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初识干细胞
9 v% w5 z* J+ Y我的本科学的是动物医学。和很多人选专业时的情况一样,开始时觉得自己要学习的是航空母舰的建造,但是渐渐地发现自己学习的是做一个林肯加长型独木舟。! r1 g8 ~# \- l, v; z) p" s
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第一年和第二年学习的课程主要是一些通识类课程和小部分专业基础课程。部分中国大学开始模仿国外综合类大学进行通识类课程教育,目的是要把学生培养成综合性人才,即学生一方面要具有专业能力,另一方面要了解其他领域的知识。不得不承认这个制度是有一些好处的(不然那些出国考察的领导就不会引进了),可以让学生在短时间内接触多个领域的知识,但是同时也忽略了专业知识的教育(因为有些专业应该沉下心专心研究一番的,学生借口综合性教育而显得有点浮夸)。鱼我所欲也,熊掌亦我所欲也;二者不可得兼,舍鱼而取熊掌者也。繁华下知识的衰落不是没有可能,在专业知识不扎实的情况下接触大量粗浅的其他领域的知识,这其实存在一定的危险性。科幻巨作《银河帝国:基地》中帝国在繁荣的表面下逐渐丢失了大量的科技,过于智能化让大部分人失去了学习基础知识的动力和兴趣。( Q3 _# a6 Y) j% w" i) B
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在综合性人才的掩护下,很多专业知识教育被漠视。虽然国外在实行这些教育方式,但如德国,在重视综合大学教育的同时也很重视专业技能教育,职业教育以及技术实践等。我认为这样的教育体制改造应该是根据专业特点进行的,比如理工科,应该多一点专业性,少一点综合性,人文社科可以多一点综合性,少一点专业性(粗浅的看法)。当然这些我们的院士,教授,校长,书记,学校的管理层肯定都是考虑过的,他们思考的当然更加远大,不是我等学生可触及的,看样子这下的肯定是一盘大棋呀。
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对一些难度非常大的课程,学生学起来累,老师们教起来也累(限于有责任心的老师,无此心的老师就直接流水似的翻完PPT了事)。经常能够听到老师指着厚厚的教科书感叹道,这个课程以前要教2个学期(一学年分4学期),现在学校要求进行短学期教育,即变成1个学期,老师们要绞尽脑汁找出哪些是重点,哪些不是重点,给学生们讲解重点的知识,不是重点的知识有兴趣的同学自学(“自学”的概率有多大呢?)。感叹完还要对学生投以同情之目光。印象最为深刻当属生化的那两大本绿皮书,当时老师翻ppt翻的那叫一个快呀(普通话还不太标准),第一页的公式和结构式还没看明白,投影仪上的PPT已经到第三页了,可想而知那叫一个累呀(我认为学校应该要考虑一个问题,如果一个老师只会往ppt上粘贴大量文字,那他就不准使用ppt上课,只能使用板书……只有那些把PPT做的简明扼要的才可以被允许使用PPT讲课……可能很多教授的PPT不是自己做的,这一点很多人做不到吧)。当然按照惯例,在考试前老师会给我们一些复习线索(坊间称之为“划重点”,当然如果学校不允许,老师可以给我们标出“非重点”)。于是乎考试周前夕,在校园里随处可见拼命啃重点的莘莘学子。现在每每遇到生化问题苦苦翻书或者上网检索,真是后悔当时没有好好自学呀,书到用时方恨少,真是古人的经验之谈呀。幸好现在网络大型课程(MOOC)蜂拥进入中国,空余时间可以弥补一些当初的遗憾吧(但是有些课程资料因为网络长城而无法触及,也是蛮遗憾的)。其中生物类的课程确实很实用,相比于国内千年不变的课件和黑白毫无彩图的教科书,这样的网络课程更与时俱进,充满生气。中国大学教育的课件和参考书真是让人无语呀,人家网络课程起码还于是俱进有最新的研究进展(日本动漫作品里面好歹有个IPS,离心机……),再看看我们的课件和教科书(有一门课,教科书就改了个封面,内容没什么大变动,价格倒是涨了,别和我说内容改了多少,上课时,我买的二手旧版和别人的新版没什么差别),基本就是老师让自己的学生充当枪手在那边码字(不得不中国学生写“综述”的能力—这种文章在国外原本是领域内的大牛写的,到中国后,因为大牛忙于开会和开公司,所以一般是由学生代笔),这样出来的教材能有多少营养,不要出错就谢天谢地了。: b7 V% D6 V6 P
; I- C5 G) N5 k" ^第三年,搬到了另外一个校区,算是南渡吧(参考抗日战争时期北大清华南开三大名校南迁避祸之故事,有兴趣者可阅读当下一书曰《南渡北归》-展现中国最后一代大师的颠沛流离和治学精神)。在此处可以稍微介绍其中几位对当代教育有独特见解的大师。清华大学前校长梅贻琦(姑且不考虑清华官方还认不认这个校长,虽然他是一位在抗战时期为保留中国知识火种而殚精竭虑的大师,详见《南渡北归》)曾经说过:“大学之大,非大楼之大,乃大师之大。”可能是因为梅校长后来去了台湾,所以这话在大陆不太好使。现在国内的很多大学基本可以覆盖一个城市,比如“美丽的长春坐落在吉林大学”以及西子湖畔的浙江大学(此处并无贬低之意,只是对一种现象的疑惑不解。突然想起那个MIT的笑话,大学不一定比学院差,要看是什么大学,什么学院了)。可能这些古人的话不太符合当今中国的国情吧,因为我国正处于并将长期处于社会主义初级阶段。“欲学屈子投清泠,犹抱遗经做儒生”的王国维曾说过这样一句话:“一校之中实行教授之人多,而名为管理者之人少,则一校之成绩必可观矣。”看看如今王国维这句话在国内所处的待遇,梅校长在九泉之下应该可以瞑目了,因为我们的国情和国策真的不是针对您一个人的,实在是大师的话都不合时宜了。你们的话除了用来写高考语文作文应该就没有别的作用了吧(记得高考前真着实背诵了不少呢,不知道有多少人能做到“衣带渐宽终不悔,为伊消得人憔悴”),哦,对了还可以用于炫耀(本人现在在做的就是呀,哈哈哈,没事晒几句大师的话压压场嘛……我才不承认这些都是google来的呢)。
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+ ?, r: k6 K& e) A4 X言归正传,到了另外一个校区。这个校区的硬件条件虽然没有新校区好,但是却风景优美。下小雨时,从寝室走到教室可以不用打伞,因为路两边的树叶繁茂。在雨中漫步可以稍微感受一下苏东坡”也无风雨也无晴“的情怀(虽然作为一个学生还没有什么资格经历人生的起起伏伏,当高考时确实是把这曲“定风波”作为自己的座右铭)。在这个校区,学习的课程主要就是专业课程了。说到专业课不得不提其中的某一门(此处暂不点)。原本这门课是一个学期的任务,然而老师这个学期有别的任务,据说是去偏远地区参加教学工作。但是学校的课程任务是不能不完成的(应该涉及到考评和毛爷爷吧),于是我们就有了一周学完这门课并考试的奇葩经历。幸好当时是假期,没有别的课程任务,于是我们上午讲理论,下午做实验,真的就把这课给学完了。考试对于我们也自然不在话下。那一次突然觉得老师们也好可怜呀,为了工作也蛮拼的。
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学院里面老师的实验室基本在这个校区,于是我们有机会并开始了科研实习。当时我实习的实验室研究的是寄生虫。一个蛮厉害的师兄带我,可是当时他刚申请了去美国的交流计划(为期一年),所以后面的实习也是充满坎坷呀。我当时做的是克隆一个基因然后原核表达,制备多抗,然后用于寄生虫的检测。这个寄生虫叫做弓形虫,是一种比较危险的人畜共患寄生虫病。弓形虫的终宿主是猫和其他猫科动物(比较经典的一个图示是得了弓形虫的猫和鼠站在一起,因为寄生虫进入了脑部,导致它们的脑子都“瓦特了”),它寄生在这些动物的小肠上皮细胞内,形成囊合子可以随粪便排出,其他哺乳动物和鸟类吃进去后会发生感染,在它们身体的组织内发育成为包囊(进入脑子就悲剧了)。囊合子和包囊是弓形虫的不同发育阶段,都具有传染性,也就是说吃了这两种东西都会得这个病(当然煮熟的不算,所以有吃生肉习惯的国家这些病还是比较危险的……必须要区分的是有些病菌不是自身致病,而是分泌有毒有害物质,这个时候煮沸了也不一定安全……小时候有一些奇怪的想法,比如太空里的星星是没有菌的,是不是就可以把星星当糖舔,后来想想还是蛮危险的,很多估计有辐射什么的)。所以养小猫小狗的家庭要做好动物的清洁工作,不要让它们在外面乱吃东西。不过得了这个病也不用太担心(人身上还是有很多致病的病毒潜伏的,只是因为自身免疫系统健全才没有发病,想开点,人固有一死嘛),如果你的体质好,寄生虫就会躲起来,防止免疫细胞的攻击。当人进入老年体质变弱的时候(当然现在一些年轻人的体质也没好到哪去呀)或者是艾滋病患者,他们的免疫力减弱或丧失,这个时候弓形虫就会出动攻击人体了,大脑是他们喜欢去的一个地方,有点像《植物大战僵尸》中的僵尸哈。磺胺类药物是这个疾病的特效药。之所以还记得这个药物要从一位老师说起。这是一个蛮有个性的老师,首先为了怕电脑中毒,他使用一台只能插磁盘的电脑(也不能上网)上课,同学们不能拷贝课件(这一点蛮好的,毕竟自己抄写的笔记才能说明“学过”)。另外,上另一门专业课(依稀记得是传染病学,讲了好多的病)时他不用电脑,拿着一本手抄写的笔记在黑板上一个字一个字地抄写板书,讲课时还会结合很多自己的实践经验(学起来虽然蛮辛苦的,但非常有意思)。有一次他说了这样一个案例,去一个猪场解剖一头死猪,初步诊断以为是普通的微生物感染致死,解剖时发现病猪有大量腹水,结合其他症状后怀疑是弓形虫感染,悲剧的是这个老师还没带手套解剖的(他觉得这样有手感,不过这个习惯不是很好)。于是他开始怀疑自己感染了弓形虫,但是正如我之前提到的,对于免疫力正常的人来说这个病不会立马发作,不过他之后就随身带一瓶磺胺类药物,防止自己发病。想想这些老师还是蛮可爱的,尤其是讲这些故事的时候。
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再次言归正传,看来跑题成为我的常态了,怎么办,怎么办,会不会怀孕?需要声明的是男士目前还不能怀孕,至于某个新闻说一个男人怀孕产子,请各位女性朋友仔细看那位男士是女人变性来的好嘛。现代医学还没有发达到这种程度可以移植这么复杂的系统并发挥功(这不是单一器官移植,是系统移植),想想看大姨妈以及怀孕这些涉及到很复杂的激素调节,不是单单移植器官然后通过注射激素就可以解决的。
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; r% b3 u S0 V8 W作为一个本科生,师兄并没有准备让我接触这种危险的生物。我看到的是已经变成基因组提取物(或者说是CDNA)的无色液体了(实验室主要是在实验鼠中饲养弓形虫,然后等虫子扩增起来后就收集起来做实验,可以想象成金庸小说中的五毒教在饲养毒虫)。虫子里面的基因有很多(可以理解为:很多基因组成了基因组,当然还有一些不是基因,就像树林里面不全是树,还有草,花和灌木等。此处暂不考虑基因组的其他成分),如何从基因组中获得想要的基因呢?使用的方法叫做PCR(Polymerase Chain Reaction),是一种分子生物学常用的技术。PCR的发明人是穆里斯(K. Mullis),并因此获得了1993年的诺贝尔化学奖。
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! \; V6 U- U& f5 f* ?) o& [分子生物学扫盲时间:基因是由A,T,C,G这四个碱基组成的,A和T配对,C和G配对,它们形成碱基对。假设一条链是ATCG(可以很长),那么与之配对的链是TAGC,这两条链组合在一起再一拧巴就是闻名于世的DNA双螺旋结构。1953年,沃森和克里克发现了这一结构,开启了分子生物学时代,使遗传学的研究进入到分子水平。他们的结果只有一页纸,发表在当年的自然(nature)杂志上。当时他们还是很年轻的学者,通过对其他学者研究成果的分析才建立了这个模型,参考的实验数据主要来自莫里斯·威尔金斯(Maurice Wilkins)和罗沙琳德·弗兰克林(Rosalind Franklin)等人的前期研究,所以沃森,克里克和威尔金斯于1962年共同获得了生理或医学诺贝尔奖,表彰他们关于DNA结构的工作。(是不是少了一个呀?请继续往下看……)2 e! ]4 U( t" s" N' V
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需要说明的是弗兰克林在1958年因癌症过世,年仅三十七岁。诺贝尔奖的规定不提名已经过世的人,诺贝尔奖还有一个不成文的规矩是不把一个奖授予三个以上的个人(时常听到一个故事是说中国当时大跃进搞科研成果结晶牛胰岛,后来之所以没得诺奖就是因为报上去几百号人……这当然是没有获奖后好事者编造的一个笑话了)。这也许是天意,否则弗兰克林也很有可能会成为获奖者之一(诺贝尔奖委员会真是松了一口气呀,但还是要为这位英年早逝的女科学家表示哀悼)。因为弗兰克林的前期实验为DNA模型的建立做出了决定性的贡献(虽然她自己的某些观点和模型是错误的),由此也在后来产生了一些争议性的故事,这些故事一直伴随着这个伟大的发现(高中学习生物时并没有提及此处,所以在大学的课堂上听到这样的故事真是让人立马提起了兴趣,是八卦之心蠢蠢欲动吗?)。这些争议涉及到多个方面,从女性科学家在科学界的地位到实验室实验数据的使用权等问题。其中最大的一个争议是1953年2月14日,在没有得到弗兰克林同意,以及她也并不知情的情况下,威尔金斯给沃森展示了一张弗兰克林于1951年11月获得的尚未发表的B-型DNA清晰X射线衍射照片。这张照片就是出现在高中生物课文中的著名的51号图片,这张图片是解出DNA结构的关键证据。沃森在他1968出版的《The Double Helix》一书中说:“The instant I saw the picture my mouth fell open and my pulse began to race.“(意思是,当我看到这张照片是我和我的小伙伴都惊呆了)。在1953年2月28日,沃森和克里克建立了正确的DNA双螺旋结构模型,并立刻在同年的4月25日将这一发现发表在Nature杂志上,文章的致谢颇具争议,它这样写道:“We have also been stimulated by a knowledge of the general nature of the unpublished experimental results and ideas of Dr. M. H. F. Wilkins, Dr. R. E. Franklin and their co-workers at King’s College, London.”沃森他们在论文中指出,他们在构建自己的模型时,主要根据已经发表的实验数据,并不知道威尔金斯等和弗兰克林等在同期Nature发表文章的细节(明明看到别人的结果才有的灵感却不承认,真是不厚道呀)。有人认为沃森和克里克至少该引用弗兰克林和她的学生发表在同期中的文章,在文章中弗兰克林首次发表了那张清楚的DNAX射线衍射图(之前沃森已经通过非正规途径看到过这张图片)。对于这些,只能说科学家家也是人,也有贪、嗔、痴、妒、慢、疑这些坏毛病(不得不承认沃森显然是一个非常聪明的人,这一点毋庸置疑)。所幸科学并不是“Winner Take All”的游戏,这些走在胜利者前面却跌到的人也值得尊敬,弗兰克林的工作在她身后得到了科学界广泛的认可。科研从来不是一个胜利者的故事,它是更像一场足球比赛,虽然进球的是前锋,但是后卫,中场等也都是必不可少的(虽然前锋的工资是最高的,奖杯还是属于大家的嘛)。
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在这个故事里,我们也应该看到生物界的竞争是非常剧烈的,尤其是重要而且紧急的科学问题,往往有几十个研究团队在做,任何差错导致结果的延误都会懊悔终生哦。同时研究者应该要明白可以发表的结果不一定是完美的(如果windows 把系统完善到极致,早就被竞争者超越了,只要基本框架可用,其他用补丁包不断完善就可以了),如前文提到的,任何新的观点和技术都是伴随着缺陷诞生的。所以要及时整理并发表自己的结果。& N: l9 J# ]8 t p8 W) d6 Q
* T* q% d/ O: u% \ m: ]同时上面的故事也反映出五六十年代科学界对女性科学家存在的很多偏见,至少从沃森本人发表的言论可以表现出其对弗兰克林的不懈(虽然他本人后来更正了相关言论)。在2007年沃森还因为发表带有种族歧视的言论而备受业界诟病(有一句笑话是这样的:我最讨厌两种人,种族主义者和黑人)。在差不多同一时代,另一位女性科学家的遭遇也很能反映这种歧视的普遍性。她就是后来获得1983年诺贝尔生理或医学奖的巴巴拉·麦克林托克(Barbara McClintock)。当时她所在的冷泉港(著名分子生物学研究所,沃森后来也在该研究所从事研究……在科学大航海时代,应该算是“王下七武海”级别的“科研团队”了)研究所也弥漫着性别歧视,她一边忍受着周围的不公正待遇,一边默默地将一生用于遗传学的研究(玉米作为其研究对象)。当她发表学术成果时还是遭到了众人的嘲讽,没有得到应该有的尊重。不过幸运的是她活得足够长(不得不再次惋惜弗兰克林的红颜薄命呀),时间最终证明她的理论是对的,即转座体系理论(按下不表)。在此要对这些伟大的女性表示深深的尊敬,不管她们是否是科学家至少在生物学角度她们都是伟大的(越来越多的研究表明男性Y染色体上基因的丢失,哎,上帝给的报应吗?)。
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! N, ]# H/ x, T; n O分子生物学的发展过程非常具有故事性,各种发现层出不穷,有兴趣的可以阅读《创世纪的第八天》,里面的很多故事颇具阅读性,虽然很多描述还太偏重专业性。书中不仅展现出那个年代性格迥异的科学家们的一些求知开拓精神,同时也不难看出科学随着利益化而逐渐开始变质。! V6 m' G* }9 |( W ?
* B" ]$ G$ B8 r0 d6 `1 G8 N言归正传,总结回顾一下基因组的结构是DNA双螺旋,每个基因都是若干个碱基对连接形成的DNA双螺旋链组成的。下面使用人类的基因组来讲解PCR的工作原理。一个人细胞核里面基因组的大小约为64亿碱基对,注意是两份的,一份来自爸爸,一份来自妈妈(两份基因组组成类似),所以组成一份基因组的大小是32亿碱基对(下面都按照一份计算),这些碱基对组成了大约2万个人类基因(很多碱基对不形成基因,此处暂不讨论)。需要说明的是这么长的碱基对可不是前后连接形成一长条玩老鹰捉小鸡游戏,而是分布在人类23条染色体上(染色体包括22对常染色体,每对两个,一半来自父亲,一半来自母亲。另加两条性染色体,性染色体女士是XX,男士是XY,,共46个。此处忽略两种性别差别,只计算一半,按23条算)。下面我们将开始一个游戏叫做点到名字人的要复制自己(people called replicating,PCR—山寨版缩写),这个游戏要进行30轮。点名的依据包括两个部分:姓和名(实验中进行的PCR是根据基因首尾的两个特定碱基对顺序找出基因并进行克隆的,此处将这两个部分分别比作姓和名,the first name和the last name)。假设有2万的基因(人),第一次点到名后这个基因要复制自己一次,然后他们都回到基因群里面,变成了2个。第二次他们又被点到,他们变成了2的二次……以此类推,当30此点名下来,他们变成了2的30次方,我算了一下是1073741824,所以起始的20000个基因已经被淹没在这群被复制的基因中了。当然遇到同名同姓的”人“怎么办呢?很简单,只要再考虑”家庭地址”等限定条件就行了,比如巢式PCR(学名),就是说要确定这个基因的“巢”再点名,“巢”者“家”也。 |
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