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编辑推荐

适读人群 ：生物、医疗领域从业者；学生和大众读者
如果将有机体比作一台计算机，那么基因组就是支撑其运行的软件。这套软件正是本书的两位作者道恩?菲尔德与尼尔?戴维斯所说的“基因组”，即地球上所有的DNA总和。在《基因组革命》一书中，两位作者讲述了新世纪的一项重大科学动态——全世界正不断加大投入，致力于“基因组”的解读和绘制。同时，他们还向读者揭示了该动态会对未来造成的各种影响。
DNA的双螺旋结构在1953年得以确认，完整的人类基因组图谱于2003年绘制完成。自此，基因组学迅速成长壮大，目前已呈现出工业化的运营态势。基因组测序的速度飞速提升，成本却在不断下降。从哺乳动物到微生物，大量生物的基因组图谱都已绘制成功。人类基因组测序也逐渐成为越来越多的人都可以承受的一项健康检查项目。基因组测序可以帮我们鉴定亲子关系、对我们的先祖追根溯源，或判断一个人是否患有基因疾病。此外，该技术还能检验宠物的血统，辅助人们进行艺术创作，一根掉落的毛发足以让我们大致重构其主人的面部特征。从DNA的解读到建构，人类已踏出了创建人造生命的关键一步。
有些人可能会认为，DNA技术的超高速发展，以及它被不正当使用的可能性，应当让人类心生忌惮，时刻保持警惕。但不可忽略的是，该技术同时也为人类开启了前所未有的各种可能，人类在未来将会破解整个星球的生物密码。

内容简介

由于较为复杂的特性，目前人们对基因检测和基因组测序还存在不少困惑。虽然人们对基因知识的强大力量怀有巨大热情，而且革命性的新技术正不断涌现，但是在这种氛围中媒体恶意炒作，医学教育中基因学教学相对薄弱，再加上美国大众科学素养普遍不高，这几种不利因素共同作用，导致人们对基因检测和基因组测序存在困惑和误解。因此，在人人都能测得起基因组序列的这个时代，希望读者能从这本书中的故事里对基因技术的远大前景以及目前存在的困难与不足有所了解。

作者简介

道恩·菲尔德，是牛津大学牛津电子研究中心高级研究员，并就职于英国自然环境研究委员会（NERC）的生态与水文研究中心，担任该中心生物多样性项目“分子进化与生物信息学小组”的主管。

尼尔·戴维斯，是加州大学伯克利分校冈普南太平洋研究站的常务主任，“莫雷阿岛生物密码项目”的首席研究员，专门致力于测定非微生物物种的DNA序列。

两位作者还均为牛津生物多样性研究所的研究员。在研究所内，两人取长补短，共同创办了国际“基因组观测网”。两人的研究领域包括生物进化学、群体遗传学、基因组学、宏基因组学、DNA编码、生物信息学、生物多样性，以及数据共享。菲尔德还是“基因组标准协会”的创始人，该协会的目标是在全球范围内推动基因组学研究的标准化，推广基因组数据的交换与整合。此外，两位作者还共同致力于将新兴的“生物多样性基因组学”提升为一个独立的科研领域。

目录

推荐序一
推荐序二
推荐序三
序言 生物密码：基因组学新纪元

第一章 DNA
不朽的螺旋圈
衣柜中的世界
分子自恋狂
“谁是你老爸？”
案例分析：非同寻常的猫咪
“陌生人视野”项目
为你的基因打广告

第二章 个人基因组学
科学界“摇滚明星”的基因组
“60亿人，60亿组碱基对”
三万条基因组：数量严重不足
基因组学入门课
基因组学巨头
意外打击

第三章 演化人
新生儿基因测序
恶魔方舟
灭绝物种复活
辛西娅——首个人工合成基因组
胚胎基因组学
基因组配对网
人类重启

第四章 测序仪中看世界
人人皆是猫王
金库：基因组在线数据库
规模重要吗？
别叫它垃圾
第一个“推因组”
丹尼索瓦人女孩
单细胞姐妹
微生物地球
遗失雅典卫城

第五章 有机体绝非一座孤岛
生物多样性的内部
比率问题
为数万亿微生物，吃起来
濒临崩溃边缘的微生物
基因组捐献
2％的大熊猫
最后的大草原

第六章 地球基因组测定
缠绵的吻
重聚
独角兽
侵入种
发展中的基因
死海复活
震撼与惊叹

第七章 人人都自成一个生态系统
量化自我
滑轮阻拦赛
海中航标
三叶杨、鳕鱼与珊瑚
莫雷阿岛生物编码计划
全球生态系统模型

第八章 地球生命编码
生命密码
我们在大自然中的一席之地
太阳帆船
你也可以进行生命编码
行星基因组项目

尾注
参考文献
延伸阅读

精彩书摘

重聚
早在一部以人类的勇敢和机智为主题的西方海洋文学的开山之作——古希腊史诗《奥德赛》中，人类足迹就已遍布所有大陆。遗憾的是，真实世界中早期人类可媲美奇幻历险的种种探索之举却无人记录。没关系，因为这些经历已被烙印在我们的DNA深处，甚至是那些曾伴随着早期人类一同“游历”的各类物种的基因之中。早期人类探索世界之旅最先发生在太平洋，这是人类探索地球过程中最炫目的壮举，除了现代人类的外太空之旅外，再无其他丰功伟绩可以盖过人类对太平洋的探索与发现。
源自非洲的人类逐渐迁移到这颗星球的各个角落。大约在距今6万年前，现代人类从非洲迁出后分散在亚洲各地定居下来。约1.5万年至2万年前，其中一群人最终穿越了从西伯利亚到阿拉斯加之间长达1000英里（约合1600公里）的陆桥，一路来到了南美的巴塔戈尼亚地区（Patagonia）。随后该陆桥被上升的海平面淹没，形成了今天众所周知的白令海峡（the Bering Straits）。美洲也自此成为一个巨大的岛屿，横在太平洋和大西洋之间。
早期人类不仅擅长陆上迁移，对水路也不陌生，有时甚至可以进行一些短途的跨海旅行。但远洋船舶和长距离航海，还是在造船术和航海知识发展较为成熟后才出现的。因此，人类历史的大部分时间，太平洋、大西洋和印度洋上的岛屿都是无人居住的。直至公元前3000年，波利尼西亚人的足迹开始出现在太平洋各个角落。15—17世纪，欧洲进入“地理大发现时代”（又名“探索时代”或“大航海时代”），航海家们四处探险时，发现这些“无人岛”也并非渺无人迹。
太平洋是世界上最大的地理构造单元，覆盖了地球面积约三分之一。如果你在“谷歌地球”上将自己的视角定位于塔希提岛（Tahiti，又称“大溪地”，南太平洋波利尼西亚群岛中最大的岛屿），就会发现太平洋宽广得令人不可思议，除了美国加利福尼亚州、澳大利亚和南极洲的一些大型岛屿外，几乎看不到任何陆地。不过只要把地图放大，就会发现在广袤无垠的太平洋上，镶嵌着许多岛屿如繁星点点。顺带说一句，“波利尼西亚”正是“许多岛屿”的意思。
这些波利尼西亚人来自何方？一项尤为重要的物证显示，这些岛屿的土著们是从南美洲迁移到这些太平洋的小岛上的。该物证就是——红薯。红薯原产于南美大陆，但现在太平洋各个岛屿都将其作为一种主食广为培育。早在约8000年前，南美洲秘鲁高地上的人们就会种植这种被驯化的农作物。专家们曾经猜测，该农作物是16世纪时来自西班牙和葡萄牙的探险家们从南美洲引入这些太平洋岛屿的。然而，数据显示这种猜测可能是错误的。因为考古学家在太平洋地区发现的最古老的红薯碳化样本可以追溯到公元1000年——这一时间要比哥伦布首次航行至太平洋地区提前了约500年。此外，“红薯”一词在各种波利尼西亚语中的发音，都类似于“盖丘亚族”（Quechua）语中“红薯”的叫法，盖丘亚族是南美印第安人的一大分支。
所以，红薯是否是由史前的南美人自己引入到这些太平洋岛屿的呢？波利尼西亚人是不是（或至少部分属于）美洲人的后裔？挪威人类学家托尔?海尔达尔（Thor Heyerdahl）认为答案是肯定的，并且为了证明这一论断，他制作了大名鼎鼎的仿古木筏“康提基号”（the Kon-Tiki），试图证明在公元五世纪，当时尚处于石器时代的南美洲印第安土著是能够凭借木筏跨海远航的。但我们现在知道，历史真相往往更加离奇：波利尼西亚人凭借木筏横渡了太平洋，而且他们不仅成功地到达了南美，最后竟然还顺利返航了！
波利尼西亚这段真实的“史诗故事”，背后有几项证据支持，最近还多了一条DNA证据。当时的波利尼西亚人纵横于海上，凭借的是他们的“双体独木舟”，而为满足航行时的饮食所需，这些独木舟上往往有意或是随意地携带了一些动植物，分子人类学家们将这些生物体统称为“独木舟生物系”（canoe biota），包括各种植物、老鼠、猪和鸡等等。163通过对这些生物的基因分析，他们发现了一些迄今为止最有力的基因证据，能够证明当时的波利尼西亚人不仅冲出亚洲，在最偏远的太平洋群岛上定居了下来，甚至走向了世界，远航至南美海岸。
2013年，一群人类遗传学、人口迁移和远古DNA分析领域的专家们发表了一份研究报告，为该论断提供了进一步的证据。164该团队的研究对象是现已灭绝的巴西博托库多印第安人（Botocudo Indians）。研究者从该人种的古代头骨中小心翼翼地提取出DNA，并在随后的报告中指出，其线粒体DNA序列属于波利尼西亚人所特有的单倍型类群（haplogroup，简称为“单倍群”）。
此外，“红薯之谜”也最终通过DNA分析被揭开了，解密者是由来自法国的“进化和功能生态学中心”（Centre for Evolutionary and Functional Ecology）与“法国农业研究与发展中心” （简称CIRAD）的科学家们组成的联合研究团队。165要完成这项研究，该团队需要一种特殊的植物样本——这种植物必须出现在现代贸易将植物的遗传路径打乱、背离史前遗传模式之前。幸运的是，多亏了英国绅士、植物学家约瑟夫?班克斯（Joseph Banks，1743—1820），将符合这种条件的样本在英国皇家植物园（别称“邱园”）中找到了。
……

前言/序言

生物密码：基因组学新纪元
DNA（脱氧核糖核酸）是一种生物密码，虽仅由A（腺嘌呤）、C（胞嘧啶）、G（鸟嘌呤）、T（胸腺嘧啶）四种碱基构成，但大道至简，这份简单却是无数复杂生命的起点。本书想要传递的主旨是，尽管基因组学领域的研究已成就非凡，但该学科大时代的序幕才刚刚拉开。较之地球上不胜枚举的复杂生命中所蕴含的深刻奥义，我们现在所发现的，仅仅是最初的萤火微光；所能解答的，也只是万千谜题中的沧海一粟。此后的任务，是将地球从小到大，由内而外地彻底梳理清楚——小到基因组、大到地球生境；内至五脏六腑、外达四海五洲。
在本书的八个章节中，我们会全面地回顾过去、展望未来，从DNA双螺旋结构的发现开始，一直介绍到未来有望以行星为规模的基因组研究。该领域的研究一路走来，突破不断、惊喜连连。本书会将已取得的成果一一道来，充分展示其迅猛发展的全貌。
在此，我们要向许多人致谢。首先要感谢我们的编辑，可敬的拉莎?梅农（Latha Menon）女士。从最初的调研到最终的版式，她引导我们完成了本书出版的每一个环节，并常常在咖啡时间亲切地和我们分享她的人生智慧。我们也同样要感谢她的助理爱玛?马（Emma Ma），她也为我们提供了宝贵的帮助和建议。当然，牛津大学出版社（Oxford University Press）更是功不可没，在此一并致谢。
其次，我们还要感谢本书初稿的读者们。有见地的读者是每位作者梦寐以求的，苏塞?菲尔德（Suse Field）和约翰?菲尔德（John Field）正是其中的翘楚。在本书撰写的过程中，他们提出了大量优质的反馈意见。安德鲁?辛格（Andrew Singer）在我们撰写“基因组故事”时帮忙出谋划策，去芜存菁。杰克?吉尔伯特（Jack Gilbert）和罗布?奈特（Rob Knight）对本书的初稿进行了阅读和评论，但他们最大的贡献还是作为我们的同事，用自己的学术成果为“生物多样性基因组学”这门新兴研究领域的形成添砖加瓦。此外，希拉里?吉尔伯特（Hillary Gilbert）和玛莎?比曼（Martha Beeman）共同出色地承担了本书的校对和评论工作。
当然，本书的一切疏漏与错误均由我们两位作者负责。自1995年基因组研究起步至今，正是科学家们所发表的一篇篇开拓性的论文，才使得本领域激情四溢、精彩纷呈、硕果累累。当然，这一切还离不开各项基金的慷慨支持。本书的作者之一尼尔?戴维斯（Neil Davies）代表他个人，感谢戈登与贝蒂?摩尔基金会 (Gordon and Betty Moore Foundation) 对他在莫雷阿岛所进行的研究之大力支持。最后，我们还要感谢基因组学领域所有其他方向的研究者们，他们的学术成果大力推动了我们的研究进展。感谢你们在过去几年中与我们携手合作，将一项又一项计划从创意变为可能。你们才是尚未公布的行星基因组项目（Planetary Genome Project）真正的领导者。
道恩，菲尔德，尼尔?戴维斯
推荐序一
工业革命和互联网技术的浪潮激荡着人类文明和现代生活。摩尔定律在很长一段时间内定义了技术进步的速度，基因组技术却以超摩尔定律的速度改变着人类的生活，迅速刷新了人类对自身的认识，延展了对长命百岁的憧憬。
1869年米歇尔发现核素，人类开始认识到我们细胞内存在着神奇的遗传物质；1953年沃森和克里克发现了DNA的双螺旋结构，奠定了基因组学的基础；1995年第一个全基因组序列绘制完成，吹响了基因组革命的号角；2003年第一个人类基因组序列完成测序，我们开始窥探生命的密码；2013年千人基因组测序完成，同年发起了百万人基因组计划，加速探索健康、疾病和遗传物质的关系；而在作为精准医学元年的2016年，人们开始提出“我的基因我知道，我的健康我做主”的生活主张，开始量化自我。
当然，基因组不是生命过程的全部，毕竟基因组要发挥作用，还要经过RNA、蛋白质、小分子、细胞、组织、系统和个体这样从微观到宏观的转录和翻译过程，这是利用分子生物学来进行健康疾病研究的路径。通过测序、质谱、细胞生物学、影像学、生理学和免疫学等一系列方法对生命的不同表现尺度进行研究，可以通过测量或存储不同生命过程中的样本来进行，从而极度扩展人类活到120岁甚至永生不死的想象。想必大家都看过电影“侏罗纪公园”，随着基因组技术的发展，从被固定在琥珀中的蚊子体内抽取恐龙血液，提取DNA样本并进而复活恐龙也并非不可能。最近有个有趣的科学发现：科学家在西伯利亚的冰川下发现了一只猛犸象的冷冻样本，并从样本中发现了猛犸象的活细胞。科学家很快将这些活细胞进行了保存，并计划通过无性手工克隆的方法，将猛犸象的细胞核注入到大象的卵细胞中重新复活猛犸象。如果大家有机会参观深圳国家基因库（全球第四个国家级基因库，也是全球最大的集样本库、数据库和活体库为一体的生物资源库），就可以感受到人类对永生这一梦想的向往是多么强烈！
现在不少人关注健康比较直接的指标是体重，毕竟这关系到外貌和健康。如果大家某一天起床后发现自己的BMI（身体质量指数）没能及格，大可不必担心，其实你的体重至少可以再减掉约2千克——减掉这2千克，你就可以及格啦！其实我们不仅有人类基因组这一套稳定的基因组，还有一套动态的基因组，那就是生活在我们体表、呼吸道、生殖道和肠道里的细菌的基因组，也就是我们常提到的宏基因组。这些细菌不仅增加了我们的体重，还左右了我们的生活习惯，甚至决定着我们的健康状态，而我们显然离不开它们。所以说细菌的基因组是我们的第二套基因组。这些细菌加上我们的心理因素，构成了我们的健康内环境。我们还有第三套基因组，也就是我们的生活环境，包括空气、水和土壤中的生物体的基因组，这些生物体和我们生活于其中的社会构成了影响健康的外环境。
当我们担心机器人在智力上是否可以战胜人类的同时，我们自己其实也在造物上开始挑战大自然。我们在解读DNA序列的同时，开始设计和合成DNA序列，并且已经成功迈过合成原核生物，向合成真核生物努力。虽然目标还比较简单，只是要合成酵母！合成DNA序列还有一个美好的前景，就是我们可以拥有更大容量的“硬盘”，要知道1克DNA可以存储700TB的数据。撇开目前测序的速度，如果按现在600美元测序一个人类基因组的价格水平，读一遍这个硬盘上的信息成本将高达420万美元。加之目前合成DNA的成本约为测序成本的几十万倍，所以硬盘厂商们大可不必担心：这块“硬盘”的造价在今天可能只有极少数巨头企业能够承担。当然，如果合成DNA的成本太高，我们还有一项压箱底的技术，那就是DNA编辑，这项技术童叟无欺，不管是成本还是速度都令人满意。
所有的技术都具有两面性。基因组技术的革命，在改善我们的健康生活上具有不可想象的潜力，但也可能成为种族歧视的“帮凶”，沦为侵犯隐私的工具。就像我们讨论原子能和人工智能技术一样，只有通过合理的利用，它们才不会成为毁灭人类自己的武器。此书对这个命题进行了充分的讨论，同时也阐述了基因组技术对人类自身、对环境、对地球，甚至对宇宙探索的深远影响，是全面了解基因组技术的历史、研究和应用的一本不可多得的书。
深圳华大基因研究院 方林
推荐序二
“人类基因组计划”经常被拿来和阿波罗登月计划相提并论，其重要性不言而喻。尤其是该计划曾举全球各国科学界之力，历经多年大规模的跨国合作，花费政府和民间数十亿美元的巨额资金，这些至今都被业内外人士津津乐道。科学界和产业界陆续从中挖掘出重要信息，并成功应用于生命科学、医学、农业、环境保护等领域，这些都证实了该项目的高瞻远瞩，以及对生命科学和医疗健康领域发展的巨大推动力。但是我们也看到，对基因组科学来龙去脉的了解以及对其未来巨大价值的理解尚未深入人心，甚至还有偏见和误解存在。《基因组革命》这本书的作者道恩?菲尔德和尼尔?戴维斯用一种深入浅出且饶有趣味的方式，带领我们认识了人类发现DNA、解读DNA、利用DNA以及进一步尝试通过基因组科学了解和改善各种生态系统多样性这一简明却又波澜壮阔的基因组科学发展过程。
此书所展现的行业趋势和动态让人耳目一新，甚至有的观点让人拍案叫绝。大家不妨回顾一下:在生命科学领域，二十年前我们还在兢兢业业地在分子生物学实验室内一个接一个地克隆基因，为发现每一个单基因的新功能而欣喜若狂；十余年前，我们还在为是否有必要开始人类基因组计划争论不休，甚至教科书上都偏执地认为人类基因组中存在所谓的“垃圾DNA”，毫无生物学意义；而到了今天，我们已经可以用极低的成本和极短的时间完成各种物种的全基因组测序和分析，我们甚至开始尝试利用基因编辑、细胞免疫、DNA合成等新兴技术和手段治疗各种疾病，乃至创造新的生命体……这是一个多么让人振奋的基因组学变革时代！
就在我作序之时，有媒体报道纽约基因组中心和哥伦比亚大学的研究人员已经实现了每克DNA存储214PB数据的存储密度，而这个密度是数年前科学家第一次尝试用DNA存储数据之时存储密度的100多倍，可见这个前沿领域发展之迅猛。正如此书作者所描述的那样，基因组科学的诞生和飞速发展，已经为我们对各种生命体、对人类自己、对地球的各级生态系统的多样性，甚至对宇宙演化的理解打开了一个“潘多拉魔盒”。我们也看到，以往数百年、数千年来科学家对生命发展和地球演化史一些重大问题的困惑，都将在基因组科学的发展中一个个地得到解答。更重要的是，作者给我们描述了这样一副生动的画面：茫茫宇宙中的万物生灵，不管是低等生物如以海洋领鞭毛虫为代表的看不见的数量庞大的微生物菌群，还是高等生物如你我，在地球数十亿年的发展过程中，始终共享着同一套生命密码，而且彼此之间一直互相影响着，可以说是“你中有我，我中有你”。正如书中所提及的，我们这一代（或者数代）人的历史使命，就是通过基因组测序等手段把这些彼此独立又互相交错的生命密码“翻译”出来，最终实现对个体生命的数字化，对细胞微生态系统的数字化，乃至对整个地球行星生态系统的数字化。
感谢詹姆斯?沃森、弗朗西斯?克里克、乔治?丘奇、克雷格?文特尔、弗朗西斯?科林斯等书中提及的诸多基因组学先驱的卓越付出和大胆尝试，让我们终于得以一窥这个蓝色星球诞生以来数十亿物种共享的生命密码。更让人激动的是，面对这部巨大的天书，我们正处在从被动阅读到主动改造的角色转变过程中。我们相信，诸多基于基因组学的奇迹都可能会在数年内发生。试着想一想，我们可能很快就可以: 用一汤勺的DNA储存全球图书馆的书籍资料；用实验室合成出的新的微生物生命体处理工业废品、废液或用于产生新的能源；用一颗小小的个人定制的微生物药丸改变我们每个人的肠道亚健康状况，甚至治疗各种棘手的疾病；用一个精心设计的基于基因编辑技术的方案修复有遗传缺陷的

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