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商務(wù)咨詢/顧問(wèn)/請(qǐng)@yellowscholar?作者：黃先生斜杠青年

#時(shí)間深度 #遺傳性 #演變 #生物學(xué)

圖片通過(guò)：蓋蒂圖片社

生物學(xué)家維多利亞·福在“垃圾”DNA中發(fā)現(xiàn)了一種計(jì)時(shí)裝置，能夠解鎖復(fù)雜生命的進(jìn)化

2017年夏天，兩位生物學(xué)家前往加拿大不列顛哥倫比亞省的登曼島，準(zhǔn)備從零開(kāi)始建造一座房子。這已經(jīng)不是第一次了。多年前，他們?cè)谕粔K40英畝的土地上建了一間小屋，那是遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)室的珍貴避風(fēng)港。他們幾乎沒(méi)用任何工具完成了整個(gè)項(xiàng)目。他們砍倒了樹(shù)木，接了縫。唯一的電動(dòng)裝置是他們放進(jìn)冰箱的大鉆頭，用來(lái)在木頭上的木釘孔間冷卻。福以精準(zhǔn)研究顯微細(xì)胞和胚胎聞名，她下了將成為主要框架柱的原木。她的伴侶兼親密合作者加勒特·奧德?tīng)栐谒麨椤禙oe》編寫(xiě)的定制早期CAD程序中設(shè)計(jì)了這座建筑，作為圣誕禮物。

但那個(gè)夏天，一切突然中斷。他們剛開(kāi)始建造新房子時(shí)，奧德?tīng)柧烷_(kāi)始感到不適。到了十月，他被診斷出患有侵襲性肝癌?！八逶氯ナ懒?，”福說(shuō)?！八屖澜绲墓饷⑾?。”

對(duì)于發(fā)育生物學(xué)家福來(lái)說(shuō)，生命與生物學(xué)緊密相連，彼此激勵(lì)并加深對(duì)方的理解。福的悲痛并沒(méi)有讓她遠(yuǎn)離科學(xué)，反而讓她回想起自20世紀(jì)60年代末博士開(kāi)始以來(lái)，她一直背負(fù)著生命的脆弱。

作為德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究生，福正在研究大小不超過(guò)一粒米的乳草胚胎中的基因形狀。Foe取胚胎并戳破其細(xì)胞，釋放出來(lái)自細(xì)胞核的脫氧核糖核酸（DNA），核內(nèi)是儲(chǔ)存基因的內(nèi)部區(qū)間。她將這些液態(tài)物質(zhì)離心到顯微網(wǎng)格上，再涂上鉑金，形成一層薄而厚重的金屬粉末，使基因在電子顯微鏡下顯現(xiàn)。在這些顯微照片中，她看到了令人震驚的長(zhǎng)基因，幾乎有近20,000個(gè)遺傳密碼“字母”，這些基因由四個(gè)化學(xué)堿基——A、T、C、G組成。

當(dāng)福首次接觸到基因時(shí)，分子生物學(xué)的迅速崛起已經(jīng)開(kāi)始。這一勢(shì)頭源于“中心教義”的證據(jù)，該法則指出DNA儲(chǔ)存生命的“密碼”;該編碼被轉(zhuǎn)錄為核糖核酸（RNA）;而RNA又將編碼翻譯成氨基酸鏈，形成蛋白質(zhì)。

我是斜杠青年，一個(gè)PE背景的雜食性學(xué)者！?致力于剖析如何解決我們這個(gè)時(shí)代的重大問(wèn)題！?使用數(shù)據(jù)和研究來(lái)解真正有所作為的因素！

將自己的脆弱置于現(xiàn)世之中，她深刻感受到基因物質(zhì)的脆弱

分子生物學(xué)的核心教義最早由弗朗西斯·克里克于20世紀(jì)50年代末提出，并在詹姆斯·沃森的教材《基因分子生物學(xué)》（1965年）中普及; 沃森補(bǔ)充說(shuō)，DNA傳遞到蛋白質(zhì)的信息只能單向流動(dòng)。DNA價(jià)值僅僅在于它編碼的蛋白質(zhì)的觀點(diǎn)，最終導(dǎo)致我們意識(shí)到我們細(xì)胞中絕大多數(shù)DNA根本不編碼蛋白質(zhì);這種“非編碼”DNA因此被視為暗物質(zhì)，是復(fù)雜有機(jī)生命容忍的麻煩，超過(guò)20億年——可能是因?yàn)槟孓D(zhuǎn)錄病毒入侵將這些額外物質(zhì)植入了我們單細(xì)胞祖先的基因組。生物學(xué)家說(shuō)那是垃圾。

但當(dāng)福在德州觀察到那條極長(zhǎng)的DNA線索時(shí)，她感覺(jué)故事可能還有更多——但到底是什么？她將自己的脆弱置于現(xiàn)實(shí)世界，回憶起遺傳物質(zhì)的脆弱性所震撼，那是兩條螺旋狀的核酸線，每當(dāng)細(xì)胞分裂時(shí)都能被切斷。線越多，斷裂的機(jī)會(huì)越大，斷裂是許多癌癥的原因之一。在多細(xì)胞生物如人類中，我們細(xì)胞內(nèi)的基因遠(yuǎn)比實(shí)際需要的要長(zhǎng)得多。在幾乎每個(gè)人類細(xì)胞中，23對(duì)染色體（緊密、像線軸一樣的遺傳物質(zhì)束）中填充的1萬(wàn)個(gè)DNA環(huán)中，只有約1%被用于制造蛋白質(zhì)。如果我們DNA的廣闊會(huì)暴露在損傷之下，福伊想，那我們?yōu)槭裁磿?huì)進(jìn)化成這樣？她提出，我們細(xì)胞中脆弱的非編碼DNA片段遠(yuǎn)非“垃圾”，反而可能支撐我們的存在。

Foe最為人所知的是她在1980年代在華盛頓大學(xué)Friday Harbor實(shí)驗(yàn)室所做的工作，記錄了果蠅胚胎最早期階段細(xì)胞分裂的時(shí)間和地點(diǎn)——這一生物已成為現(xiàn)代遺傳學(xué)的根基。胚胎生命的最初兩小時(shí)內(nèi)，其細(xì)胞核會(huì)同步分裂。很快，這種統(tǒng)一被打破：分裂的節(jié)奏明顯形成，細(xì)胞群體進(jìn)入各自節(jié)奏，胚胎開(kāi)始為身體不同部位的發(fā)育奠定基礎(chǔ)。福意識(shí)到，這些分裂群體的時(shí)間和地點(diǎn)極具預(yù)測(cè)性。她通過(guò)細(xì)致觀察數(shù)百?gòu)堬@微照片發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)，在這些照片中她對(duì)每個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了染色，使其內(nèi)部支架清晰可見(jiàn)，并通過(guò)整頁(yè)彩色圖畫(huà)和顯微照片繪制了這些分裂區(qū)域。

維多利亞·福手持一塊電子顯微鏡拼貼圖，核邊緣散布著DNA。照片由比阿特麗斯·斯坦納特拍攝，2023年

為了在沒(méi)有教學(xué)、指導(dǎo)學(xué)員和管理常常巨額開(kāi)支的實(shí)驗(yàn)室等學(xué)術(shù)科學(xué)工作中不受打擾，福說(shuō)服美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院為她提供個(gè)人資助。從那時(shí)起，她一直堅(jiān)守著作為生物學(xué)家的模式。這種投入為她對(duì)技藝的關(guān)注奠定了空間，這也讓她獲得了古根海姆和麥克阿瑟“天才”獎(jiǎng)學(xué)金等多項(xiàng)榮譽(yù)。對(duì)Foe來(lái)說(shuō)最重要的是，這讓她一直緊貼著自己所珍視的東西：“創(chuàng)造美好的東西對(duì)我來(lái)說(shuō)真的非常重要?！?/p>

“這張不錯(cuò)，”她溫柔地說(shuō)，“擺放得很自然，沒(méi)有拉扯或緊張?！?/strong>

福對(duì)胚胎細(xì)胞節(jié)律的興趣源自她研究生時(shí)期對(duì)基因結(jié)構(gòu)成像的研究，過(guò)去十年她重新投入這一實(shí)踐，現(xiàn)以果蠅為模型生物。她通過(guò)化學(xué)定型果蠅胚胎——將其凍結(jié)在時(shí)間中——然后打開(kāi)它們的核，并用鉑金包裹著由此形成的遺傳物質(zhì)糾結(jié)。然后她將制劑裝入電子顯微鏡，開(kāi)始尋找圖案。她可以觀察一個(gè)胚胎長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月。在有聲書(shū)陪伴下，F(xiàn)oe花了數(shù)小時(shí)檢測(cè)基因在發(fā)育過(guò)程中被主動(dòng)讀取以產(chǎn)生RNA時(shí)出現(xiàn)的循環(huán)和分支形態(tài)。當(dāng)她發(fā)現(xiàn)有趣的東西時(shí)，她會(huì)開(kāi)始逐塊構(gòu)思，拼貼出一個(gè)擴(kuò)展的視野。

果蠅（果蠅）基因的電子顯微圖。圖片由維多利亞·福提供

在顯微鏡前，F(xiàn)oe拿出她的顯微照片。這是一個(gè)基因，一條五微米長(zhǎng)的線。她用伸出手指包裹的基因被從核糾結(jié)中稍微松開(kāi)，露出形狀?！斑@條很漂亮，”她溫柔地說(shuō)，“擺放得很放松，沒(méi)有拉扯或緊張?！?/p>

細(xì)致的分支從基因基部垂直延伸。這些是信使RNA的新生纖維，由底層DNA模板逐堿基構(gòu)建。往上看，樹(shù)枝越長(zhǎng)越長(zhǎng)，曲折蜿蜒。Foe指出，包裹在這些分支上的專門(mén)化蛋白質(zhì)——稱為切葉體——它們切斷了新轉(zhuǎn)錄RNA中非編碼的部分，并將剩余片段縫合在一起。結(jié)果是一條被清理過(guò)的信息，即一份準(zhǔn)備離開(kāi)細(xì)胞核、進(jìn)入細(xì)胞其他部分的RNA轉(zhuǎn)錄本，用于合成蛋白質(zhì)。Foe說(shuō)，這些成熟的逐字稿“讀到最后，掉下來(lái)，然后就走了?！?/p>

作為研究生，福通過(guò)手工描摹這些圖像，將它們展開(kāi)有意義的部分，為我們當(dāng)前理解基因功能奠定了基礎(chǔ)。她發(fā)現(xiàn)DNA到RNA的復(fù)制有明確的起點(diǎn)和終點(diǎn)，這些環(huán)節(jié)束縛了她所稱的“轉(zhuǎn)錄單元”——即被轉(zhuǎn)錄或重新穿線的全部DNA段以激活該單位。福在1976年發(fā)表于《細(xì)胞》雜志的圖中注意到，大多數(shù)轉(zhuǎn)錄單元具有相同的起伏結(jié)構(gòu)：起始位點(diǎn)附近有小分支，隨后是長(zhǎng)分支，末端是遠(yuǎn)短于其DNA全長(zhǎng)的RNA。

事實(shí)證明，乳草蟲(chóng)也不例外。幾十年來(lái)，生物學(xué)家在一個(gè)又一個(gè)物種中發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄單元——更常被稱為基因。許多基因中布滿了內(nèi)含子：DNA片段被復(fù)制成RNA，但在蛋白質(zhì)形成前被切除。在人類中，這種基因的奢侈被推向了極端。最大的人類轉(zhuǎn)錄單元涵蓋超過(guò)200萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)，轉(zhuǎn)錄至少需要17小時(shí)。

在這些發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的同時(shí)，生物學(xué)家認(rèn)為該系統(tǒng)極其低效。她回憶說(shuō)，對(duì)許多Foe的同事來(lái)說(shuō)，“這些非編碼成分被解讀到RNA中似乎極其代謝浪費(fèi)”。與其他非蛋白質(zhì)編碼的延伸一起，長(zhǎng)期以來(lái)產(chǎn)生我們基因的內(nèi)含子被稱為“垃圾DNA”，因?yàn)樗鼈兯坪鯇?duì)生物體的生物學(xué)沒(méi)有任何有意義的貢獻(xiàn)。

“但當(dāng)你能理解這是一個(gè)時(shí)機(jī)機(jī)制時(shí)，這就更合理了”。她最新發(fā)表于2022年的論文，總結(jié)了她畢生的研究，綜合了基因激活和細(xì)胞分裂如何整合，形成翅膀以飛行，或細(xì)枝根部吸收土壤養(yǎng)分。福認(rèn)為，多細(xì)胞物種的復(fù)雜程度部分取決于其基因長(zhǎng)度（包括內(nèi)含子）所帶來(lái)的編排。這些額外的轉(zhuǎn)錄階段嵌入細(xì)胞分裂的節(jié)奏中，增加了一層時(shí)間——為復(fù)雜的身體結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)造了空間。

遺傳看似簡(jiǎn)單明了——直到你問(wèn)基因究竟如何參與生物的形成。格雷戈?duì)枴らT(mén)德?tīng)枴?9世紀(jì)的奧地利修士，他幫助開(kāi)創(chuàng)了科學(xué)史學(xué)家伊芙琳·?？怂埂P勒所稱的“基因世紀(jì)”——捕捉到了自然最合作的一面。當(dāng)他雜交不同高度的豌豆植株時(shí)，結(jié)果是一個(gè)清晰且易于教學(xué)的比例：下一代中，大約四分之三的后代高大，剩下的四分之一矮小。孟德?tīng)栒J(rèn)為，植物高度必須來(lái)自一個(gè)離散因素——某種因素從一代傳到下一代，并按照簡(jiǎn)單的組合規(guī)則重新排列。

那種精準(zhǔn)的計(jì)算帶來(lái)了生物學(xué)上的清晰夢(mèng)想。孟德?tīng)柗桨傅暮?jiǎn)單性使他——以及隨后20世紀(jì)的生物學(xué)家——能夠開(kāi)始命名可遺傳因素，這些因素在一定程度上決定了生物體可能形成的形態(tài)范圍。但研究人員越深入，孟德?tīng)柲乔逦?、直線的因果關(guān)系就越開(kāi)始出現(xiàn)裂痕。在復(fù)雜的生命中，相同的基因可能導(dǎo)致截然不同的結(jié)果——這不是因?yàn)镈NA發(fā)生了變化，而是因?yàn)榧?xì)胞內(nèi)DNA的使用方式發(fā)生了變化。

1961年，分子生物學(xué)家雅克·莫諾宣稱：“大腸桿菌中被發(fā)現(xiàn)的一切，大象也必然如此?！彪m然這對(duì)遺傳學(xué)中DNA到RNA到蛋白質(zhì)的基本邏輯成立，但在發(fā)育的語(yǔ)境中則失去了意義。在真核生物中——包括多細(xì)胞植物、動(dòng)物和真菌——性狀很少像大腸桿菌那樣，從單一基因中產(chǎn)生，像開(kāi)關(guān)一樣。

作為單一細(xì)胞的生物，大腸桿菌（原核生物）只有一份基因組在全身傳播信號(hào)。相比之下，成年大象擁有超過(guò)一千兆的細(xì)胞，幾乎所有細(xì)胞都包含基因組中每一個(gè)基因。不僅僅是基因或特定的DNA序列被串聯(lián)在一起（生命之樹(shù)中共享的數(shù)量驚人），更重要的是它們?cè)诩?xì)胞中何時(shí)、何地以及以何種程度被激活，才是關(guān)鍵。從單一受精細(xì)胞——單細(xì)胞胚胎開(kāi)始，細(xì)胞分裂逐漸擴(kuò)展并塑造多細(xì)胞體。隨著發(fā)育從一個(gè)瞬間推進(jìn)到下一個(gè)階段，細(xì)胞呈現(xiàn)出由基因和細(xì)胞過(guò)程相互作用引發(fā)的新行為和身份：骨細(xì)胞開(kāi)始分泌礦物質(zhì)以抵抗引力，神經(jīng)元在突觸連接處建立連接，心臟細(xì)胞同步電脈沖以分散氧氣。因此，需要一種超精確的機(jī)制，在不斷變化的多細(xì)胞環(huán)境中，將每個(gè)基因都按時(shí)在正確的位置和時(shí)間激活。

在20世紀(jì)50年代，這個(gè)生物體被視為一臺(tái)需要解碼的一維機(jī)器

福伊提出，基因的長(zhǎng)度及其在細(xì)胞中的物理存在，就像一個(gè)分子時(shí)鐘——一個(gè)內(nèi)置的計(jì)時(shí)器，精確調(diào)節(jié)在細(xì)胞分裂過(guò)程中何時(shí)、是否以及制造多少RNA——最終是蛋白質(zhì)。分裂的時(shí)刻至關(guān)重要。在發(fā)育過(guò)程中，細(xì)胞分裂不僅僅是生長(zhǎng);隨著細(xì)胞分裂，它們也經(jīng)常改變身份，開(kāi)關(guān)不同的基因，使一個(gè)細(xì)胞變成肌肉，另一個(gè)神經(jīng)，另一個(gè)骨頭。這些身份轉(zhuǎn)變依賴于蛋白質(zhì)生成前RNA產(chǎn)生的爆發(fā)。

強(qiáng)毛刺海膽細(xì)胞分裂系列，2008年。圖片來(lái)源：維多利亞·福

基因長(zhǎng)度之所以能作為計(jì)時(shí)器起作用，是因?yàn)榧?xì)胞分裂的各個(gè)細(xì)節(jié)都包含在其中。每次細(xì)胞分裂時(shí)，都必須包裝DNA以確保安全分布。為此，它將細(xì)胞核內(nèi)的DNA濃縮成染色體，這些染色體可以被移動(dòng)并均勻分配給子細(xì)胞。當(dāng)遺傳物質(zhì)被包裝準(zhǔn)備分裂時(shí)，RNA聚合酶——這些酶沿著基因移動(dòng)、讀取密碼并構(gòu)建RNA拷貝——會(huì)被從DNA上敲落。RNA的構(gòu)建因此陷入停滯。這一復(fù)雜過(guò)程的時(shí)機(jī)，稱為細(xì)胞周期，本身是可變且嚴(yán)格控制的。

例如，在果蠅中，啟動(dòng)的激素會(huì)以斷續(xù)的脈沖方式涌入幼蟲(chóng)體內(nèi)。參與從地面爬行到飛行生命的巨大轉(zhuǎn)變的多個(gè)基因正等待著它們的信號(hào)。但即使信號(hào)發(fā)出，開(kāi)始轉(zhuǎn)錄過(guò)程，組裝所需的RNA核苷酸也需要時(shí)間。如果一個(gè)短基因需要五分鐘被復(fù)制，其RNA會(huì)在兩小時(shí)的細(xì)胞周期內(nèi)迅速且大量地出現(xiàn)。然而，需要切除的更長(zhǎng)基因單元充滿DNA的過(guò)程，則要到最后才會(huì)完成。如果基因過(guò)長(zhǎng)，其轉(zhuǎn)錄會(huì)在中途停止;其RNA信息僅在周期較長(zhǎng)的細(xì)胞中完成蛋白質(zhì)翻譯。一旦細(xì)胞分裂成兩部分，時(shí)間會(huì)重置。

這一發(fā)現(xiàn)揭示了一個(gè)世紀(jì)生物學(xué)思想的局限——不僅是孟德?tīng)栠z傳學(xué)的簡(jiǎn)單性，還有冷戰(zhàn)時(shí)期將基因重新塑造為電路的沖動(dòng)。正如科學(xué)史學(xué)家莉莉·凱所記錄的，自20世紀(jì)50年代起，計(jì)算隱喻成為分子生物學(xué)的核心;最初，這種生物體主要是病毒和單細(xì)胞細(xì)菌，被視為一臺(tái)需要解碼的單維機(jī)器。

Foe認(rèn)為，我們不僅僅是被開(kāi)關(guān)控制的機(jī)器，而是動(dòng)態(tài)物質(zhì)

到了20世紀(jì)70年代，發(fā)育生物學(xué)家將這一框架擴(kuò)展到多細(xì)胞生物，詳細(xì)闡述了莫諾及其同事們的線性圖解，他們實(shí)驗(yàn)性解析基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（GRNs），即能夠在細(xì)胞群間相互開(kāi)關(guān)的基因隊(duì)列。這些抽象的信息流圖，掩蓋了基因被賦予意義的細(xì)胞環(huán)境的物理性。

在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)里，信息基因在生命科學(xué)領(lǐng)域占據(jù)了巨大影響力。DNA作為“代碼”——仿佛生命能從一條文本中解讀——被證明是一個(gè)極具吸引力的理念，足以重塑機(jī)構(gòu)和研究議程。20世紀(jì)中葉，生物學(xué)系沿此方向分裂，分子生物學(xué)家在詹姆斯·沃森等人領(lǐng)導(dǎo)下，致力于將基因視為信息的邏輯，而其他生物學(xué)家則專注于生物體、發(fā)育和進(jìn)化。

圍繞“主宰”基因的解釋尤其令人信服。圍繞分離、測(cè)序、合成和編輯DNA的技術(shù)改變了實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，使得移除或擴(kuò)增基因變得簡(jiǎn)單，并記錄由此擾動(dòng)產(chǎn)生的離散變化變得簡(jiǎn)單。事實(shí)上，這一策略極為高效;遺傳數(shù)據(jù)發(fā)布的量和速度持續(xù)以驚人的速度增長(zhǎng)。即使認(rèn)識(shí)到基因在復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)作，也未能打破更深層次的假設(shè)——生物意義主要存在于DNA序列中編碼的信息。

福的研究反駁了這一假設(shè)?；虿粌H是信息，更是嵌入時(shí)間中的物質(zhì)實(shí)體，容易被中斷、約束和衰減。生物系統(tǒng)，尤其是多細(xì)胞生物的系統(tǒng)，不能僅僅被理解為電路或代碼。相反，發(fā)展通過(guò)我們分子構(gòu)建模塊的物理現(xiàn)實(shí)展開(kāi)，碰撞、停止，然后重新開(kāi)始。Foe認(rèn)為，我們不僅僅是被開(kāi)關(guān)控制的機(jī)器，而是動(dòng)態(tài)物質(zhì)——對(duì)周?chē)h(huán)境敏感，易受損害，且易于變形。

在科學(xué)家追求效率的時(shí)代，福的論文冗長(zhǎng)且內(nèi)容豐富。以當(dāng)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，這些作品視覺(jué)效果異常突出，畫(huà)面清晰細(xì)致，常以整頁(yè)格式展開(kāi)。她的存在在每一個(gè)措辭中都格外突出，尤其是在她的方法部分，詳細(xì)展現(xiàn)了她在顯微鏡下駕馭最小生命的精湛技藝。

福的成長(zhǎng)軌跡獨(dú)樹(shù)一幟，尤其是作為一位自20世紀(jì)60年代開(kāi)始科學(xué)訓(xùn)練、終身致力于婦女權(quán)利和反戰(zhàn)活動(dòng)的女性。但她青少年時(shí)期在國(guó)外接受的英國(guó)教育，在她開(kāi)始在德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校讀本科時(shí)，激發(fā)了她對(duì)生物學(xué)的興趣。在冷戰(zhàn)期間美國(guó)對(duì)科學(xué)投資的授權(quán)支持下，她獲得了一項(xiàng)享有盛譽(yù)的研究生獎(jiǎng)學(xué)金。她于1968年開(kāi)始攻讀動(dòng)物學(xué)博士，但很快就遇到了尋找導(dǎo)師的困難。?；貞浾f(shuō)，在全國(guó)各地的大學(xué)，“人們普遍認(rèn)為培訓(xùn)女性不值得，因?yàn)樗齻儠?huì)結(jié)婚，也會(huì)懷孕，順序是這樣的。”她很清楚，獲得避孕措施對(duì)于提升科學(xué)公平至關(guān)重要。她與實(shí)驗(yàn)室同事朱迪·史密斯（系里為數(shù)不多的女性之一）以及另一名學(xué)生芭芭拉·海因斯一起，在校園附近創(chuàng)辦了一家避孕信息中心，并參與了促成羅訴韋德案的州立法工作。

“一旦你進(jìn)入其中，就會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)又一個(gè)美味的謎題?！?/strong>

正是在美國(guó)動(dòng)蕩的這段時(shí)期，包括福伊大學(xué)在內(nèi)的大學(xué)生物系開(kāi)始出現(xiàn)關(guān)于DNA是否是生命主導(dǎo)力的沖突。系內(nèi)紛爭(zhēng)導(dǎo)致她的博士導(dǎo)師轉(zhuǎn)往華盛頓大學(xué)。福最終跟著他去了西雅圖，為了完成學(xué)業(yè)，她開(kāi)著一輛從前男友那里借來(lái)的搖搖欲墜的大眾甲殼蟲(chóng)從奧斯汀開(kāi)到西雅圖。在舊金山工作一段時(shí)間后，她最初在加州大學(xué)從事果蠅開(kāi)發(fā)工作，1980年代回到了太平洋西北地區(qū)。她定居在圣胡安島的星期五港實(shí)驗(yàn)室，這是一個(gè)自然保護(hù)區(qū)和海洋研究站，從此一直居住在那里，將無(wú)數(shù)海洋胚胎的研究納入她的動(dòng)物學(xué)研究。

維多利亞·福在她的電子顯微鏡前。照片由比阿特麗斯·斯坦納特拍攝，2023年

在多個(gè)方面，福的工作和職業(yè)生涯更像一位藝術(shù)家而非科學(xué)家。她在研究網(wǎng)頁(yè)上寫(xiě)道：“我最喜歡的研究工具是我的眼睛?！彼淖髌访鑼?xiě)性強(qiáng)，依賴視覺(jué)藝術(shù)家相同的觀察和空間感知能力。雖然許多生物學(xué)家認(rèn)為描述性形態(tài)學(xué)研究是較低的認(rèn)知方式——遠(yuǎn)低于分子實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性——但正如生物學(xué)史學(xué)家索拉雅·德·查達(dá)列維安所論證的，它們實(shí)際上是現(xiàn)代生命科學(xué)的基礎(chǔ)。同樣像藝術(shù)家一樣，F(xiàn)oe也擁抱她的主觀性?，F(xiàn)代科學(xué)很大程度上是關(guān)于從眾：科學(xué)家們努力營(yíng)造被剝離權(quán)威的外觀和聲音，尤其是在他們的出版物中，因?yàn)檫@是他們保持可信度的方式。在《女性生物學(xué)的政治》（1990年）中，哈佛生物學(xué)系首位獲得終身教職的女性露絲·哈伯德寫(xiě)道：“科學(xué)寫(xiě)作隱含地否認(rèn)時(shí)間、地點(diǎn)、社會(huì)背景、作者身份和個(gè)人責(zé)任的相關(guān)性?！盕oe大多無(wú)視這些規(guī)范，毫無(wú)歉意地將自己——她的風(fēng)格、寫(xiě)作中的“我”以及對(duì)視覺(jué)美學(xué)的重視——投入到她的作品中。

感覺(jué)這源于過(guò)去一個(gè)世紀(jì)藝術(shù)與科學(xué)之間產(chǎn)生的裂痕;此外，至少在福伊職業(yè)生涯的成長(zhǎng)階段，她的藝術(shù)傾向若隱若現(xiàn)，會(huì)削弱她作為嚴(yán)肅科學(xué)家的形象。作為一名女性科學(xué)家，或者說(shuō)女性藝術(shù)家，本身就很難。一位女性藝術(shù)家兼科學(xué)家？越界太多了。不過(guò),Foe并不太在意別人如何給她的作品分類。她的主要?jiǎng)恿?lái)自內(nèi)心?！八赃M(jìn)入科學(xué)領(lǐng)域，是因?yàn)橛袡C(jī)會(huì)去上學(xué)。一旦你進(jìn)入其中，就會(huì)有更多美味的謎題......理解世界如何運(yùn)作，生活是什么，真是令人陶醉。誰(shuí)不想研究這個(gè)呢？”

我第一次在網(wǎng)上搜索Foe時(shí)，發(fā)現(xiàn)了她和Odell擁抱的照片。他們蹲伏在地上，周?chē)顷?yáng)光直曬的樹(shù)木。他們的手臂互相挽進(jìn)袖子，質(zhì)地相似的頭發(fā)交織在一起，F(xiàn)oe的臉頰貼在Odell的額頭上。這張照片伴隨“Friends of Foe”網(wǎng)頁(yè)，該網(wǎng)站為Foe籌集資金，幫助她完成在照顧生病奧德?tīng)枙r(shí)中斷的研究。它深刻地捕捉了復(fù)雜性的代價(jià)，以及與世界糾纏的復(fù)雜性。這張快照中蘊(yùn)含著生活帶來(lái)的可能性——美麗、愛(ài)、陪伴——也存在它可能崩解的可能性。

加勒特·奧德?tīng)柡途S多利亞·福。圖片由華盛頓大學(xué)“敵之友基金”提供

福和奧德?tīng)栍?0世紀(jì)80年代末在星期五港首次相識(shí)，那時(shí)奧德?tīng)杽偙蝗A盛頓大學(xué)動(dòng)物學(xué)系招募。奧德?tīng)栕鳛閿?shù)學(xué)家開(kāi)始了他的職業(yè)生涯，就讀于紐約倫斯勒理工學(xué)院，他對(duì)分子如何創(chuàng)造生物體的興趣使他投身生物學(xué)領(lǐng)域。他早期關(guān)于涌現(xiàn)行為數(shù)學(xué)模型的研究——涵蓋昆蟲(chóng)捕食者與獵物的相互作用到黏菌中的細(xì)胞質(zhì)流——預(yù)示了20世紀(jì)初系統(tǒng)生物學(xué)和生物過(guò)程計(jì)算模擬的興起。奧德?tīng)柾瑯邮且晃惶熨x異稟的建筑師;遇見(jiàn)福后，他開(kāi)始為她制作顯微鏡，以便她能拍攝和追蹤果蠅胚胎中細(xì)胞分裂的振蕩。兩人在弗萊迪港細(xì)胞動(dòng)力學(xué)中心合作，這是一項(xiàng)跨學(xué)科項(xiàng)目，奧德?tīng)柡髞?lái)?yè)?dān)任了該項(xiàng)目的主任，兩人繼續(xù)緊密合作。他們還構(gòu)建了一個(gè)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的數(shù)學(xué)模型，展示了細(xì)胞骨架纖維（稱為微管）如何組裝，從而為細(xì)胞分裂提供支架。

每當(dāng)人類細(xì)胞循環(huán)時(shí)，其基因組可能會(huì)經(jīng)歷10到50次雙鏈斷裂——DNA螺旋被徹底斷裂。當(dāng)同一染色體發(fā)生兩次斷裂時(shí)，大段DNA可能被重新排列，甚至無(wú)法干凈地形成子細(xì)胞。鑒于這一危險(xiǎn)，我們的細(xì)胞——以及其他多細(xì)胞物種的細(xì)胞——已經(jīng)進(jìn)化出了精妙的DNA修復(fù)機(jī)制。然而修復(fù)并不等同于修復(fù)：這些分子工具包可能會(huì)犯錯(cuò)，縫合錯(cuò)誤的末端，或?qū)⑵沃匦虏迦牖蚪M中的錯(cuò)誤位置。與點(diǎn)突變不同，點(diǎn)突變會(huì)以局部小幅度改變DNA，雙鏈斷裂可以在更大范圍內(nèi)重寫(xiě)基因組。包含在基因中的近一半人類基因組——有些甚至接近整個(gè)細(xì)菌基因組的大小——面臨斷裂和失修的風(fēng)險(xiǎn)。

一生中，我們身體精心安排的節(jié)律有無(wú)數(shù)次崩潰的機(jī)會(huì)。這些脆弱性通過(guò)在錯(cuò)誤的時(shí)間和地點(diǎn)刺激細(xì)胞增殖，推動(dòng)衰老和癌癥的發(fā)生?！八煞蛞虬┌Y去世讓我深刻體會(huì)到，許多人因基因組損傷而死亡。他們不會(huì)先死于機(jī)械故障”。但她想知道，“為什么我們不把癌癥遺傳給后代，或者很少會(huì)？”鑒于復(fù)雜性暴露了我們的基因，福意識(shí)到一定有辦法保存我們身體那些令人費(fèi)解的復(fù)雜性。在一代人和下一代之間，一定有一個(gè)檢查點(diǎn)：一種拒絕破損指令、保持基因繼承足夠完整以重新建造的方法。

生物需要一種識(shí)別彼此的方式，以確保它們與正確的物種交配

有性繁殖就是解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)答案。在所有有性繁殖物種中，一種特殊的細(xì)胞分裂稱為減數(shù)分裂，產(chǎn)生細(xì)胞和遺傳物質(zhì)，這些物質(zhì)將傳遞給下一代。減數(shù)分裂過(guò)程中，細(xì)胞內(nèi)的每對(duì)染色體必須先找到彼此并精確鎖合。在動(dòng)物中可能需要數(shù)天時(shí)間、植物中數(shù)周的搖晃和晃動(dòng)的復(fù)雜連接舞蹈中，匹配的染色體相互緊密結(jié)合，直到它們的DNA線被一種稱為突發(fā)復(fù)合體的生物“膠水”對(duì)齊并結(jié)合在一起。

如果任何一條染色體缺失基因，或者因斷裂或修復(fù)不良導(dǎo)致DNA塊位置錯(cuò)誤，它所在的細(xì)胞注定會(huì)死亡。只有序列排列一致的染色體才能再次分離并分裂成子細(xì)胞，這些子細(xì)胞會(huì)變成孢子（真菌）、種子或花粉（植物）、卵子和精子（動(dòng)物）。

這種分子上的擁抱——稱為厚殼檢查點(diǎn)——在過(guò)去25億年里對(duì)生命的進(jìn)化產(chǎn)生了巨大影響。Foe提出，關(guān)鍵是它保持了基因時(shí)序機(jī)制，維持了細(xì)胞節(jié)律跨代保持完整。厚殼檢查點(diǎn)也解釋了為什么即使近緣物種能夠生理交配，也會(huì)產(chǎn)生不育的后代;區(qū)分物種的DNA重排，即使是微小的，也會(huì)在減數(shù)分裂時(shí)觸發(fā)檢查點(diǎn)，阻止生殖細(xì)胞的生成。因此，物種識(shí)別對(duì)生存至關(guān)重要。在密集的生態(tài)系統(tǒng)中，比如熱帶雨林的樹(shù)冠層，鳥(niǎo)類和昆蟲(chóng)成群飛翔，生物需要一種相互識(shí)別的方式，以確保與正確的物種交配并產(chǎn)生有生育能力的后代。福認(rèn)為，天堂鳥(niǎo)復(fù)雜的羽毛或園丁鳥(niǎo)的求偶舞蹈，并非適應(yīng)度的信號(hào)，而是作為導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)化而來(lái)。

就像生活中的所有事情一樣，Pachytene檢查點(diǎn)并非百分之百有效。事物會(huì)悄然穿透，使生物適應(yīng)變化的環(huán)境，福伊推斷，新物種得以出現(xiàn)。偶爾，斷裂和修復(fù)失誤會(huì)重新定位一段含有完整基因的DNA片段，這些基因?qū)Ξ?dāng)下來(lái)說(shuō)尤為重要。偶然的是，這種基因調(diào)整逃脫了減數(shù)分裂期間染色體排列和檢查的古老編排，傳遞給了下一代。這種重組的DNA調(diào)節(jié)了細(xì)胞節(jié)律，既威脅生育能力，又為生物體的能力設(shè)定了新的界限?！凹僭O(shè)你是一只沙丘向日葵，”Foe說(shuō)著，指向?qū)嶒?yàn)室外的世界。這種花因遺傳而修復(fù)不良的DNA使其根系變長(zhǎng)，身體對(duì)溫度變化的抵抗力也更強(qiáng)。夏天炎熱，大多數(shù)向日葵都走在沙丘陰涼的一側(cè)，那里的地面一直較涼爽。但前排的花朵卻茁壯成長(zhǎng)?！凹僭O(shè)有幾個(gè)像這樣的炎熱夏天。雖然繁殖能力不如前者，但它可能逐漸能夠建立自己的根基。”經(jīng)過(guò)保護(hù)機(jī)制后，這種花逐漸形成了一個(gè)更適應(yīng)環(huán)境的原始物種。檢查點(diǎn)隨后重新啟動(dòng)，保持它及其后代在生殖上與親本物種分開(kāi)，開(kāi)辟一條新的進(jìn)化路徑。

福認(rèn)為這項(xiàng)最新工作是對(duì)分子生物學(xué)與整體生物體思維之間長(zhǎng)期鴻溝的解藥，帶領(lǐng)我們從核心的親密機(jī)制走向進(jìn)化在生命形態(tài)時(shí)空中的廣泛范圍。她認(rèn)為，只有廣闊的視角，才能理解復(fù)雜的生命運(yùn)作方式。我們基因的延長(zhǎng)，時(shí)間性直接融入他們的纖維，使他們?nèi)菀资艿綕撛跒?zāi)難性的傷害。應(yīng)對(duì)這種脆弱性帶來(lái)了極其顯著的副作用：“我們身處這個(gè)極其非凡的星球和眾多生物的中心，而這里有一個(gè)機(jī)制正是推動(dòng)多樣性的。它驅(qū)動(dòng)著美麗。如果不是因?yàn)檫@個(gè)，我們不會(huì)在這里，“福說(shuō)。至于生物學(xué)家，“你們已經(jīng)太久沒(méi)互相交流了?！?/p>

在她的下一章中，F(xiàn)oe想要簡(jiǎn)單地生活--對(duì)Foe來(lái)說(shuō)，園藝是進(jìn)入奇跡的另一種方式：'你可以擁有一顆種子，它擁有制作這株巨大驚奇植物所需的所有信息'。她想用剩下的時(shí)間種植和修剪，作為“慶祝作為這個(gè)星球上的生物意味著什么”的方式。

當(dāng)不打理花園時(shí)，福的首要任務(wù)是傳播基因脆弱性的知識(shí)，以及她關(guān)于數(shù)百萬(wàn)年進(jìn)化為保護(hù)生命復(fù)雜性所帶來(lái)解決方案的假說(shuō)。該項(xiàng)目目前的形式是發(fā)表在《綜合有機(jī)體生物學(xué)》期刊上的一篇擴(kuò)展論文，但面對(duì)現(xiàn)代讀者注意力持續(xù)時(shí)間的限制。福的散文風(fēng)格類似于歷史綜合專著，如查爾斯·達(dá)爾文的《物種起源》（1859年）或達(dá)西·溫特沃斯·湯普森的《生長(zhǎng)與形態(tài)》（1917年），后者在數(shù)百頁(yè)中深入細(xì)節(jié)。但在我們這個(gè)快節(jié)奏的數(shù)字時(shí)代，科學(xué)家們已經(jīng)很少愿意關(guān)注冗長(zhǎng)的解釋，即使描述的復(fù)雜性要求他們這么做。Foe試圖將這個(gè)變革性的故事拆解成易于消化的片段，但我能感覺(jué)到她這樣做時(shí)感到痛苦。她的另一個(gè)挑戰(zhàn)是，她選擇的獨(dú)立道路意味著年輕一代生物學(xué)家大多不了解她。她的關(guān)注點(diǎn)在于工作本身，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)外的生活，而非科學(xué)研討會(huì)或會(huì)議循環(huán)。

Foe的故事仍在繼續(xù)，敬請(qǐng)關(guān)注！

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