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編輯推薦

適讀人群 ：生物、醫療領域從業者；學生和大眾讀者
如果將有機體比作一颱計算機，那麼基因組就是支撐其運行的軟件。這套軟件正是本書的兩位作者道恩?菲爾德與尼爾?戴維斯所說的“基因組”，即地球上所有的DNA總和。在《基因組革命》一書中，兩位作者講述瞭新世紀的一項重大科學動態——全世界正不斷加大投入，緻力於“基因組”的解讀和繪製。同時，他們還嚮讀者揭示瞭該動態會對未來造成的各種影響。
DNA的雙螺鏇結構在1953年得以確認，完整的人類基因組圖譜於2003年繪製完成。自此，基因組學迅速成長壯大，目前已呈現齣工業化的運營態勢。基因組測序的速度飛速提升，成本卻在不斷下降。從哺乳動物到微生物，大量生物的基因組圖譜都已繪製成功。人類基因組測序也逐漸成為越來越多的人都可以承受的一項健康檢查項目。基因組測序可以幫我們鑒定親子關係、對我們的先祖追根溯源，或判斷一個人是否患有基因疾病。此外，該技術還能檢驗寵物的血統，輔助人們進行藝術創作，一根掉落的毛發足以讓我們大緻重構其主人的麵部特徵。從DNA的解讀到建構，人類已踏齣瞭創建人造生命的關鍵一步。
有些人可能會認為，DNA技術的超高速發展，以及它被不正當使用的可能性，應當讓人類心生忌憚，時刻保持警惕。但不可忽略的是，該技術同時也為人類開啓瞭前所未有的各種可能，人類在未來將會破解整個星球的生物密碼。

內容簡介

由於較為復雜的特性，目前人們對基因檢測和基因組測序還存在不少睏惑。雖然人們對基因知識的強大力量懷有巨大熱情，而且革命性的新技術正不斷湧現，但是在這種氛圍中媒體惡意炒作，醫學教育中基因學教學相對薄弱，再加上美國大眾科學素養普遍不高，這幾種不利因素共同作用，導緻人們對基因檢測和基因組測序存在睏惑和誤解。因此，在人人都能測得起基因組序列的這個時代，希望讀者能從這本書中的故事裏對基因技術的遠大前景以及目前存在的睏難與不足有所瞭解。

作者簡介

道恩·菲爾德，是牛津大學牛津電子研究中心高級研究員，並就職於英國自然環境研究委員會（NERC）的生態與水文研究中心，擔任該中心生物多樣性項目“分子進化與生物信息學小組”的主管。

尼爾·戴維斯，是加州大學伯剋利分校岡普南太平洋研究站的常務主任，“莫雷阿島生物密碼項目”的首席研究員，專門緻力於測定非微生物物種的DNA序列。

兩位作者還均為牛津生物多樣性研究所的研究員。在研究所內，兩人取長補短，共同創辦瞭國際“基因組觀測網”。兩人的研究領域包括生物進化學、群體遺傳學、基因組學、宏基因組學、DNA編碼、生物信息學、生物多樣性，以及數據共享。菲爾德還是“基因組標準協會”的創始人，該協會的目標是在全球範圍內推動基因組學研究的標準化，推廣基因組數據的交換與整閤。此外，兩位作者還共同緻力於將新興的“生物多樣性基因組學”提升為一個獨立的科研領域。

目錄

推薦序一
推薦序二
推薦序三
序言 生物密碼：基因組學新紀元

第一章 DNA
不朽的螺鏇圈
衣櫃中的世界
分子自戀狂
“誰是你老爸？”
案例分析：非同尋常的貓咪
“陌生人視野”項目
為你的基因打廣告

第二章 個人基因組學
科學界“搖滾明星”的基因組
“60億人，60億組堿基對”
三萬條基因組：數量嚴重不足
基因組學入門課
基因組學巨頭
意外打擊

第三章 演化人
新生兒基因測序
惡魔方舟
滅絕物種復活
辛西婭——首個人工閤成基因組
胚胎基因組學
基因組配對網
人類重啓

第四章 測序儀中看世界
人人皆是貓王
金庫：基因組在綫數據庫
規模重要嗎？
彆叫它垃圾
第一個“推因組”
丹尼索瓦人女孩
單細胞姐妹
微生物地球
遺失雅典衛城

第五章 有機體絕非一座孤島
生物多樣性的內部
比率問題
為數萬億微生物，吃起來
瀕臨崩潰邊緣的微生物
基因組捐獻
2％的大熊貓
最後的大草原

第六章 地球基因組測定
纏綿的吻
重聚
獨角獸
侵入種
發展中的基因
死海復活
震撼與驚嘆

第七章 人人都自成一個生態係統
量化自我
滑輪阻攔賽
海中航標
三葉楊、鱈魚與珊瑚
莫雷阿島生物編碼計劃
全球生態係統模型

第八章 地球生命編碼
生命密碼
我們在大自然中的一席之地
太陽帆船
你也可以進行生命編碼
行星基因組項目

尾注
參考文獻
延伸閱讀

精彩書摘

重聚
早在一部以人類的勇敢和機智為主題的西方海洋文學的開山之作——古希臘史詩《奧德賽》中，人類足跡就已遍布所有大陸。遺憾的是，真實世界中早期人類可媲美奇幻曆險的種種探索之舉卻無人記錄。沒關係，因為這些經曆已被烙印在我們的DNA深處，甚至是那些曾伴隨著早期人類一同“遊曆”的各類物種的基因之中。早期人類探索世界之旅最先發生在太平洋，這是人類探索地球過程中最炫目的壯舉，除瞭現代人類的外太空之旅外，再無其他豐功偉績可以蓋過人類對太平洋的探索與發現。
源自非洲的人類逐漸遷移到這顆星球的各個角落。大約在距今6萬年前，現代人類從非洲遷齣後分散在亞洲各地定居下來。約1.5萬年至2萬年前，其中一群人最終穿越瞭從西伯利亞到阿拉斯加之間長達1000英裏（約閤1600公裏）的陸橋，一路來到瞭南美的巴塔戈尼亞地區（Patagonia）。隨後該陸橋被上升的海平麵淹沒，形成瞭今天眾所周知的白令海峽（the Bering Straits）。美洲也自此成為一個巨大的島嶼，橫在太平洋和大西洋之間。
早期人類不僅擅長陸上遷移，對水路也不陌生，有時甚至可以進行一些短途的跨海旅行。但遠洋船舶和長距離航海，還是在造船術和航海知識發展較為成熟後纔齣現的。因此，人類曆史的大部分時間，太平洋、大西洋和印度洋上的島嶼都是無人居住的。直至公元前3000年，波利尼西亞人的足跡開始齣現在太平洋各個角落。15—17世紀，歐洲進入“地理大發現時代”（又名“探索時代”或“大航海時代”），航海傢們四處探險時，發現這些“無人島”也並非渺無人跡。
太平洋是世界上最大的地理構造單元，覆蓋瞭地球麵積約三分之一。如果你在“榖歌地球”上將自己的視角定位於塔希提島（Tahiti，又稱“大溪地”，南太平洋波利尼西亞群島中最大的島嶼），就會發現太平洋寬廣得令人不可思議，除瞭美國加利福尼亞州、澳大利亞和南極洲的一些大型島嶼外，幾乎看不到任何陸地。不過隻要把地圖放大，就會發現在廣袤無垠的太平洋上，鑲嵌著許多島嶼如繁星點點。順帶說一句，“波利尼西亞”正是“許多島嶼”的意思。
這些波利尼西亞人來自何方？一項尤為重要的物證顯示，這些島嶼的土著們是從南美洲遷移到這些太平洋的小島上的。該物證就是——紅薯。紅薯原産於南美大陸，但現在太平洋各個島嶼都將其作為一種主食廣為培育。早在約8000年前，南美洲秘魯高地上的人們就會種植這種被馴化的農作物。專傢們曾經猜測，該農作物是16世紀時來自西班牙和葡萄牙的探險傢們從南美洲引入這些太平洋島嶼的。然而，數據顯示這種猜測可能是錯誤的。因為考古學傢在太平洋地區發現的最古老的紅薯碳化樣本可以追溯到公元1000年——這一時間要比哥倫布首次航行至太平洋地區提前瞭約500年。此外，“紅薯”一詞在各種波利尼西亞語中的發音，都類似於“蓋丘亞族”（Quechua）語中“紅薯”的叫法，蓋丘亞族是南美印第安人的一大分支。
所以，紅薯是否是由史前的南美人自己引入到這些太平洋島嶼的呢？波利尼西亞人是不是（或至少部分屬於）美洲人的後裔？挪威人類學傢托爾?海爾達爾（Thor Heyerdahl）認為答案是肯定的，並且為瞭證明這一論斷，他製作瞭大名鼎鼎的仿古木筏“康提基號”（the Kon-Tiki），試圖證明在公元五世紀，當時尚處於石器時代的南美洲印第安土著是能夠憑藉木筏跨海遠航的。但我們現在知道，曆史真相往往更加離奇：波利尼西亞人憑藉木筏橫渡瞭太平洋，而且他們不僅成功地到達瞭南美，最後竟然還順利返航瞭！
波利尼西亞這段真實的“史詩故事”，背後有幾項證據支持，最近還多瞭一條DNA證據。當時的波利尼西亞人縱橫於海上，憑藉的是他們的“雙體獨木舟”，而為滿足航行時的飲食所需，這些獨木舟上往往有意或是隨意地攜帶瞭一些動植物，分子人類學傢們將這些生物體統稱為“獨木舟生物係”（canoe biota），包括各種植物、老鼠、豬和雞等等。163通過對這些生物的基因分析，他們發現瞭一些迄今為止最有力的基因證據，能夠證明當時的波利尼西亞人不僅衝齣亞洲，在最偏遠的太平洋群島上定居瞭下來，甚至走嚮瞭世界，遠航至南美海岸。
2013年，一群人類遺傳學、人口遷移和遠古DNA分析領域的專傢們發錶瞭一份研究報告，為該論斷提供瞭進一步的證據。164該團隊的研究對象是現已滅絕的巴西博托庫多印第安人（Botocudo Indians）。研究者從該人種的古代頭骨中小心翼翼地提取齣DNA，並在隨後的報告中指齣，其綫粒體DNA序列屬於波利尼西亞人所特有的單倍型類群（haplogroup，簡稱為“單倍群”）。
此外，“紅薯之謎”也最終通過DNA分析被揭開瞭，解密者是由來自法國的“進化和功能生態學中心”（Centre for Evolutionary and Functional Ecology）與“法國農業研究與發展中心” （簡稱CIRAD）的科學傢們組成的聯閤研究團隊。165要完成這項研究，該團隊需要一種特殊的植物樣本——這種植物必須齣現在現代貿易將植物的遺傳路徑打亂、背離史前遺傳模式之前。幸運的是，多虧瞭英國紳士、植物學傢約瑟夫?班剋斯（Joseph Banks，1743—1820），將符閤這種條件的樣本在英國皇傢植物園（彆稱“邱園”）中找到瞭。
……

前言/序言

生物密碼：基因組學新紀元
DNA（脫氧核糖核酸）是一種生物密碼，雖僅由A（腺嘌呤）、C（胞嘧啶）、G（鳥嘌呤）、T（胸腺嘧啶）四種堿基構成，但大道至簡，這份簡單卻是無數復雜生命的起點。本書想要傳遞的主旨是，盡管基因組學領域的研究已成就非凡，但該學科大時代的序幕纔剛剛拉開。較之地球上不勝枚舉的復雜生命中所蘊含的深刻奧義，我們現在所發現的，僅僅是最初的螢火微光；所能解答的，也隻是萬韆謎題中的滄海一粟。此後的任務，是將地球從小到大，由內而外地徹底梳理清楚——小到基因組、大到地球生境；內至五髒六腑、外達四海五洲。
在本書的八個章節中，我們會全麵地迴顧過去、展望未來，從DNA雙螺鏇結構的發現開始，一直介紹到未來有望以行星為規模的基因組研究。該領域的研究一路走來，突破不斷、驚喜連連。本書會將已取得的成果一一道來，充分展示其迅猛發展的全貌。
在此，我們要嚮許多人緻謝。首先要感謝我們的編輯，可敬的拉莎?梅農（Latha Menon）女士。從最初的調研到最終的版式，她引導我們完成瞭本書齣版的每一個環節，並常常在咖啡時間親切地和我們分享她的人生智慧。我們也同樣要感謝她的助理愛瑪?馬（Emma Ma），她也為我們提供瞭寶貴的幫助和建議。當然，牛津大學齣版社（Oxford University Press）更是功不可沒，在此一並緻謝。
其次，我們還要感謝本書初稿的讀者們。有見地的讀者是每位作者夢寐以求的，蘇塞?菲爾德（Suse Field）和約翰?菲爾德（John Field）正是其中的翹楚。在本書撰寫的過程中，他們提齣瞭大量優質的反饋意見。安德魯?辛格（Andrew Singer）在我們撰寫“基因組故事”時幫忙齣謀劃策，去蕪存菁。傑剋?吉爾伯特（Jack Gilbert）和羅布?奈特（Rob Knight）對本書的初稿進行瞭閱讀和評論，但他們最大的貢獻還是作為我們的同事，用自己的學術成果為“生物多樣性基因組學”這門新興研究領域的形成添磚加瓦。此外，希拉裏?吉爾伯特（Hillary Gilbert）和瑪莎?比曼（Martha Beeman）共同齣色地承擔瞭本書的校對和評論工作。
當然，本書的一切疏漏與錯誤均由我們兩位作者負責。自1995年基因組研究起步至今，正是科學傢們所發錶的一篇篇開拓性的論文，纔使得本領域激情四溢、精彩紛呈、碩果纍纍。當然，這一切還離不開各項基金的慷慨支持。本書的作者之一尼爾?戴維斯（Neil Davies）代錶他個人，感謝戈登與貝蒂?摩爾基金會 (Gordon and Betty Moore Foundation) 對他在莫雷阿島所進行的研究之大力支持。最後，我們還要感謝基因組學領域所有其他方嚮的研究者們，他們的學術成果大力推動瞭我們的研究進展。感謝你們在過去幾年中與我們攜手閤作，將一項又一項計劃從創意變為可能。你們纔是尚未公布的行星基因組項目（Planetary Genome Project）真正的領導者。
道恩，菲爾德，尼爾?戴維斯
推薦序一
工業革命和互聯網技術的浪潮激蕩著人類文明和現代生活。摩爾定律在很長一段時間內定義瞭技術進步的速度，基因組技術卻以超摩爾定律的速度改變著人類的生活，迅速刷新瞭人類對自身的認識，延展瞭對長命百歲的憧憬。
1869年米歇爾發現核素，人類開始認識到我們細胞內存在著神奇的遺傳物質；1953年沃森和剋裏剋發現瞭DNA的雙螺鏇結構，奠定瞭基因組學的基礎；1995年第一個全基因組序列繪製完成，吹響瞭基因組革命的號角；2003年第一個人類基因組序列完成測序，我們開始窺探生命的密碼；2013年韆人基因組測序完成，同年發起瞭百萬人基因組計劃，加速探索健康、疾病和遺傳物質的關係；而在作為精準醫學元年的2016年，人們開始提齣“我的基因我知道，我的健康我做主”的生活主張，開始量化自我。
當然，基因組不是生命過程的全部，畢竟基因組要發揮作用，還要經過RNA、蛋白質、小分子、細胞、組織、係統和個體這樣從微觀到宏觀的轉錄和翻譯過程，這是利用分子生物學來進行健康疾病研究的路徑。通過測序、質譜、細胞生物學、影像學、生理學和免疫學等一係列方法對生命的不同錶現尺度進行研究，可以通過測量或存儲不同生命過程中的樣本來進行，從而極度擴展人類活到120歲甚至永生不死的想象。想必大傢都看過電影“侏羅紀公園”，隨著基因組技術的發展，從被固定在琥珀中的蚊子體內抽取恐龍血液，提取DNA樣本並進而復活恐龍也並非不可能。最近有個有趣的科學發現：科學傢在西伯利亞的冰川下發現瞭一隻猛獁象的冷凍樣本，並從樣本中發現瞭猛獁象的活細胞。科學傢很快將這些活細胞進行瞭保存，並計劃通過無性手工剋隆的方法，將猛獁象的細胞核注入到大象的卵細胞中重新復活猛獁象。如果大傢有機會參觀深圳國傢基因庫（全球第四個國傢級基因庫，也是全球最大的集樣本庫、數據庫和活體庫為一體的生物資源庫），就可以感受到人類對永生這一夢想的嚮往是多麼強烈！
現在不少人關注健康比較直接的指標是體重，畢竟這關係到外貌和健康。如果大傢某一天起床後發現自己的BMI（身體質量指數）沒能及格，大可不必擔心，其實你的體重至少可以再減掉約2韆剋——減掉這2韆剋，你就可以及格啦！其實我們不僅有人類基因組這一套穩定的基因組，還有一套動態的基因組，那就是生活在我們體錶、呼吸道、生殖道和腸道裏的細菌的基因組，也就是我們常提到的宏基因組。這些細菌不僅增加瞭我們的體重，還左右瞭我們的生活習慣，甚至決定著我們的健康狀態，而我們顯然離不開它們。所以說細菌的基因組是我們的第二套基因組。這些細菌加上我們的心理因素，構成瞭我們的健康內環境。我們還有第三套基因組，也就是我們的生活環境，包括空氣、水和土壤中的生物體的基因組，這些生物體和我們生活於其中的社會構成瞭影響健康的外環境。
當我們擔心機器人在智力上是否可以戰勝人類的同時，我們自己其實也在造物上開始挑戰大自然。我們在解讀DNA序列的同時，開始設計和閤成DNA序列，並且已經成功邁過閤成原核生物，嚮閤成真核生物努力。雖然目標還比較簡單，隻是要閤成酵母！閤成DNA序列還有一個美好的前景，就是我們可以擁有更大容量的“硬盤”，要知道1剋DNA可以存儲700TB的數據。撇開目前測序的速度，如果按現在600美元測序一個人類基因組的價格水平，讀一遍這個硬盤上的信息成本將高達420萬美元。加之目前閤成DNA的成本約為測序成本的幾十萬倍，所以硬盤廠商們大可不必擔心：這塊“硬盤”的造價在今天可能隻有極少數巨頭企業能夠承擔。當然，如果閤成DNA的成本太高，我們還有一項壓箱底的技術，那就是DNA編輯，這項技術童叟無欺，不管是成本還是速度都令人滿意。
所有的技術都具有兩麵性。基因組技術的革命，在改善我們的健康生活上具有不可想象的潛力，但也可能成為種族歧視的“幫凶”，淪為侵犯隱私的工具。就像我們討論原子能和人工智能技術一樣，隻有通過閤理的利用，它們纔不會成為毀滅人類自己的武器。此書對這個命題進行瞭充分的討論，同時也闡述瞭基因組技術對人類自身、對環境、對地球，甚至對宇宙探索的深遠影響，是全麵瞭解基因組技術的曆史、研究和應用的一本不可多得的書。
深圳華大基因研究院 方林
推薦序二
“人類基因組計劃”經常被拿來和阿波羅登月計劃相提並論，其重要性不言而喻。尤其是該計劃曾舉全球各國科學界之力，曆經多年大規模的跨國閤作，花費政府和民間數十億美元的巨額資金，這些至今都被業內外人士津津樂道。科學界和産業界陸續從中挖掘齣重要信息，並成功應用於生命科學、醫學、農業、環境保護等領域，這些都證實瞭該項目的高瞻遠矚，以及對生命科學和醫療健康領域發展的巨大推動力。但是我們也看到，對基因組科學來龍去脈的瞭解以及對其未來巨大價值的理解尚未深入人心，甚至還有偏見和誤解存在。《基因組革命》這本書的作者道恩?菲爾德和尼爾?戴維斯用一種深入淺齣且饒有趣味的方式，帶領我們認識瞭人類發現DNA、解讀DNA、利用DNA以及進一步嘗試通過基因組科學瞭解和改善各種生態係統多樣性這一簡明卻又波瀾壯闊的基因組科學發展過程。
此書所展現的行業趨勢和動態讓人耳目一新，甚至有的觀點讓人拍案叫絕。大傢不妨迴顧一下:在生命科學領域，二十年前我們還在兢兢業業地在分子生物學實驗室內一個接一個地剋隆基因，為發現每一個單基因的新功能而欣喜若狂；十餘年前，我們還在為是否有必要開始人類基因組計劃爭論不休，甚至教科書上都偏執地認為人類基因組中存在所謂的“垃圾DNA”，毫無生物學意義；而到瞭今天，我們已經可以用極低的成本和極短的時間完成各種物種的全基因組測序和分析，我們甚至開始嘗試利用基因編輯、細胞免疫、DNA閤成等新興技術和手段治療各種疾病，乃至創造新的生命體……這是一個多麼讓人振奮的基因組學變革時代！
就在我作序之時，有媒體報道紐約基因組中心和哥倫比亞大學的研究人員已經實現瞭每剋DNA存儲214PB數據的存儲密度，而這個密度是數年前科學傢第一次嘗試用DNA存儲數據之時存儲密度的100多倍，可見這個前沿領域發展之迅猛。正如此書作者所描述的那樣，基因組科學的誕生和飛速發展，已經為我們對各種生命體、對人類自己、對地球的各級生態係統的多樣性，甚至對宇宙演化的理解打開瞭一個“潘多拉魔盒”。我們也看到，以往數百年、數韆年來科學傢對生命發展和地球演化史一些重大問題的睏惑，都將在基因組科學的發展中一個個地得到解答。更重要的是，作者給我們描述瞭這樣一副生動的畫麵：茫茫宇宙中的萬物生靈，不管是低等生物如以海洋領鞭毛蟲為代錶的看不見的數量龐大的微生物菌群，還是高等生物如你我，在地球數十億年的發展過程中，始終共享著同一套生命密碼，而且彼此之間一直互相影響著，可以說是“你中有我，我中有你”。正如書中所提及的，我們這一代（或者數代）人的曆史使命，就是通過基因組測序等手段把這些彼此獨立又互相交錯的生命密碼“翻譯”齣來，最終實現對個體生命的數字化，對細胞微生態係統的數字化，乃至對整個地球行星生態係統的數字化。
感謝詹姆斯?沃森、弗朗西斯?剋裏剋、喬治?丘奇、剋雷格?文特爾、弗朗西斯?科林斯等書中提及的諸多基因組學先驅的卓越付齣和大膽嘗試，讓我們終於得以一窺這個藍色星球誕生以來數十億物種共享的生命密碼。更讓人激動的是，麵對這部巨大的天書，我們正處在從被動閱讀到主動改造的角色轉變過程中。我們相信，諸多基於基因組學的奇跡都可能會在數年內發生。試著想一想，我們可能很快就可以: 用一湯勺的DNA儲存全球圖書館的書籍資料；用實驗室閤成齣的新的微生物生命體處理工業廢品、廢液或用於産生新的能源；用一顆小小的個人定製的微生物藥丸改變我們每個人的腸道亞健康狀況，甚至治療各種棘手的疾病；用一個精心設計的基於基因編輯技術的方案修復有遺傳缺陷的

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