贪杯老鼠的案例
约翰·克拉布是我小学三年级时最好的朋友,他高高瘦瘦,戴一副哈利·波特式的眼镜。我经常骑车去他家,两个人开心地玩大富翁游戏。但是第二年夏天他们家就搬走了,我已经半个多世纪没有见到他了。
这么多年之后,当我再次看到他的名字并且回想起来的时候,他已经是俄勒冈州健康科学大学波特兰退伍军人管理局医学中心的行为遗传学家了。他成绩斐然,最著名的就是对贪杯老鼠的研究。几年来他一直研究编号为“C57BL/6J”的老鼠种类,它们的独特之处就是贪杯好酒。对它们的研究可能会对人类酗酒的原因有所启示,而且科学家们也希望能够借此找到治疗人类酗酒的良方。
大约有100多种老鼠可以用于医学研究,这种贪杯的老鼠就是其中之一,其他还有些种类的老鼠易患糖尿病或者心脏病等。事实上,某一个特定种类的所有老鼠都可以被看作其他同类老鼠的克隆,因为它们的基因完全一致。这些可用于科学研究的老鼠种类的一个显著优点就是它们的稳定性,也就是说某个特定种类的老鼠在任何一个实验中的反应都会和其他同类老鼠一致。但是克拉布在一个简单的实验中对这种稳定性假设提出了质疑,这个实验现在已经受到了广泛关注。[2]
克拉布在电话里跟我说:“我们想知道什么样的稳定才算是‘稳定’。我们在三个不同的实验室里重复了同一个实验,并且尽量使老鼠饲料、老鼠年龄以及它们的旅行时间等外部条件完全一致。而且我们是在同一天的同一个时间用同样的仪器对它们进行检测的。”
在实验室的当地时间1998年4月20日上午8点30分到9点,克拉布的几个研究小组同时对包括C57BL/6J在内的8个老鼠种群进行了测试。其中的一个测试是让它们在一杯水和一杯酒之间做出选择。那些贪杯的C57BL/6J老鼠选择酒的次数果然要高于其他种类的老鼠。
第二项测试是关于老鼠压力的标准测试。把一只老鼠放在两条离地0.9米的跑道的交叉路口,其中一条跑道两边有围栏,另外一条跑道没有。
焦虑的老鼠会选择有围栏的跑道,而富有冒险精神的老鼠则会探索那条开放式跑道。
但是,令那些认为行为完全由基因决定的人大吃一惊的是,不同实验室的同类老鼠的行为出现了显著差异。它们对于酒精的态度基本一致,但是在焦虑测试中的表现大相径庭。比如,编号为BALB/cByJ的老鼠在波特兰的实验室中表现得非常焦虑,而在另一个实验室中却勇于探险。
就像克拉布所说的那样:“如果基因可以决定一切,那么它们的行为应该没有任何差别。”那么这些差异究竟是由什么引起的呢?在几个实验室中,有几个因素是无法控制的,比如空气湿度和老鼠的饮用水,而最重要的一项可能就是实验人员。比如,其中有一个助理实验员对老鼠过敏,在实验中只好戴上呼吸器。
“有些实验人员在和老鼠打交道时从容熟练,而另外一些可能会紧张或者粗暴,”克拉布告诉我,“我猜测老鼠可以‘读懂’实验人员的情绪状态,而且他们的情绪状态会影响老鼠的行为。”
他的研究成果发表在《自然》杂志上后引起了神经学界的激烈辩论。神经学家们不得不面对这样一个结论:实验室中的细微差异,比如实验人员与老鼠打交道的方式等都会引起老鼠行为的差异,这就表明即使某个种群的基因完全相同,他们的行为仍然可能存在一定差异。[3]
克拉布的实验结果和其他科学家的类似发现都表明,基因并非大多数人一个多世纪以来一直认为的那样,它要比人们想象中更富动态性。我们的基因本身并不是那么重要,基因的表达才是最关键的。
要理解基因的活动,我们必须首先区分某个特定基因和它的表达。基因表达意味着DNA合成RNA(核糖核酸),然后再合成可以影响我们生理状态的蛋白质。在人体的大约三万条基因中,有一些只在胚胎时期存在,然后就永远消失了;有些时有时无;还有些只存在于肝脏或者大脑中。
克拉布的发现是表观遗传学上的里程碑,该学科主要研究我们的经历在不改变DNA顺序的情况下如何影响基因活动。只有当某个特定基因引起了RNA的合成时,它才会真正影响我们的生理状态。表观遗传学就是研究我们周围环境在转化为对特定细胞的化学刺激后,是如何影响基因活性的。
表观遗传学的研究已经发现了许多控制基因表达的生理机制。比如甲基分子不仅可以开启或者关闭某种基因,还可以影响它们的活性。[4] 甲基活动同样可以帮助决定1000亿个神经细胞在大脑中的最终位置以及它们与其他神经细胞的连接。简言之,甲基分子塑造着包括大脑在内的身体器官。
这一观点终于为争论了一个世纪的问题——关于天性和后天培养之争,即我们的性格和行为究竟是由基因决定还是由后天经历决定,画上了一个句号。这种争论现在已经毫无意义了,因为它的前提是基因和环境是完全独立的。争论这个问题就像争论到底长方形的长与宽哪个更重要一样,而事实上它们是密不可分的。[5]
“基因决定论”(现在仍然在一些教科书中存在)认为我们要么具备某种特定基因,要么没有,这决定了我们的性格,比如是否会害羞等。但事实上,基因自身并不能完全决定其生物学效价。比如,我们吃的食物中含有几百种可以调节基因的物质,可以像开关圣诞树上的彩灯一样开启或者关闭基因。如果我们长时间饮食不当,就有可能开启可以引起动脉硬化或者心脏病的基因组合。而另一方面,花椰菜含有丰富的维生素B6,可以促使色氨酸羟化酶基因产生氨基酸L–色氨酸,从而合成多巴胺,一种可以稳定情绪的神经递质。
从生理学上讲,基因是不可能独立于周围环境的,因为基因的结构决定了它们会受到周围环境信号的调节。这些信号包括内分泌系统的荷尔蒙和大脑的神经递质等,而这些信号中的一部分还会受到我们社交活动的影响。[6] 因此,不仅我们的饮食可以调节某些基因,社交经历也有类似作用。
仅仅基因本身并不能确保最佳神经系统的生成。[7] 因此,要培养一个具备同理心能力的孩子不仅需要必需的基因,还要有正确的培养方式和其他有益的社交经历。我们发现,只有基因和培养的结合才能确保基因发挥最佳潜力。从这种意义上讲,我们可以把培养称为“社会表观遗传学”。
克拉布曾经说过:“社会表观遗传学具有非常重大的意义,它将会成为基因学的下一个前沿研究领域。该领域在技术上给我们带来的新挑战不仅涉及我们与生俱来的基因,还有环境对基因表达的重要影响。它的出现再次挑战了单纯的基因决定论——基因决定一切,生活经历并不重要。”
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