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趙南元：轉(zhuǎn)基因與圖靈機(jī)（ZZ）
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http://weibo.com/p/1001603748325437345734 本文設(shè)定的讀者對(duì)象是對(duì)轉(zhuǎn)基因感興趣的人，不包括反轉(zhuǎn)人士。據(jù)我觀察， 反轉(zhuǎn)人士對(duì)于基礎(chǔ)的科學(xué)知識(shí)所知甚少，不足以理解本文，讀本文純屬浪費(fèi)時(shí)間。 魯老爺子曰：“浪費(fèi)他人時(shí)間是無(wú)異于謀財(cái)害命的�！敝\財(cái)害命罪莫大焉，故此 事先聲明，勿謂言之不預(yù)也。 如果有人說(shuō)：“用電鋸鋸木頭蓋房子會(huì)塌�！蹦阈艈幔� 不管你信不信，反正我不信。 為什么不信？ 因?yàn)榈览碇v不通。 房子會(huì)不會(huì)塌，取決于設(shè)計(jì)、材質(zhì)、加工精度等因素，與鋸子的動(dòng)力種類無(wú)關(guān)。 所以，即便你在我眼前做實(shí)驗(yàn)，用電鋸鋸木頭蓋了一百棟房子全塌了，我也 不承認(rèn)你能證明“用電鋸鋸木頭蓋房子會(huì)塌�！边@個(gè)命題，就因?yàn)榈览碇v不通。 同樣的理由也適用于轉(zhuǎn)基因。 如果有人說(shuō)：“吃轉(zhuǎn)基因食品有害。”你信嗎？ 不管你信不信，反正我不信。 為什么不信？ 還是因?yàn)榈览碇v不通。 食品有害無(wú)害，取決于食品原料生物的性狀和加工方法。生物性狀取決于基 因，而與造就該基因的育種方法無(wú)關(guān)。 所以，就算你當(dāng)著我的面做實(shí)驗(yàn)，一百個(gè)人吃了轉(zhuǎn)基因食品當(dāng)場(chǎng)倒斃，我也 不承認(rèn)你能證明“吃轉(zhuǎn)基因食品有害”這個(gè)命題，這也同樣是因?yàn)榈览碇v不通。 如果上述論述對(duì)于實(shí)質(zhì)等同還嫌不夠充分，那么下面我們給出一個(gè)更強(qiáng)的證 明，稱之為“吧狗定理”。吧狗定理的內(nèi)容是：只要知道目標(biāo)基因的排序，就可 以從現(xiàn)實(shí)物種出發(fā)，通過(guò)變異選擇的傳統(tǒng)育種方法，獲得目標(biāo)基因和與之對(duì)應(yīng)的 目標(biāo)品種。也就是說(shuō)，現(xiàn)在我們?nèi)绻麑?duì)吧狗進(jìn)行基因測(cè)序，完全掌握了其基因排 列，即使吧狗滅絕了，我們也可以用突變選擇的手段，從狼出發(fā)重新培育出吧狗。 這種可以用變異選擇得到的基因排列，當(dāng)然包括但不限于用轉(zhuǎn)基因方法可以得到 的基因序列。換句話說(shuō)，所有轉(zhuǎn)基因作物，都可以用變異選擇的傳統(tǒng)育種方式獲 得。進(jìn)一步的推論是，不可能用基因測(cè)序的方法區(qū)分轉(zhuǎn)基因與非轉(zhuǎn)基因品種。 初看起來(lái)，吧狗定理有些駭人聽(tīng)聞，甚至違反生物學(xué)的常識(shí)，需要仔細(xì)的論 證。 聽(tīng)眾會(huì)說(shuō)，吧狗就是從狼出發(fā)通過(guò)變異選擇培育出來(lái)的，再來(lái)一次也不稀奇。 但是，吧狗的出現(xiàn)也有很大的偶然性，我們講的是一種更有把握的育種方法。何 況，這種方法可以用變異選擇的方法培育出和轉(zhuǎn)基因相同的作物品種，這就超出 靠普通的生物學(xué)常識(shí)想象的范圍了。為了實(shí)現(xiàn)這種育種，我們需要“基因選擇” 的概念。 自古以來(lái)，生物自然進(jìn)化和人工育種的原理都是變異選擇，選擇的根據(jù)是生 物的性狀。這種選擇可以稱為“性狀選擇”。在基因測(cè)序技術(shù)出現(xiàn)之前，人們育 種只能根據(jù)性狀進(jìn)行人工選擇，所以也不需要“性狀選擇”這個(gè)詞匯�；驕y(cè)序 技術(shù)的出現(xiàn)，為我們提供了按照基因進(jìn)行選擇的可能性，使得我們可以創(chuàng)造出 “基因選擇育種”這個(gè)詞匯與“性狀選擇育種”相區(qū)別。當(dāng)然，萬(wàn)變不離其宗， 選擇的標(biāo)準(zhǔn)是育種者自由決定的，但它們都是“選擇”。 為了說(shuō)明基因選擇如何進(jìn)行，我們還需要引進(jìn)一些有用的概念。 先介紹一下圖靈機(jī)。 圖靈機(jī)是圖靈提出的一個(gè)理論模型。由有限狀態(tài)的控制器、磁頭和無(wú)限長(zhǎng)的 磁帶三部分組成�？刂破骺梢钥刂拼蓬^在磁帶上移動(dòng)和讀寫(xiě)符號(hào)，并根據(jù)讀出的 符號(hào)改變狀態(tài)。圖靈機(jī)雖然簡(jiǎn)單，卻可以模擬一切自動(dòng)機(jī)器，如今的計(jì)算機(jī)也是 它的子集。而且用圖靈機(jī)也可以模擬進(jìn)化和育種過(guò)程。 模擬育種的圖靈機(jī)是這樣的：把基因看成磁帶，磁頭可以沿磁帶移動(dòng)，可以 在磁頭所在的位置左側(cè)插入一個(gè)字，也可以刪除磁頭所在位置的字并且把左側(cè)的 磁帶拉過(guò)來(lái)接上。磁頭能寫(xiě)的字包括A、T、C、G四種。這些動(dòng)作都不是圖靈機(jī)的 基本動(dòng)作，但都是圖靈機(jī)可模擬的，使用過(guò)文字處理軟件編輯文章的人都知道這 些動(dòng)作是編輯的基本動(dòng)作，而文字處理器也是圖靈機(jī)可模擬的。 這是進(jìn)化和育種的一個(gè)理論模型。制造這個(gè)模型的第一個(gè)用處是可以用來(lái)定 義兩種基因之間的“距離”。為此，把上述育種圖靈機(jī)的刪除和插入統(tǒng)稱為“操 作”。顯然，一個(gè)基因序列可以通過(guò)操作變成任意其他基因序列。 兩個(gè)基因序列之間的距離是這樣定義的：兩個(gè)基因序列之間的距離是從一個(gè) 基因序列變?yōu)榱硪粋�(gè)基因序列所需的最少操作次數(shù)。 容易證明，此距離定義滿足距離公理。 距離為0意味著兩個(gè)基因序列完全相同。 顯然，兩個(gè)基因序列之間的距離不小于二者堿基數(shù)量之差，不大于二者堿基 數(shù)量之和。 有了基因序列之間距離的概念，就可以給出一個(gè)程序，從任意基因序列出發(fā)， 只使用隨機(jī)變異和選擇，得到另一個(gè)任意基因序列。 育種程序如下： 1，從原始品種出發(fā)，測(cè)出其基因序列。確定目標(biāo)品種的基因序列，計(jì)算二 者距離。 2，經(jīng)由誘變或自然突變得到下一代。 3，對(duì)下一代各個(gè)個(gè)體進(jìn)行基因測(cè)序，計(jì)算其與目標(biāo)品種的距離。 4，各個(gè)個(gè)體與前一代比較距離，將距離增大的淘汰掉。 5，如有距離為零的個(gè)體則育種完成，沒(méi)有則重復(fù)2，。 因?yàn)榛蚓嚯x是有限的，所以上述讓距離逐步縮小的程序最終一定能得到距 離為零的結(jié)果。由此就證明了吧狗定理。當(dāng)然這只是個(gè)理論證明，實(shí)踐起來(lái)還有 很多具體問(wèn)題。 例如，按照這個(gè)程序，理論上可以把任何生物培育成任何生物，例如，從貓 出發(fā)培育出小麥，這顯然不太可能，至少這個(gè)距離只能減少的程序會(huì)遇到問(wèn)題。 很容易想到的問(wèn)題是，動(dòng)物變成植物不僅基因有變化，細(xì)胞本身也有變化，如果 基因突變而細(xì)胞沒(méi)有相應(yīng)變化，生物個(gè)體不太可能存活。但是，由于所有生物都 有共同的祖先，從一種生物變成另一種生物，只要沿著進(jìn)化樹(shù)上溯到分歧點(diǎn)，在 沿著進(jìn)化路徑，是一定可以到達(dá)的，當(dāng)然還需在適當(dāng)?shù)臅r(shí)點(diǎn)適當(dāng)改變細(xì)胞構(gòu)造。 不過(guò)這只是理論上的可能性，實(shí)踐會(huì)有很大困難。 盡管如此，從上面分析距離過(guò)大所引起的困難可知，在距離很小時(shí)困難也很 小。至少吧狗定理運(yùn)用于轉(zhuǎn)基因時(shí)，我們可以很有把握地說(shuō)，轉(zhuǎn)基因可以做到的， 用上述逐步減少距離的變異選擇育種程序也可以做到。 另一個(gè)容易想到的問(wèn)題是效率問(wèn)題，例如用轉(zhuǎn)基因方法育種一年可以完成的 事，用上述程序可能需要1000年，而且基因測(cè)序也價(jià)格不菲。不過(guò)這個(gè)問(wèn)題無(wú)需 考慮，理論模型只用于理論證明，和效率無(wú)關(guān)。圖靈機(jī)的效率和天河二號(hào)有天壤 之別，而且至今無(wú)人制造過(guò)一臺(tái)圖靈機(jī)，但是圖靈機(jī)模型幫我們奠定了計(jì)算理論 的基礎(chǔ)。 我們說(shuō)逐步減少距離的育種程序效率低也只是與轉(zhuǎn)基因相比而言，而且是在 有基因可轉(zhuǎn)的條件下。如果從計(jì)算復(fù)雜度的角度看，這個(gè)程序的算法計(jì)算復(fù)雜度 是很低的，育種時(shí)間隨基因距離成調(diào)和級(jí)數(shù)變化，增速低于線性關(guān)系，與二次方、 三次方甚至指數(shù)爆炸的情況比都是非常高效的。比起自然界的進(jìn)化，也更加高效。 我們從理論上證明了任何轉(zhuǎn)基因的結(jié)果都可以靠變異選擇的方法得到，也就 意味著區(qū)分轉(zhuǎn)基因和非轉(zhuǎn)基因是沒(méi)有意義的。也就是說(shuō)，用基因測(cè)序的方法無(wú)法 區(qū)分是否是轉(zhuǎn)基因作物。這個(gè)結(jié)論是非常違反常識(shí)的，大家會(huì)說(shuō)，事實(shí)上我們現(xiàn) 在可以檢測(cè)出轉(zhuǎn)基因的存在呀。 沒(méi)錯(cuò)，轉(zhuǎn)基因可以檢測(cè)，但有前提條件。首先，要檢測(cè)轉(zhuǎn)基因，必須知道被 轉(zhuǎn)的基因是什么，然后才能在基因圖譜中檢查有沒(méi)有這個(gè)基因。由于被轉(zhuǎn)的基因 大多申請(qǐng)了專利，基因是公開(kāi)的，檢測(cè)起來(lái)比較容易，甚至可以利用該基因所產(chǎn) 生的特定蛋白質(zhì)，找到更簡(jiǎn)單的檢測(cè)方法。但是，這些檢測(cè)，只能檢測(cè)出某個(gè)基 因的存在，卻不能告訴我們這個(gè)基因的生成過(guò)程。過(guò)去我們認(rèn)為這些基因的來(lái)路 只可能是轉(zhuǎn)基因，但是在我們業(yè)已證明可以用變異選擇的方法達(dá)到和轉(zhuǎn)基因相同 目的之后，至少在理論上無(wú)法排除這個(gè)基因是由變異選擇產(chǎn)生的可能性。 如果我們定義文章中由“復(fù)制”、“黏貼”得到的部分為抄襲，而用鍵盤(pán)逐 字敲進(jìn)去的無(wú)論什么內(nèi)容都不算抄襲，那么只看文章我們是無(wú)法辨別抄襲與否的。 當(dāng)然，變異選擇不是逐字敲進(jìn)去，更貼切的比喻是：讓猴子隨意敲鍵盤(pán)，人在旁 邊看著操縱開(kāi)關(guān)，敲對(duì)了的放過(guò)去，敲錯(cuò)了的擋住，效率雖低，終有一天能按人 的意愿修改成所要的文章。 (XYS20140822) |
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