因出现了变化，我们的行为认知能力就会随之发生改变。
听起来可能比较抽象，我来举个例子。
人类眼睛视网膜里的感光蛋白质，就是基因编码的、感受颜色的感受器。
你可能知道有些人是红绿色盲，他们无法分辨红色和绿色的差别。
这个原因，就是他们的一个基因产生了突变，导致眼睛里的感光蛋白质，不能区分红光和绿光之间波长的差别。感受器发生了变化，最终影响到他们的行为能力，让他们没法分辨红色和绿色，甚至无法区别红绿灯。
这也难怪，各国法律都会禁止红绿色盲的患者开车。
三级反应链虽然能解释一切行为，但是不同的行为之间，还是不太一样的。
大体上，我们可以把行为分为两类。
第一类叫本能行为。比如，饿了就找东西吃，或者大老远看见天敌来了赶紧跑。
第二类叫习得行为。意思是说，需要通过学习对获得的信息进行处理和储存，积累经验，下次行动时能表现更好的表现。比如，和同伴嬉戏交流，或者是和天敌死磕。
这两种行为有什么不一样呢？
首先看看本能行为。
我拿一个最简单的生命体来举个例子。
每个人身体里都有一种细菌，叫大肠杆菌。它们驻扎在我们的肠道里，可以说是和我们终生相伴。别看它形式简单，只有一个细胞。但是，它天生就会主动游向食物，逃离敌害。
它是怎么做到的呢？
大肠杆菌的细胞膜上有许多感受器蛋白质，来感受外界的化学物质。
如果环境里含有过多的氢离子，换句话说，有强酸，细菌的感受器马上就会被氢离子激活，发出信号：“强酸来了！”
收到信号的处理器马上决定：“赶紧跑！”
然后，细菌的反应器——鞭毛，就好像低配版的腿和脚，让细菌往强酸反方向逃跑。
从这个例子里你能看到，本能行为的三级反应比较简单。
大肠杆菌只要检测到有强酸，就会马上逃跑，处理器不需要对酸性信息作进一步的处理，不需要知道有多酸，是什么类型的酸等等。
这就是本能行为的特点，处理器不会储存信息。
但习得行为就需要储存、处理信息了。
我们来看看细菌跟天敌厮杀的场景。
细菌的天敌，是比自己更小的细菌病毒——噬菌体。
“噬”是“吞噬”的“噬”。顾名思义，噬菌体专门感染细菌，通过牺牲细菌来完成自身的繁殖。
噬菌体感染细菌的方法很巧妙，它能把自己的DNA像打针那样注射进细菌里，然后用细菌的蛋白质为自己工作，复制出很多噬菌体，完成繁殖。
噬菌体感染细菌的过程
细菌当然不会坐以待毙。
当噬菌体的DNA进入细菌的时候，细菌的感受器蛋白马上就能侦查到天敌的DNA出现了。
接着，处理器会做一个非常重要的处理，把噬菌体DNA信息给储存下来，存到自己的基因里去。就像用人脸识别系统记住罪犯的面容一样。
这样的话，如果噬菌体再来，处理器就会把这些DNA信息提取出来，然后生产出一段专门瞄准这段DNA的RNA，指挥DNA切割酶，把这个再次来犯的敌人准确地干掉。
这就是一个典型的习得行为。虽然反应器还是三级，但是处理器却大大地复杂了，包含了对信息的处理、储存，以及提取。
你觉不觉得这个细菌的保卫战很厉害？
其实，这就是大名鼎鼎的“CRISPR/Cas”系统。这个系统在2012年被人类发现，开启了基因编辑的时代，成为人类操纵生命的利器。
3.人类交互行为所以，基因通过编码三级反应链中的感受器、处理器，和反应器，决定了生物的本能行为和习得行为。
无论是单细胞生命，还是复杂的哺乳动物，你都能发现这种感受-抉择-处理的三级反应链。
这个原则也适用于人类么？当然。人然也遵守基因的自然法则，不过，人类的行为认知模式更复杂了。
和其他动物不同，我们出生以后不再需要躲避天敌，面对的外部世界也不再是丛林大海，而是更复杂的人类社会。
为了在社会中生存，我们得学会跟其他人相处，多少都得有待人接物能力。
为了养活自己，我们要通过多年的学习，积累知识，获得技能，并通过与其他人交换自己的技能，获得生存的资源。
这一切可比大肠杆菌面对的环境复杂多了。所以，人类行为的三级反应链也展现出了非常高级的形式。
我们的本能行为已经很少了，几乎所有的行为都是习得性的。
我们的感受器，除了动物也有的视觉听觉以外，还能处理复杂的语言和文字信息。
处理器则演化成了独一无二的大脑。
反应器除了躯体运动，还有人类独有的语言文字，能委婉或者直接地表达自己的观点。
1.基因决定了生物体的三维展开。从受精卵形成一个生命体的过程中，需要从DNA到蛋白质的信息传递，而生命的第一个推手是卵细胞娘家的彩礼。
2.基因还决定了生命的第四个维度，行为认知能力。所有行为都是通过感受-抉择-反应这个三级反应链来进行。而感受器、处理器和反应器是由蛋白质组成，基因编码的。
3.人类社会虽然复杂，但也遵从三级反应链，只是表现形式更加高级。
下一讲，我们来讲基因的第二大定律，工作律。看看基因这个生命舞台上的主角，到底是怎么工作的。