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发信人: crazy (雪山), 信区: Science
标  题: 揭开生物遗传的奥秘(1)
发信站: 紫 丁 香 (Mon Mar 27 03:32:28 2000), 转信


地球上的所有生物，上至“万物之灵”的人类，下至细菌的“寄生虫”——噬菌
体，都能将其多种多样的性状传递给它的后代。所有的生物都表现着遗传现象，它是
生命延续和种族繁衍的保证，俗话所说的“种瓜得瓜，种豆得豆”，就是对生物遗传
现象的生动描述。
    早在1865年，奥地利生物学家孟德尔就发现了生物遗传的分离规律和自由组合规
律，他从这两个规律所表现的遗传现象推论出：生物的每一种性状仿佛是独立遗传的，
每一种性状在生殖细胞里由一个决定的“因子”所代表。1909年，约翰森用“基因”
这个名字代替了“遗传因子”，尽管他还没有具体涉及基因的物质概念。
    孟德尔的研究成果实在超越了时代，以至当时没有能够引起任何人的注意，他把
他的论文分送给各主要图书馆，但也无人问津，孟德尔对他的朋友说：
    “让那些论文先睡上几十年吧，我相信，承认我的一天终将到来。”
    直到1900年春天，荷兰的 H·德弗里斯、德国的柯伦斯和奥地利的丘歇马克等科
学家，都各自独立地通过实验得出了孟德尔的实验结果，但当他们在发表论文前进行
文献资料的查阅时，却又发现孟德尔的论文已在图书馆里被尘土封埋了34年。
    一只白色的果蝇
    孟德尔的研究成果被重新发现时，科学家在研究细胞构造方面已经有了一些重要
的发现：所有生物细胞都有相似的结构，它是由一种半透明的胶状物质构成的，细胞
外面包着一层薄薄的细胞膜，里面都有一个很小的球状的细胞核，每一个细胞核里有
一定数目的微粒。生物的生长、繁殖都是由细胞的分裂来实现的。
    1879年，德国的生物学家弗莱明经过实验发现：用碱性染料可以把细胞核内的微
粒状物质染成黄色，而且再不会退色。将这些微粒染色后，观察起来十分方便，他发
现这些微粒先变成丝状，然后再断裂成数目相同的两半，一个细胞就变成了两个。第
二年，德国生物学家就把这种能染上色的微粒叫做“染色体”。
    染色体平时是交织成网状的，当细胞分裂的时候，它们排列得比较整齐，可以看
出是一些粗细长短不同的丝状体。不同生物的细胞里染色体数目是不一样的，同一种
生物的细胞里染色体数目却是一定的。而且，各种生物细胞里的染色全都是成双成对。
    1904年，美国细胞学家萨顿突然想到，孟德尔所说的遗传因子成双成对，而细胞
学界说染色体成对成双，这两个会不会是一回事呢？染色体可能就是遗传因子和物质
基础!
    1910年的一天，美国生物学家摩尔根正在他的实验室里进行生物实验。这是一间
特殊的实验室，除了几张旧桌子外，就是几千只瓶子。原来，摩尔根用这些瓶子培养
实验用的果蝇。果蝇的繁殖率很高，生活史短，便于观察和研究，摩尔根已培养了几
万只果蝇。
    这天，摩尔根突然发现：在他的许多红眼果蝇中，有一只果蝇却是白色的，他感
到十分好奇：我何不也做一次杂交试验?摩尔根说干就干，他让红果蝇与白果蝇杂交，
结果发现子一代全是红眼的，显然红对白来说，表现为显性，正合孟德尔的试验结果。
摩尔根不觉暗暗地吃了一惊，他又使子一代交配，结果发现子二代中的红、白果蝇的
比例正好是3：1，这是孟德尔的研究结果，于是，摩尔根对孟德尔更加佩服了。
    摩尔根决心沿着这条线索追下去，看看动物到底是怎样遗传的。他进一步观察，
发现子二代的白眼果蝇全是雄性，这说明性状(白)的性别(雄)的因子是“连锁”在一
起的，而细胞分裂时，染色体先由一变二，可见能够遗传性状、性别的基因就在染色
体上，它通过细胞分裂一代代地传下去。
    染色体就是基因的载体！摩尔根和他的学生真的还推算出了各种基因的染色体上
的位置，并画出了果蝇的4对染色体上的基因所排列的位置图。
    摩尔根的染色体理论成功地解释了性别遗传。原来，性细胞，即精子和卵子，除
可先一分为二，变成成倍的新细胞体外，它还可以“减数分裂”，即：本来细胞中含
有46个染色体，结果分裂后只剩下23个，这样，精子和卵子结合，又成为一个有46个
染色体的新细胞了，这就是新的生命。男女双方的23个染色体有22个是普通染色体，
只有一个是决定性别的，这一个在女性一方都是X染色体，在男性一方则有可能是X，
也可能是Y。精子与卵子结合时，如果双方都含有X染色体，则生女孩，如果 X卵子碰
到一个Y精子则生男孩，生男还是生女这个谜，到摩尔根这里才终于被揭破了。于是，
摩尔根创立了著名的基因学说，并获得了1933年的诺贝尔生理学及医学奖金。
    遗传是基因决定的，那么基因又是由什么构成的呢？在显微镜下面看染色体上的
基因，只不过是一些黑色条纹，很难看出它们的细微结构，因而也就无法说明基因是
什么。
    基因决定生物的遗传性状，孟德尔的假说被证实了，但是，摩尔根接着又向后人
提出一个假说，他在自己的名著《基因论》的末尾写道：
    “我仍然很难放弃这个可爱的假设：就是基因之所以稳定，是因为它代表了一个
有机的化学实体。”
    真正的遗传物质
    人类对细胞的研究不断深入，在研究细胞质、细胞核之后，又开始在分子水平上
研究细胞，从而进入分子生物学，它要对生物细胞的分子结构进行探索，从而来破解
基因之谜。
    20世纪以来，人们已经知道：构成细胞的化学物质主要有两大类：一类是蛋白质，
另一类是核酸。蛋白质的基本结构单位是氨基酸，常见的蛋白质是由20种不同的氨基
酸组成的，不同的蛋白质区别就在于所含氨基酸的种类数目和排列的次序不同。核酸
之所以叫它核酸，是因为它最先在细胞核里找到的。它的基本单位叫核苷酸。核酸在
细胞里的含量很少，一个鸡蛋里的核酸只占鸡蛋重的20万亿分之一，也就是说，20万
亿个鸡蛋所含的核酸的总量，不过等于一个鸡蛋的重量。
    其实，早在摩尔根之前就有人在进行这方面的探索，不过当时没能引起人们的注
意。1869年，瑞典科学家米歇尔发现，细胞核主要由含磷物质构成。20年后，人们发
现这种物质是强酸，便称为核酸。后来，德国人科赛尔将核酸水解，又发现它含有 3
种成分：核糖、磷酸和有机碱，而有机碱又含有4种成分：胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)、
腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)，这样，人们对细胞核的认识有了更加深入的了解。
    科赛尔的学生美国化学家莱文，又发现了一个事实：核酸里的糖比普通糖少一个
碳原子，就叫它核糖；他又发现有些核糖少一个氧原子，就命名为脱氧核糖。由于核
酸所含的糖不同，又分做核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)。
    在1932年春天召开的国际光疗会议上，作为物理学家的玻尔不怕别人说他班门弄
斧，竟在各国医学家、生物学家面前作了一个《光与生命》的演讲。在演讲中，他没
有就生物论生物，而是从量子力学出发，大谈物理与生物的互补原理，使在场的许多
专家听得茅塞顿开。
    在听众当中，有一位年仅26岁的原子物理学家，他叫德尔布吕克。
    德尔布吕克听完玻尔的演讲后，觉得生物学与物理学相比，生物学的微观世界还
远没有被人涉足，而物理学的一些研究方法和原理却正可以用于这门新学科，生理现
象所以比物理现象复杂，其原因就在于它是生命的体现，而生命之谜正在遗传，这是
一个诱人的题目。于是，德尔布吕克暗下决心，改弦更张，由研究物理学转入研究生
物学。
    第二次世界大战前夕，欧洲科学家纷纷到美国避难，德尔布吕克也来到美国，在
加利福尼亚的摩尔根研究基地工作。这时，他看到实验室里使用一种“噬菌体”作为
细菌和病毒研究的材料。这噬菌体是一种病毒，与其他生物的细胞染色体的基因有一
样的物理、化学属性，但它的结构简单得出奇：它有一个六角形的头，头部中心含有
DNA ，头部后面拖着一条尾巴，尾巴稍上又有六根尾丝。当噬菌体感染细菌时，先用
六根尾丝牢牢地粘附在细菌壁上，这时，它的尾部放出一种酶，把细菌的细胞壁溶解
开一个洞，然后就可钻入。而且，它繁殖得很快，侵入大肠杆菌内后，只要20分钟就
可繁殖数百个后代。这是一种细菌的“寄生虫”，也能将其多种多样的性状传递给后
代。
    德尔布吕克见到这种东西不禁心中一喜，选择最简单而又典型的对象来研究，正
是物理学中常用的办法。所以，他决定以这个噬菌体作为研究基因的突破口。
    噬菌体头部含有 DNA，其他部分都是蛋白质，现在的问题是要区分它进入大肠杆
菌后，是靠哪一部分遗传、繁殖的。研究原子物理出身的德尔布吕克这回又表现出了
他的优势，他采取了物理学研究方法中常用的放射性同位素标记法。
    原来，DNA中只存在磷，不存在硫，而蛋白质中大多是硫，只有极少的磷。于是，
他和生物学家赫尔希等人设计了一个极其巧妙的试验：他们用放射性磷-32 和放射性
硫-35来分别给DNA和蛋白质作了记号，然后，用作了记号的噬菌体去感染大肠杆菌。
这一招儿果然很灵，他们发现，当噬菌体侵入细菌内部时，是将身体外壳留在细胞壁
外，而将DNA渗入细胞内，这通过记录到的磷-32和硫-35就可以分得一清二楚。
    确实是只有 DNA进入了大肠杆菌内，但是，20分钟后生成的噬菌体仍和原来一模
一样，这就再清楚不过地证明只有 DNA才是生物的遗传物质，执行遗传任务的并不是
蛋白质，德尔布吕克因为这项发现而获得了1969年的诺贝尔医学和生物学奖，被人称
为“分子生物学之父”。
    DNA就是遗传物质，那么，它的结构怎么样?它是怎样实现遗传的呢?
    
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