作为单细胞微生物，细菌的繁衍直截了当。细胞一分裂就有了两个别无二致的细菌。它们有着同样的DNA、RNA、蛋白质以及其它各种成分。只要养分充足环境合适，细菌的数目会随着细胞分裂指数增长，衍生出无以计数但一成不变的细菌。这是克里克的分子生物学中心法则的鲜明写照。细胞的分裂看起来似乎是细胞的自发行为，其实只是其中各种蛋白质协同一致有条不紊的化学和物理过程。所有蛋白质都来自细胞中DNA储存的编码。那是预先设计好的生命蓝图。衍生出的细菌都是那同一个“模子”的产品。
然而细胞的分裂却并非总是如此简单。作为多细胞生物，植物、动物和我们人体非常“庞大”，有着数以几十万亿计的细胞。尽管数目惊人，所有细胞也都来自最初的一颗受精卵，有着相同的基因。但人体中的细胞显然不像细菌那样千篇一律，即使以粗线条划分也有着至少几百种的不同。最简单的可以说是血红细胞。为了在血液中输氧时轻便快捷，它们压根没有细胞核。其它诸如皮肤细胞、肌肉细胞、骨细胞、神经细胞、免疫细胞以及专为下一代准备的生殖细胞等等都有着各自的形状、蛋白质组成和功能。正是由于这些不同的细胞在各就各位、各司其职，我们的躯体中有了皮肤、骨骼、神经和血液之分，不只是大量彼此无区别细胞的堆积。
因此，细胞在分裂的同时也会“分化”（differentiation），出现形状和功能都大相径庭的不同类型。分化后的细胞继续分裂时会保持已有的类型。比如皮肤细胞分裂产生新的皮肤细胞，骨细胞分裂后也只会是骨细胞。皮肤和骨头在这样的分裂中新陈代谢，但不会在皮肤中猛然长出骨头来。不过，皮肤细胞、骨细胞也都可以各自进一步分化出更为细致的皮肤细胞、骨细胞类型。这样，受精卵可以逐步分化出越来越多的不同类型，其过程与物种起源的生命之树很是相似。那些分化之前的早期胚胎细胞如同尚未分叉的树干，即“干细胞”（stem cell）。
除了因为没有细胞核而不携带DNA的血红细胞，所有不同种类的细胞都带着由受精卵复制而来的DNA。它们的基因完全相同，却形状各异，生产着不同的蛋白质。显然，基因在这里不是唯一的决定因素。早在1930年代后期，英国胚胎学家沃丁顿（Conrad Waddington）把另外的、在基因之外或者凌驾于基因之上的影响力形象地称作“epigenetics”，即在“基因遗传”词根上加以代表“之外”、“之上”含义的前缀。这个名称在中文里被翻译为“表观遗传”。
沃丁顿直觉地认为这个基因之外的因素可能会与生物的生存环境有关。他形象地描述胚胎发育过程犹如一些原本一模一样的石子从陡坡上滚落，沿着不同的沟壑下行。因为沿途遭遇不同，它们有的变得尖锐有的变得圆滑。这些来自后天经历的特征会与先天的基因一起遗传给后代。那是孟德尔的遗传规律正在被广泛接受的时代。沃丁顿这个“表观遗传景观”（epigenetic landscape）描述宛如一股逆流，为拉马克的获得性遗传保存一席之地。
30来年后，沃丁顿的大胆假设与克里克的中心法则一起在分子生物学实验中经受小心求证。
因为史蒂文斯在世纪初的发现，动物的性别之分有了科学的解释：它们携带着不同的性染色体。雌性动物的细胞核中有分别来自父母的两根X染色体。雄性则只有一根来自母亲的X染色体，另加一根来自父亲的Y染色体。这个明显的区别曾经为摩尔根辨识果蝇变异的基因在染色体上的位置提供莫大的帮助。他看到有些体征（比如眼睛颜色）虽然与性完全无关，其基因也会出现在X染色体上。果蝇无论雌雄，都需要那些蛋白质。
但是雌性果蝇有着两根X染色体，比雄性多出一倍。因为同时有两份蓝图在指导，这类蛋白质在雌性果蝇的细胞工厂中势必也会加倍生产，造成比例失衡。当然果蝇无论雌雄都活得好好的，并没有因为某种蛋白质的过多或过少出现毛病。
沃丁顿的学生里昂（Mary Lyon）首先意识到这个矛盾。里昂比富兰克林小五岁，都曾在第二次世界大战前夕进入剑桥大学学习。里昂毕业后师从用统计学推广孟德尔遗传定律的菲舍尔攻读研究生，但因为受不了导师暴躁的脾气而离开，转到爱丁堡大学跟随沃丁顿完成博士学位。她的课题是老鼠的一种“传男不传女”遗传病。得病的雄鼠在出生前即死亡，雌鼠则大多安然无恙。摩尔根早就通过果蝇解释这一现象：这类遗传病的基因突变发生在X染色体上。雄性因为只有一根X染色体在劫难逃，雌性有着分别来自父母的两根X染色体。如果只是其中之一发生突变，另一根仍可补救。
里昂注意到存活的雌性老鼠有点奇怪。它们的毛发是两种不同颜色的混杂，不像其它老鼠那样清一色。里昂觉得这也会与老鼠的X染色体有关。她在查阅文献时看到加拿大细胞学家曾经报告母猫细胞中的两根X染色体看上去有区别。其中一根与其它染色体一样呈细棍状，另一根却只是非常小的一团，仿佛被束缚、禁锢。里昂顿时恍然大悟。
雌性动物似乎知道它们同时拥有两根X染色体有害无利。在母猫、母鼠或者女孩还是最早的胚胎时，那些为数不多的干细胞已经将自己的一根X染色体用蛋白质束缚起来。被束缚的染色体中的DNA不再能打开其双螺旋结构转录RNA，沦为形同虚设。干细胞的选择是随机的：被束缚的有的是来自父亲的X染色体，有的是来自母亲的X染色体。在随后的细胞分裂中，染色体和染色体上的束缚也都被忠实地复制。雌性生物体内因而存在两类貌合神离的细胞，其中有效的X染色体分别来自母亲和父亲。
这样，每个细胞中只有一根X染色体在起作用，不会生产出双倍的蛋白质。而无论是来自父亲还是母亲的X染色体都会在相当数量的细胞中发挥作用。假如二者之一有基因突变，另一根也足以保证身体的健康。但对里昂来说，最为奇妙的是如果父母的X染色体带有不同颜色的体毛基因，那两类细胞群体会在皮肤上的随机分布，造成两种颜色混杂的斑斑驳驳。
里昂在1961年的《自然》杂志上发表论文时，她陈述的还只是一个猜想。这个简单明了的论断即刻引起广泛注意和争议。随着越来越多来自不同动物乃至人类的证据出现，这个X染色体被禁锢而失去活性的现象被称作“里昂化”（Lyonization）。这个名字倒让里昂颇为懊恼。
无论是里昂化还是更为正规的“X染色体去活化”（X-inactivation），母猫或母鼠细胞中那根倒霉的X染色体——以及其中的基因——并没有被改变。它们只是在被基因之外的力量禁锢后失去操纵生命过程的能力。那正是沃丁顿所谓的“表观遗传”。
而能够如此被去活的也不尽是整个染色体。表观遗传现象可以精细到染色体中的基因成分。就在里昂琢磨雌性生物X染色体的同时，参与发现mRNA分子的雅各布也在探究基因外围的秘密。
第二次世界大战爆发时，雅各布还是法国一所医学院的学生。他在德国军队占领巴黎之前逃往英国加入自由法国军队，曾在战场上遭受轰炸而身负重伤。尤其是手臂上的伤让他不得不放弃成为外科医生的梦想。但那时他也已经读过薛定谔的《生命是什么？》，从中领悟人生的新目标。回到战后的巴黎，他立即找到巴斯德研究所请求加盟。在那里从事分子生物学实验的莫诺（Jacques Monod）和他的上司洛夫（Andre Lwoff）都表示没有位置。但他们耐不住雅各布一而再再而三的软磨硬泡，最终接受这位年轻的战斗英雄。
莫诺自己也是一位多才多艺的战争英雄。研究生时，他曾经在加州理工学院的苍蝇屋中进修一年。但那时他年轻，对遗传学的兴趣远不如对音乐的着迷，把在南加州的好时光消耗在演出上，还差点应聘担任当地的乐队指挥。回法国后，他的音乐生涯被战争打断，只好回到实验室。巴黎被德军占领后，他在纳粹眼皮底下利用实验室器材为地下抵抗运动藏匿、传送机密情报，顺带也发现细菌繁衍的一个秘密。
细菌通过细胞分裂繁衍时需要养分。莫诺实验用的大肠杆菌的食品是几种不同的糖，包括最简单的葡萄糖和稍微复杂点的乳糖（lactose）。只要培养皿中有葡萄糖或者乳糖，大肠杆菌的数目就会指数增长，直到养分耗尽。莫诺别出心裁地在培养皿中同时加上葡萄糖和乳糖，意外地看到大肠杆菌的指数增长中间会出现一个短暂的停顿。仔细分析培养皿中的成分后，他意识到大肠杆菌颇为挑食，开始时只吃葡萄糖不理睬乳糖，直到葡萄糖被消耗殆尽才不得不改胃口吃乳糖。这个临时的转变需要一点时间，它们的增长因而会略为停顿。
葡萄糖是单糖。乳糖则是由两个单糖分子组合而成的“双糖”，1需要由一种酶将其“切开”，降解为单糖才能被细胞利用。2莫诺注意到培养皿的样品中刚开始时并没有这种酶，直到大肠杆菌转换胃口之后才突然冒出来。
显然，大肠杆菌的DNA中有着这个酶的氨基酸序列，知道如何产生这种酶。但它们的细胞工厂并没有时时刻刻生产这种酶，只在应急之时才仓促启动生产程序。在那之前，DNA中这个酶的基因仿佛只是一纸空文。
战争结束后，莫诺和洛夫才终于能够专心学术，同新来的雅各布和帕迪（Arthur Pardee）一起研究大肠杆菌这个奇异行为。他们发现大肠杆菌平时没有生产消化乳糖的酶的原因与X染色体的失活类似：其碱基序列没能“转录”成mRNA，指令因而未能送达细胞核外的工厂。但不同的是大肠杆菌的染色体或DNA既没有被改动也没有被禁锢。一旦有了乳糖的需求，那个酶的基因很快就能转录为mRNA，细胞工厂也就按部就班地投入生产。这是一个动态的调控。
其实，大肠杆菌利用乳糖做养料需要的还不只是这一个酶。比如乳糖分子自己无法穿过细胞膜，大肠杆菌还必须提供一种蛋白质帮助它们进入细胞。类似的必要蛋白质还有几种。它们精诚合作，才能实现消化乳糖的共同目标。而有意思是它们也与那个酶一样，只在需要的时刻才同时集体现身。
因为“一个基因一个酶”，这些配套的蛋白质各有各的基因。莫诺猜测这些为同一个目的设计的蛋白质基因在DNA长链上会处在同一地段，彼此相连形成一个“基因簇”（gene cluster）。它们在转录mRNA时步调一致，由同一个mRNA分子送往细胞工厂。更重要的是，整个基因簇还有一个调控的“开关”。这个开关平时处于“关闭”状态，导致整个基因簇不参与mRNA的转录过程。待到需要时，开关被打开，整个基因簇便即刻“复活”。
虽然匪夷所思，莫诺的猜想很快在他们的实验室里得到证实。就连那个神秘开关的机制也并不复杂。基因簇中的碱基序列不仅包揽所有与消化乳糖所需蛋白质的基因，还预留着一小段序列作为开关。同时，大肠杆菌中也有着能够探测各种糖类的蛋白质。当不需要以乳糖为食时，这些蛋白质会与DNA中作为开关的碱基序列连接。这个简单操作使得整个基因簇的碱基编码无法被转录到mRNA分子上。当环境发生变化时，该蛋白质又自动从DNA上脱落。被“解放”的基因簇随即开始转录mRNA，指令细胞工厂生产出相应的各种蛋白质。这个过程只需要短短几分钟，正是莫诺最早观察到的细菌生长中的停顿。
这是一个具备重大意义的发现。作为生命编码的基因不再只是一份静态、消极的字符串。它们预设有反馈调控的机关。DNA通过RNA制作蛋白质，其中一些蛋白质的任务却是根据环境状况开启或关闭某些基因簇，彻底改变细胞运作的功能。这样，虽然一个生物体中的所有细胞都出自同一张设计蓝图（DNA），它们也可以五花八门，按照需要分化成形状、功能迥然相异的不同类型，让植物生根长叶开花，动物拥有皮肤、肌肉、骨骼等等。
因为这个“基因调控”（gene regulation）机制的发现，雅各布、莫诺和洛夫在1965年分享诺贝尔生理学或医学奖。
基因能够自我调控，根据需要开启或关闭各种蛋白质甚至将整根染色体去活。那是生物界历经几十亿年适者生存的结晶。基因也随时可能发生突变，开启又一轮的物竞天择。在那个分子生物学家揭示DNA分子结构，破译其中的碱基编码，理解基因的运作规律的年代，化学家鲍林也在努力向大众普及核辐射导致基因突变的危害性，反对继续核试验。核武器和基因——物理学和生物学最引人注目的新成就——在第二次世界大战后的和平时期逐渐进入大众视野。
1954年，一部题为《哥斯拉》3的电影在遭受过原子弹浩劫的日本上映，以一个因为核辐射被唤醒并获得超级能力的海底巨兽隐喻核武器的恐怖。但在战胜国一方，美国的漫威漫画公司在1961年出版《神奇四侠》4，幻想四名宇航员在外太空旅行时遭遇宇宙射线风暴后发生基因突变，各自有了不同的超能力。不到一年，漫威又推出更为著名的《蜘蛛侠》5，其中主人公在被一只因为辐射而基因突变的蜘蛛叮咬后摇身一变为超级英雄。
超级英雄是美国漫画、电影界由来已久的主题。早期的《超人》6主角来自天外，具备与生俱来的超能力。但神奇四侠和蜘蛛侠都是普通的地球人，因为基因突变而成为超级英雄。他们固然是娱乐界与时俱进的产物，却也代表着大战之后欣欣向荣的美国社会特有的激情和乐观。在他们看来，基因突变并非恐怖，完全可以是人类自身改进的源泉。就连物理学家泰勒在与鲍林的电视辩论中也指出核爆炸可能带来的基因突变并非一无是处。生物个体发生突变正是达尔文进化论的必要条件。没有突变，进化也就无从谈起。
当然，泰勒也明白辐射引起的基因突变极大概率会弊大于利。但更多的科学家也正在思考如何利用基因的调控、变异为人类造福。毕竟人类认识自然的终极目的在于改造自然，包括人类自身。早在1905年，当孟德尔尘封30多年的遗传规律刚刚重见天日之际，生物学家贝特森就曾忧心忡忡地撰文警告：一旦掌握遗传知识，人类肯定会不顾未知的长远后果强行插手，干预生命的自然进程。
其实，人类一直在干预着地球上的生命进程。孟德尔之所以悉心观察豌豆的遗传，其初衷乃是要培育出更好的良种。启迪达尔文进化论思想的不只是加拉帕戈斯群岛上的鸟雀，还有他家乡的长角牛和短角牛——人类选择的成果。自从人类开始刀耕火种、驯兽养畜，地球上的“物竞天择”便添加了一个人为因素。正是人类替天行道的干预和选择，我们有了日常生活中熟悉的稻麦玉米、猫狗牛羊。
进化论问世后不久，达尔文的表弟高尔顿立即将其“应用”于人类自身，创立以改进人种为目的的优生学。这个社会运动曾在美国喧嚣一时，但在纳粹德国登峰造极，发展为令人发指的暴行。高尔顿之流的优生学也随之一蹶不振，不再有立足之地。
但优生优育依然是人类的理想。正如从摩尔根到彭罗斯的遗传学家指出，高尔顿及其追随者的优生学之错误根源在于混淆外在“表现型”和内在“基因型”，将可能有多种内在原因造成的外在表现误认为遗传特性。在高尔顿的时代，内在的基因还只是一个抽象的概念，无法作为优生优育的根据。随着DNA双螺旋结构的发现和生命编码的破解，内在“基因型”已经切实地进入人类的视野。以科学为基础的优生学也开始有了卷土重来之势。
最早发现高能辐射能够引发基因突变的穆勒也在思考人类的未来。物竞天择适者生存是自然的进化机制，但在人类社会已经不可行。随着医药的发达和文明的进步，越来越多的“不适者”得到妥善的医治和照顾而生存、繁衍后代。穆勒担心人类的基因会随之衰败。他提出应该像保存良种一样收集健康的精子和卵子，将它们冷冻储存于不会遭遇辐射危害的地下仓库里。假如未来的人类面临基因危机，他们还可以利用这些宝藏恢复。
穆勒的远见没有引起共鸣。但他早在1920年代的苏联向斯大林提出的“种牛”式优生计划却在美国悄然问世。人工授精技术在战后逐渐被社会接受。因各种原因选择以这种方式怀孕的妇女渴望获得优秀的精子。商业化的精子库应运而生，以新的形式满足优生优育的正面优生学需求。
通过镰状细胞贫血症和苯丙酮尿症认识分子病的鲍林也在演讲中频频提到人种衰退的危险。他主张劝说甚至立法禁止这类遗传病患者的互相联姻和生育，因为他们与近亲一样非常可能为后代提供两份带有同样缺陷的染色体，造成下一代的病害。这几乎便是当年负面优生学的翻版。
那时，顽固的苯丙酮尿症刚刚被认识。通过对初生儿验血筛查可以抢在病变之前诊断出患者，以严格控制饮食避免危害。但那毕竟还只是一个治标不治本的权宜之计。患者终身与正常饮食绝缘，依然深受其苦。在1963年的一次会议上，生物化学家霍奇基斯（Rollin Hotchkiss）指出根本的治疗手段是直接修补患者的基因，让他们的身体能够自然地生产所需的酶而根绝病症。
霍奇基斯曾经在艾弗里的实验室里参与肺炎球菌转化因子的研究工作，知道那个因子如何进入无毒的粗糙球菌，通过改写基因将它转化为剧毒的光滑球菌。十多年后，转化因子已经不再神秘：那就是携带着基因的DNA分子。霍奇基斯相信人类完全可以掌握这一技术，改写生物体的基因。这样，人类可以培育出前所未有的良种，也能让自身彻底与分子病告别。
他把这个激动人心的前景命名为“基因工程”（genetic engineering）。在生命的进程中，人类从来不是消极的旁观者，也将不再只是插手“天择”。拥有对生命编码及其运作的认识，人类将主动出击，按照自己的需要和意向直接挑战造物主，修补甚至重新设计生命的蓝图。
（待续）
人类也一样。如果身体中缺乏这种酶，就会出现“乳糖不耐”症状。
Godzilla
Fantastic Four
Spider-Man
Superman