电影中的生物学:利用流行文化双刃剑 增进公众对科学的认识

李晓彤

2020-08-31 16:04:28

已关注


“生物学和科学面临的最大挑战不是对基因组、生态系统或黑洞有更深层次的理解……现在重要的挑战是确保科学被认真对待”(Futuyma, 2007)。这位生物学家暗指的问题是,虽然公众乐于接受科学作为一种手段来改善我们的生活,拯救我们远离灾难、疾病和老去,但公众对科学的理解却远没有那么安全。在某种程度上,公众被大量的事实轰炸,这些事实往往被术语所掩盖,被耸人听闻地渲染成新闻片段,或者被剥夺了传达其真正科学意义所需的上下文。这些事实通常很快就被遗忘或被新的事实所取代。在另一个层面上,像进化论、全球变暖和克隆人这样大的概念往往会出现,却很少被完全理解或接受。更多的情况下,他们变得疑云笼罩,例如,“进化只是一个理论”,或不信任。例如,“全球变暖是一个政治骗局”,或与一个有偏见的情绪反应有关,例如,对克隆人的反感或“恶心”的反应(Kass, 1997; Kimberly, 2002; Midgley, 2000; Turner, 2004)。


和许多关系问题一样,问题的根源和解决方法在于沟通。作为一个群体,科学家们喜欢指责电影不准确地描述了事实、程序和理论,歪曲了科学现象对人类的好处和风险(see references in Crichton, 1999; Kirby, 2003)。作为一名科学家,我和他们一样关心这些问题。然而,作为一个电影观众,我同意Crichton(1999)的观点,制作电影和科学往往是不一致的,因为娱乐和教育是不同的东西。如果电影往往是虚构的,以娱乐和赚钱为目的,它们不可能严格的遵守科学现实主义的准则。同时,电影只能表现外在的体验,这就意味着内在的创造性、批判性思维的体验不可避免地被排除在外。与此同时,电影可以传达科学如何在生活和社会中扮演有趣的角色、提出挑衅的观点。作为一名科学教师,我认为电影提供的教育机会不是通过寻找它出现了多少错误,而是通过与真正的科学建立联系(Rose, 2003)。这篇文章旨在说明科学教师和科普作家如何使用带有遗传学和发育生物学主题的电影来阐明和加深公众对科学的理解。因为电影不能取代教科书,所以我必须先简单介绍一下生物学的这些领域以及讨论这些领域所需要的基础知识。

 

什么是遗传学和发育生物学?

不同的遗传学家对基因有不同的理解。就我们的目的而言,基因是两种东西:用来制造蛋白质的DNA片段和为特征编码的实体。基因作为一个DNA片段,是由其含氮碱基(As、Ts、Cs、Gs)的序列来定义的。一个基因有两种类型的区域,编码区域和调控区域。基因编码区的序列决定了构成该基因蛋白质的氨基酸的序列。制造这种蛋白质所涉及的许多过程,包括将DNA转录成信使RNA,将信使RNA翻译成肽,以及将肽转换成活性蛋白质,统称为基因表达。一个基因只有在它被表达出来的时候才有功能,也就是说,当它“开始”去制造一种蛋白质的时候,一个基因的功能实际上就是由它制造的蛋白质的功能。蛋白质有许多不同的功能,从调节化学反应到形成不同组织类型(如软骨、肝脏、皮肤、血液)的基础物质,以及形成抗体和激素。


作为为特征编码的实体,基因帮助决定有机体外部和内部的解剖、生理和行为的所有特征。重要的是要记住,既然基因制造蛋白质,它们决定性状的作用实际上就是它们的蛋白质控制细胞活动的作用。基因也负责性状的遗传,但只是在某种程度上性状的差异是由基因控制的。大多数性状实际上是多种基因、多种环境因素以及基因与环境因素相互作用的结果。这就提出了一个问题:基因到底是决定性状还是仅仅影响性状(这是生物学家仍在争论的问题)。


发育生物学是研究有机体如何从单个受精卵细胞转变成多种细胞类型,这些细胞类型根据特定的身体计划被组织成组织、器官和器官系统。胚胎中的所有细胞都有相同的DNA,但在某一时刻,不同的细胞开始表达不同的基因,这使得它们开始经历不同的细胞行为,最终成为不同的细胞类型。两种调控基因在控制这种差异基因表达中起着重要的作用。一种制造被称为转录因子的蛋白质,这些蛋白质识别并结合特定基因调控区域的序列,从而开启或关闭它们。另一种制造由细胞分泌的信号蛋白,并与其他细胞结合,从而改变它们的基因表达。

 

动物发育的基因

电影喜欢使用基因作为一种力量,把动物变成威胁生命的怪物。正是基因使得动物容易受到辐射和有毒废物污染的影响,并使它们变成了巨大的蚂蚁(the classic Them, 1954)、哥斯拉,或组织良好而可笑的两栖动物和爬行动物(Frogs, 1972)。大型水蟒、大白鲨、短吻鳄、蝙蝠、鸟类、食人鱼、昆虫以及其他每一种会在B级电影中出演的动物,其生存本能、领地行为和进食欲望都是由基因决定的。当善意的科学家通过改变基因来对付害虫(Mimic, 1997)或找到拯救生命的方法(Deep Blue Sea, 1999)时,也会导致具有破坏人类的特殊特性的动物。尽管这些电影大多通过对“自然的力量”或“自然本能”的评论间接地提到了遗传学,但有两部电影提供了与现实世界科学联系的绝佳机会。


在1986年版本的《变蝇人》(FLY,1986)中,一位科学家正在研制一种能在太空中传送物质的远程传输装置,意外地将自己的DNA与一只苍蝇的DNA重组了。尽管早期在反射时间、性能力和运动能力方面有所提高,但最终的结果却是糟糕的。他身体的外部退化和脱落,他开始呕吐高度腐蚀性的胃液,他的性格变得越来越像昆虫,最终他变成了一只巨大的苍蝇。更糟的是,他的女朋友离开了他!


这部血淋淋的电影之所以具有教育意义,纯粹是巧合,因为它与几乎同时出现的一项真正的科学突破有关。在确定了果蝇胚胎的头尾轴结构的基因后,发育遗传学家开始在其他动物身上寻找类似的基因。令人惊讶的是,他们不仅在老鼠身上发现了一些,而且他们发现的基因(Hox基因)在染色体上的排列顺序是相同的,在胚胎的头尾轴上以相同的模式表达,并且与它们在果蝇中的同源基因具有相同的功能。这些和许多最近发现的主调控基因似乎在后生动物中是共享的。许多在动物发育中有类似的作用,例如Pax6,它控制着节肢动物和脊椎动物的眼睛发育。事实上,果蝇和小鼠的Pax6基因非常相似,这两种基因可以在果蝇和小鼠的胚胎之间互换,而不会影响任何一种动物的发育(不像电影中那样)(Halder, Callaerts, & Gehring, 1995)。


这一现实世界的科学提出了许多问题,以学习有关动物的基因发展和进化。为什么将制造眼睛的主调控基因从老鼠转移到苍蝇身上仍然能制造出一只苍蝇的眼睛?或者,如何掌握使器官工作的调节基因?为什么这些基因在动物进化过程中得以保存?如果所有的动物都有相似的调节基因,它们是如何形成不同的身体方案和器官的呢?


有趣的是,1958年最初版本的《变蝇人》提供了另一种与真实科学的联系。在这部电影中,苍蝇和人并不是在基因层面结合,而是在器官层面结合(苍蝇的头和人的手,反之亦然,结果同样令人不快)。尽管出于各种解剖和生理原因,这显然是不可能的,但在现实世界的科学中,它有一个有趣的相似之处。20世纪80年代早期,生殖生物学家们一直在寻找一种方法,将不同哺乳动物胚胎的细胞结合起来,从而产生一个物种的胚胎和另一个物种的胎盘。这将允许稀有或濒危物种的胚胎被移植到相关物种的母亲体内,而没有免疫排斥的风险。结合胚胎细胞的结果再次出乎意料。绵羊和山羊的细胞组成了胎盘和胚胎,在某些情况下,胚胎发育成成年嵌合体,即一种“山绵羊”,它的身体是中间形态,由两种细胞的混合而成(Fehilly, Willadsen, & Tucker, 1984; Meinecke-Tilmann & Meinecke, 1984)。由于山羊和绵羊在基因上截然不同,以至于不能杂交,这一结果提出了有关胚胎中蛋白质信号基因的问题,以及为什么这些基因被保存到嵌合体能正常发育而杂交体则不能。

 

基因和克隆

1997年,从母羊乳腺细胞克隆出的绵羊多莉(以一位著名乡村音乐明星的名字命名)引起了媒体和公众的关注。令人惊讶的是,唯一描述克隆与制造多莉(体细胞核移植/SCNT)技术相似的电影是在数年前制作的。《巴西来的男孩》(The Boys from Brazil,1978)值得科学家们的称赞,因为他们与一位礼貌、友好、喝着茶的科学家(也就是大多数电影科学家不具备的一切)进行了交流,还制作了一段电影短片,两者都用简单的术语解释了1978年实行的SCNT。这个解释教育了观众,也证实了主人公对一个老敌人(Dr. Josef Mengele)的怀疑。这个老敌人正密谋克隆希特勒,企图再次统治世界。现在,观看这部电影提出了以下问题:如何修改SCNT使其对多莉起作用,为什么它对某些哺乳动物起作用而对其他哺乳动物不起作用,以及在成功克隆率低的情况下,究竟什么是正确的。


《侏罗纪公园》(Jurassic Park,1993)提出了一个更雄心勃勃的计划,通过从解体的染色体中重建DNA,并使用SCNT将这些染色体放入人工卵子中,来复活已经灭绝的物种。DeSalle和Lindley (1997)在一本优秀的书中探讨了这项计划成功所需的大量科学努力、知识、猜测和运气。这部电影与这个讨论的相关性在于它传递的信息是DNA是一个人构建有机体所需要的全部。


许多科学家把DNA称为生命的蓝图或配方。一些人,包括一位诺贝尔奖得主(引用Lewontin2000年的话)也声称,知道一个生物体的完整DNA序列就足以“计算”出这个生物体。无论这个想法多么吸引人,它从根本上是有缺陷的。虽然DNA代表着大量的信息,用于制造RNA和蛋白质,而RNA和蛋白质是细胞进行大部分活动所必需的,这些分子很少能在生物体中适当的时间和地点被制造和激活,这完全取决于它们的基因序列。细胞中大多数分子的装配、定位、激活和降解是由许多化学和物理因素控制的,而这些因素本身又是由其他因素调节的,这适用于所有生物体的所有细胞和生命的所有阶段。说DNA控制胚胎发育或成年人控制身体功能,就像说一家银行控制世界经济。诚然,DNA和银行是重要的组成部分(信息和货币),但它是一个更高层次的——相互作用的网络,最终控制着有机体和经济的命运。


在电影中,为了回到侏罗纪公园,组装好的染色体必须被放入一个蛋中,用适当的化学和物理因素来激活恐龙的发育基因。因为科学家们没有完整的恐龙蛋,所以用一只鸟或人造恐龙蛋来模拟这一步完全属于侥幸成功。例如,鸟类的发育要求鸡蛋在母鸡的子宫内旋转,以创造未来的胚胎头尾轴;恐龙的发育可能涉及类似的机制,也可能是完全不同的东西。

 

遗传学与人类行为

遗传学通常被认为是最具威胁性的,因为它被用来控制人类的行为和进化。基因决定论已经推动了人类历史的一个黑暗阶段(20世纪早期的优生学运动在纳粹主义中达到顶峰)。重组DNA技术的兴起,可能使我们有一天能够选择所需特征的DNA,并设计出婴儿,这引发了人们对在不久的将来出现另一个类似阶段的担忧。


《千钧一发》(GATTACA,1997)通过描绘在生育中经常使用重组DNA技术的未来社会,探索了这一观点。故事讲述的是一对夫妇去一家生育诊所,他们的卵子和精子被用来生产大量的胚胎,这些胚胎被筛选出编码他们想要的和不想要的特征的基因。医生驳回了这对夫妇留下一定程度不确定性的要求,并建议只使用基因最优的胚胎植入。问题是,这对夫妇已经有了一个儿子,Vincent,像这个社会中许多不幸的人一样,是通过自然繁殖而出生的。因此,他必须首先与基因增强的弟弟竞争,然后与基因增强的上层社会竞争。影片讲述了Vincent为实现自己成为宇航员的梦想所做的努力,他模仿了一个基因增强的人,这样他就能完成星际探险的高竞争性训练项目。


影片的前半部分描述了重组DNA技术的制度化使用如何使社会根据基因构成分成上层和下层,以及尽管法律禁止这种做法,但同样的技术如何被用来歧视下层。电影强调了以DNA为中心的社会本质,给那些在他们的阶层之上伪装的人起绰号(“去基因”和“借来的梯子”),影片中还出现类似双螺旋结构的楼梯来进行隐喻。然而,电影的结尾却有力地反驳了基因决定论。在几个基因增强但“有缺陷”的朋友的帮助下,Vincent超越了社会强加给他的限制,实现了自己的梦想,并在这个过程中打破了社会对基因的盲信。这表明基因确实很重要,但它们不能百分百肯定地预测性格特征,而其他因素如自由意志、毅力和动机可以压倒这些预测。


《千钧一发》描绘了一个被现有技术的制度化使用所腐蚀的未来社会,这给我们提出了重要的问题。我们的社会在制造设计婴儿的过程中处于什么位置?要使一个GATTACA式的社会成为现实还需要什么额外的信息?我们应该担心吗?不可置否,人们都想要经过设计的宝宝,他们长大后会有魅力、有竞争力。向准单身父母出售常青藤大学毕业生和美女模特卵子和精子的公司非常受欢迎,以至于大城市的孩子们被建议不要在城市里结婚,因为担心会不知不觉地与同父异母的兄弟姐妹发生关系。此外,为希望在不传递基因疾病的情况下受孕的夫妇提供的体外受精诊所已经从对胚胎的消极选择转变为积极选择。现在,他们不再只是植入检测为阴性的胚胎,而是植入某种组织类型检测为阳性的胚胎,这样未来的孩子就可以成为患有这种疾病的哥哥姐姐的捐赠者。


虽然科学家们已经确定了近一千种遗传疾病(Jimenez-Sanchez, Childs, & Valle, 2001),发现遗传倾向不同的健康状况和行为模式(例如,男性型脱发,近视,酗酒),目前尚不清楚是否智力、音乐、体育能力、幽默感和其他个性特征的遗传基础。一种方法是建立一个数据库,其中包含一个或多个人口群体中所有不同的DNA序列,然后将这些数据与智商、运动能力、音乐天赋、性格等方面的标准化测试结果进行比较。如果考虑到至少有两个大规模的DNA数据库项目正在进行中,即国际人类基因组单体型图计划(International HapMap Consortium, 2003)和一个针对冰岛全体人口的项目,这种设想就不那么不切实际了。比较DNA序列和特质分数可能揭示三种特征:异常高或异常低的分数总是出现在具有一个或几个关键DNA序列的人身上(意味着具有强遗传基础的特征),异常高的分数与许多不同的DNA序列组合同时出现的特征(弱基础),以及根本没有遗传基础的特征。


虽然每个人都同意伟大的运动员、音乐家和思想家具有“正确基因”的天赋,但很少有人(包括科学家)愿意说这些特质有很强的基因基础。这是有充分理由的。许多行为特征似乎取决于许多基因、饮食成分和其他环境因素,所有这些共同作用决定了这些特征。少数基因似乎比其他基因扮演了更重要的角色,而每个基因的效力强弱取决于其他基因与因素的交互影响(注意此处基因角色与基因效力术语之间的差异)。即使掌握调控基因和致病基因也会因个体的遗传和环境背景而有所不同。例如,Pax6和囊性纤维化基因的突变在多大程度上导致眼损失和CF症状取决于个体的其他基因和生活史。


此外,重要的是要理解非遗传因素如何深刻地塑造了人类行为,特别是我们的社会交往历史和学习经验。这些经历很大程度上是自愿的,源于我们的家庭、工作和娱乐环境提供的机会,塑造了我们的态度、情感、宽容和欲望。在另一个层面上,它们塑造和重塑我们大脑活动和脑细胞连接的模式,就像我们的锻炼习惯影响我们肌肉和骨骼的状况一样。事实上,我们中枢神经系统的可塑性是对抗基因决定论的最佳防御。


总结

电影可能永远达不到专业科学家所要求的生动和可信的标准,也无法充当传授基础知识的可靠老师。然而,这并不意味着科学教育者应该对电影经常为大众服务的不准确、夸张和愚蠢感到绝望。无论是有意的还是巧合的,以上讨论的电影和现实世界科学之间的联系为我们提供了一些机会来教授一些重要的思想,如基因如何控制动物的发展和进化,克隆如何起作用,DNA是否足以创造生命,以及基因在决定人类行为方面有多大作用。一些电影还超越了通常的科学走向错误和威胁人类的故事情节,去探索生物伦理问题,比如生殖行为是否应该受到制度控制,以及如何防止基于基因构成的歧视。最后,电影在教学中很有用,因为它能激发教师将令人兴奋的现实科学与之联系起来,并激发学生思考和谈论科学现象及其对社会的影响。

 

文章来源:Evolutionary Biology · January 2007 


术语表

  • Chimera—a mythological beast comprised of the body parts of different species, also an animal produced by combining the embryonic cells of different species.
  • Eugenics—the social policy of trying to improve the quality of the human race by selective breeding.
  • Genetic determinism—the belief that all aspects of human behavior, personality and physical makeup are controlled exclusively by one’s genes.
  • Genetic predisposition—having genes that make an individual more likely to express a certain condition.
  • Genome—the entire sequence of DNA found in the chromosomes in each cell of an individual, and all the variation that exists in that sequence across the individual’s species.
  • Homologous genes—genes usually found in different organisms that by virtue of their similar sequences are thought to have evolved from the same gene in a common ancestor.
  • Hox genes—genes for transcription factors that are responsible for patterning the head-to-tail axis and limbs of vertebrate embryos.
  • Hybrid—the offspring of parents that belong to two different species.
  • Master regulatory gene—a gene for a transcription factor that when expressed in early embryos turns on a cascade of other regulatory genes, which ultimately directs cells to form organs such as an eye or to become a certain region of the body.
  • Metazoans—any and all multicellular animals, which are thought to have descended from one ancestral multi- cellular animal that lived more than 600 million years ago.
  • Mutation—a randomly occurring change in the DNA sequence of a gene.
  • Patterning the head-to-tail axis—the instruction of cells along the length of a embryo to become head, trunk and tail regions.
  • Plasticity—the ability of environment and patterns of use to induce changes in a phenotypic trait such as muscle thickness, bone density and the wiring of our nervous system.
  • Recombinant DNA technology—any techniques involving the cutting and linking of DNA.


  • 致谢
  • Thanks to my students for thoughtful discus- sions and to Maria Rose for helpful comments on the manuscript.


参考文献

  • Crichton, M. (1999). Ritual abuse, hot air and missed opportunities. Science, 283, 1461–4163
  • DeSalle, R., & Lindley, D. (1997). The science of Jurassic Park and The Lost World or how to build a dinosaur. New York: Basic Books
  • Fehilly, C. B., Willadsen, S. M., & Tucker, E. M. (1984). Interspecific chimaerism between sheep and goat. Nature, 307, 634–636 Futuyma, D. J. (2007). Science’s greatest challenge. Bioscience, 57, 3
  • Halder, G., Callaerts, P., & Gehring, W. J. (1995). Induction of ectopic eyes by targeted expression of the eyeless gene in Drosophila. Science, 267, 1788–1792
  • International HapMap Consortium (2003). The international hapmap project. Nature, 426, 789–796
  • Jimenez-Sanchez, G., Childs, B., & Valle, D. (2001). Human disease genes. Nature, 409, 853–855
  • Kass, L. (1997). The wisdom of repugnance: Why we should ban the cloning of human beings. The New Republic, 216(22), 17–26
  • Kimberly, M. (2002). Reevaluating repugnance: A critical analysis of Leon Kass’ writings on genetic reproductive technologies. Princeton Journal of Bioethics, 5, 8–24
  • Kirby, D. A. (2003). Scientists on the set: Science consultants and the communication of science in visual fiction. Public Understand- ing of Science, 12, 261–278
  • Lewontin, R. (2000). The triple helix, gene, organism and environ- ment. Cambridge: Harvard University Press
  • Meinecke-Tilmann, S., & Meinecke, B. (1984). Experimental chimaeras – removal of reproductive barrier between sheep and goat. Nature, 307, 637–638
  • Midgley, M. (2000). Biotechnology and monstrosity: Why we should pay attention to the ‘‘Yuk factor’’. Hastings Center Report, 30, 7–15
  • Newman, S. A. (2002). The human chimera patent initiative. Medical Ethics, 9, 4–7
  • Rose, C. S. (2003). How to teach biology using the movie science of cloning people, resurrecting the dead, and combining flies and humans. Public Understanding of Science, 12, 289–296
  • Turner, L. (2004). Is repugnance wise? Visceral responses to biotechnology. Nature Biotechnology, 22, 269–270


0条评论