在深度测序的年代，我们读博物学家的著作

爱德华·威尔逊（Edward O.Wilson）于2021年12月26日逝世。他的名字常常与达尔文相提并论，被称为“21世纪的达尔文”。他是一位博物学家，最具代表性的工作是研究蚂蚁。据《泰晤士报》报道，他一生中鉴别的蚂蚁新种超过450种，其中一种他用著名演员哈里森·福特的名字命名。大卫·爱登堡爵士盛赞他是专家的范例，这个世界上没有任何一个人像他那样了解关于蚂蚁的一切知识。在上世纪70年代，威尔逊提出了“社会生物学”的概念，提出动物的行为（包括人类的行为）是由遗传因素和环境因素共同决定的，动物的行为皆有生物基础，遗传和进化选择的力量主导着动物的行为。威尔逊还建立了生物多样性的概念，自70年代以来，一直是生物保护的有力呼吁者和支持者。在他的主持下，全世界的科学家共同创立了“生命百科全书”，目标是建立一个前所未有的开放检索生物数据库，涵盖地球上190万个物种的信息。在威尔逊以92岁高龄逝世之际，人类社会对保护生物多样性的意识清晰且强烈，各种开发建设迫于公众压力，不得不采取对自然环境破坏更小的方法。这让威尔逊与并肩战斗的一代代科学家们欣慰，并认识到前方还有更长更广阔的路。

威尔逊属于“古典派”的生物学家或者博物学家。达尔文乘坐“小猎犬号”舰艇在圣地亚哥岛观察迅速变色的墨鱼，在加拉帕戈岛观察叫声各异的鸣禽。威尔逊在佛罗里达、阿拉巴马、巴西、墨西哥……带着大量的标本瓶和铲子、镊子，到处收集蚂蚁。1958年，威尔逊与三个同事去佛罗里达捕捉10万只工蚁。这是一项艰苦的工作，到后期他的双手布满了被蚂蚁咬的伤痕。同事发誓再也不跟他一起旅行了。博物学家的工作地点在森林和原野上，人迹罕至之处，挥舞着网子捕捉标本，再带回实验室分门别类。他们的绝技是看一眼某种动物或植物，甚至只是个体的一部分，就能说出它的种名，以及分布地区和生活习性。他们是行走的博物馆，知道地面上活物的一切。他们也是博物馆的建造者，我们满怀好奇久久凝视的标本都是他们毕生心血的结晶。如今还有不少这样的生物学家，但他们的工作逐渐远离了人们对生物学家的想象和期望。如今大众对生物学研究的想象和期望是从基因层面上治疗疾病，再造器官，延缓衰老，甚至在实验室生产人类。古典博物学家的工作不再是人们的兴趣焦点，在普通人的想象里，科学家已经详细记录了地球表面的一切，难道还有什么新鲜东西吗？

公众对生物学研究的想象发生了巨大的变化，因为生物学研究本身正处在前所未有的大发展中。1990年，雄心万丈的人类基因组测序计划启动。在那个年代，手工测序还是生物学实验室的普遍做法。新手博士生往往要学会制作又大又薄的测序胶，只为得到几十个碱基的序列信息。美国国家卫生研究院（NIH）资助的人类基因组计划，联合了世界上好几个国家顶尖研究机构的力量，在2003年，公布了第一个人类的基因组序列。从此以后，人类的遗传物质不再是神秘的东西，而是可以解读、可以拼贴、可以标记、可以观察其动态的具体信息链。今天，任何一个刚进入生物研究领域的学生，如果需要一段生物基因的信息，他只要打开加州大学桑塔克鲁兹分校的基因组搜索网站，输入基因名，选择物种，就会得到这个基因的序列、结构、在染色体上的位置等一系列信息。在21世纪以前，根本无法想象获取一个基因片段的信息竟会如此容易。在这个年代，基因改造也变得空前的容易。研究者不必再借助胚胎干细胞和效率不高的DNA同源重组，甚至不需要知道目标基因片段在基因组中的位置，就能方便地删除某个基因片段。最近十几年，深度测序使研究者可以获得小到一个细胞内的全部转录组的序列和数量信息，决定细胞个体差异的基因水平成为许多科学家的研究焦点。细胞的年轻与衰老，全能与分化，是否完全由基因决定？由哪些基因决定？这都是现在的生物科学家日夜忙碌希望找到答案的问题。

测序技术和基因改造技术的大发展，改变了整个生物科学研究的面貌。现在用分子生物学手段制造此前从未在自然界出现过的各种生物模型已经成为非常普遍的操作，尤其是常用的几种模型生物——拟南芥、酵母、果蝇、小鼠……对生物体的研究被分解为对器官、组织，甚至单细胞的定时定量的研究，研究者的兴趣集中在一个生物过程中的某几个基因的相互作用上。在这个时代，生物科学更多地以生命的“基本粒子”为工具，探索微观层面上的问题——细胞的共性和特性，基因的表达与关闭，蛋白质的合成与降解……在生物学的古典时代，这些问题不存在，甚至产生它们的土壤都不存在。威尔逊本人建议科学家应该去追寻那些还没有人发现的问题，就像他在50年代研究蚂蚁一样。测序和基因改造技术强大起来以后，生物学家忽然进入了一大片全新的领域，所有的人都争先恐后地向所有方向冲刺。另一位伟大的科学家芭芭拉·麦克林托克在30年代用经典遗传学的方法在玉米中验证了转座子（能在基因组中跳来跳去的片段）的存在，她在1983年因此获得诺贝尔奖。到了21世纪，研究者们已经能用测序的方法推测染色体的3D结构，阐明DNA盘绕成染色质并进一步组织成更复杂的三维结构时，哪些片段在相互作用。科学家们在精彩的基因世界里前进，每向前一步都会挖出更多的问题。在这个基因与分子的时代，博物学家的工作是否还有参考价值呢？

威尔逊曾经与发现DNA的詹姆斯·沃森共事过，威尔逊比沃森小一岁，却比他更早拿到教授职位，这令沃森非常不满。沃森经常扬言未来的生物学研究是DNA和分子生物学的天下，传统生物学不过是集邮罢了。威尔逊对沃森的评价是：从未见过如此趾高气扬难相处的人。沃森的预言部分实现了：生物学研究的确进入了基因与分子的时代。但他没说中的是，在基因与分子的丛林中，大部分科学家还是在做着类似集邮的工作，我们现在甚至还不知道基因组到底包含多少种信息。详细和深入地收集知识是研究未知领域不可回避的第一步，《蚂蚁的社会》让读者看到以威尔逊为代表的蚂蚁研究者对这个物种生平一切的研究可以详细深入到什么程度。研究者一直在发现新的蚂蚁物种，定量它们的个体大小和形态差异，工作模式、行为差别，以及蚁群的兴起和衰落……他们还观察蚂蚁如何鉴别和收集可用的植物叶片并在巢中进行可与人类农业相比的真菌培养，如何区分垃圾与食物、同伴与敌人；蚂蚁们如何勤劳地将不利的杂菌毒物清理出巢穴，如何用化学信号达成与同伴的有效交流；在巨大的蚁穴中，蚂蚁们如何保证洞穴的温度、湿度和二氧化碳浓度，使之适宜哺育后代和培养真菌。在今天，虽然有了强大的基因技术，生物研究的基本理念与经典生物学时代仍然保持着一致。如今的生物学家，无论他们的研究对象是膜蛋白、干细胞，还是心肌缺血小鼠模型，仍然在遵循着相同的详细和深入原则，收集着研究对象的一切细节，以及这些细节之间可能的关联方式。威尔逊认为，要在生物科学界闯出一片天地，就得能从烦琐而重复的数据收集和分析工作中得到许多乐趣。生物学研究特别需要这种耐心，因为生物学的重复并不真的是重复，每一次都和上一次稍微有点儿不一样，研究对象的特性只有通过大量的比较分析才会渐渐浮现。

要向同行和世界证明自己的假说，生物学家采取的逻辑和方法与过去相比并无不同。为了找到蚂蚁之间传递信号的信息素，威尔逊解剖了蚂蚁，分离出所有主要器官，用它们制造出一条条人工气味痕迹，看蚂蚁对哪一条痕迹有反应。用这种方法，他发现杜氏腺的分泌物对蚂蚁同时具有指引和刺激的效用。神经轴突的生长与蚂蚁通过信息素寻找路径有一定的相似之处，也由外界的一些化学物质引导。为了了解神经细胞如何对化学物质做出反应，研究者降低神经细胞中某个基因的表达或者敲除某基因，看神经轴突是否会失去对刺激物质的敏感性。当然，在测序时代，研究者对机理的探究可以进一步深入到基因层面，比如对收到信息素刺激的蚂蚁进行单细胞测序，看是哪些基因表达控制着蚂蚁的行为。这是威尔逊在50年代无法想象的。如果他在科学生涯的盛年掌握了测序工具，《蚂蚁的社会》这本书一定会有更多令人惊叹的内容。这个接力棒正在被21世纪的蚂蚁研究者向前传递，他们用基因和分子机理阐释老一代研究者观察到的生物现象。2018年，澳大利亚昆士兰大学的一个研究组在《科学进展》上报道了蚂蚁毒液蛋白质的特性以及编码蚂蚁毒液蛋白质的基因家族进化过程。

在威尔逊的自传《大自然的猎人》中，他讲述了自己还是孩子的时候，每天在海滨闲荡，一天到晚看水母、颌针鱼、鳐鱼，还有成群的宽吻海豚的经历。在晚年，身处科学生涯的另一端，他意识到那个在水边满心期待地寻找新奇事物的小孩，就代表着自远古以降的对大自然充满好奇的人类。科学家是以好奇为职业的人，他们想要迫不及待投身的领域，都像充满未知生灵的大湖和大海。威尔逊认为研究者应该先获得丰富的实践经验而非系统知识，这对生物学研究仍然至关重要。能敏锐地捕捉到观察目标的形态和生理的细微变化，并进一步解析背后的机制，一直是生物学研究的基本路径。有建树的生物学家对自己研究的对象都了解得非常深刻。威尔逊认为科学研究中有两种策略：一种是先确认一个问题，然后设法找到答案，在寻找答案的过程中使用称手的生物模型；另一种策略是尽可能全方位地研究某一个课题，寻找和记录一切未知的甚至是超乎想象的现象。在他的年代，这两种策略会让科学家适应不同的研究模式，渐行渐远；在深度测序和基因编辑的年代，这两种策略经常可以合二为一——为了回答问题，研究者可以寻找新的模型，将其改造为理想的工具；研究者如今可以用深度测序的手段，发现已知生物中更多的未知过程。 生物技术科学科普基因测序爱德华·威尔逊沃森测序深度基因合成生物