人類無法獲得的「超能力」，基因編輯可以實現？

基因編輯能真的能為我們帶來「超能力」嗎？圖片來源：電影《Captain America: civil war》

撰文 Stephen Hsu

翻譯 高雲浩

審校 魏瀟

Stephen Hsu 是密歇根州立大學主管科研的副校長，理論物理學教授。他同時也是華大基因（前北京基因研究院）的科學顧問、認知基因組學實驗室的創始人。

我曾在俄勒岡州的尤金（Eugene, Oregon）住過很多年 —— 這是個因其悠久的田徑運動傳統而聞名的地方，享有 "美國田徑之城"的美名。每年夏天, 美國國家錦標賽或者奧運會預選賽等等高端比賽都會在俄勒岡大學的海沃德體育場舉辦，為觀眾們帶來世界級的選手。令人興奮的是，在當地的咖啡館或冰淇淋店常能偶遇體育巨星, 尤其是在你練習舉重或跑步時，他們可能就在你身邊。最讓我吃驚的一件事是，某一天早晨當我在 400 米跑道跑步時, 一個女運動員一圈又一圈地超越我，彷彿我是靜止的一般。她訓練的速度跟我用盡全力短距離衝刺的速度一樣快。

顯而易見, 她是個特例，我不是。正如同自然界中的其他樣本量巨大的事物，人類的運動能力遵循正態分布。這意味著隨著運動水平的升高，所對應的具有傑出運動能力的個體數量會呈指數級下降。通常情況下，如果 100米 能跑進 11 秒便能成為一個高中生聯賽或地區冠軍。不過即使一位優秀的州冠軍能跑出 11 秒以內的成績, 在 100 位這樣的州冠軍中也只有少數人擁有跑進 10 秒的可能。

卡爾 · 劉易斯在 1984 奧運會上男子 4x100 接力比賽的最後一棒。

處在正態分布曲線右端的「超人」

沿著這條正態分布曲線向右, 你將會發現「人上之人」——這些傑出運動員是世界紀錄的創造者，也是人類極限的挑戰者。當卡爾 · 劉易斯（Carl Lewis）在二十世紀八十年代末稱霸短跑比賽時, 很少有人能在 10 秒內完成 100 米短跑。 即便在奧運會這樣高手雲集的賽事中，跑進 10 秒意味著每一細微處都保證了極高的完成度。劉易斯體格修長，身高 1 米 88 , 擁有曾被外界認為對於短跑運動員來說過高的身高。從傳統觀點上看，比他更高的身高將不利於保持跑步節奏並會影響速度，因此人們普遍認為身高過高將是短跑運動員的劣勢。

正因為如此，沒有人能預料尤塞恩 · 博爾特（Usain Bolt）的出現。他身高 1 米 95 , 肌肉發達，所取得的最好世界紀錄相比前一代快了近半秒鐘, 簡直像個「非人類」。他的步幅長度可以達到驚人的 2.83 米, 2013 年發表於《歐洲物理學雜誌》（European Journal of Physics）的一篇研究這樣描述了他的運動能力： "博爾特的運動能力在物理學上非常罕見。時至今日，他的加速度和速度依然無可匹敵。」

博爾特的百米速度比世界上任何人都快。甚至比前一代世界級運動員使用興奮劑後的速度還要快。牙買加裔加拿大短跑運動員本 · 約翰遜（Ben Johnson）曾在 1988 奧運會上以 9.79 秒的世界紀錄擊敗了劉易斯, 並吹噓如果他沒有在終點線前舉起手, 他的速度會更快。後來，他被發現在賽前使用了興奮劑——類固醇激素。

即使是精英賽跑運動員和類固醇興奮劑的組合, 也不足以完全戰勝擁有基因優勢的特例個體。博爾特在 2009 世界田徑錦標賽上以 9.58 秒創下了世界紀錄, 這一成績以 0.11 秒的差距打破了他自己先前創造的紀錄。

前 NBA 明星，「大鯊魚」沙奎爾 · 奧尼爾（Shaquille O』Neal）的經歷同樣富有傳奇色彩。奧尼爾是 NBA 聯盟中第一個身高達到 2 米 1 的人，擁有與巨大身軀不相符的力量和敏捷。他既不是瘦弱的「竹竿兒」，也不是行動遲緩的「綠巨人」, 如果將其身高等比縮小到 1 米 8 , 他的體重大約在 90 公斤左右。

籃筐之下, 沒有人能獨自阻止奧尼爾的扣籃（有些時候兩個人也攔不住他）。在他進入聯盟後不久, 為了抵擋他扣籃的「破壞力」，聯盟加固了所有的籃筐。在湖人隊連續贏得三座冠軍獎盃之後， NBA 被迫對規則進行了大幅度修改——允許實施區域聯防戰術，用以平衡奧尼爾在賽場上壓倒性的優勢。奧尼爾是正態分布中的基因優勢特例, 長期以來的表現讓聯盟中的任何人都望塵莫及，也令聯盟寬鬆的反興奮劑政策一直備受爭議。 例如, 從去年開始，聯盟才在興奮劑檢測計劃中增加了生長激素的血液檢測一項。不過就算在這之前有人偷偷用了興奮劑, 奧尼爾的運動水準也是無法被追趕的，基因帶來的優勢可見一斑。

相比之下, 興奮劑對成績提升則相形見絀。比如在舉重方面, 坦普爾大學（Temple University）的運動科學教授麥克 · 艾瑟雷特爾（Mike Israetel）估計, 興奮劑能將舉重成績提高 5～10 %。再來看看卧推的世界紀錄：1898 年的記錄為 163.7 公斤， 1916 年的記錄為 164.6 公斤, 1953 年的記錄為 226.8 公斤, 1967 年的記錄為 272.1 公斤, 1984 年的記錄為 302.5 公斤, 在 2015 年的記錄則達到了 331.1 公斤。使用興奮劑確實足以贏得任意一場賽事， 但是它並不能帶來世界記錄長期不斷的提高。這種世界紀錄的刷新很大程度上是由那些擁有基因優勢的特例個體推進的。隨著舉重選手的數量不斷增加, 這些處在正態分布曲線右端的「基因特例個體」會越發突出, 繼續創造新的世界記錄。

蘭斯·阿姆斯特朗（Lance Armstrong）在 1999 年的環法自行車賽中以領先亞軍亞歷克斯 · 祖爾（Alex Zulle） 7 分 37 秒的優勢奪冠，這段「優勝時間」相當於總時長的 0.1 % 。然而這一榮譽由於阿姆斯特朗涉嫌使用興奮劑而被取消。在過去的半個世紀中，阿姆斯特朗的這點（有可能是依靠興奮劑帶來的）優勢遠遠不及新一代運動員整體運動表現的提高。艾迪 · 莫克斯（Eddy Merckx）是 1971 年環法自行車賽的冠軍，1971 年比賽路程與 1999 年的比賽路程相當，可艾迪 · 莫克斯的成績比亞歷克斯 · 祖爾的成績落後 5 % 。毫無疑問, 成績的進步確實有一部分得益於訓練方法的不同和比賽車輛性能的提高。但更主要的原因在於體育競賽總能夠找到那些天賦秉異的運動員，他們是處在正態分布曲線的尾端的特例，並且他們的運動能力領先平均值的程度也越來越遠。

擁有基因突變優勢的「特例」

我們對基因特例個體的認識才剛剛起步。這種運動競技能力的正態分散式表現，是各種相互獨立的因素相互累加造成的結果。歸根結底, 這些累加效應來源於基因變異, 或等位基因，導致身高、肌肉發達程度、協調性等身體特性受到一些正面或負面的影響。現在已認知的是, 驚人的身高通常是由於大量基因的有益變異的疊加，以及一些罕見但能夠造成巨大影響的突變所導致的。

研究基因組學的科學家喬治 · 丘奇（George Church）手上有一份清單，列出了一部分上述的單一突變。這當中包括可以使骨骼異常強壯的LRP5基因變異, 可以產生強健肌肉的MSTN基因變異，以及與疼痛耐受有關的SCN9A基因變異。

同時喬治 · 丘奇也參與完成了近幾十年來最偉大的科學突破之一—— 高效基因編輯工具 CRISPR 的研發, 這一成果現已獲批進入臨床試驗階段。如果 CRISPR 相關的技術能如預期一般發展, 基因編輯人類將在幾十年內成為現實。受孕後不久的基因編輯技術是最易完成的，這時胚胎只包含少量細胞，不過成年人的基因編輯也並非不可能。今年開始的 CRISPR 的臨床試驗將通過注射病毒載體進入成人體內的方式，實現對成體細胞的基因編輯。在不遠的將來， CRISPR 及其改良版本, 很可能會成為既安全又有效的基因編輯技術。

操控基因，能創造出新的「運動超人」嗎？

人體各種複雜的性狀被大量基因變異所控制，而人類的潛能十分巨大，不論是奧尼爾，博爾特，還是其他人，都尚未將自身的潛能完全開發出來。 從沒有任何一個人類個體能將所有基因的有益突變集於一身。其實競技體育事業一直是個尋找基因特例個體的搜索演算法，但是它只運行了不到一個世紀, 而且並不高效。它的方法是被動等待基因變異隨機組合在一起，產生基因特例個體，並寄希望於這些傑出的個體能夠在競技項目中脫穎而出。

如今我們正在邁向一個新的時代, 這個時代將不再依賴 DNA 自身的隨機組合, 而是通過基因編輯工具來提高人類的智力水平。隨著我們對複雜性狀能力的理解越來越深入, 遺傳工程學家將有能力改造人類個體的強壯度、體格、爆發力、耐力、反應力、速度、甚至大部分運動訓練所需的決心和動力。身高和認知能力是兩個人類最複雜的性狀，控制它們的基因變異的數量約為 10000 個。我們可以做個簡單的假設, 在這 10000 個突變中, 有利突變佔總數的一半, 那麼經過隨機分配所產生的、集合了所有有利突變的特例個體出現的概率大約是0.510000。當然, 想要獲得一個集合了所有有利突變的個體是不太可能的。因為有些有利突變帶來的影響過於強烈，比如體格過大, 肌肉過多, 心臟過於強勁，反而會削弱個體的運動能力。儘管如此, 如果真的有這樣的人類個體存在，那麼 TA 肯定擁有比之前任何人類都要高超的能力。

Katie Ledecky 在美國奧林匹克游泳隊選拔賽中參加 800 米自由泳比賽。

換言之, 在地球上出現過的 1000 億人口中找到這個「最強人類」幾乎不可能。在完全隨機的情況下，需要10100的人口數量做基礎，這一奇蹟才有可能出現。

但是, 我們應該能夠通過基因工程極大地加快這一搜索過程。畢竟, 畜牧業中雞和牛的養殖育種就是一種有針對性的定向篩選, 很容易大量培養那些在野生種群只佔 10 億分之一的特殊個體。我們可以借鑒這一方式尋找某一特定運動項目的「最強人類」。不過藉助 CRISPR 基因編輯技術可以讓我們用更快的時間製造出比博爾特更快，比奧尼爾更強的優秀個體。

基因編輯技術的普及將會極大推進這一進程。來自父母的自願選擇很可能會增加整體人群中對運動能力有益的基因突變發生率。這會逐步提高人口的平均水平, 那些處在正態分布曲線尾端的特例個體也會更強大。當標準偏差保持不變（例如, 男性身高的標準偏差為 7.62 厘米, IQ 的標準偏差為 15 點），而整體平均值在增加的時候, 就極有可能讓一個個體成為「最強千分之一」（例如，在美國，男性身高達到2米）的概率提升超過 10 倍。

弗里曼·戴森（Freeman Dyson）推測, 為滿足太空探索的需要，人類將藉助基因技術提高自身素質——以實現耐輻射、耐真空環境、耐零重力環境、甚至能夠直接通過陽光獲取能量。基因將跨越物種差異被整合在一起 （如光合植物基因）, 這重新詮釋了轉基因生物的定義: 「物種形成」或將成為可能。

人類的運動能力可能也會遵循類似的方式發展下去。運動員的自身能力和參加的競技項目可能都會由於新的基因技術而發生改變。這一構想毫無疑問是充滿爭議的：暫且將人類基因編輯的倫理之爭放在一邊，運動競技項目是否會被變成一場驚奇秀？普通大眾是否會因此失去對競技體育的興趣？ 也許在 2100 年，觀賞性體育運動將是身高 2 米 4 的巨人的籠中格鬥，他們個個能夠完成芭蕾舞般的旋轉踢和複雜的柔術移動。亦或是跑的非常快的 100 米短跑項目。你會有興趣觀看嗎？

參考文獻：

2. Hernández Gómez, J.J., Marquina, V., & Gómez, R.W. On the performance of Usain Bolt in the 100 metre sprint. European Journal of Physics 34, 1227-1233 (2013).

3. Robertson, D. Armstrong』s Tour De France Victories www.sfgate.com (2009).

5. Hsu, S.D.H. On the genetic architecture of intelligence and other quantitative traits. arXiv:1408.3421 (2014).

6. Crow, J.F. On epistasis: Why it is unimportant in polygenic directional selection. Philosophical Transactions of the Royal Society B 365, 1241-1244 (2010).

http://nautil.us/issue/51/limits/we-are-nowhere-close-to-the-limits-of-athletic-performance-rp

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