人类永远达不到的运动极限,要靠基因编辑实现?

人类永远达不到的运动极限,要靠基因编辑实现?

我住在美国俄勒冈州的尤金市已有多年,此地素有田径传统,因此被誉为“美国田径之城”。每年夏天,为了备战全美锦标赛或者奥运会预选赛等高水平赛事,一批批世界级名将会到俄勒冈大学的海沃德田径场(Hayward Field)进行训练。对于市民来说,能在当地咖啡馆或是冰激凌店里偶遇明星是件令人激动的事,有时甚至还能看到他们在做引体向上或是从身旁跑过。我现在还能依稀记得某天上午,一位女运动员从我身边飞驰而过。我惊讶地注意到,她400米往返跑的训练速度竟与我短距离的冲刺速度不相上下。

运动天才

背后的原因也很简单:我是个普通人,而她是个“例外”。与自然界中的种种事物一样,人类的运动能力也满足正态分布。也就是说,具备超强运动能力的人会随着能力的增加呈指数减少。比如说,百米短跑用时11秒多的人可以获得某一高中、社团或是地区的跑步冠军,而美国州冠军能跑进11秒,不过100个州冠军中也仅有极少数有望跑到10秒左右。

沿着这条正态分布线一直往末端看去,你就能发现那些“健将中的健将”——他们打破世界记录,一再刷新我们对于人类极限的认识。当卡尔·刘易斯于上世纪80年代驰骋短跑界时,百米能跑进10秒的人仍然屈指可数。那时只要能跑到接近10秒的成绩就基本能锁定奖牌,就连奥运会也不例外。刘易斯身高1.91米,这在当时被认为是短跑运动员的完美高度,因为那时的运动理论认为,身高过高会导致跑步节奏缓慢,从而影响速度。

因此,身高1.95米的博尔特出道时从未被人看好,但他犹如外星人般横空出世,一再刷新世界纪录。他的步长达到惊人的2.83米,2013年,一项发表在《欧洲物理学报》(European Journal of Physics)的研究称:以如此步长跑出如此速度在物理学上实属罕见。时至今日,博尔特的加速度和速度依然无人可及。

“博尔特时代”涌现了一批短跑名将,他们不仅刷新了记录,甚至比那些先前服用禁药的运动员跑得更快。出生于牙买加的加拿大籍短跑运动员本·约翰逊曾于1988年汉城奥运会以9秒79的成绩“战胜”刘易斯并“打破”了世界记录。他还称若不是在撞线前摆出了“剪刀手”的庆祝姿势,兴许会跑出更好的成绩。不过,他后来被发现服用了禁药——类固醇。(编者注:事实上,卡尔·刘易斯随后也陷入禁药风波。他承认曾在汉城奥运会前被检测出服用了3种违禁药物,但都被美国奥委会网开一面。)

即使一名优异的跑步运动员服用了合成代谢类固醇,也无法与天生的基因优势相比。2009年田径世锦赛上,博尔特以9秒58的成绩刷新了自己保持的世界纪录,而且快了0.11秒之多。

我们在NBA明星“大鲨鱼”奥尼尔的身上也能找到类似的故事。他是当时全联盟中第一个身高7英尺(约2.13米)又兼具力量与敏捷性的球星。他的体型匀称,既不是瘦弱的“竹竿”,也不是笨拙“绿巨人”。如果将他等比例缩小至6英尺高(约1.83米),那么他的体重将在180斤左右。从数据上来说,这也是比较标准的运动员身材。当他持球接近篮筐时,没人可以阻止他得分(有时甚至两个人也挡不住)。在他进入联盟后不久,比赛所用的篮筐都不得不进行加固以防止被他扣坏。此外,因为他所在的湖人队一连斩获三届总冠军,NBA被迫调整规则:为了限制奥尼尔的控场力,NBA允许球员进行区域联防。虽然NBA的反兴奋剂制度一直被众人所诟病,比如直至去年他们才对球员的生长激素进行血液检查,可无论此前的运动员服用过何种禁药,也未曾见到有人能达到奥尼尔这样的运动水准,这就是基因优势的强大之处。

相比而言,通过服用禁药来提升成绩的效果是有限的。天普大学(Temple University)的运动科学教授Mike Israetel估计道,禁药对举重成绩的帮助大约在5%至10%左右。反观卧推的世界纪录:1898年为361磅,1916年为363磅,1953年达到500磅,1967年600磅,1984年667磅,而至2015年已达到730磅!禁药确实能在单次比赛中帮助运动员夺冠,但不足以驱使世界纪录长期不断地提高。在这其中,拥有基因优势的运动员们起到了关键作用。随着举重运动员数量的增加,位于正态分布曲线尾端的“基因特例”也层出不穷,这使得世界纪录不断地被刷新。

整合优势基因

“基因特例”的面纱才刚刚被揭开。运动能力的正态分布现象其实是各种相互独立的影响因素共同作用的结果。从根本上说,正是基因变异或是等位基因的差异致使不同人的身高、肌肉与协调能力出现差异。也就是说,出众的身高其实是许多不寻常的优势基因组合以后的产物,而且很可能是其中某些基因出现了罕见且强大的突变。

基因组学研究者乔治·丘奇整理了一份有助运动的单突变清单,其中包括能使骨头异常坚硬的LRP5变体、有助生长出更多肌肉的MSTN变体,以及与痛觉缺失相关的SCN9A变体。

丘奇还参与完成了近几十年中最伟大的科学突破之一——高效基因编辑工具CRISPR的研发,该项目在医疗上的应用已被批准进入临床试验阶段。如果CRISP的技术进展真能如预期般顺利,那么可能只需几十年我们便能见证“基因人”的诞生。在“基因编辑”这个概念提出不久以后,科学家就在胚胎中将将它付诸实践了。相比之下,对成年人的改造难度更大,但也不无可能。CRISPR的临床试验将于今年启动,它将向成人体内注射病毒载体来编辑现有的细胞。就目前来看,CRISPR及其升级版将在不久的将来“安全、有效”地实现。

由于复杂性状受控于多个基因突变,因此我们猜测:迄今为止,还没有一个人集所有“优势基因突变”于一身,而且一定还有很多人类尚未解锁的技能。整个竞技体育界已然成为了一台“基因特例”的搜索器,可是它的发展历史还不到一个世纪,效率方面仍有很大的提升空间。目前我们采取的方法仅仅是被动等待,等待着这些“优势突变”随机地组合在一起,然后再寄希望这些“基因特例”能够从比赛中脱颖而出。

可如今我们已经进入了一个新纪元:虽然我们还不能够完全配置DNA,但人类已经能通过创造出的工具“武装”自己的基因。随着我们对复杂性状的理解愈加深入,基因工程师们终将能对我们的力量、体型、爆发力、耐力、敏捷性和速度进行修改,甚至连我们进行高强度训练的毅力和动机都能被设定。身高和认知能力的是人类最为复杂的性状,控制它们的变体数量约有1万个左右。方便起见,我们假定这1万个变体中有半数是有益的,那么“集优势变体于一身”的概率约为1/210000(10的101次方量级)。显然,要想靠概率集齐所有的“优势变体”几乎是不可能的,因为当这些突变过于显著时,类似于边际递减效应,就可能因为长得过高、肌肉过于强大等,反而限制了运动能力。不过,若是真有这样的人存在,那他的能力一定会达到前无古人的水平。

换句话说,在完全随机的情况下,“完美组合”的出现需要10的100次方的人口数量做基础,仅凭地球上出现过的1000亿人口还不足以接近人类的极限。

定制运动员?

但在基因工程的帮助下,这一搜索过程应该能大幅度地缩短。毕竟,像鸡、奶牛等畜牧动物的繁殖是一种定向筛选,在数十亿的野生个体中找到需要的那一只并不是件难事。我们也能借鉴这种方法来找到某个体育项目中的“最强者”。此外,CRISPR等直接基因编辑技术不仅能加快搜索过程,还能“生产”出“超级博尔特”和“超级奥尼尔”。

广泛采用基因编辑技术将助力这一搜索过程。如果父母们愿意为孩子选择“优质基因”,那么“优势运动基因变异”的出现频率也会随之增加,进而又会提升人类的平均运动水平,而那些处于正态分布末端的“特例”也将比以前更强大。当标准差保持不变时(比如男性身高的标准差定为3英寸,或者智商的标准差定为15时),人类平均水平的提升将使一个人成为“最强千分之一”(例如,在美国,男性身高达到2米)的概率提升超过10倍。

弗里曼·戴森猜测:人类或将通过基因工程改变自己,使自己对辐射、真空和零重力环境的适应性增强,甚至能从太阳中直接获取能量,为太空探索做好准备。另外,“转基因生物”这一概念或许也将被赋予新的意义。基因的传递或将不再限制在某个特定物种中,而是跨越不同物种,那么新物种的形成也将在所难免。

人类的运动能力可能也会如此发展下去。运动员的自身条件和他们参与的项目会因引入新基因技术而发生改变。若真如此,巨大的争议将在所难免。“定制”运动员是否合理?这是否会将竞技体育与普通人的距离拉远,甚至让普通人丧失对体育的兴趣呢?

来源:文章来源:环球科学  作者:Stephen Hsu  翻译:胡砚泊  编辑:吴非,文章为原文作者独立观点,不代表新营养立场。

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