父母的生活經歷可以遺傳給後代

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十九世紀，以查爾斯·達爾文為代表的科學家們首次將遺傳視為一項科學問題。他們想知道生物將什麼東西傳遞給了下一代。

二十世紀初，研究人員初次窺見了基因的奧秘。他們發現現存生物可以通過某種物質與他們的先祖聯繫起來。這種遺傳理論推翻了讓·巴蒂斯特·拉馬克的獲得性遺傳論，即後天學習到的特性可以被傳遞給後代。拉馬克自此成為舊派遺傳思想的代表。

但是，仍有不少科學家繼續為證明「遺傳不止一種形式」的概念做出努力。他們認為，如果我們只用基因去定義遺傳，其他潛在渠道會被完全忽略，這是不對的。

那麼後天學習到的特性，究竟能不能遺傳呢？

饑荒會遺傳

二十世紀末，一些看起來很像獲得性遺傳的案例逐漸浮現。1984 年，瑞典營養學家拉爾斯·奧洛夫·比格倫展開了一項關於他長大的小鎮奧佛卡利克斯人口的研究項目。幾個世紀以來，比格倫家族在卡利克斯河畔靠釣魚、畜牧和種植大麥來艱難地維繫生活。每過幾年，農作物的歉收就會使他們忍受長達半年的缺糧冬天；而也許又過幾年，天時地利又會給他們帶來大豐收。

比格倫十分好奇這種不穩定的生活狀態會對奧佛卡利克斯的人帶來什麼樣的長期影響，於是他挑選了 94 個男性進行了族譜調查。他發現，這些人的健康狀況與他們祖父的生活經歷有著一些聯繫：如果一個人的祖父在其青春期前經歷了豐收季節，那這個人的壽命較那些祖父經歷過饑荒的人要更短。比格倫在之後的研究中發現女性也有這樣的隔代影響：如果一位女性的祖母在饑荒時期出生，她本人會有更高的幾率因心臟病而去世。儘管在當時，女性孕期時的健康會影響胎兒這一觀點已被普遍認可，但是比格倫的研究認為這個影響或許比認為的更源遠，可以直至孫系一輩之後。

嗅覺記憶可以遺傳

一些動物實驗也得出了相似的結果。二十一世紀初，華盛頓州立大學的生物學家邁克爾·斯金納及其團隊在研究一種名叫烯菌酮的殺菌劑時發現，當他們將懷孕的小鼠暴露於烯菌酮後，它們的子代，甚至孫代，都發展出了畸形精子等性徵異常。

斯金納的工作激勵了一眾研究者去尋找其他可以遺傳的變化。埃默里大學的博士後學者布萊恩·迪亞斯好奇小鼠是否能將記憶信息遺傳下去。他將小鼠放在一個艙室里並周期地向其中釋放一種叫苯乙酮的氣味物質。在小鼠聞到苯乙酮的十秒後，迪亞斯使用弱電流電擊它們的腳。這種條件訓練以每天五次的頻率持續了三天，足夠讓小鼠將苯乙酮的杏仁氣味與電擊產生聯繫：當它們再次聞到苯乙酮時就會條件反射式地停下腳步，並且會容易被大聲的噪音所驚嚇。訓練結束的十天後，這些小鼠的精子被提取出來和普通卵子結合，並植入母鼠體內使其受孕。

在受驚小鼠的後代出生並成熟後，迪亞斯對它們進行了行為測試。結果是，這一代小鼠也會像父代一樣對苯乙酮敏感，儘管它們從出生起就並沒有接受過條件反射訓練。而且更神奇的是，在這一代小鼠繁衍後，孫代小鼠仍然有著對苯乙酮的敏感反應。

迪亞斯檢查了這些小鼠的神經系統，寄希望於能找到這種聯繫的生理證據。先前的研究證實了當小鼠對苯乙酮產生恐懼聯繫時，它們大腦前部的某一簇神經元會變大，而在這些受驚小鼠的後代們中，迪亞斯也發現了同樣的現象。

經過恐懼訓練的親代小鼠和它們的子代之間唯一的聯繫就是精子。也許這些精子細胞以某種方式將基因以外的東西傳遞給了下一代，而這個東西所包含的信息不以基因作為載體，而是通過經驗習得。

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表觀遺傳學

為了解釋這種古怪的遺傳現象，一些科學家將目光集中到了表觀基因組身上。它是一種包裹並操控基因的物質，通過在不同細胞內改變組合方式來幫助完成細胞分化。這些組合方式在之後的分裂過程中也保持不變，所以我們才得以有著不同種類的器官：負責分化成心臟的細胞不會成為腎臟。

但是，表觀基因組並不是一個固定不變的開關程序，它也會被外界世界所影響。舉個例子，清早當你起床時，表觀基因組會受光線調節而開啟某些基因幫助白天的機體運作；而到了晚上，它們又會抑制某些基因來完成一個完整的生物鐘。表觀基因組還可以對一些突發信號做出反應。比如我們感染疾病時，免疫細胞會重新組織基因來製造對抗病菌所需要的蛋白質。隨著免疫細胞的分裂，這種「作戰準備就緒」的表觀基因組序列會作為細胞記憶被傳遞給後代。

在我們大腦中儲存的記憶也與這種表觀基因組的變化密不可分。自上世紀中開始，神經學家就發現，當我們形成新記憶時大腦會修剪和增強部分神經元之間的連接，而這種連接模式可以維持數年。最近研究人員發現，新記憶的形成還會伴隨著表觀基因組的變化，例如神經元 DNA 線圈的重組或是新甲基的產生。這些持久的變化可以保證負責存儲長期記憶的神經元組不斷產生維持強連接所需的蛋白質。

撫養方式會遺傳

但是，表觀基因組的延展性並不理想。有些實驗表明諸如壓力的負面影響可以改變細胞的表觀基因模式，從而帶來長期的危害。上世紀九十年代，麥吉爾大學的邁克爾·明尼團隊做了一項關於老鼠對壓力產生反應的實驗。他們將老鼠放在一個狹窄的塑料盒子里，從而激發它們的焦慮情緒並使它們釋放一種加快脈搏的荷爾蒙。其中，某些老鼠對壓力的反應要比其它老鼠強得多，同時會釋放更多的壓力荷爾蒙。明尼發現這些老鼠在嬰兒時期被母親舔舐的次數較其他老鼠來說更少。

之後，明尼與另一位麥吉爾的基因學家莫舍·斯夫合作研究舔舐次數對動物帶來的生理變化。他們檢查了海馬體（哺乳動物的大腦中涉及壓力控制的區域）中的神經元，尤其是它們的甲基化。結果發現，相比起經常被舔舐的老鼠來說，在那些不怎麼被母親舔舐的老鼠的大腦海馬體中壓力荷爾蒙受體的基因部分有更多的甲基化。

明尼和斯夫提出這樣一個推測：當動物母親舔舐嬰兒時，這種經歷感受改變了海馬體的神經元：一些包圍著受體基因的甲基結構被消除。而當基因周圍有著更少的甲基化時，它會更加活躍，從而使神經元製造更多這種荷爾蒙受體。在經常被舔的幼體中，這些神經元對壓力有著更多的受體，所以可以更有效率地處理並控制；而不經常被舔的幼體只有較少的受體，所以更容易產生精神恐慌。

既然老鼠和人類同屬哺乳動物，也許人類的孩童在成長過程中也會受到來自壓力水平的長期影響。明尼團隊對 36 個亡故人類的大腦組織進行了觀察研究，其中三分之一來自自然死亡，三分之一來自自殺者，剩下的三分之一來自有孩童時期受虐待歷史的自殺者。他們發現，那些孩童時期有著被虐待經歷的人，大腦受體周圍也有著更多的甲基組，就像先前的老鼠實驗一樣。從此可以推導齣兒童虐待帶來的表觀基因組變化改變了這個兒童成年後的情緒和心理狀態，並不斷滾雪球，引導個體走向自殺的深淵。

不過，圍繞大腦和身體中表觀基因組變化這一話題仍有不少不確定性和質疑。比如大多數實驗樣本很小，並且在其他學者重複實驗時很難得出同樣的結果。甚至有可能表觀遺傳科學家們使用的研究方式領著他們走向了錯誤的道路，彷彿試圖在沙漠中挖掘不存在的水。但是研究者們沒有因為這些質疑而半途而廢，他們相信終於一天我們可以破解表觀基因組的奧秘，發現「天生」與「後天」的連接，甚至通過重寫基因碼來治療某些疾病。

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表觀基因組的具體作用和它能否真的開啟遺傳的新通道仍然是一個有爭議的話題。反對者們認為這些對小鼠和人類的實驗樣本過於小，不足以被當作令人信服的科學依據。親代與子代之間的表觀基因相似可能只是統計學巧合而非遺傳連接。

不過，最強力的批判針對的是實驗中的分子細節。親代的經歷具體是如何在子代的基因中留下記號的呢？從支持者的理論中很難找到這一環的論證。的確，人的細胞會在一生當中發生甲基化模式的改變，但是我們並不知道這是否會遺傳給下一代。

同時，這項假說並不符合我們對受孕過程的了解。精子攜帶自己獨立的 DNA 和表觀基因組，當它與卵子結合時，基因進入卵子的同時，來自父方表觀基因組會受到蛋白質的攻擊。隨著胚胎的生長，胚胎細胞會剝離 DNA 上剩餘的甲基，並在之後重新附上新的甲基組。這個新甲基組幫助胚胎細胞獲取分化身份。三周後，胚胎細胞又會改變表觀基因組並開始分化，而這一過程又會重洗甲基組模式。因此，許多科學家質疑「表觀基因組的遺傳標記」根本無法通過這些剝離和重組。如果遺傳是一種記憶，那麼用甲基做媒介就好比每一代就會經歷一次嚴重失憶。

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也許生物的生理特性導致表觀基因組遺傳並沒有什麼發揮空間，但是不少科學家們不認為這是死路一條。

我們對錶觀基因學的理解取決於我們的研究能力。當科學家們最開始發現包裹著 DNA 的甲基時，他們幾乎無法通過儀器觀察得到具體情況。上世紀九十年代，恩里克·科恩做到了取出一小段基因並檢查其甲基化的程度。再之後，科學家們發明了可以將細胞中所有基因的甲基一一對應的工具，只不過他們需要同時將 DNA 從成百上千萬個細胞中同時取出才可以做到，而如果這幾百萬個細胞中混進了不同組織種類的細胞，這一切就前功盡棄了。直到 2010 年，我們才做到將細胞放置在顯微鏡傳送帶裝置上來一次對單個細胞進行甲基化觀察。

隨著我們對錶觀基因組的了解加深，一些舊的理論不斷被推倒。2015 年，英國維爾柯姆學院的生物學家阿茲姆·蘇拉尼帶領的團隊進行了第一個人類胚胎細胞的表觀基因研究。他們發現原生殖細胞的確剝離了絕大多數甲基，並且重組了新的外層包裹，但是部分甲基組牢固地卡在 DNA 上。不少細胞都有這種維持原先表觀基因模式的 DNA 部分。這一段 DNA 包含了被稱作「逆轉座子」的片段。它們像病毒一樣複製自己並嵌入細胞的 DNA 中，而甲基可以抑制這種基因「寄生蟲」。逆轉座子一般位於編錄蛋白質的基因附近，所以很有可能這些基因也會同時被抑制。蘇拉尼發現處在牢固甲基區域的某些基因與疾病有關，包括肥胖、多發性硬化、精神分裂症等。根據這個結果，研究人員們認為這些基因是表觀基因遺傳的不二人選。

科學家們同時也關注了其他控制基因的分子，比如 RNA 。當精子與卵子結合時，不只是 DNA 的結合，也是 RNA 的結合。研究人員正在調查 RNA 是否有能力作為代代遺傳的新渠道。馬里蘭大學的安東尼·喬斯追蹤了秀麗線蟲體內的 RNA 分子，並發現在線蟲大腦中製造的 RNA 最終會進入精子中變成基因。也有研究發現秀麗線蟲的 RNA 可以在不同代中抑制同一段基因。

當然，我們不是蟲子，但是也有不少實驗展示了人類細胞可以經常通過外泌體相互發送 RNA 。在某些物種中，胚胎使用外泌體來交流並保證身體的各個部位同步生長。儘管這不能證明 RNA 可以維持表觀基因遺傳，但這的確提供了一個有趣的思路。

也許正如盧瑟·伯班克在兩百年前所說的，「遺傳，不過是所有過往環境的總和。」

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作者 | Carl Zimmer

翻譯 | Prismo

審校 | 酷炫腦

編輯 | Mandy

原文鏈接：

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