从某种程度上来说，克隆技术非常简单。克隆的过程只需要三言两语就可以说个大概：科学家（这里说的是21世纪初的科学家）首先需要一个未受精的卵子细胞和一个成熟体细胞，然后将卵子内的遗传物质移除，用成熟体细胞的取而代之。随后，科学家会设法让这个细胞像受精卵一样开始发育。如果一切发展顺利，这个胚胎就会被移植到代孕母亲的子宫里，等待发育成熟并降生。
如此简化的概括不禁令人疑惑：细胞里的遗传物质指的是什么？遗传物质位于何处？所有的成熟体细胞都可以作为克隆材料吗，还是只有某些特定的细胞可以？未受精的卵细胞重编程成熟体细胞的细胞核，让它重新发育又是怎么回事？正常胚胎是怎么发育的？要怎么确定克隆胚胎的发育是正常的呢？
为了回答上述和其他一些问题，这一章将简要地介绍一些与克隆有关的生物学常识，列出一张对理解克隆技术有帮助的材料清单。克隆技术是生物学领域不同分支的集大成者，我们列的这张清单中囊括了许多重要的生物学概念，包括遗传、DNA、细胞和哺乳动物发育学。这些领域的进展为克隆技术的诞生铺就了一条康庄大道。
遗传指的是生物将自身的特征从一代传到下一代的现象。虽然“龙生龙，凤生凤”是人尽皆知的日常现象，但是直到不久前的20世纪，科学家才开始了解遗传背后的原理，对孩子为什么能够继承父亲棱角分明的下巴或母亲棕色的卷发也只能说是略知一二，而对爷爷超强的算术能力和奶奶不靠谱的记忆力如何能够遗传给孙子、孙女仍然一知半解。当前科学对于遗传的理解有赖于对遗传物质的确认：1953年，科学家在确定遗传物质的本质是脱氧核糖核酸（即DNA）的基础上，明确了它的分子结构，遗传学的研究基础就在于此。正如同卵双生子拥有相同的DNA序列，每一项克隆也具有一整组相同的DNA。考虑到DNA的重要性，我们将先对DNA做一些介绍，主要探讨它的分子结构以及核苷酸序列编码蛋白质的方式。
虽然阐明DNA在遗传中所扮演的角色是克隆技术得以实现的关键环节，但是仅仅知道DNA为何物远远不够，重要的是能够明白DNA与细胞之间的联系，即遗传物质如何指导细胞制造维持生命所需的基本物质。地球上最小的生物仅由一个细胞构成，而一个人身上的细胞数量有几十万亿，但几乎毫无例外，构成任何生物的每一个细胞内都含有该物种的整套遗传物质。不仅如此，当细胞发生分裂和增殖时，它的DNA也会在经历一系列精巧的过程之后完成复制和分离。克隆技术中的许多突破，尤其是20世纪90年代多利的出生，正是源于对这些复杂过程的研究，所以，本章还将简要介绍细胞的结构及细胞分裂的过程。
细胞分裂使得一个细胞变成两个，两个变四个，四个变八个……以此类推。无论是普通的受精卵还是克隆获得的未受精细胞，都是通过这种细胞增殖的方式，依次发育为胚胎、胎儿并最终成为新生儿的。有关这部分的内容我们将会在哺乳动物的发育中进行简单介绍，我们的关注点是发育过程中的关键事件和与克隆技术密切相关的不同发育阶段。
孟德尔的花园：遗传因子决定生物性状
孩子与自己的父母不仅相貌相似，而且往往行为相仿，这一点数千年来都没有改变，而确切的解释也一直不得而知。为什么有的孩子更像他们的母亲，有的却更像他们的父亲？为什么有的孩子既不像母亲也不像父亲？关于孩子到底像谁的问题从人类出现伊始就困扰着所有人，而与他们的职业是否为科学家不沾边。
亚里士多德通过长期观察提出了一种遗传理论：孩子们经常同时具有母亲和父亲的特征，只是程度各有不同，这暗示父母双方在生育过程中可能都为遗传贡献了某种物质。在今天看来，亚里士多德的理论略显粗糙和表浅，但在当时可以说是石破天惊：18世纪前的主流观点认为，男人才是繁衍后代的唯一源头，而女人不过是在这个过程中充当孵化器而已。此外，亚里士多德还注意到，一些后天获得的性状——士兵在战斗中失去的手臂，不会遗传给后代。通过上述种种观察和总结，亚里士多德提出了他的遗传理论，他认为从父母到孩子的遗传过程有赖于某种非物质性的信息传递。随着古罗马帝国的...
虽然17世纪和18世纪涌现出许多与遗传学有关的重要研究成果，不过我们还是要把时间直接跳转到19世纪，概述格雷戈尔·孟德尔（Gregor Mendel）和他的研究工作。孟德尔在当时是一名生活在奥地利布隆城（现名布尔诺，位于捷克境内）的修道士，他是第一个用定量的方法研究遗传学的人，也由此彻底改变了这门学科本身。“定量”也可以说是“计数”（counting），正是这个看起来微不足道的新元素，令抽象的遗传学化腐朽为神奇。亚里士多德曾经总结说，父母双方对孩子的遗传都有贡献，这个结论来自他的定性观察，因为他看到孩子们有的更像母亲，有的更像父亲。和亚里士多德不同，孟德尔的研究对象是豌豆而不是人类，他可以逐个计数有多少株豌豆植株开白花，又有多少株开紫花。精确的数字给了孟德尔一把打开遗传密码的钥匙。
孟德尔的实验过程充分体现了他的聪明、勤勉和严谨，他决定以豌豆为实验对象就是他所做的众多明智的选择之一。有许多原因让豌豆成为遗传学研究的理想对象。优势之一是豌豆具有许多肉眼可见而又区分度明显的性状。例如，植株之间有明显的开白花和开紫花之别，豌豆种子的外皮有明显的光滑和皱褶之分，仅就这两点，足以让孟德尔在开展研究的时候找到区分依据。
另外，不同性状的豌豆植株都是纯种的，纯种的意思是指不管经历多少代繁殖，豌豆的性状都保持不变。这就意味着，如果孟德尔种下一片开紫花的豌豆，任由它们生长繁衍，由于豌豆是严格的自花授粉植物(1)，所有这片地上的豌豆后代都会一直开紫花。打破自花授粉循环的方法是对豌豆进行人工授粉。对于自然条件下严格自花授粉的豌豆而言，人工授粉成了孟德尔实验的关键步骤。纯种的紫花植株与纯种的白花植株通过人工授粉完成杂交，孟德尔要做的就是记录杂交后代的性状和数量。
为了便于理解孟德尔的实验及它的关键点，我们把情景简化到探讨一株紫花豌豆和一株白花豌豆杂交的情况。按照当时的主流观点，即“融合遗传理论”，杂交后代开花的颜色应当介于紫色和白色之间。但孟德尔发现，两种花色植株杂交的后代开的花全部都是紫色（见图2-1）。不仅是花色，孟德尔在许多其他的实验中也得出了同样的结果：比如在种子颜色的实验中发现，黄色豌豆和绿色豌豆杂交获得的后代所结的豌豆颜色都是黄色。
图2-1 白花豌豆与紫花豌豆的杂交结果
当时的主流观点认为，所有的豌豆后代都应当获得介于双亲之间的遗传性状，但孟德尔观察到杂交后代开的都是紫花，并认为紫色是两种花色中的显性性状。
杂交获得的第一代豌豆与主流观点产生了严重的偏差（孟德尔把杂交后代中一种性状盖过另一种性状的现象形容为“显性”）。虽然这已经是惊人的突破了，但孟德尔没有在完成第一代的实验之后就停手，他让杂交的第一代后代自交后继续观察第二代豌豆的性状。在研究花色的实验里，孟德尔发现，当杂交获得的第一代紫花植株自交后，第二代豌豆大部分开出了紫花，但是有一小部分植株却开出了白花。也就是说，第一代杂交的紫花豌豆其实并不是纯种的。其他的性状，如黄色表皮和绿色表皮，还有圆滑表皮和皱褶表皮，也都表现出同样的遗传特征。第一代杂交豌豆中只有亲本性状中的显性性状，而孟德尔在第二代植株中却再次观察到了亲本双方的性状。只不过相对而言，显性性状比另一种孟德尔称之为“隐性”的性状在数量上要多得多。从这里开始，孟德尔量化研究的真正价值才得以体现。换作别的科学家，即使看到了同样的结果也未必会有什么惊人的发现，而孟德尔通过计数发现了一个规律：他经手的每一个实验，显性性状和隐性性状的数量比例都大致接近3:1。
孟德尔进一步推进他的研究，希望弄清第二代植株性状遗传的规律。他发现第二代中的隐性性状（如白色）是能够稳定遗传的纯种性状，而紫色花色则显得没有那么稳定。有些紫花植株是纯种的，而另一些紫花植株的后代里既有开白花的植株，也有开紫花的植株。经过细致的统计和计算，孟德尔确定他在第二代豌豆中观察到的比例3:1，其实际的比例应当是1:2:1。换句话说就是，花色杂交的第二代豌豆中，25%的植株是纯种紫花，50%的植株是非纯种紫花，还有剩下的25%则开的是纯种的白花。
基于这些发现，孟德尔提出了遗传的理论模型，现代遗传学也不过是以他的理论为基础发展而来的。孟德尔认为亲本并非将生理性状直接传递给后代，代际之间传递的实际上是编码性状的非连续性信息。孟德尔把这种信息命名为“遗传因子”（factors），他认为每个生物个体的某个性状由一对遗传因子决定，分别来自父母双方。当两个遗传因子不同时，只有显性的那个会被表现出来，而隐性性状会被掩盖。孟德尔认为遗传因子的显隐性与来自父亲还是母亲没有关系，因为同一个遗传因子在父亲和母亲体内完全相同，功能也一样。遗传因子不会被“污染”，即使某个隐性遗传因子在生物体内连续几代都没有表现出来，它也不会发生改变。只要时机合适，它依旧会在之后的某一代生物体中表现出来。孟德尔还从他完成的另一项更复杂的实验里得出了进一步的结论：控制不同性状的遗传因子是相互独立的。也就是说，控制豌豆花色的遗传因子在遗传时，与控制种子形状和植株高度的遗传因子不会相互影响。
孟德尔的研究和结论都算得上遗传学的开天辟地之作，然而如此重要的研究成果却发表在了一本名不见经传的杂志上，在长达35年的时间内蒙尘。1900年，孟德尔的工作被重新发掘，迅速传遍了整个遗传学界。孟德尔对细胞内部的运作没有概念，对他自己提出的遗传因子究竟为何物也一无所知，能在这种情况下提出遗传理论实在是难能可贵。
今天，科学家把控制性状遗传的这些遗传因子称为基因。我们已经知道基因是一段控制特定蛋白质合成的DNA片段。我们还知道，基因存在于染色体上，而染色体位于卵子和精子细胞内，在生殖过程中由它们将父母的遗传信息传递给下一代，而当年修道院里的孟德尔对这一切都丝毫未有过耳闻。
孟德尔的模型对理解遗传十分有用，不过也有某些人类的性状受到多对基因的协同控制，这类性状的遗传方式比单对基因控制的性状更复杂一些。举例来说，人类的身高和智力并不是由一对，而是由成百上千对基因控制的。尽管如此，简单的孟德尔遗传模型在对许多情形的解释中依旧游刃有余，例如囊性纤维化（cystic fibrosis），这种由隐性基因导致的遗传病在高加索人的新生儿中发病率大概为1/3 000~1/2 000。美国人口中囊性纤维化基因的携带人数大约在800万，根据孟德尔的遗传理论，当夫妻双方同为携带者时，他们所生的孩子有1/4的概率罹患囊性纤维化。亨廷顿舞蹈病（Huntington's disease）是另一种符合孟德尔遗传理论的遗传病，但是与囊性纤维化不同，控制亨廷顿舞蹈病的是一个显性基因，因此，无论父母双方谁带有致病基因，只要传给后代就会让后代患上亨廷顿舞蹈病（就像孟德尔花园里的紫花豌豆那样）。亨廷顿舞蹈病患者的后代中大概有一半的人携带致病基因并最终发病，这与孟德尔的理论相符。
孟德尔的遗传理论，尤其是对于在代际之间携带遗传信息的遗传因子的假设，激发了人们搜寻这种因子的热情，而这份热情与克隆技术的最终诞生密切相关。沿着克隆技术发展的脚步，下一步我们将跳跃到DNA，这种孟德尔坚称存在的遗传物质，直至他本人去世都没有掀开自己神秘的面纱。
寻觅遗传因子：染色体是遗传信息的载体
与孟德尔同期出现的显微镜技术，让科学家得以窥见细胞的内部结构。我们在本书的后续内容中将深入介绍细胞的内部结构，但是在这里，我们不得不提到科学家们从19世纪末开始观察的其中一个细胞——染色体：位于细胞中央的长条螺旋结构。没用多少时间，科学家们就意识到，这种结构与孟德尔提到的遗传因子存在诸多共同点。
第一个意识到两者之间的联系的人，是1902年在哥伦比亚大学就读的研究生沃尔特·萨顿（Walter Sutton）。他在研究蝗虫细胞的时候发现，蝗虫全身细胞中的染色体都是成对存在的，只有卵细胞和精细胞例外。沃尔特还注意到，在减数分裂（卵子和精子形成的分裂过程）的过程中，成对的染色体会先配对排列，然后被分配到不同的子细胞里。这种配对和分离的行为与孟德尔的理论不谋而合。想象一下，如果每一条染色体携带成对遗传因子中的一个，染色体的分离就可以解释为什么非纯种的紫花豌豆可以同时繁衍出开紫花和开白花的后代了。
另一位维尔茨堡大学的教授西奥多·博韦里（Theodor Boveri），也通过自己的独立研究提出了相同的观点，他们的理论被学界称为博韦里–萨顿染色体遗传学说。这个学说在当时充满争议，它回答的问题和它带来的问题一样多，有关遗传因子的争论完全没有因为这个新理论的提出而有丝毫消停的迹象。但是随着时间的推移，接受这个理论的人越来越多，尤其在科学家发现生物的性别也由染色体决定之后。某些性状与生物的性别严格相关，这些性状只能从双亲的其中一方遗传获得，染色体学说开始深入人心（见图2-2）。
