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延续生命的神秘力量地球——我们的家园，郁郁葱葱，生机盎然。她养育了我们人类以及所有的生命。现在我们知道，生命源于40亿年前，现在的每一个生命都是她的后代。绝大多数动物的寿命不到100年，很少超过200年。某些植物的寿命较长，例如北美洲发现了千年红杉，但其寿限同漫漫的生命长河相比仍然微不足道。生命个体无法摆脱死亡，但总有一些个体顺利培育出了下一代，继续着生命的传奇。那么，是什么东西使生命的火种燃烧了数亿年而不熄灭？是什么力量使无数从微小到强大的生命物种延续着自己？自然界最神奇、最动人、最复杂而又最能说明生命现象的又是什么？首先，让我们穿过神秘的时间隧道，看看远古的人们是怎样看待生命现象和遗传现象的。当人类完成了从猿到人的转变时，不仅学会了制造工具、捕获猎物、开荒种田的生存本领，也学会了思考。当他们躺在暖洋洋的阳光下，观察眼前的大自然时，逐渐发现一个现象：大象、猴子、骆驼，还有人类，都能生产和自己相似的东西。这种将“老东西”身上的特征传到“小东西”身上的现象，大概是自然界存在的某种普遍现象吧！当时的人们可能会这样嘀咕着。可是，人们有时对某些现象又感到奇怪，“小东西”并不都像“老东西”。他们看到土壤里有蚯蚓，以为蚯蚓是土壤的后代；看到盔甲里藏着跳蚤，以为跳蚤是盔甲的后代；对马是怎么怀孕的也不清楚，以为马被风吹后，肚子里就长出了小马驹。他们甚至连自己是怎么来的都不知道。女人生了孩子，也不知道孩子是怎么来的。看到这里，你可能会捧腹大笑，笑古人无知。在远古时代，人类知识水平确实很低，他们不知道什么是生物，什么是非生物，因此更谈不上正确地解释生命传递现象了。认识需要一个过程。人们在长期的观察和实践中，发现一件事与其他的事情同时发生，或者没有它就没有后续事件的存在，才慢慢明白两者之间是有关系的。经过无数的观察和实践，人类终于认识到了遗传这种生命的特有现象。“龙生龙，凤生凤，老鼠的儿子会打洞”，这种后代在身体特征和生活方式等方面与其父辈之间相似的现象，就是遗传现象。微生物有遗传，植物有遗传，低等动物有遗传，高等动物也有遗传，遗传是存在于自然界的一种普遍现象。无论哪种生物，低等的还是高等的，简单的还是复杂的，在亲代与子代之间不但传递着生命，还保持了最大限度的相似性。人的后代依然是人，豌豆的后代依然是豌豆；孩子的容貌像父母，开白花的豌豆依旧开白花。这种相似性的传递就叫做遗传。可以说，没有遗传就没有生命，就没有物种的延续。与遗传现象密切相关的是变异。父母与子女之间、兄弟姐妹之间在相貌等方面总有一些不同。例如，父亲是双眼皮，而女儿却是单眼皮。这种子代与亲代之间在外貌特征和生理状况等方面存在的差异，就是变异。变异在生命历程中也发挥着重要的作用。生命存在于地球的历史很漫长，各种能使生命体更好存活下来的变异一点点累积，生命世界才能够像现在这样丰富多彩。遗传和变异都有一定的物质基础，而这种物质基础到底是什么呢？如果在100多年前，你向科学家提出这个问题，他们还不能给你一个满意的答案，而一个世纪后的今天，人们不但搞清了遗传和变异现象的幕后操纵者，而且可以在一定程度上操纵它了。孟德尔的发现大家都看过《侏罗纪公园》吧？这部在当时就轰动一时的美国科幻影片，描写了一位百万富翁得到了一个奇妙的琥珀，里面包裹着吸了恐龙血的蚊子。他雇佣了一批科学家，从保存完好的蚊子身上提取了恐龙的血细胞，并把它移植到鳄鱼卵中，由此孕育出了活恐龙。于是出现了复活了的恐龙，那就是“侏罗纪公园”，于是有了富翁的小孙女在公园的历险……看完影片，人们不由得十分好奇，灭绝已久的恐龙能够复活吗？或者这仅仅是异想天开？或者科技发展到今天，让恐龙复活已经不是什么难题？当我们了解了基因的秘密，这一切都会水落石出的。可是，我们的先人们为了寻找这些答案，却走了不少弯路，也付出了艰苦的努力。人类开始认识基因仅仅是100多年前的事，透彻地了解基因则仅仅有几十年的历史，然而今天我们的生活却因此发生着重大的变化。“基因”已经成了当代最热门的科学词语之一，无论熟悉还是不熟悉这一领域的人，都会津津乐道地谈论起这个话题。那么，让我们回顾一下基因以及整个遗传学一百多年来的历史。说起来有趣，第一个从事基因研究的人只是一个默默无闻的修道士。他的名字叫做孟德尔。孟德尔生前在寂寞的修道院后院里，用了整整8年的时间，观察着豌豆的花开花落，从这些人们司空见惯的自然现象中，发现了伟大的真理。日，孟德尔出生在奥地利的一个贫寒的农民家庭里，父亲和母亲都是园丁。孟德尔受到父母的熏陶，从小很喜爱植物。1843年，年方21岁的孟德尔进了修道院，以后曾在附近的高级中学任自然课教师，后来又到维也纳大学深造，受到相当系统和严格的科学教育和训练，为后来的科学实践打下了坚实的基础。孟德尔是一位沉默寡言的人。宽阔的额头下，架着一副金丝边眼镜，经常抿着下唇，对人总是和蔼地微笑着，人们非常喜欢接近他。他经常躲在房间里读书，读的是一些有关数学和自然科学方面的著作。孟德尔不在乎修道院的孤寂生活，年复一年，日复一日，过着刻板的日子。每天做完宗教的功课后，孟德尔就独自来到后院，种满了各种各样的植物的小花圃是他的乐园。他一有时间就沉醉在五颜六色的植物世界中。孟德尔在花圃的花草和树木间开辟了一小块菜地，从1856年就开始了一项科学实验，专门研究如何获得优良品种。在花圃的菜地上，他栽种了一些不同品种的豌豆。有的是高茎的，有的是矮茎的；有的开红色的花朵，有的开白花。此外，有的豌豆种子是圆粒，有的是皱粒；有的豆荚饱满，有的不饱满；未成熟的豆荚有的是绿色，有的则是黄色等等。他选择了7种不同性状的豌豆来进行观察。之所以要选择豌豆作为观察对象，其中可是大有讲究的。因为豌豆是严格自花授粉的作物，而且是闭花援粉，所以能防止蝴蝶和蜜蜂等虫媒帮助异花授粉所带来的干扰，保持纯洁性，不会形成杂交种。豌豆的不同性状，都有稳定的遗传特性。如开红花的豌豆，它的子孙后代也同样开红花；开白花的豌豆，后代也是开白花。在实验中，每次可以只观察一种性状的变化。比如，观察红花与白花这一对性状的遗传时，暂时不管什么高茎矮茎或者圆粒皱粒等其他的性状。在弄清楚一对性状遗传规律的基础上，再去研究两对或三对的遗传规律。孟德尔设计了一个实验：在红花豌豆自花授粉还没有进行时，抢先一步人为地把花药切去，然后将白花豌豆的花粉涂在红花豌豆的柱头上，再用一个合适的袋子罩在花朵上。并扎紧袋口，这样既消除了自花授粉的可能，又能防止其他花粉进入。用类似的方法，孟德尔将具有各种相对性状的植株进行杂交，这样结出的种子为杂交种。统计方法的应用，是孟德尔实验比较重要的一点。他在观察后代性状表现的同时，还统计各类个体的数目，得出它们之间的比例。此外，他还对父辈、子辈、孙辈等等以后的各代的性状，都记载下了它们的“家谱”，便于了解父代与子代之间的遗传规律。运用这样的实验方法需要极大的耐心和严谨的态度。他酷爱自己的研究工作，经常指着豌豆向前来参观的客人十分自豪地说：“这些都是我的儿女！”孟德尔对豌豆的观察，从不间断地进行了整整8年。他发现，开红花的豌豆与开白花的豌豆之间进行相互杂交，子辈开的全部是红花，没有一株开白花。为了进一步找出这些成对性状之间的关系，孟德尔做了更为细致的实验，他再将开红花的子辈进行自交，在孙辈中，有705株开红花，224株开白花，两者比例为3：1.说明开白花的性状虽然在第一代没有表现出来，但是并没有消失，而是隐藏起来，在第二代豌豆中又表现出来了。这些现象促使孟德尔思考。原来，开红花和开白花是对相对性状，开红花是一种更“厉害”的性状，白花一碰到红花的性状，就“隐身”了，所以开红花的性状是。“显性性状”，开白花的性状是“隐性性状”。在孙辈中，既表现出显性状，也表现出隐性性状。他将这种现象称为“性状分离”。除了红花与白花一对不同的性状外，在其他性状中，如高茎与矮茎、圆粒与皱粒笔7种不同的性状时，都出现了如开红花、白花一样的结果，而且孙辈间不同性状的比例，都为3：1.这样，孟德尔发现了生物体内存在的控制生物性状的东西，他称之为“遗传因子”（现在称为“基因”）。开红花的豌豆有开红花的因子，开白花的豌豆有开白花的因子。他还用其他实验方法，验证了自己的结论。除了发现分离规律外，孟德尔还发现了其他一些规律，如自由组合规律，即豌豆不同对的性状，可以在下一代中自由组合。起初，孟德尔豌豆实验并不是有意为探索遗传规律而进行的，只是在试验的过程中，他逐步把重点转向了探索遗传规律。孟德尔开始进行豌豆实验时，达尔文进化论刚刚问世。他仔细研读了达尔文的著作，从中吸收了丰富的营养。保存至今的孟德尔遗物之中，就有好几本达尔文的著作，上面还留着孟德尔的手批，足见他对达尔文及其著作的关注。除了豌豆以外，孟德尔还对其他植物作了大量的类似研究，其中包括玉米、紫罗兰和紫茉莉等，以期证明他发现的遗传规律对于多数植物都是适用的。1865年，孟德尔在布吕恩自然科学研究协会的年会上，宣读了题为《植物杂交试验》的论文。但是他的研究远远超过了那个时代科学发展的水平，所以没有引起别人的注意。尽管论文发表了，而且还赠送给了欧美约120个图书馆，但这篇论文还是从许多科学家的眼皮之下跳，谁也没有看出它的科学价值。直到孟德尔离开人世的1884年，他的论文仍无人问津。孟德尔坚信自己发现的价值，他曾说过这样一句话：“我的时代会到来的。”是的，是金子总会发光的。1884年，孟德尔去世了。生前的孤独，并没有掩盖他身后的辉煌。直到他离开人间35年后，一些遗传学家分别得出与孟德尔相似的规律。他曾经被遗忘的名字，才被重新提起。1900年，三位互不相识的异国科学家同时公布了自己多年来进行豌豆杂交实验的结果，他们分别公布的结果却是完全一致的，这真是科学史上一次最奇妙的巧合。这三位科学家分别是荷兰的德·弗里斯、德国的科伦斯和奥地利的切尔马克。当这三位科学家在自己的国度里整理试验数据时，都抑制不住内心的激动，因为结果和数据太完美了，他们都以为自己首次发现了生物的遗传规律。当他们在图书馆里寻查有关资料时，三位科学家又不约而同的在布满尘埃的书架上看到了孟德尔的《植物杂交试验》论文。当他们仔细地看完了这篇早已问世的论文后，发现自己只不过是对孟德尔的结论做了证实而已。这时，人们方知，孟德尔是一位超越时代的伟大科学家，孟德尔才是遗传学的真正奠基人。发现染色体20世纪初，人们重新发现孟德尔遗传规律后，打开了一个沉闷局面，遗传研究领域内掀起了研究基因的热潮。科学家们开始各显神通，进行各种各样的研究。有的顺着孟德尔思路继续着植物杂交实验，试图找到更多的、有规律性的东西；有的则试图寻找遗传因子的藏身之处。这一时期，人们有很多重要发现：比如孟德尔所说的遗传因子躲在哪里，就已经被发现了。孟德尔的学说与20世纪初就已经建立起来的细胞学说，攀上了亲家，依托细胞学的成就，生物学的研究出现了新的飞跃。这一切，都得从罗伯特·胡克说起。在孟德尔发现遗传规律200年之前，英国医生罗伯特·胡克发现了细胞。1665年胡克用自己设计、制造的显微镜观察软木薄片时，发现它是由许多极小的“房间”连接而成的。他把软木薄片上的“小房间”叫做“细胞”。这位医生在观察软木薄片和提出“细胞”这个词的时候，根本没有想到他的发现会把生物学家引导到生物组织的一个更基本的水平上。在这个水平上，所有的生物结构都可以归纳到一个共同的起源。在这以后的150年中，生物学家逐渐明白了所有生物都是由细胞构成的，每个细胞都是一个独立的生命单位。有些生物只由一个细胞构成，较大的生物体则是由许多相互合作的细胞组成的。到了1838年和1839年，德国的施莱登和施旺分别指出“一切生物机体都是由细胞构成的”以后，对细胞的研究才掀起了高潮。组成生物的基本单位是细胞，那么遗传因子如果存在，就应该存在于细胞中。人们已经知道，体形大的生物体的细胞并不比体形小的生物体的细胞大，只不过大生物体的细胞数目比小生物体的多罢了。典型的植物细胞或者动物细胞的直径约5～40微米，而人的眼睛只能分辨出直径在100微米以上的东西，因此人的眼睛一般看不到细胞，它们只有在显微镜下才能被人们发现。通过显微镜观察，人们发现，细胞内部有一个区域的物质比周围的物质要致密，好像被周围物质包裹的“核心”一样，于是就称之为“细胞核”。如果把一个单细胞生物人为地分成两半，使其中一半含有完整的细胞核，另一半不含核，那么有核的一半就能分裂、生长，另一半则不能。这样，人们就认识到，细胞核在细胞分裂中是非常重要的。细胞可以通过“分身术”由一个变成两个，由两个变成四个。而细胞核在细胞分裂中是如何变化的呢？在很长一段时间内，这成了国际性的难题，因为细胞几乎是透明的，在显微镜下也看不清楚里边有什么。后来发现，有些染料能把细胞的某些部分染上色，而其他部分却染不上。这样情况开始好转了。例如，有一种从苏木中提取到的苏木精，就能使细胞核染成黑色，使它在整个细胞中变得十分清晰。细胞在快要分裂的时候，通过染色，可以在显微镜下观察到细胞核内短棒状的物质。这种物质可被碱性染料着色，被命名为染色体。后来的研究表明，这种物质只在特定的分裂时期出现，当它为浓缩的短棒状形态，即为染色体时，在显微镜下清晰可见；而在其他不太明显可见的时期，这部分物质像丝一般分布着，称为染色质。细胞在进入分裂的时候，细胞核中被染色的物质本来是纤细如丝的，随着细胞分裂的发展，这种如丝的染色物质能逐渐变粗、变短，这种变粗、变短的染色物质就是染色体。实际上：染色质丝相当于一个又长又细的“钢丝”，而染色体就好比是这种“钢丝”缠绕和压缩成的“弹簧”。有趣的是，在分裂期，细胞好像知道要分家了，染色体数目会增加1倍，然后均等地分配到两个细胞中去，相当于一家分一半，两个儿子细胞分到相同的“财产”。如果细胞中有遗传因子，那么遗传因子应该能从上代传到下代。既然染色体能够从上代传到下代，那么遗传因子会不会就藏身在染色体中呢？自从罗伯特·胡克发现了细胞，经过一个半世纪的漫漫长夜后，终于由弗莱明发现了细胞产生细胞的分裂过程。当1900年孟德尔的结论被重新发现后，细胞学家又激动起来了，他们提出：“莫非染色体就是基因？”1903年，美国科学家萨顿等人发现，体细胞的染色体总是成对存在的，而每一个生殖细胞，无论是精细胞，还是卵细胞，只具有每一对染色体中的一个。根据这一发现，萨顿认为，染色体可能和遗传有关，遗传因子可能存在于染色体上。于是，他提出了染色体是遗传物质载体的假设。可是遗传特征是多种多样的，而染色体的数目很少，如豌豆只有7对，人也只有23对，那么怎么解释不同的人有不同的长相、身材、性格呢？萨顿大胆猜测，每条染色体上一定带有多个遗传因子。于是一种“染色体的遗传理论”由萨顿和德国的布维里两人同时提出。这是科学家们第一次把遗传因子与染色体联系在一起。这时，大名鼎鼎的美国遗传学家摩尔根重复了孟德尔的实验，并且以果蝇为实验对象，进行了大量的杂交实验，从而进一步证实并发展了孟德尔理论。摩尔根的发现只要稍加注意，就会很容易发现，在腐烂的苹果周围，经常有一些芝麻粒大小的像苍蝇形状的小虫飞来飞去，这就是果蝇。虽然，很少有人留心它们的存在，可是你知道吗，这些长着红眼睛或白眼睛的果蝇却和摩尔根的成就息息相关，使他成为基因实验研究事业的开创者。作为遗传学先驱的摩尔根是20世纪最著名的美国科学家之一。说来也巧，就在遗传学之父孟德尔发表其研究成果的第二年，也就是1866年，摩尔根出生了，这似乎预示着摩尔根将成为继孟德尔之后的又一位遗传学巨人。和孟德尔不同的是，摩尔根出身名门，其父曾担任美国驻外领事，叔叔是美国联邦军的将军，母亲的祖父是美国国歌的作者。摩尔根从小喜欢在乡村和山区游玩，对五彩缤纷的大自然感到好奇。他经常自己制作动植物标本，还收集了不少化石。看来摩尔根生来就有与动植物打交道的天性，这或许也是他后来致力于该领域的研究并取得巨大成就的原因之一。1886年摩尔根进入霍普金斯大学研究自然史并攻读博士学位。在导师布鲁克斯的指导下，摩尔根主要从事动物形态学方面的研究。布鲁克斯虽然是一位生物形态学教师，但他深知生物学内各分支学科之间的相互关系，并向摩尔根指出遗传学上还存在着大量有待研究的问题，这对摩尔根后来从事遗传学研究产生了重要影响。1890年摩尔根以优异的成绩获得博士学位，并发表了论文《论海蜘蛛》。之后，摩尔根任布莱恩莫尔学院动物学教授，其间对他改革生物学研究方法，由传统的描述法转向实验法产生了深刻影响。1904年，摩尔根开始担任哥伦比亚大学实验动物学教授，并利用休假时间到斯坦福大学研究遗传学和胚胎学。1928年，他应聘到加利福尼亚理工学院筹建生物系。在那里他建立了一个现代化的生物系，此后一直留在加州理工学院任教直至逝世。摩尔根喜欢追求真理，最初他不太相信孟德尔的遗传理论，对染色体学说也持怀疑态度，认为缺少实验证据。当时他对孟德尔的假说是这样评价的：“在流行的孟德尔理论解释中，性状一下子变为基因，一个因子解释不了的现象，就添上一个变为两个因子，再不够又添一个变为三个因子。这种对于简单模式的过分推崇是会失去获取正确理解的机会的。他一直琢磨着自己动手设计一个实验，看看生物遗传与染色体到底有什么关系，基因又是怎么回事。用什么生物作研究材料呢？这是个关键问题。材料选对了，就等于实验成功了一半。腐烂水果周围嗡嗡飞舞的果蝇吸引了他的注意力”。摩尔根为什么选择果蝇作为实验材料呢？因为果蝇个体小，比较容易在实验室内培养；繁殖速度快，在短时间内就可以得到许多后代（果蝇从出生到性成熟只需10天时间，一年可繁殖30代）；果蝇的体细胞的细胞核中只有8条染色体，数目少，这使得果蝇的遗传特征易于观察，是研究遗传规律的理想材料。1910年4月的一天，摩尔根在培养瓶中，发现了一只罕见的白眼睛雄性果蝇。一般果蝇的眼睛是红色的，这只白眼果蝇引起了摩尔根的好奇。他立即决定，用这只白眼雄性果蝇与另外一只没有交配过的红眼雌果蝇进行交配，结果子代的果蝇都是红眼睛。但是，将第二代红眼果蝇相互间进行交配，孵育出的第三代果蝇，有的是红眼睛，有的是白眼睛。奇怪的是，第三代白眼睛果蝇全是雄性，红眼睛的果蝇中则既有雄性，也有雌性。摩尔根将第三代白眼睛雄性果蝇与红眼雌性果蝇交配，结果第四代果蝇白眼与红眼的比例各占一半，而且无论是红眼或白眼果蝇，雄性与雌性各占一半。这些现象给摩尔根极大的启示。看来，红眼睛或白眼睛这种遗传性状，与性别有密切关系。他认为，果蝇细胞核内的4对染色体中，有一对与性别有关，他将这一对称为“性染色体”。雌蝇的性染色体是两条棒状的，称为XX；而雄蝇的性染色体称为：XY，其中只有一条是棒状的。既然白眼睛性状与性别有关，那么控制白眼睛性状的基因，一定与X性染色体之间有某种内在的联系。由此，摩尔根相信，X染色体上携带着许多相互分离的基因。他和他的同事们还认为，基因呈直线排列，每个基因在染色体上有它的具体位置，并且可以绘出一张基因图。1915年，摩尔根和他的同事及学生们出版了一部划时代的著作《孟德尔式遗传学机制》。年，他担任了美国科学院的主席。由于他发现了果蝇的遗传机制，1933年荣获诺贝尔生理学和医学奖。有谁能想到，小小的果蝇竟然具有如此重要的科研价值。核酸的发现孟德尔和摩尔根的工作使人们对生物的遗传有了初步的认识，但人们还是没有搞清基因到底是什么。染色体的发现和它在细胞分裂时的表现，使人们相信染色体就是遗传因子的载体，那么染色体的化学组成又是什么呢？后来人们发现，染色体中的遗传物质是一种叫做“核酸”的东西。核酸发现于细胞核内，它具有较强的酸性，故而得名。核酸的发现与观察脓液是分不开的。发现核酸的是瑞士青年米舍尔。这位青年在他的叔叔、当时颇负盛名的医生落斯的熏陶下，早就立志要从化学基础上解决组织发育的根本问题。为此，米舍尔孤身一人远离家乡到德国杜宾根大学拜师学艺，师从生物化学家塞勒，专攻细胞的化学组成成分。要进行这项研究，米歇尔必须拥有相当数量的细胞作为实验材料。他知道，外伤病人的脓血实际上包含着为保卫人体而“英勇牺牲”的白细胞的尸体。为了少花钱多办事，他到附近外科诊所的垃圾堆里，捡来满是脓液的绷带。绷带上面粘满污血和脓液，发出一股股又腥又臭的气味。人们只要经过这里，都要用手掩着鼻子，匆匆而过。捡来绷带后，米舍尔用盐水洗下脓液，此时脓液中的细胞集结成团并膨胀成明胶状，细胞的完整性被破坏了。而用硫酸钠稀溶液冲洗绷带，得到的脓液中，细胞依然完好并很快下沉与脓液中的其他成分分开。就这样，米舍尔得到了很多白血球细胞。这些与众不同的细胞里含有一些什么物质呢？他先把细胞核分离，看一看细胞核里究竟有些什么物质。当时，人们已经发现细胞中含有许多蛋白质。所以，米舍尔首先考虑，细胞核中的主要物质是不是也是蛋白质呢？要证明某类物质是否是蛋白质的办法只有一个，就是用蛋白酶去分解。蛋白酶像一把把切肉的“微型小刀”，专门切割蛋白质。如果能够被蛋白酶分解，那一定就是蛋白质了。米舍尔将蛋白酶加入到提取的细胞核物质中，等待细胞物质的消失。结果发现，这些蛋白酶对细胞核物质束手无策。这说明，细胞核里主要成分不是蛋白质。进一步研究发现，细胞核里充满了磷和氮的复合物。这种物质引起了米歇尔的兴趣，因为这种物质从未有过报道。他断定这一定是一种尚未被人们发现的新物质，所以他格外重视。他的导师也自己亲手做实验，证明米舍尔确实发现了新物质。由于这种物质来自于细胞核，人们就暂称它为“核质”。后来证明，米舍尔发现的实际上是由核酸和蛋白质组成的核蛋白。1889年，另一位生物化学家阿尔特曼制得不含蛋白质的核酸，第一次提出“核酸”这个名称。格里菲斯之谜核酸分为两种。主要存在于细胞核内的，称为脱氧核糖核酸，简称DNA；另外一种主要存在于细胞核外，化学结构略有不同，称为核糖核酸，简称RNA。由于DNA存在于细胞核中，人们当然把目光主要集中于DNA上。它们很可能与遗传基因有关。但是，生命的性状和各种现象是如此的丰富多彩和千变万化，相对而言，核酸的分只有4种，结构也比较简单，与其说它可能是遗传物质，还不如说结构复杂得多的蛋白质，才更可能控制复杂的生长发育以及决定生命的各种现象，DNA的作用，到了20世纪中叶，人们才开始重新加以注意。我们先来看看一个非常有趣的细菌实验。一些已经死去的毒力很强的细菌，与一些仍然活着的无毒细菌放在一起进行培养，结果，无毒菌的后代却变成了有毒的细菌。这是为什么呢？在微生物学上，它一度被称为“格里菲斯之谜”。格里菲斯是一个经常与细菌和小白鼠打交道的美国生物学家。小白鼠是生物实验中常用的实验动物。虽然它们也是一种老鼠，但是红红的小眼睛和雪白的皮毛，非常让人喜爱。格里菲斯经常将一些细菌注射到小白鼠的体内，看小白鼠有什么反应，以便对细菌的性质做出分析和判断。肺炎球菌，顾名思义，是能够引起肺炎的细菌。科学家们发现，自然界中存在有两种肺炎球菌。在显微镜下可以分辨出，一种菌落光滑，一种菌落粗糙。别小看这种微不足道的差别，它们的性质差别可不小。光滑的毒性很强，可以使小白鼠生病死亡；粗糙的没有毒性，不会使小白鼠生病。格里菲斯用高温将有毒性的光滑菌杀死后，注射到老鼠体内，结果老鼠平安无事。可是，当他把被杀死的光滑菌与活的粗糙菌混在一起，再注射到老鼠体内时，奇怪的事情发生了：可怜的老鼠死了。单独注射已被杀死的有毒菌或活的无毒菌，都对老鼠没什么危害，为什么两个混到一块后就可以杀死老鼠呢？难道死菌又复活了吗？死菌复活是不可能的。这一现象引起了格里菲斯的高度重视。格里菲斯又进一步做了体外实验，把有毒菌的“尸体”和无毒菌放在一起培养，结果发现，无毒菌的许多后代，已转化成有毒菌了！这说明，光滑型有毒细菌中有一种物质可以进入粗糙型细菌，从而使粗糙型细菌发生变异，获得了致病性。但到底是什么物质呢？死菌在小白鼠体内重新复活，成了一个谜。1944年，也就是“格里菲斯之谜”产生后16年，原籍加拿大的美国细菌学家埃弗里重复了格里菲斯的试验，他决心搞清楚无毒菌转化成有毒菌的物质到底是什么，并设计了新的实验，从而彻底解开了“死菌复活的秘密”。他将光滑型细菌的各成分加以分离，分别提取出核酸、蛋白质及多糖物质，再分别和粗糙型细菌混合一起培养，然后分别给小白鼠进行注射。结果发现蛋白质不能使无毒菌转化成有毒菌，多糖物质也没这个本事，只有核酸例外，它能使一部分无毒菌变成有毒性的菌，导致小白鼠死亡。核酸竟然能使无毒细菌的遗传性质发生改变，这不正说明了核酸就是遗传物质吗？可见，有毒菌虽然经过加热被杀死，但核酸分子还存在，它“偷梁换柱”，与一些无毒菌的核酸连在了一起，当这些无毒菌再繁殖的时候，稀里糊涂地变成了有毒菌。你说神奇不神奇？另外还有一个重要的实验叫做噬菌体感染实验。噬菌体又称嗜菌体，听名字就知道它酷爱细菌，实际是一种专爱和细菌“捣乱”的病毒，又被称作细菌病毒。噬菌体只有在电子显微镜下才能看到，形状像化学实验室里的滴管，呈多角形，下面细长。能侵入细菌的细胞内，并在其中大量生长繁殖，引起细胞破裂死亡。噬菌体的成分很简单，由蛋白质外壳和内部的DNA组成。但是进入细胞起作用的是DNA还是蛋白质呢？美国生物学家赫尔希和蔡斯通过巧妙的实验搞清了这个问题。当噬菌体侵入细菌时，并不是整个身体都钻进细菌中去，而是把“滴管”的“尖端”扎在细菌上，把其中的核酸注射到细菌中，而其蛋白质外衣则留在细菌之外。进入细菌的核酸在细菌体内繁殖，形成许多相同的噬菌体核酸和蛋白质外衣，再组装成新的噬菌体。新噬菌体复制的数目越来越多，最终把细菌胀破致死。在整个过程中，噬菌体的蛋白质并没有参与，但新的噬菌体却被复制出来。正是核酸的作用使它的全部特征被遗传下来。噬菌体试验进一步证明了DNA就是遗传物质。如果说以上这两个实验只是证明了核酸是遗传物质的话，那么烟草花叶病毒实验不仅证明了核酸是遗传物质，而且证明了蛋白质不是遗传物质。用化学方法把这种烟草花叶病毒的核酸和蛋白质分开，然后把它们分别喷洒在烟草叶子上，结果喷洒病毒蛋白质的烟草不得病，而喷洒病毒核酸的烟草却感染了花叶病。而且从得病的烟草上还提取到了由蛋白质外膜包裹着核酸的完整的烟草花叶病毒，其结构与原来的完全相同。这说明，是核酸，而不是蛋白质参与了遗传复制过程。确凿的证据说明了DNA就是携带遗传信息的物质。这样一来，核酸的身价大增，引来许多科学家探求的目光。于是一场研究核酸的热潮开始了。DNA的发现生物的性状为什么能稳定地代代相传？DNA是如何管理着数量巨大的生物性状？这一系列问题，直到20世纪50年代初仍然是个谜。看来，不彻底揭开DNA结构之谜，生物的遗传问题就仍然是迷雾重重。于是，一场由生物学家、物理学家等参与的协作攻关战打响了。最终的胜利者包括年轻的沃森和克里克，但像威尔金斯、富兰克林等杰出科学家的出色工作我们也不应忘记。到了20世纪50年代初，关于核酸的研究有两个突破性的进展，对人们认识核酸分子结构起了关键作用。一个是奥地利生物化学家查伽夫通过精密测定，发现核酸的碱基之间存在奇妙的定量关系。任何生物细胞中，碱基A和T数目相等，C和G数目也相等；同一种生物中，无论年老年幼，何种器官，它们的核酸碱基比例都相同，即A+T/C+G永远是恒定的。这种数字关系说明了什么？当时查伽夫并没有搞清楚，众多的生物学家也没有解开这个谜团。看来，仅仅靠生物学和化学分析的方法是不能看到DNA的真面目的。幸好，从20世纪40年代开始，一大批优秀的物理学家加入了寻找DNA真面目的队伍。他们之中的优秀代表包括富兰克林、威尔金斯等等，为发现DNA结构作出了重要的贡献。在这里，我们要特别提到英国著名的女科学家富兰克林。这位剑桥大学毕业的高材生，研究范围相当广泛，30岁的时候就已经是一位很有名气的物理化学家、结晶学专家和X射线研究方面的专家了。富兰克林等首先将DNA分子进行结晶处理，然后利用一种特殊的物理手段，即X射线衍射技术，看到了DNA分子的大致模样。他们推测DNA大分子是多股链、螺旋形，在其内部，碱基的排列是有一定规律的。其实，富兰克林此时离揭开DNA结构之谜只差一步之遥了。正是富兰克林和威尔金斯的X射线衍射结果，帮助沃森和克里克最终完成了20世纪最重要的发现之一——DNA双螺旋结构。1953年初的一天，一个头发微微散乱、面容略带倦意的年轻人一头闯进了实验室，他兴奋地举起手中他刚做好的模型大声喊道：“就是它了。”这个名叫沃森的美国青年科学家确信自己证实了一个天大的秘密——DNA双螺旋结构。他手中所展示的模型犹如一条凌空翻舞的彩绸，是那么舒展自如、轻松和谐，比起不久前他和英国同伴克里克制得的模型完美多了。沃森和克里克得到这个合理的、完美的DNA模型喜不自禁，立即着手写成一篇论文发表在1953年英国的《自然》杂志上。这两位年轻、富有开拓精神的科学家经过艰苦的努力，终于在众多的竞争者中捷足先登，揭开了DNA结构之谜，从而完成了20世纪最重要的发现之一。按照沃森和克里克的假设，DNA大分子是由两条长长的链组成的，这两条链呈双螺旋结构存在，就像一座两边有扶手、绕着同一假想的竖轴上升的楼梯。磷酸和核糖构成了楼梯的扶手，扶手之间的阶梯由一对对“手拉手”的碱基组成，碱基一共有4种，代号分别为A、G、C、T。碱基之间的搭配是固定的，A和T配对，C和G配对。这种碱基配对非常专一，但不是死死地缠在一起，而是轻轻地靠氢键连接；也就是我们前面说的“手拉手”。在必要的时候，它们会松开拉着的“手”，重新去选择新朋友，但原则不变，仍然是A和T配对，C和G配对。DNA双螺旋结构模型的提出，震动了生物学界的科学家们。它既和当时其他科学家得到的有关DNA的研究资料一致，又能解释生物稳定遗传的现象。1962年，沃森、克里克和威尔金斯因此共获诺贝尔生理学或医学奖，而富兰克林却因过早离开人世以及其他一些原因，未能享受这一殊荣。DNA亲子鉴定“山再青，水再秀，比不上家乡的山与水；情再深，意再浓，比不过骨肉血脉亲与情。”有谁不想阖家团圆，与自己的生身父母在一起，又有哪个父母不想找回自己曾经丢失的孩子。DNA亲子鉴定是基因研究献给人类的又一份神奇礼物。它解开了无数有关“父母”与“子女”之间血缘关系的疑团，给无数家庭重新带来了欢乐。当然，有时它的负面效果也不可忽视。最近几年，拐卖儿童案件时有发生。当公安部门历尽艰辛将被拐儿童解救出来时，却面临着这样一个难题：许多孩子被拐时还很小，几年过去了，孩子已经长大，父母根本无法准确辨认。从火车上走下来的被拐儿童，被一群群泪眼模糊、盼子心切的父母围得水泄不通。所有的父母都希望眼前的这个孩子就是自己那个一两岁大就失散的亲人。可现在这个长大了的孩子究竟是谁的孩子，是不是自己的亲生骨肉？怎样解决这个难题，让失散多年的亲人最终团聚，让一个个破碎的家庭团圆？人们想到了亲子鉴定。亲子鉴定是指通过对人类的遗传标记如外貌特征、皮肤纹理、血型或DNA等的检验和分析来判断父母和子女是否具有亲缘关系，它又被叫做亲子试验。其中查血型和DNA检测是常用的方法。在人类还没有完全掌握分子生物学技术以前，血型配对检测是进行亲子鉴定的一项有力手段。但ABO血型系统就只有4种血型类型，重复率很高，常常不能得到完全肯定的答案。血型鉴定有一定的误差，容易引起误会，说不定会使一些人蒙受不白之冤。最好的办法是运用DNA指纹法确定亲子关系。在进行DNA亲子鉴定的过程中，测试员先从被测试的小孩、父亲和母亲的血液或口腔黏膜细胞中提取出DNA，用限制性内切酶切成一段段，然后进行电泳分离。再将分离开的DNA放在尼龙薄膜上，使用能够识别同一种DNA的探针，将相同的基因分辨出来而且将其汇聚到一起。由于被标记的DNA含有放射性同位素，将其压上x光片，一段时间后将感光照片冲洗出来，便可以通过肉眼看到DNA被染成黑色的条码。因为小孩的基因一半来自父亲，一半来自母亲，所以他的基因条码的一半会与母亲的吻合，一半与父亲的吻合。测试人员运用不同的探针，寻找出不同的DNA并染色影印成独特的条码。将这个过程重复几次，再将小孩的这些DNA条码与被测父母的相比较。如果发现所有的条码都符合上面的规律，则证明小孩与被测父母有100％的血缘关系。如果发现在一个或多个探针上与被测父母的DNA模式不符合，那么就可以100％排除小孩是被测父母的亲生孩子。运用DNA技术进行亲子鉴定这一方法是目前为止最方便有效的手段。由于人体的所有细胞中都有一套相同的DNA，所以提取DNA的过程非常简单，可以从血液中提取，也可以从口腔中提取，甚至还可以从人的毛发中提取。由于DNA亲子鉴定具有准确度高、方便、高效率等特点，它正逐渐地取代其他检测手段，并受到人们的普遍欢迎。那些失散亲人的家庭可以找回自己真正的亲人，孩子也可以重新回到亲生父母的怀抱。遗传稳定性的奥秘“种瓜得瓜，种豆得豆”、“猫生猫，狗生狗”，这些我们熟悉的遗传现象，说明生物在遗传上是很稳定的。那么，到底是什么赋予了生物体的遗传稳定性？DNA结构之谜已被破解，现在我们已经可以打开这个神秘之窗，看个究竟了。构成生物体的基本单位是细胞，每一种生物都是由或大或小的细胞群按一定结构组成的，而这些细胞最初又都是由一个细胞，即父母精卵细胞结合后的受精卵细胞繁衍来的。反过来讲，这个细胞的分裂和分化，最终导致生物体的形成。细胞分裂必然涉及细胞内物质的重新分配，要想使物种不变，在上一代细胞的遗传物质分配给子一代细胞的过程中，第一，必须保证“财产”不会越分越少；第二，必须平均分配“财产”。一般“不值钱”的财产多点少点问题还不算大，遗传物质的分配绝对不能含糊！因为遗传物质是决定性状的，而性状又是每种生物体特有的，假设遗传物质在传递过程中出错，可能会出现下面描述的情况：从一窝兔子中出来的小兔，有的一毛不长，有的毛长得拖地；有的没耳朵，有的耳朵长达l米。这样它们就没有一般兔子的特性，也就不称之为兔子了。如何使代表遗传物质的DNA能绝对平均地分配到子代细胞中，这是至关重要的问题。而DNA双螺旋结构正好可以保证万无一失。由于双螺旋的两条双链之间严格遵循碱基配对原则，它们是互补关系，A必与T配对，C必与G配对。一条链的碱基顺序固定了，另一条链的碱基顺序也就固定了。两条链之间的互补关系，使它们都能作为“模板”复制相同的样品。这样一来，就使DNA的严格复制成为可能，使生物的稳定遗传有了物质基础。DNA在复制时，两条链逐渐解开，然后以自身为模板，按照A—T、C—G的配对原则，复制出一条新的互补链。这样，每一条旧链与新链共同组成一个新的具有双螺旋结构的DNA大分子，于是就有了DNA分子的两个一模一样的复制品。在生物繁殖后代的过程中，伴随着细胞分裂，DNA大分子不断进行复制，从而把全套的遗传物质传给下一代，保证了生物遗传的稳定性。这就是DNA的半保留复制。DNA双螺旋结构模型，能很好地解释生物的遗传现象，被生物学家们公认为是20世纪最重要的发现之一。现代研究证明，沃森和克里克50年代初设想的DNA双螺旋结构模型，是与实际相符合的。这个结构模型的提出，不仅为人类了解生物的遗传本质奠定了坚实的理论基础，而且由此产生了新的学科——分子生物学，使古老的生命科学返老还童，焕发出新的活力，使遗传工程等学科得以建立并迅猛发展。氨基酸的发现生物的性状是千变万化的，科学家们经过仔细分析发现，几乎所有的性状都与蛋白质有关。蛋白质有很多种，首先，它是我们身体的建筑材料。蛋白质占到人体干重的45％，肌肉、皮肤、内脏，甚至毛发都由蛋白质构成。这些蛋白质有的柔软，有的坚韧，有的还可以运动，可以说是变化多端。还有一类重要的蛋白质叫做酶。它能使细胞中的化学反应很快地进行，使生物体正常生长、发育。有时，缺少一种酶，就会导致生物体某一种性状发生改变，比如黑尿病。此外，参与生长调节的激素，参与免疫反应的一些大分子，主要也都是蛋白质。没有蛋白质就没有生命。我们可以将蛋白质比喻为生命舞台上的前台演员，而DNA就是后台的总导演。导演和演员间肯定关系密切。事实上，蛋白质的一级结构即氨基酸排列顺序，就是由核酸的碱基顺序决定的。无论哪一种蛋白质分子，都是由20种氨基酸排列组成的。只是不同的蛋白质分子，氨基酸的排列顺序不同。而核酸只由4种碱基组成，核酸的不同是由碱基顺序的不同造成的。那么，核酸碱基排列顺序的信息，一定通过某种方式，传递给了蛋白质，使蛋白质的氨基酸严格按顺序排列。核酸的碱基顺序和蛋白质的氨基酸顺序之间到底存在什么关系呢？科学家们推算，如果1个碱基决定1个氨基酸，4种碱基只能决定4种氨基酸，这显然不能满足蛋白质的需要；如果2个碱基决定1个氨基酸，两两随机组合，只有16种组合，也就是说只能决定16种氨基酸，也满足不了蛋白质的需要。如果3个碱基决定1个氨基酸，三三随机组合，将有64种可能。好了，这下对于构成蛋白质的20种氨基酸来说是绰绰有余了。真实情况怎么样呢？科学家们经过研究发现，确实是3个碱基作为1个密码子决定1种氨基酸，叫做三联体密码。几乎所讨生物体内都有64种三联体密码。你可能要问，除了由20种碱基组合来决定构成蛋白质的20种氨基酸外，剩余的44种碱基组合怎么解释呢？它们的情况比较复杂。有的可以互做替身，几种碱基组合共同决定一咱种氨基酸；有的发布蛋白合成起始信号，用来决定蛋白白质合成的起点；有的发布蛋白质合成终止信号，告诉蛋白质长度已经够了，别再往上面加氨基酸了。把所有的遗传密码列成一个表，密码字典。从遗传密码字典上，我们可以查出遗传密码所决定的氨基酸。RNA的无私奉献遗传密码储存于DNA中，要将DNA上的遗传信息传给蛋白质，还需要一个“密码译员”充当“印刷”蛋白质的直接“翻译模板”。别看DNA与蛋白质的关系密不可分，可它们在生物细胞中却各有自己的“居所”。DNA主要存在于细胞核中，而蛋白质的合成地点却在细胞质中。像DNA这样的大分子是无法随意进入细胞质中的，它肩负的使命如此重要，要是随意走动，丢失了遗传信息可不得了。科学家们推测，一定有一些传递信息的使者，从DNA那里拷贝了一份遗传信息，并把它带入细胞质中，翻译成蛋白质。经过研究，科学家们发现，这个使者不是别人，正是生物体内的另一类核酸分子——信使RNA，简写成mRNA。信使RNA的个头比DNA分子小多了，它们可以把DNA的遗传信息经过“转换”，储藏在自己的碱基顺序中，然后经过细胞核膜这道“篱笆墙”，从细胞核内进入到细胞质中，在那里作为合成蛋白质的模板，实现对DNA遗传信息的翻译。所以，我们看到的密码字典显示的是信使RNA从DNA上拷贝的一套遗传信息，由于RNA上的碱基是由U代替了DNA上的T，我们当然会发现T不见了，而u出现了。参加翻译工作的还有另外两种RNA：一种是转运RNA，简写成tRNA，它的功能是作为能识别信使RNA信号的氨基酸的“专车”，及时将特定的氨基酸运到信使RNA那里，源源不断地供应蛋白质合成的原料。还有一种就是核糖体RNA，简写成RNA，它的功能是作为蛋白质合成的场所。这3种RNA分工合作，有条不紊地完成整个翻译工作。当细胞制造蛋白质时，细胞核里的双螺旋DNA解开，成为两条单链，以其中一条链为模板，按照碱基配对的原则合成信使RNA，即G和C配，U和A配。这样，DNA上的碱基顺序被记录在信使RNA的碱基顺序中，使遗传密码得以传递。信使RNA被派往蛋白质的合成地——细胞质中，与核糖体相结合，自己作为蛋白质合成的直接模板。转运RNA能识别不同的氨基酸，还能识别信使RNA上的遗传密码，充当“译员”的角色，在细胞里穿梭，把相应的氨基酸“领到”核糖体那里，使不同的氨基酸在信使RNA上“对号入座”。众多的氨基酸手拉手连在一起，就是一个蛋白质。这样，DNA的遗传密码就准确地反映在蛋白质的氨基酸顺序中。换句话说，由此合成的蛋白质是特异的，它上面“印着”模板RNA的遗传密码。RNA合成蛋白质的速度十分惊人，每分钟可连接起1000多个氨基酸。在DNA的指导下，由4种核苷酸连接成，RNA长链，把DNA的遗传信息“转换”到信使：RNA上，这个过程叫做“转录”。由信使RNA作模板合成蛋白质的过程叫“翻译”。遗传信息由DNA流向信使RNA，再由信使RNA流向蛋白质，同时DNA还可以进行自我复制，从而将遗传信息传递给新生成的细胞。这就是生物学中非常重要的“中心法则”。几乎所有的生物都遵循这个重要的法则。随着研究的深入，科学家们发现，以上讲的遗传信息的传递路线，并不是惟一的。人们在病毒里发现了逆转录酶，在它的帮助下，可以实现以信使RNA为模板合成DNA的逆转录路线。某些病毒，如流感病毒、小儿麻痹病毒等，RNA是遗传信息的携带者。这些看起来与“中心法则”相矛盾，实际上是完善了遗传信息的传递路线，是对“中心法则”的重要补充。XY染色体DNA被确定为遗传物质后，染色体的身份终于真相大白了，其实染色体的主要成分就是DNA。一个染色体就是由一个长长的DNA分子浓缩而成的，上面存放着很多基因。人的一个细胞直径才几十微米，可它所含的DNA总长近2米，真是让人吓一跳。一个只有在显微镜下才能看到的小小细胞，怎么能装得下这么长的东西呢？原来，DNA分子是很细的线性分子，直径只有1.2×10-9米。它们在细胞中不是直接以原来的状态存在的，而是高度压缩的。好比1000克毛线，如果一根一根接起来，当然会长得不得了；但如果用它织成毛衣，看起来也不过几十厘米长。DNA分子也是一级级逐渐缩短的，不过形式上要高级得多。一个人体细胞内的DNA分子拉展后总长有2米，蜷曲成染色体后总长仅有0.5毫米，足足缩短了几千倍，真是令人惊奇的高度压缩能力！染色体里还含有一些蛋白质和其他物质，这些物质协同DNA组装成染色体。复制后的两个DNA分子蜷曲成染色体后，各自成为染色单体。这两个染色单体开始并不分离，而是通过某一点连接在一起，像一个X。最后，两个染色单体从X的中心连接点分离，分配到两个子细胞中。细胞完成分裂后，高度蜷曲的DNA又重新解开，染色体消失。所以，只有在细胞分裂的某个时期，我们才能看到染色体，那是DNA分子在细胞分裂期出现的一种特殊状态。这种DNA分子的特殊状态，是很有用的。人类基因组的DNA分子约含有30亿个碱基对。可以想像，如果长长的DNA分子纠缠在一起，像个乱线团，要把它们分配到两个子细胞中去是非常困难的。这时，生命又一次显示了它神奇的智慧：DNA分子被逐级缠绕、折叠成短粗的状态，这样就可以顺利地进入子细胞内。大自然中有许许多多的生物，每一物种都有特定的染色体数，如鼠有20对，黄牛有30对，人类有23对。人类的每一对染色体中有一条来自父亲，另一条来自母亲。其中有一对比较特殊，与决定性别有关，称为性染色体。女性有两条一样的性染色体，表示为XX。男性有一条X染色体，还有一条女性没有的Y染色体，正是这条染色体决定了男性与女性的区别。人的绝大多数体细胞都含有46条染色体，而精子和卵子的染色体数只有23条，是体细胞的一半。爸爸的精子同妈妈的卵子的结合，产生了我们的生命，它们结合后又恢复了46条染色体的标准状态。我们之所以既继承了爸爸的某些遗传信息；又继承了妈妈的某些遗传信息，正是由于我们体内的染色体有一半来自爸爸，一半来自妈妈。现在，我们其实已经知道了生男孩还是生女孩的秘密。爸爸的性染色体是XY，这两条染色体分配到不同的精子中，就有了带X染色体的精子和带Y染色体的精子。妈妈的性染色体是XX，只产生带X染色体的卵子。如果是Y精子同X卵子结合，就发育成男孩；如果x精子同x卵子结合，就发育成女孩。巧妙的结构DNA是遗传物质。那么，什么是DNA？为什么它能作为遗传物质呢？原来，核酸是一种大分子的化合物，它和蛋白质一样，是生命的最重要的基本物质。无论是肉眼看不见的微生物，还是鸟、兽、鱼、虫以至人的细胞里，无不含有核酸。按照化学成分，核酸可分为两大类：核糖核酸（简称RNA）和脱氧核糖核酸（也就是DNA）。这两种核酸都是由核苷酸组成的化合物。这好比核酸是一幢雄伟的大厦，它的“砖块”就是核苷酸。核苷酸又是由什么构成的呢？核苷酸是由核苷和磷酸相连而成的，其中核苷又包括碱基和戊糖，即：碱基+戊糖—核苷；核苷+磷酸—核苷酸。构成DNA的碱基主要有四种：腺嘌呤（简称A）、鸟嘌呤（简称G）、胞嘧啶（简称C）和胸腺嘧啶（简称T）。构成RNA的碱基多数与构成DNA的碱基相同，只有一种不同，即RNA有尿嘧啶（简称u），而无胸腺嘧啶。两种核酸中的戊糖是不同的，RNA是核糖，DNA是脱氧核糖。DNA和RNA的“大厦”就是由四种核苷酸按照一定的顺序，首尾相接建造的，它形成一个长链状的分子。自然界中核酸分子所含的核苷酸数目相差十分悬殊，少则几十个，多则几千个，乃至几万个。如果我们仔细观察DNA分子的长链，原来奥妙就在碱基上。生物界中的DNA分子是各不相同的，其区别不仅在于它们所含有的四种碱基数量不同，而且还在于这些碱基前后排列顺序也不相同。这四种碱基的不同排列顺序非常重要。正如在电报通讯中仅靠“长声”和“短声”的不同排列，“嘀嗒嗒，嘀嗒嗒……”就可以通过电报“密码”来传递各种“信息”（电文内容）一样，四种碱基的不同排列顺序也可以表达各种各样的遗传信息。一个DNA分子含有成千上万的碱基，这四种碱基便以变化多端的排列方式，“描绘”出错综复杂、琳琅满目的生物世界。惊世大发现DNA是主要的遗传物质，它以丰富多彩的核苷酸排列顺序贮存着各种各样的遗传信息。那么，DNA又是如何把生命的遗传信息传递下去？DNA的结构又是什么样子呢？这一具有伟大科学价值的研究课题，吸引着世界各国的科学家。在20世纪50年代初期，当时有几个研究小组同时进行着DNA结构的分析工作，他们都试图建立。DNA的分子模型。这些研究小组中有美国的化学家鲍林领导的研究小组；有设备条件非常好、X射线衍射分析工作非常出色的世界一流的英国皇家学院的著名科学家威尔金斯和福兰克林的小组；还有英国剑桥大学的两位年轻的科学家沃森和克里克的小组。他们都热衷于这项研究工作，于是在科学研究中展开了激烈的“竞赛”。最后，两位年轻人沃森和克里克胜利了。在1953年，他们一举成功地提出了DNA双螺旋结构模型，这个模型较好地说明了DNA的复制以及其“传种接代”的千古之谜，这件事轰动了整个世界。年轻的沃森和克里克为什么能超越“对手”，获得伟大的发现呢？首先，沃森和克里克具有很强的事业心，有勇于进行科学探索的精神。沃森是美国人，生于1928年，1947年毕业于美国芝加哥大学动物学系，后来又到著名的科学家卢里亚领导的研究室进行噬菌体的研究，不久获得了博士学位。当艾弗利等人证明能使细菌类型转化的遗传物质就是DNA时，他强烈地意识到：“阐明DNA的化学结构，在了解基因如何复制上，将是主要的一步。”于是，沃森便产生了揭开DNA结构奥秘的迫切愿望。特别是1951年他有机会到意大利参加生物大分子结构学术会议，听到英国皇家学院威尔金斯关于DNAx光衍射分析的学术报告，受到很大启发，他决心从事这方面的研究工作。1951年秋，当时23岁的沃森从美国来到英国剑桥大学卡文迪什研究所留学。这个研究所也是当时世界上有关X射线分析声誉最高的研究机构之一。在这里沃森会见了35岁的物理学家克里克。克里克是英国人，生于1916年，曾在英国伦敦大学学习物理和数学。第二次世界大战以后，他的兴趣开始转向生物学，他想把物理学的知识应用到生物学方面来。于是在导师指导下，克里克开始从事生物大分子结构方面的研究工作，并开始热衷于DNA结构的研究。正是探索DNA结构之谜这个共同的志趣，使沃森和克里克两人夜以继日地工作着，他们终于取得了令世人瞩目的伟大成就。其次，沃森和克里克在剑桥大学相遇后，一个是生物学家，一个是物理学家，这样两位学者在一间办公室里工作，一起讨论学术问题，这无疑开阔了他们的思路，也更加丰富了他们的科学想像力，这也是他们在科学上取得成功的原因之一。沃森在他的著作《双螺旋》中，对克里克有一段描述：“某天上午休息时，弗朗西斯·克里克安静地、深深地沉浸在数学之中。午饭时，他因头剧烈疼痛回到家中治疗。他坐在煤气炉前无所事事，很快就厌烦了，于是又开始工作。使他兴奋的是，他忽然发现了答案……可是，他不得不停下来同他的妻子去参加一个葡萄酒品尝晚会。他在回家的路上就开始寻思，把DNA想像为一种螺旋结构。”与此同时，沃森也开始试验用x射线来拍摄能显示DNA结构的照片。1952年6月的一个晚上，他为一张拍下的照片显影。他在书中描写了当时的情景：“当我拿着还湿着的照片放在灯前时，我明白了我们得到了它。螺旋的特征相当明显……第二天早上，我焦急地等待着弗朗西斯的到来，见到他后，他不到10秒钟就同意了我的看法。”沃森和克里克就这样相互配合默契地工作。而威尔金斯和福兰克林则不然，他们虽然同时都在英国皇家学院德尔领导的实验室里工作，都进行DNA分子结构的研究，但他们之间却没有什么合作，从不交流，致使他们出色的研究未能很快地取得应该得到的成果。另外，沃森和克里克这两位年轻人不墨守成规，敢于大胆创新，敢与权威争高低。就在他们紧张工作的时候，在美国的鲍林宣称他做出了DNA结构的模型。他的模型不是两条螺旋线，而是三条。克里克和沃森认为这个模型不一定正确，因为他们两人也曾建立过这样的模型。他们肯定，尽管鲍林是一位伟大的化学家，但他却搞错了。于是他们便想：一定要赶在鲍林的前面，改正错误，建立一个新的分子模型。沃森说：“我们当时的希望就是其他科学家不要太怀疑这个大人物的模型的细节……在莱纳斯·鲍林重新进入竞赛前，我们有6个星期就能把一切都搞出来。”在沃森和克里克加紧研究的过程中，他们非常谦虚，善于吸收前人所研究的科学成就，开阔思路，不断改进自己的工作。最初，他们设想，DNA是一个由三条磷酸糖链组成的螺旋型大分子。他们赶制了一个模型，然后邀请威尔金斯和福兰克林来参观讨论他们的分子模型，结果发现把DNA的含水量计算少了，使DNA的密度变大，从而错误地把DNA分子结构定为三股链。沃森和克里克第一次模型的建立便宣告失败了。但他们并不灰心，仍大量地分析和研究各种资料，进行更深入的科学研究。当时有许多科学家的工作对他们启发非常大。1952年7月，克里克从正在剑桥访问的美国科学家查哥夫那里得知，从对各种生物的：DNA成分分析证明，DNA所含的四种嘌呤和嘧啶碱基并不相等，但嘌呤和嘧啶两类碱基之间的比例却是恒定的。克里克抓住这个重要根据，推导出在DNA分子结构中，“碱基配对”的重要法则。克里克还曾请求一位年轻的数学家对DNA分子碱基间的吸引力进行计算，从计算结果中他们认识到碱基分子并不是乱堆在一起的，而是通过氢键（一种化学键）相连，并且碱基相连是边靠边，嘌呤有吸引嘧啶的趋势。特别是在1953年2月，沃森他们有机会看到了威尔金斯拍摄的非常清晰的X射线衍射照片。这张DNA照片真是“雪中送炭！”沃森写道：“我看到照片的时候，不禁张大了嘴，心脏剧烈跳动。一这张照片恰恰显示了一种螺旋线结构。”从这张高质量的照片中，他们很快得出了三点结论：第一，DNA分子是一种螺旋形结构。第二，这个螺旋直径为2纳米，大约每3.4纳米完成一个螺距，由于相邻核苷酸的间距是0.34纳米，因此每个螺距包含10个核苷酸。第三，这个螺旋必定含有两条多核苷酸链，即是一种双链形式。沃森和克里克根据以上分析，开始动手试制模型。在一个星期里，这两个人的脑子里只有DNA，甚至在电影院里沃森还念念不忘他的神秘分子。DNA中脱氧核糖和磷酸相间排列成一条链子，位于DNA螺旋的外层。DNA中还有四种碱基——克里克和沃森将它们简称为A、G、C、T。困难的是这四种碱基差别甚大，很难确定它们在模型中的空间位置。开始，沃森想以“同配”的方案，也就是嘌呤碱与嘌呤碱吸引配对，嘧啶碱与嘧啶碱吸引配对，实际结果是模型空间装配不上。而A—T配对和G—C配对正好符合模型的空间装配。在这里他们发现了新的碱基配对原则：即腺嘌呤（A）总是和胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）识能和胞嘧啶（C）配对；而且由氢键联系两条排列无规则的碱基序列，每个碱基对有规则地排在螺旋中间。就这样，新的DNA分子模型试制出来了。这个DNA分子模型既符合X光照片显示的各种数据，又符合科学原理。新模型不但说明了嘌呤和嘧啶为什么总是l：l的原因，而且也为解释遗传物质怎样进行自我复制和决定性状找到了坚实的分子基础。当著名科学家布雷格爵士看到这个DNA分子模型时，他马上变得像克里克和沃森一样激动起来。接着，威尔金斯也看到了这个模型，他也极为激动。威尔金斯和福兰克林赶紧回到自己的实验室，将这个模型与他们所做的X射线衍射照片资料做了比较，发现二者完全一致。这些科学家都准备公布他们的发现，而此时，美国的鲍林仍在为探索DNA的结构努力工作着，可惜已经落后了。在这一重大成果公布之前，化学家鲍林就已知道剑桥的科学家们在“竞赛”中夺冠了。但他并没有懊丧，反而为这一重大科学成果的取得而由衷地高兴，他服从真理，承认自己所做的结构模型是错误的，并把自己的儿子送到剑桥，拜克里克为师。鲍林表现出了一个科学家严谨的科学态度和高尚的情操。日，沃森和克里克在《自然》杂志上发表了他们撰写的论文。这篇论文文字简练、朴素，只有1500多字。但它向全世界宣告：生命科学中的重要生物大分子——DNA是一种双螺旋结构。于是科学史上的一项伟大发现就这样诞生了。为什么沃森和克里克能在科学上获得伟大的发现呢？坚实的基础，广泛的知识，大胆的设想，不断的进取，团结协作的精神，虚心求教的态度……这些，大概就是两位诺贝尔奖金获得者的“窍门”吧！传种接代的奥秘DNA作为遗传物质可不是自封的，它具备了两个必需的条件：一个是它能够按照自己的“模样”复制自己，以便在细胞分裂时或形成性细胞时把复制出来的“信息复本”传给子代，保持物种的延续；其次，传递下去的“信息”在子代中还须能够表达出来，以表现遗传性状。DNA是如何实现这些遗传物质作用的，过去一直是个谜。直至1953年沃森和克里克提出了有名的DNA分子双螺旋结构模型以后，这个问题才得到解决。在这个模型中，DNA的结构好像是一个扭成麻花的螺旋形的梯子，两侧的扶手是由两条多核苷酸链上的糖和磷酸组成的，碱基在内侧，以氢键相连，犹如阶梯，其中A与T，G与C一一对应。即一条链上某一位置指定碱基是A时，另一条链上对应位置上的碱基必然是T，就像一副浇铸模子一样，有了一个凹面，就浇出一个凸面的物体。这叫碱基一对一的对应关系，也叫碱基配对原则。为什么碱基配对有严格的规定？其原因是两条链子间的空间是一定的，其距离为2纳米。嘌呤和嘧啶的分子结构不同，嘌呤是双杂环化合物，分子量大，体积大，犹如一个“大胖子”；嘧啶是单杂环化合物，分子量小，体积小，犹如一个“小瘦子”。因此，若两条链上相对应的碱基都是嘌呤，那么所占的空间太大，就像两个“大胖子”同时挤在楼梯一处，挤不下；若两条链子上相对应的碱基都是嘧啶，则相距太远，不能形成氢键，就像两个“小瘦子”同时呆在楼梯一处，太空了。所以必须A与T相连，其长度为2纳米，G与C相连，长度也是2纳米，碱基配对必须是由一个嘌呤与一个嘧啶组成。另外，A与T配对是通过两个氢键相连，G与C是通过三个氢键相连，因此碱基配对只能是A与T或G与C，不能是A与C或G与T。因为在氢键位置上彼此不相适应，所以在DNA分子中碱基的比例总是（A+G）／（T+c）=1，即嘌呤碱的分子总数等于嘧啶碱的分字总数，这样就互补配对形成为双链。正是由于DNA具有这种独特的结构，所以它便有了自我复制的本领。那么，DNA是如何复制的呢？首先DNA在解旋酶（一种特殊的蛋白质）的作用下，两条螺旋链解开（叫解旋），成为两套模板。于是根据碱基配对原则，在聚合酶的帮助下，一个个单独的核苷酸纷纷进入相应的位置，形成两条新链，再经新旧链的螺旋化，便由一个DNA分子复制出两个完全一模一样的DNA分子。当然，这个新的DNA分子，既非“父母”自己原来的，又非崭新的，而是半新半旧的复制品。这种DNA的复制方式叫半保留复制。细胞分裂时，复制出的新DNA分子便分配到两个细胞中去，这就是世上千差万别的生物在传种接代的家谱中，得以保持各自家族的相对“不变性”和“独特性”的原因。关于DNA的复制本领，现已通过人工合成DNA的实验得到了完全的证实。1956年，美国科学家恩伯格用寄生在大肠杆菌上的一种噬菌体的DNA作为“模板”，用四种核苷酸作为原料，加入适当的能量（ATP），在大肠杆菌DNA聚合酶的作用下，竟然在试管中成功地合成了这种噬菌体的DNA。人工合成的这种DNA还有生物活性呢！如果用它侵染大肠杆菌，它就能在大肠杆菌体内繁殖，传种接代。高超的本领神奇的遗传物质DNA不仅能够自我复制将遗传信息传给后代，还能“指令”细胞合成自身生命活动所需要的一切蛋白质，表现出与亲代相似的性状，这在遗传学上叫基因的表达。上面谈到，在高等生物的细胞中，基因或DNA几乎全部集中在细胞核里，而蛋白质的合成却在细胞质中进行，中间隔着一层核膜。这就好像一个工厂，技术资料都存在档案室里，而车间里却要按照资料规定的工序进行生产。怎么办呢？将所需要的技术资料抄录一份送到车间去岂不是万事大吉了吗！实际上，生命正是这样进行的。承担这一任务的便是一种核糖核酸，叫“信使核糖核酸”（简称mRNA）。信使核糖核酸具有一种高超的本领，它能把DNA上合成蛋白质的密码抄录下来，这个过程叫“转录”。然后信使核糖核酸作为DNA的“全权代表”，携带这个遗传信息从细胞核中被“派往”细胞质。正是由于它能传递信息，所以才得到信使核糖核酸的美名。那么，DNA是如何把遗传信息传给信使核糖核酸的呢？DNA的转录技巧是很高超的。所谓转录就是指遗传信息由DNA录制到mRNA上。通过研究知道，信使核糖核酸只有一条单链，链上核苷酸的碱基跟脱氧核糖核酸的碱基仅是一“字”之差：核糖核酸没有胸腺嘧啶（T），而有尿嘧啶（U）。因此，脱氧核糖核酸传递遗传信息时，碱基配对就多了一个新规律：A对U，其余仍按G对C、T对A进行。这个过程好比底片转印照片似的，于是人们便起名叫“转录”。转录而成的信使RNA从细胞核进入细胞质后便可以指导蛋白质的合成了。然而，实际过程要费一些周折，这是因为蛋白质和核酸是不同的生物大分子，核酸文字与蛋白质文字就像“不同国家文字”一样，也有所不同。构成蛋白质文字的“字母”是氨基酸，蛋白质是由20种氨基酸组成的。所以可以说，蛋白质的文字是由20个“氨基酸字母”编码的。而核酸是由4种核苷酸组成的，所以核酸文字由4种“核苷酸字母”编码的。那么，核酸是怎样决定蛋白质合成的呢？也就是说，如何把由4个核苷酸字母组成的核苷酸文字翻译成由20个氨基酸字母组成的蛋白质文字呢？这里就有个翻译的规则。科学家们发现遗传密码是由3个字母（也就是3个碱基）组成的三联体密码，即每个“密码子”由3个字母组成，也就是说3个相邻的核苷酸决定一种氨基酸。例如，赖氨酸的遗传密码是AAA，甘氨酸是GGG，精氨酸是AAG……从而编制出一本密码字典。令人惊奇的是，成千上万种生物用的基本上都是这一套密码。这一点具有非常重大的意义，有关这方面的事情我们后面再谈。在生物的蛋白质合成中，有翻译的准则。那由谁来担任翻译呢？实际上，通晓蛋白质和核酸两种文字的“译员”是另外一种核糖核酸，叫转移RNA（简称tRNA）。转移核糖核酸的本领不仅具有“翻译”的作用，而且还能将蛋白质合成的原料——氨基酸搬运到蛋白质合成的地点去对号入座，它还起着“搬运工”的作用。至于翻译工作的场所，就在细胞质内核糖体上。核糖体是一种微小的颗粒，它是合成蛋白质的“车间”。核糖体中又含有另外一种核糖核酸，叫核糖体RNA（简称rRNA）。核糖体RNA是“装配员”，氨基酸在它的调度下就可装配成蛋白质。下面就让我们来看看蛋白质是怎样合成的。首先，携带合成蛋白质密码的信使RNA从细胞核来到细胞质后，其一端和核糖体相连。核糖体像是一个“电影院”，里面有许多事先规定好的带有号码的座位。下面，便轮到氨基酸按信使RNA抄录的密码（即座位号码）“对号入座”了。可惜的是，氨基酸像个幼儿似的，不认识自己座位号码，而要靠“大人”携带前往入座，这个“大人”就是转移RNA。转移RNA借助有惊人识别能力的酶，将相应的氨基酸连到自己身上，并运送到核糖体上去，这就像父母能认识自己的孩子一样，将孩子抱在怀里去找该坐的座位。细胞内既然有20种氨基酸，那就至少有20种相应的转移RNA及其特殊的酶。转移RNA把氨基酸“领到”核糖体那里后，又是怎样辨认“座号”的呢？原来，转移RNA分子里也有核苷酸的三联码，并恰好与信使RNA分子上该氨基酸的“密码子”相互呼应，称之为“反密码子”。密码子与反密码子当然是“似曾相识”的了。例如，我们从密码字典中可以查到信使RNA上苯丙氨基酸（也叫苯丙氨酸）的密码子是UUC，相应的转移RNA上的反密码子则是AAG，根据碱基互补配对原则，正好U与A，C与G是互相匹配的。于是，随着核糖体和信使RNA的运动，带有氨基酸的转移RNA从核糖体一边进入，然后“放下”氨基酸，失去氨基酸的转移RNA便从核糖体的另一边离去。这就如同父母把孩子安置在电影院的座位上，大人不看电影而离开了一样。这时，按信使RNA上密码的顺序一个接一个“对号入座”的氨基酸，通过氨基和羧基的结合，形成多肽链，然后脱离核糖体。就像幼儿园的小朋友一样手拉手地相继连接起来，最后按照信使RAN的“指示”，合成了某种蛋白质分子。这样，氨基酸“砖块”便按原来DNA“蓝图”，建成了蛋白质分子的“宏伟大厦”。从以上蛋白质的合成过程我们可以看出，基因的表达就是遗传信息的传递方向是：DNA（基因）信使RNA翻译蛋白质（性状）这个过程称为遗传的“中心法则”。遗传的中心法则具有十分重大的实践意义。如果我们把蛋白质的合成看成生物的“施工”过程，那么，施工的“蓝图”就是DNA，这样我们就可以着手修改或绘制新的“蓝图”，以改变DNA的碱基排列顺序，从而合成新的蛋白质，也就实现了改造现有生物、创造新生物的目的。关于这一点，目前也是科学家们研究的主要内容之一。分段负责制一个DNA分子就是一个基因而仅贮存一种蛋白质的信息呢？其实不然。科学家们发现一个DNA分子是很大的，其中含有很多基因，每个基因实际上是DNA分子中的某一特定的片段。这好比“铁路警察”各管一段，DNA在主管遗传这件事上，也采取“分段负责制”，它们各自负责一项遗传任务，这样的一段核酸，便称为一个基因。不同基因所含碱基对（A-T，C-G）的数量和排列顺序各不相同，因此也就执行不同的遗传任务。那么，一个生物有多少基因呢？有人估计，像最，细菌病毒——MS2噬菌体只有4个基因；大肠杆菌有7500个基因；人至少有5万～10万个基因。现在要问，一个生物具有成千上万个基因，那么是否全部基因同时都在不停地被转录翻译而合成蛋白质呢？其实，生物犹如一个组织严密的“工厂”，里面各道工序都受严格的控制，其活动是按顺序进行的。这也就是说，在生物的生长发育过程中，各种基因根据“需要”，按时间、空间以及内外环境条件的不同在表达上做到严格的选择，前后有序，按部就班，协调一致地发挥作用。比如说，植物在幼苗时，花瓣颜色的基因就不起作用；在根部也同样不起作用，只有植株开花时，分化出花瓣来，花瓣颜色的基因才起作用，这说明基因的活动具有一定的调节与控制。那么，基因的表达是怎样受到调节和控制呢？法国的两位科学家雅各布和莫诺详细地研究了大肠杆菌的基因调控。当他们用乳糖培养大肠杆菌时，细菌会借转录、翻译等过程合成出一种能分解乳糖的酶来。细菌就利用分解的乳糖来生长繁殖。但当乳糖用完了或改用葡萄糖培养时，细菌就不再生产这种酶了。这个现象说明，基因的表达是受各种因素调控的。在这个过程中，在某些外界因素的影响下，一些基因被“关闭”，一些基因被“打开”，因而使遗传信息在大肠杆菌的生命代谢活动、繁殖后代以及在对环境的适应中有节奏地发挥作用。经过雅各布和莫诺的反复研究，他们终于揭开了“庐山真面目”。原来，生物本身有一套“调节系统”。生物的基因不全是合成蛋白质的基因，基因之间有分工，有的基因管生产蛋白质，但有的基因管“调度”，专门负责调节或控制基因的活动，这类基因叫调节基因和操作基因。基因像个“大家族”，基因可以管基因。你看！生物体是多么奥妙啊！在深入研究的基础上，雅各布和莫诺提出了一个“操纵子”模型，来说明原核生物的调控系统。操纵子学说的提出，可以说揭开了生物活动的又一奥秘。当然，对于更复杂的真核细胞，特别是对多细胞生物来说，生物的调节机制会更复杂。因为包括人类在内的真核多细胞生物，都是以被称为受精卵的一个细胞为基础生长发育而成的。也就是说，通过受精卵的无数次的细胞分裂，不断地增加细胞的数量，并分化出根、茎、叶、花、果或眼、耳、鼻、舌、身等各种器官和系统，最后发育成为一个成熟的个体。人类在出生时大约具有3万亿个细胞，发育成成人大约具有100万亿个细胞。这些细胞在形态上和功能上都是不一样的，既具有皮肤表面上平坦的起保护作用的细胞，又具有像肌肉细胞那样细长的负责运动的细胞。这样复杂的分化和发育过程，都是在基因的严格控制下进行的。为了揭开真核多细胞生物基因调控的奥秘，许多科学家已经向这座科学堡垒发起了进攻！当我们了解了基因表达的调控原理以后，就可以更自由地人工控制某些基因发挥作用，使它们生产我们所需要的一些产物，从而为人类服务。变异的秘密生物虽然不是机器，但它像一台精密的“机器”，具有严格的调控系统，遗传信息的贮存、传递和表达是不会错乱的。因此，生物的遗传是比较稳定的。但是，我们常说：“一母生九子，各个有别”，“一树结果有酸有甜”。在细胞分裂、染色体复制或基因复制、转录和翻译全过程中都有可能发生差错而产生变化。这种变化有的可能发生在染色体上，有的可能发生在DNA分子中，它们的变化都会使生物性状产生变异。变异可能对生物的生存不利，也可能是有利的。例如，有一种傻子叫“伸舌样痴呆”，这种人长着一副特殊的呆傻的面容，眼睛小，眼距宽，张口伸舌，流口水，智力低下。这种孩子只会叫“爸”、“妈”的简单音节，不识数，没有抽象思维。这种人为什么会这样呢？如果我们把患者的细胞取出来，经过组织培养，然后在显微镜下仔细检查就会发现：原来是染色体出了毛病，这种人多了一条染色体，变成了47条染色体，因而得了这种染色体病。还有的人得了一种镰刀型贫血病，这是一种“分子病”。这种病人在氧气缺乏时，红血球会由正常圆盘形变成镰刀形。在严重的情况下，血球破裂，造成严重的贫血，往往引起死亡。这种病是由于基因突变而产生的一种遗传病。科学家们通过对病人红血球中血红蛋白分子的研究发现，原来这种病是由于一个氨基酸发生了变异而造成的，这个变异发生在血红蛋白分子的一条多肽链上，是一个谷氨酸被缬氨酸代替了。为什么会产生氨基酸分子的改变呢？主要是由于控制合成血红蛋白分子的遗传物质DNA的碱基组成发生了改变，有一个密码CITI（谷氨酸）变成了CAT（缬氨酸）；正是由于遗传密码发生了改变，所以才产生了病变。我们了解了染色体变异和基因突变的分子机制，就可以通过人工的方法（理化因素等）进行诱变，设法引起生物体的遗传物质染色体或DNA的分子结构发生改变，来创造变异，培育新品种。目前发展起来的诱变育种就是以此为重要的理论依据的。遗传的问题是相当复杂的，遗传奥秘的揭露只是初步的。随着科学的不断发展，人们对于遗传的认识将会更加深入。永久的不同假如外星人来到了地球，也许他们看地球上的人都长得差不多。可地球上的人彼此之间互相比较，却是千差万别，不但表现在外表长相，而且表现在脾气性格、对疾病的敏感性等诸多方面。即便是同一个母亲生的孩子，遗传基因比较相近，还是有很大的不同。你能解释其中的科学道理吗？现在已经搞清楚，基因是遗传的基本单位。它们是存在于染色体长长的DNA上的一个个片段，主要负责指导各种蛋白质的合成。因此，基因是具有一定功能的DNA片段。科学家估计，人类共有3万～4万个基因，分布在23对染色体上。但是这些基因并不是一个挨着一个排列在染色体上，而是呈岛屿状散在分布。在“岛屿”之间的DNA，我们还不知道它们的作用，但有的科学家相信，它们一定担负着特殊的使命。一个人所拥有的全部基因称为基因组，可以说这是生物界最奇妙、最复杂的基因组，因为就是这样一个基因组，决定了人类有着远超其他生物的智慧。在我们人类的个体之间，大约有99％左右的基因是相同的，还有1％不到的差异为千差万别的个体负责。为什么有的人胖些，有的人瘦些，有的人高些，有的人矮些？除了环境因素外，基因起着重要的作用，有时甚至是决定因素。我们说DNA的复制是非常准确的，但这个准确性并不是绝对的，而且一些外界因素，如射线、化学物质，也会使DNA碱基序列发生改变，我们称这种改变为突变。这些突变造成了DNA功能的改变和决定生物性状的蛋白质的变化，这恰恰为进化提供了无穷的原材料。有些突变不利于生存而遭淘汰，有些仅是改变了某些性状，但对生命的持续生存和繁殖没有危害，于是被保存下来。日积月累的突变造就了不同的物种，除了一些基因组非常简单的低等生物外，在同一物种内，几乎没有所有基因完全一样的两个个体。除了突变，有性繁殖也是造成个体间基因不同的重要原因。以人类来说，通过精子与卵子的结合，不同来源的基因重新进行了组合，产生了既不完全和父亲相同，也不完全和母亲相同的后代。这种组合的方式非常多，后代中基因完全相同的可能性也非常小，以人类精子的产生为例。在生成精子的第一次分裂时，每一对染色体的两条染色体随机进入两个子细胞。如果每两条染色体都有细微的差别，爸爸在理论上就可以产生2388608种精子。同样的道理，妈妈理论上也可以产生8388038种卵子，但实际上妈妈一生只能排出400个左右的卵子。如果这对夫妇不是亲戚，也就是说他们之间没有完全相同的染色体，那么他们得平均生育64（88608）个孩子，才能有两个所有基因完全相同的孩子，这个数字是地球总人口的1万多倍。有时基因还会在不同的染色体间进行转移或者发生突变，上面的数字还会扩大。因此，除了同卵双生的双胞胎外，就算是亲兄弟、亲姐妹，他们的所有基因也不可能完全一样，更不用说血缘关系很远的两个人。基因不是万能的当基因变得大红大紫的时候，就容易滋生出一种“基因决定论”，认为人的一切，包括性格都是由基因决定的。事实果真如此吗？随着基因研究的深入，人们之间出现了争论；基因可以决定一切吗？我们的所有基因都继承自爸爸、妈妈，是不是在受精的那一瞬间，一生的命运就已经决定了？是胖是瘦，是美是丑，是聪明是愚笨，是长寿是短命，是健康是多病，这—切都先天决定了吗？事实上，基因并不能决定一切。环境也是基因表达的一个重要影响因素。比如说，当我们进入高原地区时，由于缺氧，人体会加快血红蛋白和红细胞的生成以帮助氧气的运输，总量可以增加10％以上。还比如，我们加强锻炼，可以刺激骨骼和肌肉的生长。有这样一个故事，一对双胞胎孤儿被不同的家庭领养，几十年后相认。他们发现了许多共同点，比如酷似的相貌，都是左撇子，都喜欢音乐，都患有糖尿病，都过早谢顶等等。可是他们也不完全一样，一个是某科学领域的专家，一个是商人；一个由于过多吸烟患上了肺病，一个则有严重的关节炎，这可能与生活在寒冷地区有关。这对兄弟虽然有相同的基因，却由于生活环境的不同，某些生活习惯甚至身体状况都产生了差异。上面的实例说明，决定人命运的不光是基因，还有环境，有时也包括人的主观意志。这是一个复杂的、相互作用的过程。我们说基因决定了人的生物特性，环境则决定了人的社会特性，但这也不是绝对的，它们之间存在着一定程度的交叉。大量的研究事实证明，基因的表达可以受到环境的诱导。也就是说，遗传基因的表达会受到环境因素的影响，在适宜的环境下，遗传基因才能获得正常的表达，否则有些基因或者迟缓表达，或者永远被抑制。举个例子来讲，狼孩一般都是在很小的时候就脱离了人的生活，融入了狼群的生存环境，因此，有些遗传基因被强烈抑制，当他们重返人类社会时，恢复人的习性和智能是相当困难的。基因表达受环境诱导的现象最初是在微生物中发现的。人们发现，在体外培养大肠杆菌时，如果供给它们葡萄糖，它们便以葡萄糖为营养，正常繁殖和生长。这时候，如果检测它们体内的酶，会发现没有半乳糖苷酶。如果把营养中的葡萄糖换成乳糖，大肠杆菌将会怎样呢？要么不吃不喝，一死了之；要么赶快换“食谱”，将乳糖作为营养品。可大肠杆菌本来体内没有半乳糖苷酶，看来似乎不能吸收乳糖。但实际上，大肠杆菌有半乳糖苷酶的基因，只是处在关闭状态。在这种情况下，有的大肠杆菌半乳糖苷酶的基因“感觉”到情况不妙，便从“休眠状态”中苏醒过来，开始转而吸收乳糖，进行正常生长和繁殖了。所以，遗传基因可以在一定的条件下被抑制，也可以在一定的条件下被诱导。环境对基因的影响是不能忽视的，可以说是基因和环境共同决定着我们的命运。惊异的变异现象有这样一种变异现象：有少数“调皮”的基因会发生跳动。在人们的想像中，基因在染色体上的位置应该是固定不变的，但是事实上，它们非常活泼，可以在同一染色体上跳来跳去，也可以在染色体之间跳来跳去，这种基因中的“流浪者”被叫做“转座子”。这种现象是首先由美国女科学家麦克琳托克正确地加以解释的。所谓的“玉米夫人”，就是人们对这位终身未嫁，一辈子与玉米打交道的女科学家的尊称。1983年，麦克琳托克81岁时，荣获了诺贝尔生理学和医学奖。1902年，麦克琳托克生于美国哈特福德。1919年考入康奈尔大学主攻植物学，毕业后从事植物遗传学的研究工作。1944年，由于她工作出色，被选为美国科学院院士，成为该院的第三位女院士。麦克琳托克之所以获得诺贝尔奖，就是因为她在玉米的杂交试验中首先发现了“跳跃基因”。根据不同的功能，基因可以分为几类。有的基因决定蛋白质中氨基酸的排列顺序，这类基因称为结构基因。例如玉米粒的颜色就是由染色体的结构基因决定的。麦克琳托克在对玉米粒复杂的色彩变化研究中发现，使玉米粒着色的基因在某一特定代上会“拉断”，这时的玉米粒就没有了原来的颜色。但经过几代的生长后，又会在某一代的染色体上重新出现，使结出的玉米粒的颜色发生变化，这说明原来“拉断”的基因又被“接上”了，如同基因从一代跳到另一代去似的。所以，她把这种基因叫做“跳跃基因”。麦克琳托克进一步研究还发现，控制色泽的基因又被两个因子所控制，一个是分化变异因子，一个是活化因子。当分化变异因子跳跃到色泽基因附近时，就会使结构基因受到抑制，不能形成色素，这时长出来的玉米粒全是白色的。如果分化变异因子在活化因子的控制下，从结构基因附近跳到了别处，那时结构基因的功能便恢复了，玉米便可长出有颜色的玉米粒来。早在1951年，麦克琳托克就发表了论文，表述了自己在这一研究领域获得的发现，但许多同行都说她是一个“怪人”、“百分之百的疯子”，认为她的结论是错误的。因为当时比较流行的观点，认为结构基因是稳定的，不容易发生变化。而麦克琳托克提出她发现了跳跃基因，无疑与这个传统的观点相悖。所以，在那个年代，虽然麦克琳托克将她的论文发表了，但并没有引起人们的重视。直到几十年之后，随着基因重组技术的问世，科学家才证明基因的确可以“跳跃”、会“迁移”。人们发现，转因子不仅在一些植物中存在，在人体内也存在。它的存在，使基因组合出现更为复杂的情况，也为生物的多样性增添了更多的色彩。人们这才想起20世纪50年代已有结论的麦克琳托克。可是这已经是20世纪70年代末的事了。到了1983年，也就是麦克琳托克发表论文32年之后，由于她在遗传研究方面的这一卓越贡献，才把这一年度的诺贝尔生理学和医学奖授给她。此时的麦克琳托克已经是一位8l岁的老人了。虽说这是迟到的诺贝尔奖，但她毕竟为科学界所承认，也算是一件令人欣慰的事。人们不会忘记“玉米夫人”的功绩。生物界的“号令”枪声运动场的跑道上，运动员们各就各位。“砰——”随着一声响亮的发令枪声，运动员们如同离弦的箭，争先恐后地向前冲刺，旁边的人们齐声呐喊助威。这是人们所熟悉的比赛场景。可是，你知道吗，生物界也有“发令枪”呢。你想过没有，既然我们身体的所有细胞中都存在相同遗传基因，为什么却长出了不同的器官和组织？为什么男孩子到了十几岁的时候，才开始长胡须，嗓音也开始变粗？而女孩子到了十几岁时，乳房开始隆起，随后有月经出现？既然控制男女性征的基因一直存在于人的细胞中，为什么不在婴幼儿时就显现呢？自然界中诸如此类的现象启示科学家：在生物体内，一定有一把神奇的“发令枪”，命令生物体，现在该做什么，不该做什么。正当克里克等科学家加紧破译遗传密码的时候，另一支重要的研究力量——法国巴黎巴斯德研究所的研究人员正在发挥他们的强项，从大肠杆菌的遗传表现中寻找“发令枪”。最后他们发现生物体内一个完整的遗传基因是由几个功能明确的区域构成的，基因之间并非独立行事，而是互相协调。大肠杆菌属于原核生物，遗传背景比较简单。遗传学家们的许多启示都来自于大肠杆菌。在大肠杆菌的人工培养中，要添加乳糖等营养物质。科学家们则可以趁机观察这些小东西的代谢过程。生物的代谢过程是由一系列的特殊蛋白质——酶控制的。巴斯德研究所的研究人员发现，大肠杆菌的乳酸代谢过程中，有三种酶参与了全部的行动。而这三种酶是由一个基因家庭控制的。家庭中的成员各有分工，比如有负责盖房子的结构基因；有负责指挥行动开始的起始基因；还有协调内部关系的调节基因，像火车调度员一样，专门负责基因的开和关。植物到什么时候该开花了，开花的基因便被打开了。人也是一样，男孩到了十几岁，负责雄性激素的基因被打开了，好比那发令枪“砰”的一响，胡须才开始出现。一种生物的整套遗传密码，好比一本密码字典，生物的每个细胞都含在这本字典内。非常有趣的是，这本密码字典在每个细胞中并不全部同时译出应用，就像我们写一篇文章时，字典中的字不会全用到一样，而是“各取所需”，不同细胞选用自己需要的密码加以转录和翻译。这就是说，细胞中的大多数基因在多数时候都是关闭着的。只有在合适年龄、合适的时间，才发挥作用。人体在发育的胚胎期，随着细胞朝着不同的方向分化，基因也就适时适地地开启。该长鼻子了，管鼻子的基因就开启了；同样，该长眼睛了，长眼睛的基因就苏醒了。当然，在正常情况下，基因在不该开启的时候是不会开启的。一株玉米的全部细胞中都有发育成雌花丝的基因，但是雌花丝不会在根、茎、叶上长出来，只有伴随着子房的出现，它才会在子房的顶端“冒”出来。长长的雌花丝就是花粉管输送精子的通道，如果雌花丝长在根部，精子远道而来却不见卵子与它“会合”，岂不是冤枉吗？我们说遗传基因神秘，其实最神秘的是基因的开和关。这大概也是大自然给我们人类提出的一个难题吧。科学家已经了解了一些基因开关的规律，但还很肤浅。如果把生物的所有基因开关问题搞清楚了，人类控制自然、保护自己的能力将大大增强。引人深思的猜想遗传的奥秘和其他一切科学一样，被大自然禁闭在密室里，人们为了探寻它的根源，走过了荆棘丛生的漫长道路。很早以前，人们就已经认识到：许多生物，无论是飞禽走兽，还是花草树木，包括人在内，多是通过有性生殖繁衍后代的。父母亲结合产生子代，子代又产生孙代，子子孙孙繁衍不已。那么，父母亲这一代是将什么东西传给下一代的呢？其实，前、后代惟一的联系“桥梁”是生殖细胞。于是有人便在生殖细胞里大做文章，在17世纪流传的一种说法，叫“预成论”，其中有两派：一派是“精源论”，另一派是“卵源论”。他们认为在生殖细胞里上帝预先放了一个小人，在发育过程中，这个小人越长越大才成了大人。那么，上帝是将这个小人放在精子里，还是放在卵子里呢？两派争论不休。卵源论者认为有的人早就存在于夏娃（上帝造的女人）的卵巢里了。精源论者相反，有一位叫哈特索克的学者曾在精子里画了一幅非常有名的微型小人的草图，在精子的椭圆形头部生着一个有手有脚、有身有头的小人，但没有五官，脑袋是一颗星星。他们认为，后代的身体来自于精子。很显然，上面不论是哪一派说法，都是不科学的，它们都是唯心主义神创论的说教。其实，通过显微镜的观察，我们在生殖细胞里看不到眼、耳、舌、身，也看不到根、茎、叶、花、果。这说明生物的具体性状不是直接遗传的。那么，究竟父母是把什么东西传给了子女，使子女长成后像父母呢？19世纪以前，曾普遍流行一种“血统”融合的观念，认为父母亲给下一代的是“血液”或“生殖液的混合物”。因此，把从双亲结合产生子代的遗传现象叫“血统”，把亲子之间的关系叫做“血缘关系”，把杂种叫“混血儿”，把杂交看成是两个血统的混合。按照这种说法，父母亲的两种不同性状，好像两杯不同溶液一样，在子代里混合或融合。例如，将父本比作一杯墨水，母本比作一杯清水，子代将成为一杯淡墨水。这就是说两种不同的性状，杂交后融合为一，杂交便减少了变异性。照此说来，黑色与白色个体杂交，第一代应为灰色，第二代应为淡灰色，如此不消几代，这个新生的个体颜色将在群体内完全消失。显然这不是事实，这样下去变异岂不有减无增，生物只得退化，当然也就不会有生物进化发展的今天。所以，血统融合的观点也是不科学的，是与生物进化的观念背道而驰的。那么，究竟父母是把什么东西传给子女，使子女长得像父母呢？伟大的生物学家、进化论的创始人英国学者达尔文提出了一个新见解，他将遗传的研究从神学的桎梏中解救了出来。达尔文的发现1809年，达尔文出生于英国鲁兹巴利城的一个富有的医生家庭。在幼年时，达尔文的智力并不超常，用他自己的话来说：“我是一个很平庸的孩子，远在普通人的智力水平之下。”但达尔文很有个性，与他的兄弟姐妹不同，达尔文从小就喜欢搜集贝壳