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生物学经典名著（解密生命 ）
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by 刘易斯.托马斯 1---生命之源 关于地球上的生命究竟是如何诞生的，至今没有一个公认的令人信服的说法，这就 给生命的源头蒙上了一层神秘的色彩。 当然，要弄清楚地球生命的起源，就非常有必要知道地球是如何演化的，其中与生 命尤为相关的便是大气，因为是它为生命的出现创造了必要的条件。 地球大气的演进可以分为三个阶段：第一代大气即原始大气在地球演化的初期就消 失了；第二代大气是被地球内部物理化学反应挤压出来的，称为还原大气。还原大气的 显著特征便是缺氧，只是由于后来出现了植物，植物的光合作用提供了大量的氧气，才使得还原大气变成了以氮、氧为主的现代大气，即氧化大气。据此，科学家们推测，在35亿年之前，地球上就已经出现了生命。 推测终归是推测，地球生命起源依然是一个悬而未决的问题。现在，可以肯定地认 为，大约在40亿年前，地球上只有岩五和水，地表温度很高，缺氧的大气使来自太阳的 紫外线可以畅通无阻地射到地表，而紫外线具有相当强的化学活性，它是生命形成的催 化物。诸多关于生命起源的假说就是从这里开始的。 1924年，被誉为世界研究生命起源的先驱。苏联生物学家奥巴林在他的《生命起源 》一书中把生命起源的历史分为三个阶段：有机物产生；氨基酸、高分子聚合物形成； 具有新陈代谢机能的蛋白质产生。奥巴林认为，生命发生的可能过程应为蛋白质分子一分子团团聚体，团聚体内部结构的完善可以导致原始生命的出现，并最终产生结构、功 能复杂的生命单体。先是原始单细胞生物，然后向两个方向进化：一是自养能力强化而 运动功能退化，进化至单细胞菌藻类植物，成为植物界进化的源头；另一方向则是运动功能强化而自养功能退化，进化至单细胞原生动物，成为动物界进化的源头。 奥巴林的生命起源假说拥有很大一批追随者，其中不乏闻名于世的身体力行者。20 世纪50年代，美国人米勒开创了生命起源模拟实验的先河。1953年，米勒依据奥巴林的 假说，着手开始了原始大气模拟实验。他把甲烷、水蒸汽、氨、氧气的混合物装在一个 完全密闭的装置内，让它们循环流经一个模拟太阳紫外线辐射的电弧。在历经一周的连 续放电之后，密闭装置内产生了甘氨酸、丙氨酸等11种氨基酸，其中有4种氨基酸存在于 天然蛋白质中。米勒实验的成功给了后来者极大的鼓舞，此后，世界各国科学家纷纷投 身于寻找生命源头的研究中。1959年，德国科学家格罗特和维斯霍夫设计了一个用紫外 线代替放电的实验，同样得到了氨基酸；1961年，美国的生物化学家奥洛把氰化物加入 实验混合物中，得到了很多种氨基酸及一些短链的肽，还制成了一种重要的生命物质一瞟吟；1962年，奥洛又制成了核糖和脱氧核糖；1963年，美国人波南佩鲁马做了同米勒 相似的实验，他用电子作能源，制成了腺瞟吟；接着，他又和同事们一起在紫外线的作 用下，制成了腺膘吟校普。到了周世纪70年代，组成蛋白质的20种氨基酸已能够全部通过人工模拟自然条件的方法合成。奥巴林假说中关于生命起源的有机物产生阶段已多次为实验所证实，大的分歧出现在蛋白质与生命物质产生阶段。在奥巴林生命起源假说中 ，海水是不可或缺的，它被认为是生命的摇篮。奥巴林派坚持认为，如果没有原始海洋，有机物质难以储存聚集，最终形成有自我复制功能的生命单体。 但是，美国生物化学家福克斯却不这样认为，1960年，他提出了另一种生命起源的假说 一类蛋白微球体假说。福克斯认为，早期的地球温度很高，依靠热能就足以使简单的化合物形成复杂的化合物。为了证明自己的假说，早在1955年，福克斯就开始进行实验。 他把各种氨基酸的混合物加热到200℃，3小时后，它们形成了形似蛋白质的分子链，被 称为类蛋白。1960年，福克斯又把酸性类蛋白放人稀酸中加热溶解，冷却后缩结成团，形成微球体。在光学显微镜下，福克斯发现这种微球体很像细菌，并且在特定处理后还能出芽，芽长大后能脱落下来；小球还能分裂，一分为二或者彼此连成长串。 福克斯的类蛋白微球体假说否定了生命发生对原始海洋的依赖，因而被称为“陆相 起源派”。科学历来具有极大的包容性，多年以来，奥巴林派与福克斯派长期致力于发 展完善各自的理论，其间并无多少争论。在数十亿年前，什么样的事情都有可能发生，而今天的人类只能在想象中追寻昔日的印迹，追寻原始生命发生的轰轰烈烈的景象。奥 巴林派与福克斯派的学术价值都得到了同样的认可，团聚体和微球体都被看成是生命发生过程中的原始细胞模型。 在“海纳百川，有容乃大”的科学精神的鼓舞下，近年来，关于地球生命起源的假 说纷起林立，比较著名的有“火山学派”与“外来生命学派”。福克斯的“类蛋白微球 体”迄今在自然界尚未被发现，而有生命的类病毒却可以在自然界发现。类病毒的前导物质为单质磷酸，科学家在研究火山气体时发现其中含有单质磷酸复合形成的大分子磷酸。据此，“火山学派”认为，由于火山爆发生成了大量大分子磷酸，这种物质溶入海 水，成为地球生命之源。有一件事可以佐证“火山学派”的结论。1977年，海洋学专家 柯利斯在太平洋底考察海底火山时无意中发现，在沸腾的火山岩浆喷口周围活跃着形形 色色的生命形态，有鞋底大小的蛤，也有肝达近两米的大管虫。这时，一个奇思妙想在 他的脑海中产生：地球上的生命很可能就是在这样的条件下催生的，因为在地球形成生 命的初期，地球的环境也是相当恶劣的，许多地方都很类似于海底火山四周围的环境。 柯利斯的发现及假设并未引起足够的重视，从未有过科学家真正去认真地加以验证。绝 大多数探索生命源头的人都不会相信，生命是在滚烫有毒的环境中诞生的。直到最近几 年，才有一些科学家开始挽起袖口验证热液出口是否有发生生化反应的可能性。试验结 果表明，那些炙热的、甚至含有大量有毒物质的热液喷口处果真有早期生命产生所必需 的化学变化。1996年8月，美国基因组研究所的科学家宣称，他们解开了当初由柯利斯提 出的作为生命第三分支（另两种为细菌与真核细胞）而存在的一种原始生物杨氏产甲烷 球菌的1700个基因密码。杨氏产甲烷球菌生活在太平洋洋底2623米水深的一座火山口的 边沿上，其生活不受阳光的影响，而且不以有机碳作为食物源。它靠火山口排放出的二 氧化碳、氮和氢为生，释放甲烷。研究人员从这种微生物中抽取了生命体中最重要的生 命物质DNA。科学家认为，这种微生物可能是原始生命最早的形式，还可能是外星上最有 可能存在的生命形式。 和“火山学派”主张生命是从地下冒出来的不同，外来生命学派则坚定地认为，地 球生命是从天上掉下来的。科学家们发现，从天外坠落到地球上的陨石中包纳了构成地 球生命的全部基本要素；宇宙中存在着有机分子云，地球上发生流感的周期与某些管星 的运行轨道接近地球的周期十分一致。此外，在地球上还发现了能在232℃高温下生活的 细菌。美国康奈尔大学的著名天文学家卡尔·萨根对于丰富完善“外来生命学”功勋卓 著。通过地球初级阶段的多种电脑模型和对星际尘埃粒子的深入分析，萨根认为，陨星 曾是促成生命起源的分子的主要源泉。萨根的言外之意是，假如他的论点成立，并能发 现外星生命实质上与地球生命相同，那么，现行的生命起源及胚种论等学说就得重新改 写了。 或许，萨根是对的。迄今为止，生命究何端，学术界依然各执已见，莫衷一是，谁 又有谁能够确切地知晓呢？ |
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标 题: 2---生命之旅 在生命起源的历史阶段中，多分子体演变为原始生命是最复杂、最有决定意义的阶 段。至于多分子体如何演变成为原始生命，迄今为止，科学家们并没有弄清楚，他们只 能用“经过长期不断地相互作用”把这段关键而复杂的过程一笔带过。总之，35亿年前 ， 地球生命出现了。 现在能够找到的最早化石是出现在南非的细菌球状和材状结构化石，现已确定这是 35亿年前的化石。此后的一段漫长时间（约30亿年），＊命史几乎一片空白。那么长的 时间内，谁统治着整个地球，它们都干了些什么，今天的人们根本无法想象。或许，那些简单得不能再简单的生命体真是静悄悄地蠕动了30亿年，直到5一利己年前才变成了最原始的藻类和结构相对复杂的微生物。 大约在4．5亿年前，地球，确切地说是海洋出现了～个统治者，这种生物就是现已 灭绝的三叮虫。三叶虫是一种原始的无脊椎动物，其身体结构已相当精巧、完善。在那 个古老的世界里，三叶虫是生活得最为舒坦的动物。有时候，它在水面上游来游击；有 时候，它却在海底的泥沙里钻来钻去。它有许多子孙，其中有一些进化成为新的物种。三叶虫称王称霸的日子一直持续到2亿年前，但是后来却不知为什么全部灭绝了。只有一种三叶虫进化成为水蝎，后来也悄无声息地退出了历史舞台，取而代之的是淡水溪流的泥底里出现的甲胄鱼，它们披盔挂甲，样子很威武，是最原始的脊椎动物。 早期的生命都是在海水中成长的，大约在4亿年前，生物才从海洋中络绎不绝地登上I陆地。河先是植物，大约在利己500万年前，裸棵等一类低等植物在陆地上扎下了根这些植物高约40厘米左右，茎上长满丁带刺的小叶，种种迹象表明，它们应当是海藻一 类植物的后代。接着是动物，在鱼类时代的某个时期出现了能呼吸空气的有鼻孔的鱼类包括肺鱼的一族和总鳍类的一支。这些有鼻孔的鱼类并不甘心总是在海洋中游像最终，它们还是设法爬上了陆地，成为原始的两栖动物。第一批登陆的原始两栖动物生活得颇 为艰辛，它们往往要在比水的浮力大好几倍的地球引力下挣扎着呼吸几口新鲜空气，然后再回到水中，那儿才是它们舒适的生活环境。几千万年以后，许多古代的两栖动物都灭绝了，只在地球的温带留下了它们的后裔，主要是青蛙、病蛤蟒和珠饿之类的动物。这时，自然选择再次制造了奇迹：一些两栖动物可以体内受精。生下的卵外面包有一层皮质硬壳，不受干旱和来自陆地的各种危险的影响，并且它们还可以离开水生殖。这些两栖动物最后进化成为爬行动物，从此，曲指算来，爬行类出现并逐渐开始在陆上横行霸道应当是1－2亿年前的事情了。那时候，地球气候温暖如春，遍地都是茂密的森林，给爬行动物提供了异常丰富的食物源。因此，它们逐渐繁盛起来，种类也越来越多：有的长了长腿，喜欢在陆地上奔跑；有的则完全失去了双腿，长得像蛇一样；有的腿又变成了像鱼类～样的鳍状肢，重新回到水里；有的长起了翅膀，向天空中飞去……最为突出的一类分化为鳄鱼和恐龙。恐龙后来成为株罗纪（距今195亿年）、白查纪（距今137亿年）世界的统治者，好莱坞大片《株罗纪公园》曾将恐龙用电脑特技的手段再现于银幕之上。 6000万年前，不知什么原因，恐龙从地球上神秘地消失了。此后，一些身体小的爬行动物进化成为现在的蛇、渐惕和乌龟之类，而另一类小型的恐龙则进化为鸟类的祖先始祖鸟。在恐龙还是地球霸主的年代里，有一些从最初的爬行动物发展出来的小动物就开始活跃起来。与爬行动物相比，它们有两个显著的差异：－，它们遍身长毛；二，它们的血恒温恒热。而此前，大多数脊椎动物的血液都不能保持一定的温度。到了爬行动物的全盛期过后，这些新兴的动物似乎表现出了对地球环境更为强大的适应力，因而也得到了很大的发展，它们后来成为最古老的哺乳类动物。 在此后的3000万年间，像爬行动物当初发展的轨道一样，哺乳动物经历了一个迅速发展的繁荣期。 今天众多的各类哺乳动物都是从早期的原始动物分化而来的。原始哺乳动物中有一种吃水果、昆虫、栖居树上的小动物成为灵长自动物的直接祖先，从它们的各种身体特征来看，它们应当是现代狐猴的祖先。科学家们在美国怀俄明州发现了生活在5800万年前的古狐猴的化石。它们的一些后代进而演变成现代猿，如大猩猩、长臂猿及黑猩猩；同时，另有少数的古狐猴从树上跳了下来到地面搜寻食物，并慢慢地站立起来，发现并学会了使用火。在这条进化大道上，它们慢慢地向人类演变着，把生命之旅带进了人类文明的新纪元。当生命日历翻到了新生代第四纪——距今250万年前的时候，人类的祖先出现了，喜怒交加、爱恨交织、血腥仇杀、和平发展的人类文明史终于揭开了序幕。 从最古老的单细胞到有着复杂生命结构与思维的人类诞生，在漫长的30多亿年生命行进征程中，形形色色的生物从出生到灭亡，从低等到高等，究竟是何种神奇的力量推动着生物的进化发展呢？多少个世纪以来，人们绞尽脑汁，企图找到令人信服的答案，最终都以百思不得其解而告终。直到19世纪，法国人居维叶才提出了一个让人们勉强接受的“灾变论”。居维叶认为历史上地球表面曾发生过灾难性的巨变，这些巨变都是在瞬间造成的。在毫无防备的情况下，地球上的大部分生物骤然间死亡了，后来变成化石而寥寥可数的几个残存生物则发展出了新的物种。居维叶生活在拿破仑时期，当时是拿破仑的大红人。由于这层微妙的关系，居维叶得以快意地痛击学术对头拉马克，并在学界推行他的灾变说。由此，居维叶也博得了“生物学界的独裁者”的雅号。在生物进化思想发胜负上，店维叶的论敌拉马克是一位必须提到的人物，他被认为是进化论的伟大先驱。拉马克反对“灾变论”而主张“生物是进化”的学说，他认为，生命的历史自古至今从未中断过，在环境的影响下，生物的器官起使用越发达，不使用便会退化、消失。 这就是拉马克毕生所倡导的“用进废退”学说。 就在对生命演进机理持不同见解的各门各派展开激烈论战、争论不休的时候，一个划时代的人物出现了。自古以来众说纷纭、莫衷一是的进化论思想终于在19世纪英国伟大的博物学家达尔文手中形成了具有无可争议说服力的体系。到了1859年达尔文的《物种起源》一书出版后，生物普遍进化的思想以及物竞天择、适者生存的进化机制已成为学术界、思想界的公论。由此，达尔文的生物进化论被称为19世纪自然科学的三大发现之一。 查理•达尔文1809年2月12日生于英国希罗普郡，幼年时代，他并没有表现出什么 特别的天份，只是到了青年时代，好玩爱动、迷恋大自然的天性才给他带来了好运气。 1828年8月，达尔文搭乘美国海军的海洋考察船“贝格尔号”坏航世界，探索贸易 路线，开始了改变化一生命运的事业之旅。达尔文在“贝格尔号”上生活了将近5年， 每航行到一个地方，他都坚持采集岩石、植物和动物的标本，还记下了许多珍贵的笔记。 1836年达尔文回到英国后，他已成为一个训练有素的博物学家。在环球考察后，达尔文得出了一个重要的结论：某个物种只要条件比其它物种优越，哪怕是略见优越，也会有很好的机会生存下来并且繁殖后代。这便是著名的“自然选择”理论，“适者生存”是 “自然选择”理论的精髓。20多年后，在举世闻名的《物种起源》一书中，达尔文提出了一个又一个令人震惊的论断：生命只有一个祖先，因为生命都起源于一个原始细胞的开端；生物是从简单到复杂。从低级到高级逐步发展而来的，生物在进化中不断地进行着生存斗争，进行着自然选择； 人类的悠久家史并不比猪、狗“高贵”多少，人类也是起源于“某些原始细胞”，后来逐渐进化，变成了鱼、两栖动物、哺乳动物，再经过进化才变成了类人猿和今天的人类…… 达尔文的《物种起源》一书成了生物学史上的经典著作。如今，《物种起源》所提及的许多观点已成为人尽皆知的常识。达尔文的生物进化论后来不断地得到了发展。20世纪40年代初，英国人霍尔丹和美籍苏联生物学家杜布赞斯基创立了“现代进化论”。 现代进化论者摒弃了达尔文把个体作为生物进化基本单位的说法，他们认为，应当把群体作为进化的基本单位。突变本身是物种的一种适应性状，它既是进化的动因，又是进化的结果，自然选择的作用不是通过对优胜个体的挑选，而是以消灭无适应能力的 个体这一方式而实现的。现代进化论很好地解释了古典达尔文主义无法解释的许多事实。 遗憾的是在达尔文时代，遗传学先驱孟德尔还没有能够让世人相信他的遗传学说，否则，达尔文定会痛不欲生，因为1838年，他选择了亲舅舅的女儿、表姐埃玛作为终身伴侣。据说，到了晚年，达尔文对孟德尔和他的遗传学略有所闻，他常常为他的近亲结婚感到不安。 |
2楼2006-05-03 10:15:25
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标 题: 3---生命基质：细胞 这是一群围绕着自己产下的印乱转的昆虫，它们似乎在举行某种欢庆仪式，以表达 新生命产生的庄严与神圣。 自从生命在地球上出现以来，生物区对生命的产生方式和生命的萌芽物产生了某种 特有的崇拜与依恋槽结——鸟类精Its＼孵卵，人类十目怀路，生命惟有在母性的抚爱 中才能够诞生井茁壮成长，这是生命的本能。直到1665年英国人罗伯特·胡克发现了细 胞，解开生命之谜的大门才渐渐开启。当年，胡克用他的那架老掉牙的显微镜观察软木 片的切片时竟然发现了许多小空洞，空洞中布满了气孔，除此之外一无所有。那时候， 胡克并不知道，他亲自打开了充满了奥妙与神奇的生命宝盒。现在，显微镜的发展使人 们已经十分清楚，所有的生命都是由这些被称为“细胞”的小率洞组成的。细胞乃是生 命的原型与基质，其内部结构及功能相当复杂，远非胡克所认识得那样简单。今天，人 们在高倍显微镜下可以清晰地看到细胞的内部结构。植物细胞的外面有细胞壁，细胞与 细胞之间有一层胶状物，把两个细胞壁紧紧地粘合在一起。在相邻两个细胞之间的壁上 有胞间连丝，使细胞之间彼此互通。此外，植物细胞内还有细胞质和细胞核。细胞质内 有核糖体、内质网、高尔基体和液泡等内容物。核糖体是合成蛋白质的地方，内质网和 高尔基体有合成、包装和运输物质的功能。细胞质内还有丝状和管状结构，类似细胞的 肌肉和骨架，与细胞的运动有关。细胞核内有核膜，使核与细胞质分开。此外还有染色 质和核仁。细胞核是细胞的“中枢”，是遗传信息储存、复制和转录的场所。细胞内还 有两个较大的细胞器，就是线粒体和质体。线粒体能起呼吸作用。动物细胞与植物细胞 最显著的区别是它的表面由一层质膜包裹，控制着细胞内外物质的运输。在电子显微镜 下，质膜的结构变化多端，有的向内折叠成手指状，有的向外凹陷，形成月芽状。 有的细胞，人的肉眼就可以看见，比如鸟类的蛋，最大的直径达10厘米；最小的细 胞直径只有0．互微米，比如原始细菌，要用高倍显微镜才能够看清楚。细胞的形状千 差万别，有球体、多面体、纺锤体和柱状体等。通常，细胞的结构和功能密切相关，如 神经细胞能够伸展好几米，有利于传导外界的刺激信息。 以上内容都是今天人们所熟知的自然常识，而在19世纪30年代德国植物学家施莱登 和生理学家施旺创立细胞学说之前，细胞在人们心目中的印象还是相当模糊的。在他们 所共同创立的细胞学说中，细胞被认为是“一个具有生命特性的有机体，整个动物和植 物体乃是细胞的集合体，细胞是生命体结构与功能的基本单位，它们依照一定的规律排 列在动植物体内”。 施莱登和施旺均探讨过细胞的成长发育过程，他们深信，既然所有的生命在结构上 都由细胞组成，那么所有生命的发生也应当从一个细胞开始，组织的发育必定是通过细 胞的增殖进行的。施莱登、施旺的以上观点后来被德国生物学家韦尔素概括为一句名言 ： “一切细胞都来自细胞。”韦尔素的这句名言也暗含了另外一层意思：一切生命均来自 于生命，因此，细胞也可以恰如其分地被认为是全部生命的基质。 现在看来，细胞学说的创立和细胞对于生命的重要性如同原子学说和原子对于物理 、 化学的重要性，它们把生命的奥秘和生命本身浓缩到了一个微观境界。由于细胞的发现 ， 人们不仅知道一切高能有机体都是按照一个共同的规律生长发育的，而且通过细胞的变 异，不断地改变自己，并向更高的生命层次迈进。和达尔文进化论一样，细胞学说也被 誉为19世纪的三大发现之一。 生命之舟：染色体 细胞英文名为CELL，意为小房间。那么，既然细胞是生命的基质，生命的全部奥秘 必定都是在这个小房间里了，只是需要一把开启房门的钥匙。这把钥匙就是染色体，它 同时也被称为生命的载体。 发现染色体的过程也颇为复杂。早期的科学家发现，如果人为他将一个单细胞生物 分成两半，使其中一半含有完整的细胞核，另一半不含细胞核，那么，有核的一半就能 够分裂、生长，另一半则趋于死亡。由此，人们初步认识到细胞的分裂实际上是细胞核 的分裂。于是，科学家们把视线聚焦到了细胞的内核上；而且，他们还发现，某些染料 可以将细胞核染色，使它在整个细胞中变得十分清晰，便于观察。 1848年，德国植物学家霍夫迈斯特在花粉母细胞中隐约看到了核内的丝状物O1879 年，德国生物学家弗莱明发现，细胞核内分布着～些丝状物，这些丝状物能够被染料染 色。于是，弗莱明把这些丝状物称为“染色质”，后来被德国解剖学家瓦尔德尔改称为 “染色体”。1882年，弗莱明在他的一本描述细胞分裂过程的著作中把整个细胞的分裂 过程称为“有丝分裂”，因为他确信，染色质在其中起着至关重要的作用。后来，科学 家们发现，同一物种内的生物，细胞内都含有同样数目的染色体，细胞中的染色体是成 对存在的。在有丝分裂过程中，染色体的数目先加倍，然后细胞再一分为二，因此，分 裂后的两个子细胞各含有与原母细胞相同数目的染色体。和各类生物殊途同归，人类也 有染色体。1959年，人们终于弄清楚，人类染色体共有46条，对对。从来源b来说，有 一半来自父亲，另一半来自母亲。 很有必要描绘一下减数分裂。减数分裂也称作“成熟分裂”，是指在性成熟的生殖 细胞中，性母细胞经过两次连续分裂，染色体在整个分裂过程中只复制一次，形成的4 个子细胞中的染色体数目减少到原来细胞的一半。减数分裂形成的细胞中，只有一套 （组）染色体，这种细胞也叫作单倍体细胞，常见的如生物体内的精子与卵子。当精子 与卵子受精形成一个细胞后，受精卵（或合子）中的染色体就变成了两套（组），由此 出现了一个新生命的开始。显而易见，减数分裂及精卵结合是保证生命体世代交替和种 类稳定的重要环节。 当人们认识到生物体内生殖细胞的减数分裂与体细胞的有丝分裂同样离不开染色体 时，把染色体比喻作生命之舟并不夸张。因为体细胞的有丝分裂导致生命体的成长壮大 ， 而生殖细胞的减数分裂则导致了生命体的生生不息一生命的过程无非如此。 染色体的先复制，再随着细胞的分裂而分裂可以很好地解释生命的生活与延续状态 ， 但是，生命为何有性别之分呢？这个问题引发了人们浓厚的兴趣O20世纪初，德国生物 学家亨金用切片法研究半翅目昆虫的减数分裂时，发现在性母细胞减数分裂的后期有一 条染色体在向细胞一极移动时处于落后状态。亨金对这条染色体感到很陌生，就随便给 它起了个“X染色体”的名词，表示这是一条连他也没弄清楚的染色体。1902年，美国 人麦克朗认为这条“X染色体”可能与昆虫的性别有某种内在的联系，他苦思冥想，但 最终没有找到说服自己的理由。直到1905年，丹麦人威尔逊发现了在半翅目和直翅目的 许多昆虫中，雌性个体的细胞中具有两套普通的染色体，称作“常染色体”，另外还有 两条“X染色体”，而雄性个体的细胞中也有两套常染色体，但是只有一条“X染色体” 。 由此，威尔逊激动地得出了结论：动物的雌、雄性别可以根据细胞中“X”染色体的多 少加以区别，“X染色体”因而也被他称为“性染色体”。惊喜交加的威尔逊忽视了雄 性个体的那条“X染色体”身边还有一条不露声色的同伴：“Y染色体”，这种染色体呈 钩型，比“X染色体”短小。这条被威尔逊丢失的“Y染色体”三年后被生物学家史蒂芬 斯发现。 豌豆的启示 达尔文进化论并没有给达尔文本人带来多少乐趣，因为他一直被一个百思不得其解 的问题纠缠着。细心的人们可以发现，达尔文在进化机制方面似乎更多地注意到变异， 而对于遗传则吞吞吐吐，语焉不详。事实上，达尔文进化论最受非议的就是遗传问题。 苦闷之余，达尔文甚至采纳了拉马克获得性遗传的观点来补充他的自然选择学说。拉马 克认为，生活环境的变化必将引起动物生活习性的变化，而生活习性的变化则导致器官 的用进废退，这些变化遗传给了后代，逐渐形成了新的物种。 今天看来，拉马克的获得性遗传是个错误的论断，而与达尔文同时代的奥地利修道 土孟德尔和他的34个株系的豌豆真正揭示了自然界遗传与变异的奥秘。 孟德尔注定是生命科学史上一个极其伟大的悲剧人物。1854年夏天，饱经风霜的孟 德尔在他所供职的修道院的花园里种植了34个株系的豌豆，开始了植物杂交有种的遗传 研究。孟德尔首先考察株的高矮两种性状的遗传情况，结果发现，矮株的种子永远只能 生出矮株，因此它属于纯种。而高株却不同，约占1／3的高株种子代代生育高株，而其 余的高株种子则生出一部分高株，一部分矮株，且比例总是1：3。这表明，高株既有纯 种的，也有杂种的。那么，将矮株与纯种高株杂交会出现什么情况呢2结果，孟德尔有 了一个惊人的发现： 杂交生出的全是高株，但是，将这一代杂交出的高株进行自花传粉，新一代1／4是 纯矮种，l／4是纯高种，2／4是杂高种。 这种意外发现的规律太神奇了，孟德尔几乎不相信自己的眼睛。后来，孟德尔还认 识到，豌豆的高、矮性状在遗传时表现有很大差异，前者是显性，后者是隐性。那么， 这种显性、隐性的性状遗传是否具有普遍性呢？孟德尔又考察了豌豆的其它性状，结果 发现了类似的遗传规律。 8年以后，孟德尔将自己的惊人发现写成了一篇题为《植物杂交实验》的论文，并 在一次自然科学研究会上宣读。遗憾的是，他的这项划时代的惊人发现并没有弓I起任 何反响，某些权威甚至不屑一顾地说：“靠数一数豌豆能发现什么？”此后，孟德尔的 这篇论文被尘封了达34年之久，孟德尔本人也在默默无闻中悄然逝去。虽然他直到临终 都在呼喊—— “看吧，我的时代就要来到了”，但那篇论文的处境却依然没有得到改观。 种瓜得瓜，种豆得豆，上一代的性状总会传给下一代，这是遗传现象，但是上代和 下代之间又不可能完全相同，总有许多差异，这种差别叫作变异。这些在日常生活中习 以为常的遗传和变异现象早就引起了人们的注意。因此，自孟德尔之后，人们对于遗传 与变异现象的研究就从未停止过。1900年，一个偶然的机会，一些执著的研究者们在查 阅从前的文献资料时，发现了30多年前一位名叫孟德尔的人写的文章，他们失望地接受 了一个事实：他们什么也不用做了，孟德尔早已打开了现代遗传学的大门，揭示了生命 的许多秘密。 ， 盛赞孟德尔的文章频频见之于世，孟德尔也被世人称颂为现代遗传学的奠基人——孟德 尔的时代一如孟德尔临终时所呼告的那样姗姗来迟。 |
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标 题: 4---生命密码箱：基因 基因早先被称为“遗传因子”，要知道它的确切来历，还得要回到孟德尔的那篇论 文中。那篇论文指出，生物体表现出来的高矮、胖瘦、大小、颜色等性状只是人们能够 感觉到的表面现象，而这些现象的反复出现一定有着某种内在的原因。孟德尔把这种决 定性状的内在原因称为‘’遗传因子”，这是孟德尔学说的核心概念。孟德尔认为，由 于有了遗传作用，生物在进化过程中就不会是连续的变异，而是不连续的变异。这与达 尔文的连续变异的进化思想是迥然不同的。 孟德尔还指出，生物体的每种性状都是由两个遗传因子决定的，一种决定显性，另 一种决定隐性。生物体在形成生殖细胞时，原来成对的遗传因子不能同时进入一个生殖 细胞，每个生殖细胞中只有一对遗传因子中的一个，由雌。雄生殖细胞的合二为一而恢 复成对。在孟德尔的学说中，成对的遗传因子在生物体形成生殖细胞时必然要分离被称 作遗传学第一定律，即“分离定律”，而分离后的遗传因子再次组合成一对的遗传因子 时，可以和原来并非是一对的遗传因子自由搭配在一起，共同进入一个生殖细胞中—— 这种各对遗传因子的独立分离和遗传因子的自由组合被称为遗传学第二定律，即“自由 组合定律”。 孟德尔和他的学说在20世纪初掀起了一个宏大的科学热潮，遗传学迅速成为当时生 物学家们的研究热点，“遗传”、“变异”、“遗传因子”等词语也成了颇为时髦的流 行语。在实际研究工作中，“遗传因子”是用得比较多的概念。1909年，丹麦植物学家 和遗传学家约翰逊提出，“遗传因子”使用起来很不方便，而“基因”代替“遗传因子 ”更能反映出事物的本质，说起来也朗朗上口。此后，人们便习惯于将决定和控制生物 遗传和变异内在的某种细微因子称为“基因。”但是，基因究竟是什么东西？当时谁也 没有亲眼见到过。 那么，基因在哪里？究竟是什么样子呢？比较顺理成章的推测是，基因必定孕育于 细胞中，而且很可能就是染色体或在染色体上。1902年，美国哥伦比亚大学生物学研究 生沃·萨顿发现，染色体显然不是基因，但是染色体与基因有许多相似之处，比如在受 精时来自父方的一个基因与来自母方的一个基因合在一起恢复成双，而来自父方的一条 染色体与来自母方的一条染色体也是合到一起，恢复成双。这种比较研究的结果令萨顿 极为振奋，因为他已经意识到，基因很可能就在染色体上。据此，萨顿提出了一个假说 ：染色体是基因的载体。令萨顿欣喜若狂的是，他的假说很快被各项实验所证实。 1908年，美国哥伦比亚大学生物系的生物胚胎学家摩尔根开始沿着校友萨顿的思路 在果蝇身上寻找基因。在摩尔根看来，果蝇是颇为理想的实验材料，它的生活周期只有 10－14天，易于饲养，而且染色体不多，只有4对。最终，果蝇帮了摩尔根大忙。多年 以后，摩尔根和他的弟子们建立了相当系统的基因遗传学说，揭示了基因是组成染色体 的遗传单位，它能控制遗传性状的发育，也是突变、重组、交换的基本单位。摩尔根本 人也因此获得了1933年度诺贝尔医学和生理学奖。 在一群嗡嗡乱飞的果蝇身L，摩尔根发现，生物遗传基因的确在生殖细胞的染色体上 ，而且基因在每条染色体内是呈直线排列的。染色体可以自由组合，但排在一条染色体 上的基因是不能够自由组合的。基因总是跟随着染色体——这种特点被摩尔根称为基因 的“连锁”，即染色体好比是链条，基因好比构成链条的链环，链环跟着链条跑。可是 ，这种由链环连接而成的链条偶尔也有丢掉一个链环再补上的情形。由于同源染色体的 断离与结合而产生了基因的“交换”。连锁和交换定律是摩尔根发现的遗传学第三定律 ，它揭示了一个奥秘：染色体好比是传递基因的接力棒，它永不停息地从上一代传往下 一代。 基因遗传理论虽然确立了，但是基因究竟是不是一种物质实体在当时尚不清楚。摩 尔根则倾向于基因“代表一个有机的化学实体”的看法，他在著名的《基因论》一书中 写道：“像物理和化学家设想的看不见的原子和电子一样，遗传学家也设想了看不见的 要素——基因……它之所以稳定，是因为它代表着一个有机的化学实体。”摩尔根确信 ，等到生物化学发展到一定程度之后，基因的客观存在性必定会得到证实。 但是，人们对于基因是否实际存在并非像摩尔根那样充满信心。事实上，基因学说 一问世，不少人就认为，基因不过是以某种特定的形式排列在染色体上的位点，它并不 实际存在。其后，遗传学家普遍认为，要想揭示基因的秘密，必须通过更为精密的遗传 分析。另外一部分学者则耐心地等待着分子生物学时代的到来，他们认为，无论基因是 否客观存在，遗传的研究进入分子层次总能够发现一些意想不到的未解之谜。1910年， 德国生物学家魏斯曼提出：“生物科学必须通过把物理学和化学结合起来的方法，并一 直深入到分子原子这样的单位上，才能解释生命世界的种种现象。”事实证明，遗传的 微观机制只有通过物理化学的方法才能揭示，魏斯曼的论断吸引了一大批物理学家、化 学家介入了遗传领域，从而促发了分子生物学时代的早日来临。 人类最终解开基因之谜则要归功于一条带血的绷带。1868年，年轻的瑞主化学家米 歇尔在一条满是浓液的绷带上找到了记录遗传信息的“无字天书”——核酸。说起来， 核酸的发现极其偶然。那条为人类遗传学作出了不朽贡献的绷带是米歇尔从外科诊所的 废物箱中捡来的。浓血主要由白细胞和人体细胞组成，米歇尔用硫酸钠稀溶液冲洗绷带 ，使细胞保持完好并与脓液中的其它成分分开，得到了很多白血球细胞。然后，他又用 酸溶解了包围在白血球外的大部分物质而得到了细胞核，再用稀碱处理细胞核，又得到 了一种含磷量很高的本知物质。这种未知物质被兴趣盎然的米歇尔定名为“核素”。不 久，米歇尔的德国导师塞勒也从酵母菌中提取出了核素。1879年，塞勒的另一名弟子科 塞尔开始系统地研究核素的结构。到了20世纪初，科塞尔和他的学生们已经把核素的所 有组成成分一一一一一一糖、磷酸、膘吟碱、嘴院碱全部辨认出来。由于在细胞核中找 到的那种含磷量很高的“核素”具有很强的酸性，因此，“核素”后来被“核酸”所取 代，并为科学界广泛采纳。 按说，至此，基因物质已全部登场，基因的秘密也该真相大白了。但是，事实并非 如此，科塞尔等人并不知道他们所发现的核酸究竟和基因有什么关系，因此，摩尔根的 预言尚未能够得到证实。1909年，美国生物化学家欧文发现核酸中的碳水化合物是由5个 碳原子组成的核糖分子；到了1930年，他又发现米歇尔在绷带上所发现的“胸腺核酸” 中的糖分子仅仅比塞勒从酵母菌中发现的“酵母核酸”中的糖分子少一个氧原子，因此 把这种糖分子称为“脱氧核糖”。此后，这两种核酸分别被命名为“核糖核酸”（RNA） 与“脱氧核糖核酸”（DNA）。1934年，欧文把以上两种核酸分解为含有一个膘吟（或喷 院）、一个糖分子和一个磷酸分子的许多片段，并把这种片段叫作“核苷酸”。欧文认 为，核酸是由核苷酸连接而成，根据核苷酸中包含的源吟和陵牌的种类不同，核苷酸可 分成4种。在DNA中，4种核甘酸是： 腺瞟吟（A）、鸟膘吟（G）、胞密啶（X）和胸腺密啶（X）核苷酸。在RNA中分为： 腺膘吟（A）、鸟膘吟（G）、胞密啶（X）和尿密啶（X）核苷酸。 DNA一般只在细胞核中，而RNA除了细胞核，还分布在细胞质中。后来，它们被证明 为携带遗传秘密的基因物质，这些基因物质内贮存了生命的所有密码旦开启基因一这个 永恒的生命密码箱，那么，生命的全部奥秘都将尽显无遗，而生命的归宿也必将命中注 定。这是一位名叫道金斯的美国科学家的观点，他坚定不移地认为，生命在本质上应该 被视作是基因的载体。生命照管自己的基因，并且通过某种特定的方式与同类的基因（ 通常是这样）相混合，将它们传递给后代以延续种族。生命传递给每一个后代的便是由 生命密码组成的启动程序，是基因的特定组合。事实上，当地球生命开始出现的时候， 基因的传递便开始了，而且还要永远传递下去，因此，每个生命只是一个暂时的基因载 体。 果如道金斯所言，生命所经历的实在是一场精致的悲剧人生，而生命存在的价值— —至说人类存在的价值——然只是携带着一个生命密码箱在生命演进的大道上放足狂奔 。 生命语言：DNA DNA和RNA的发现似乎并没有掀起多少波澜，因为它们的发现者们并没有能够很好地 说明DNA和RNA与生物遗传基因究竟有什么关系。直到19M年以前，人们还认为，蛋白质才 是生命体内主要的遗传物质。 1944年，美国科学家埃弗雷设计了一个很巧妙的实验，间接证实了DNA就是那个被遗 传学家们找了很久的基因物质，在DNA身上带有生命的遗传秘密指令。埃弗雷用的实验材 料是肺炎球菌。肺炎球菌有两种，一种能致病，表面光滑，称为S型；另一种不能致病， 表面粗糙，称为R型。早在1928年，人们就已经发现将杀死了的S型肺炎球菌和活着的R型 肺炎球菌一起注入小鼠体内仍会致病，从而说明S型肺炎球菌中存在着某种物质能使R型 菌转化成具有致病能力的肺炎球菌。这一结论给了埃弗雷不小的启发，他将S型菌粉碎后 ，提纯其体内的各种物质，获得了纯度很高的糖类、脂类、蛋白质和核酸等，将这些物 质分别与R型菌进行混合培养，发现只有和核酸混合培养的R型菌才能转变为具有致病能 力的细菌。由此可见，核酸才是主要的遗传物质。后来，又有科学家发现，RNA也是一个 携带遗传秘密的基因物质。 1951－1952年，美国科学家赫尔希和德尔布吕克通过对噬菌体的研究，进一步证实 了埃弗雷的观点。噬菌体是能吃细菌的物体，这种物体离开了细胞是一种无生命的物体, 而一旦进入细胞，就具有生物体新陈代谢、繁衍后代等一切特性。赫尔希和德尔布吕克 选择了一种专食大肠杆菌的噬菌体，外形像绒科，有短而粗的头和一条尾巴。当这种噬 菌体遇到大肠杆菌时，先把尾巴搭住细菌并在细菌身上打开一个孔，然后把自己体内的 物质通过小孔注入细菌体内，随后，数以千计的噬菌体形成了，细菌也破裂了。噬菌体 的外壳是蛋白质，而内容物只有DNA。噬菌体把自己的DNA注入到细菌体内生出了小噬菌 体就证明了DNA具有指导遗传的功能，也说明DNA决定着蛋白质的合成以及蛋白质的性质 和构成。蛋白质是组成生命的基础物质，是生命功能的最主要执行者，因此，DNA就是生 命遗传的基因物质。 在以上几位科学家所取得的巨大成就的鼓舞下，生物化学家们开始重新考察核酸的 结构。 那么，DNA中的4种核苷酸是怎样连接起来的呢？在很长的一段时间内，许多科学家 一直把蛋白质作为生物性状表现的工具，认为核酸是通过蛋白质起作用的，因此，核酸 在遗传中的重要作用没有受到足够的重视。直到20世纪40年代末50年代初，人们才发现 核酸不但能够水解分裂成碱基片段，而且还可以进行定量分析。1950年，美国生物化学 家查尔加夫分析了DNA的组成成分，发现了不同来源的DNA分子中，膘哈类核苷酸和呼院 类核苷酸的总数总是相等，腺膘吟核苷酸（A）的数目总是等于胸腺唤院核苷酸阿）， 鸟源吟核苷酸（G）的数目等于胞陵陡核苷酸（C），即A＝T，G＝C；A＋G＝T＋C。这就 是著名的“查尔加夫规则”。 通过研究，查尔加夫还发现，DNA碱基成分随着来源的不同有很大的差异，4种碱基 可以按不同的序列排列，表现出极大的多样性和特异性，能得到4”种不同的排列方式， 是一座十分庞大的遗传密码库。而且4种碱基的组合还遵循一个共同的规律：不论DNA的 来源如何，在4种碱基中，腺瞟吟（A）总是跟胸腺阐陡河）配对，腺喀院（C）总是跟 鸟膘哈（则配对。这种严格的碱基配对叫作“碱基互补原则”。 查尔加夫的发现大大地推进了人们对DNA的理解程度，下一步就是要搞清楚DNA的化 学结构以及它在蛋白质中产生何种作用，从而支配着蛋白质的合成。就在查尔加夫埋头 对DNA展开细致研究的同时，运用X射线等先进的物理学方法研究生物大分子的晶体结构 也取得了突破性进展。这一工作主要是在英国进行的。50年代初，英国科学家威尔金斯 等人用X射线衍射技术对DNA结构潜心研究了3年后发现，DNA是一种螺旋结构。1951年， 英国女物理学家富兰克林拍到了一张十分清晰的DNAX射线衍射照片。这些卓有成效的工 作为DNA双螺旋结构的发现打下了坚实的基础。 最终完成这一宏伟工程的是美国生物学家沃森和英国生物学家克里克。沃森是埃弗 雷噬菌体研究小组的成员，克里克则是英国结构学派的成员。1951年11月，两人在剑桥 大学的卡文迪许实验室相遇，并进行了愉快的交谈，很快发现彼此都对DNA分子结构极 感兴趣，于是便相约合作研究，试图揭示和阐明遗传信息的结构基础。 此后，沃森与克里克抓紧时间研究已经获得的各项数据，并于1951年底提出了一个 由三股链组成的螺旋结构模型。但是很快，他们便失望了，因为由于算少了DNA的含水 量，搭构出来的三股链的样子连他们自己看着都觉得别扭。第一个模型失败了。1952年 7月，克里充意外地从查尔加夫那里得知DNA所含的4种碱基含量并不相等，他意识到， 果真如此，那么只有一种可能，那就是它们只能是两条链上碱基互相以配对的形式而存 在。1953年2月，克里克与沃森又得到了关于DNA结构的X射线衍射照片和新数据。根据各 方面对DNA研究的信息和深入细致的研究分析，沃森和克里克形成了一个共识：DNA是一 种双链螺旋结构。于是，他们搭建了一个DNA双螺旋模型，并于1953年4月将新的DNA结构 模型在权威刊物帕然》杂志上公布于世。 这是一个极为成功、无懈可击的DNA分子结构模型，它由两条右旋但反向的链在同 一个轴上盘绕而成，像一个螺旋形的梯子，生命的遗传密码就列在梯子的横档上。DNA 双螺旋结构模型完美地说明了遗传物质的遗传、生化和结构的主要特征，它的提出是生 物学史上划时代的事件。从此，遗传学的历史和生物学的历史正式从细胞阶段进入了分 子阶段。由于这一划时代的贡献，沃森、克里克和英国科学家威尔金斯共获1962年度诺 贝尔医学和生理学奖，这一殊荣今完全出乎意料的克里克、沃森感慨万千，激动不已。 克里克在他的回忆录《狂热的追求——科学发现之我见》中表述了这种心情：“双螺旋 确实是一种了不起的分子，也是一个了不起的发现。现代人的历史约有5万年，文明的 历史几乎不到1万年，美国的历史仅仅200多年，可是RNA、DNA都至少存在了几十亿年。 从古至今，双螺旋就一直存在并活跃着，可是我们还是近些年才知道。当然，值得庆幸 的是，我们是地球上最先意识到它的存在的生物。有关我们发现双螺旋的文章如此之多, 我很难再补充什么。我想说，DNA是由4个字母的语言写成的长长的生命信息，这是生命 的语言……” 沃森与克里克发现的DNA分子双螺旋结构模型有4个重要特点：一，DNA分子是由两条 成对的链以双螺旋的方式接一定空间距离相互平行盘绕，像一根扭曲的大麻花。DNA 分子的长链从头至尾都严格遵守碱基配对原则。二，两条长链的方向是相反的。三，腺 瞟吟（A） 跟胸腺嚼咛灯）以两氢键联结配对，而胞喷促（C）与鸟瞟吟（G）却以三 氢键联结配对。比如，一条链上的碱基排列顺序是TCGACTGA……，AF么，另一条链上的 碱基排列顺序一定是AGCTGACT……。这就意味着，DNA中一条链的碱基顺序一旦确定，那 么另一条链的碱基顺序也就确定了。四，DNA双螺旋结构模型表明它的结构对于碱基的顺 序不存在任何限制。 据科学家统计，一个体细胞的全部DNA“螺旋楼梯”长约2米。若将一个人的全部 DNA连接起来，可以在地球和太阳之间扯上80个来回。 在那个伟大的发现之后，沃森与克里克从未停止过对生命更深层次的探索。不久， 他们又给《自然》杂志撰写第二篇文章，提出了DNA分子的复制假说：在体细胞的有丝 分裂中，每个DNA分子双螺旋先分解成两个单螺旋，每个单螺旋再利用细胞中现成的游 离膜吟、啧啧以及酶重建失去的那一半。实际上，可以形象地认为，每个单链好像“模 子”，按照某种特定方式浇注出一个个与“模子”相匹配的产品。因此，生命体内DNA 分子由一个变为两个的复制被称为“半保留复制”。沃森和克里克阐述的关于DNA分子 的复制假说得到了当时科学界广泛认同，人们开始认识到，生命就是一个不断复制和进 化的过程，而这个过程起始于DNA的复制，从而保证了父辈的生命密码像拷贝一样准确 无误地传给了子孙。至此，千百年来一直困扰人类的生命遗传之谜终于被解开了。到了 20世纪90年代中期，分子生物学家的研究发现，所有的DNA都有一种语言的特性：分子 中的每4种碱基对必定组成4个字母，由此构成长的文字系列。事实上，编译出基因中信 息的DNA系列已经被生物学家形象地称为“生命的语言”，他们为了把“生命的语言” “逐字表述出来，让DNA通过一系列语言的测试，测试的结果令人惊讶：一部分DNA显示 的文字，其构造竟然同天然的语言十分相似，而另一部分DNA显示的文字则形同“天 书”，完全不像天然的语言，而这一部分DNA恰恰含有能编译密码、制造蛋白质的基因。 |
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标 题: 5---生命密码 在层层剥离生命的奥秘显现出生命的全部密码之前，很有必要提一提蛋白质。这个 名词对于许多人都不会陌生，“高蛋白”几乎成了高营养的代名词。虽然蛋白质在生物 学上的重要性并非全在于营养方面，但是，在生命体这座雄伟大厦的图纸上，真正构筑 起大厦并行使各种功能的主要还是蛋白质，它是生命功能最忠实的执行者。 蛋白质是一类含氮的生物高分子，其基本组成单位是氨基酸。构成蛋白质的氨基酸 只有20种，其中有8种是人体内无法合成的，需要从食物中摄取。蛋白质可以分为两大 类，一类是简单蛋白质，它们的分子只由氨基酸组成，另一类是结合蛋白质，它们的分 子由氨基酸和部分非蛋白质部分组成，结构相当复杂…··二总之，蛋白质是一种高分 子有机化合物，种类繁多。由于不同生命体细胞内存在着不同的蛋白质，所以生命体能 显示出不同的性状。 显然，生命体无法直接将它特有的蛋白质传递给后代，犹如父母并不能把他们的眼 睛、鼻子、嘴唇直接传给子女一样。在这一具有决定性意义的传递过程中，起关键作用 的只有DNA，DNA可以把遗传信息表现为细胞的结构和功能，它可以“指示”细胞合成自 身生命活动所需要的一切蛋白质，蛋白质再进而显示出生物体的遗传性状。 那么，DNA如何“指示”细胞合成蛋白质？这一过程的复杂程度在人们没有破译出 生命遗传密码之前几乎难以设想。因为DNA是由4种碱基组成，而蛋白质却由20种氨基酸 组成，4种碱基若能够决定20种氨基酸的排列组合，一定会有某种特别的编码方式。 1944年，著名的量子物理学家薛定愕出版了《生命是什么》一书，提出了遗传密码的思 想。薛定愕认为，莫尔斯电码只用了点和划两种符号便可产生几十种代号，基因分子的 编码方式必定具有雷同之处。薛定愕未能走得再远一些，而是把这个很伤脑筋的问题留 给了业余生物爱好者、美国天文学家盖莫夫。1953年沃森和克里克关于DNA双螺旋结构 模型发表之后，盖莫夫在1954年2月便提出了一个大胆的设想：DNA分子中的4种核音酸分 解形成各种不同的组合，每一种组合就是一种氨基酸的符号。盖莫夫的设想立即在美 国招致非议，倒不是他说得没有道理，而是他作为一个天文学家，“管得太宽了”，不 该在生物学界“评头论足”。盖莫夫只好转而求助于丹麦的一家科学杂志，没想到引起 了很多物理学家的关注。1955年，这些物理学家凭借着惊人的抽象思维能力，提出了三 个核音酸组合在一起决定着一个氨基酸的设想。 1957年，克里克在吸收物理学家关于DNA组合编码的思想、对核苷酸可能是蛋白质 合成的密码进行研究时提出了“三联体密码”假说：在DNA分子中，三个核苷酸组成一 种氨基酸的密码，除了每个氨基酸有自己的“三体密码子”外，多余的密码子是蛋白质 合成或终止合成的符号。此外，也确实存在着一种氨基酸有几种不同的密码子的情况。 至此，纷繁复杂的生命最终在三体密码的基础上获得了统一，基因的真实面目也大白于 天下：它只是一个密码的系统，而不是人们原先想像的那样是某种神秘的物质实体。生 物界从最简单的病毒到最高等的人类，基本活动都是合成蛋白质的活动，而且无一例外 地都服从统一的、由核各酸组合而成的密码的支配。所有的生物都在按照这个密码体系 进行着生命接力棒的传递。接下来又发生了一件轰动20世纪生命科学界的大事。20世纪 60年代，美国生物学家尼伦伯格等人破译了DNA中核苷酸组合成的生命遗传密码。1961 年，美国生物学家尼伦伯格等人合成了由许多“尿核青酸”连结成的长链，称为“多聚 尿着酸（U－U－U－U……）”，他们把这条人工合成的长链加入含有多种氨基酸、酶、 核糖体和一些合成蛋白质所必需的溶液中。不久，奇迹出现了，这种溶液中形成了一条 只有苯丙氨酸连接而成的多肽链。于是，尼伦伯格等人断定苯丙氨酸的三联体密码是U －UU。此后，尼伦伯格等人进行了更为复杂的试验，并采用类似的方法确定了亮氨酸、 异亮氨酸等多种氨基酸的密码。到了1967年，他们破译了20余种氨基酸的密码，还发现 了不少代表着起始、终止和标点的密码。后来，人们把尼伦伯格等人破译的生命遗传密 码组合成一部精致的密码字典，利用这部特殊的字典便可以随心所欲地找到各种氨基酸 和它所对应的遗传密码。 查阅遗传密码字典的时候，先取左边（第一碱基）的一个字母，再取上面（第二碱 基）的一个字母，最后，再取右边（第三碱基）的一个字母，合起来就是一个氨基酸。 例如GAG代表谷氨酸，AAU代表天冬酚胺等。非常有趣的是，密码里还有句号，用来表示 氨基酸连成I一个段落。不妨借助这部生物字典翻译下列一段密码：GCA（丙氨酸）、 AAC（天冬酚胺）、UCC（丝氨酸）。GGU（甘氨酸）、AUC（异亮氨酸）、UAC（酪氨 酸）、UAA（句号）、UAG（句号）、GGA（甘氨酸）、UUA（亮氨酸）、CCC（脯氨酸）、 AUG（甲硫安酸）、UCG（丝氨酸）、AAG（赖氨酸）、ACA（苏氨酸）、AAG（赖氨酸）。 原来，它就是噬菌体R17身上的部分遗传密码。科学家指出，从细菌到人类的一切生物 的遗传密码都能从遗传密码字典上找到（附：遗传密码字典）。 当科学家们破译了决定生命基础的蛋白质的氨基酸合成密码后，遗传信息的传递机 理便成了人们迫切渴望获知的热门话题。可是，在当时，对遗传信息的传递过程作出合 情合理的解释，实在令人望而生畏。因为细胞学所掌握的事实是，所有DNA都在细胞核 内，而蛋白质却存在于细胞质中，像DNA这样硕大的分子是无法随意进入细胞质的。但 是，DNA的遗传密码如果不能被带入细胞质就无法合成特定的蛋白质，换言之，这个密 码就无所作为。于是，科学家们大胆地推测，一定有一个传递信息的使者，从DNA那里 拷贝了一份密码文件，并带入了细胞质中。那么，这个传递信息的使者染色体是由许多 记录遗传信息的小基因区段组成，每一个基因区段负责控制生物一种性状或者负责几种 相关的性状，或者是几个基因区段负责控制生物体某方面的性状等等，一旦这些正常基 因发生变化就会变成异常基因，相应地由它决定的正常性状也就变成了异常性状。突变 基因产生后就会通过精、卵、受精卵传给下一代。但在DNA模型尚未建立之前，弗里斯 无法很好地解释突变的内在机制。 弗里斯的突变理论后来不断得到证实。较为著名的有这样一个实例：是谁呢？经过 试验和观察，人们终于发现，这个信使就是RNA。RNA在合成蛋白质过程中的作用很快被 实验所证明：科学家们用一种除去DNA的酶除去细胞中99％的DNA，结果发现细胞仍有合 成蛋白质的能力，而如果用另一种除去RNA的酶，只要除去35％的RNA，细胞就彻底失去 了合成蛋白质的能力。 RNA的结构与DNA极为相似，也是由核苷酸连接而成的长链，只不过DNA是双链，RNA 是单链。如果在DNA单链的鸟源吟（G）处连上一个跑呼咬（C），在腺瞟吟（A）处接上 一个尿喷院（U），这样形成的一条新链就是RNA。 现在，人们已经知道，细胞核内DNA的遗传信息必须由RNA翻译过来并带入细胞质才 能合成蛋白质。可是，细胞为什么不直接把氨基酸直接运到细胞核中的DNA那里合成， 却必须要经过RNA的翻译呢？科学家们的回答近似神话，听起来饶有趣味：生物细胞中 的DNA可是生物体传宗接代的根本，它如同一份绝密的构造生命的图纸，是万万不能遗 失的。所以这份蓝图只能锁在保险箱——细胞核中，只许抄写，不能借出或销毁。此外, DNA分子太大太长，细胞核这个工作车间太小了，装配起来甚为不便，因此，必须依靠 翻译家的帮助，才能完成如此程序化的工。于是，在DNA的指挥下，翻译家RNA不辞辛劳 ，帮助生物体合成各种各样的蛋白质。 在生物界，蛋白质的种类是一个天文数字。仅就人体而言，细胞内的蛋白质可能就 有1 种以上，这就是人体表现出各种性状的物质基础。例如子女有的地方像父亲， 有的地方像母亲，那是因为子女从父母那里得到了一张独特的生命蓝图，从而合成了表 现一定性状的蛋白质，产生了一定的遗传性状。至于子女和父母有许多不像的地方则是 因为有些遗传性状受到环境的影响而无法表现。 完成把“密码”语言译成蛋白质的20多种氨基酸语言的重任是由三种RNA共同肩负 的，一种是信使RNA（m－RNA）；另一种是转运RNA（t－RNA）；再一种是核糖体RNA（r －RNA），它们不知疲倦地分工协作，有条不紊地进行着自己的本职工作。 当细胞开始制造蛋白质时，细胞核内双螺旋的DNA便分解成为两个单链，信使RNA把 DNA上合成蛋白质的密码“抄录”下来，然后被派往细胞质，在细胞质中与蛋白质的制造 车间核糖体结合起来。这时候，转运RNA便忙活起来，它能够识别信使RNA上的遗传密码 ，因此充当了“译员”的角色。转运RNA表现得相当活跃，它来回工作，把相应的游离氨 基酸“领到”核糖体那里报到，使不同的氨基酸在核糖体上依据信 基因突变与改造生命 中国有句谚语：“一母生九子，母子十不同”，道理很简单，就是说生命不仅是一 个遗传、复制的重复过程，同时也是一个不断变化的过程。到了20世纪基因的密码完全 破译之后，“世界上从未出现过两个性状完全一样的个体”这个显而易见的事实便上升 到科学的高度而合乎逻辑地解释为生命遗传中的变异。 生命遗传中的变异与基因突变密切相关，最先较为系统地阐述突变理论的人是19世 纪荷兰学者德·弗里斯。早在1886年，弗里斯就开始用月见草进行遗传与突变试验，并 于1901年到1903年间发表了“突变”理论。在突变理论中，弗里斯认为，突变是不需要 经过中间过渡而突然出现的，而且突变一旦产生，便可能一代代遗传下去。弗里斯把 “突变”定义为： 由种种原因而引起的基因结构和功能上的改变。弗里斯认识到，贮存生命遗传信息 的使RNA的密码“对号入座”，这样就合成了各种不同性质的蛋白质。在蛋白质工厂核 糖体内，RNA合成蛋白质的工作效率相当惊人，有的每分钟可以连接1500个氨基酸。 以上过程可以综合为：遗传信息由DNA流向RNA，再由RNA流向蛋白质。这一过程就是 遗传学中的“中心法则”，这一法则最终阐明了DNA、RNA和蛋白质三者的关系。在遗传 的“中心法则”被发现之后，科学家们又发现了一种新的情况，即在“逆转录酶”的作 用下，能够发生以RNA为模板、合成DNA的逆转录现象，因此，他们认为，在蛋白质合成 的过程中，DNA能决定RNA，RNA也同样可以决定DNA，再通过转运RNA翻译成蛋白质。这一 发现设置了一个至今未能解开的谜团：到底是先有DNA呢，还是先有RNA？此外，科学家 还发现，这种逆转录现象不只是少数病毒所特有，甚至在高级机体内也有可能存在。据 此，有人断言，这种现象可能和生命的起源有些渊源。回日本东京大学育种科学研究所 孵化鸡卵时，偶然发现了一只两股全有缺陷的小鸡雏，而且它的左右两爪都缺第三趾。 据了解，这只小鸡雏双亲系统上从未出现过如此性状，而且又不是近亲繁殖的于代。这 只缺趾鸡随后茁壮成长，孵化185无后，它便开始提前产蛋，蛋重60克。它与品种内或 品种外的雄鸡交配而生的后代中，一部分不同程度地存在着缺趾现象。 自从建立了DNA的双螺旋模型之后，人们都已经知道，当细胞进行分裂时，细胞中 所有的DNA都要进行复制，使每一个新细胞都能得到一套与原来细胞完全相同的DNA。在 大多数情况下，DNA的复制都能以严格的方式进行着，但是，偶尔也会出现差错。举例 说明，一条裂开的基因核昔酸链的碱基顺序．A－AA－A－，依据配对规律，新形成的核 苷酸链应当是一T－T－T－T一的碱基顺序与之匹配，但由于某种意外，一个带C的核苷 酸投错了位置，于是就形成了如下螺旋结构：．A．A．A．A．D雷ID－T－C－T－T一这 个错误的螺旋就封存于新形成的细胞中，当这个细胞再次分裂时，新复制的DNA中就出 现了一A－G－A－A一的碱基顺序。这就是基因突变的内在机理。 基因突变既可以给生物带来好处，也可以给它们带来坏处。如果突变给有机体带来 了某种有利的因素，那么，这个变异了的个体适应环境的能力就很强，成活的可能性就 比较大，而且极有可能将突变的性状遗传给后代。反之，这些个体常常会因为不适应生 存环境而死亡，甚至绝种。亿万年来，无数的生物都经历了这样的风风雨雨，在物竞天 择的天律下生灭繁衍，延伸着生命的漫漫长河。 在许多科学家看来，基因突变的价值远不止于解释生物世代遗传性状的改变导致生 物进化过程中的自然选择，研究基因突变的诱因则对于改造生命具有现实意义。早在20 世纪初，一些科学家便开始利用自然界中的各种存在因素，比如提高温度、紫外线照 射以及化学物质处理等方法进行诱导突变实验。此外，科学家还发现，生物体内有一些 化学物质在某些条件下会引起生物体的自然突变，这些化学物质被称为诱变剂。1927年, 美国遗传学家穆勤发现，用X射线照射果蝇精于，后代发生突变的个体数会大大增加。 同年，苏联学者斯塔德列尔用X射线和Y射线照射大麦和玉米种子也得到了类似的结论。 当人们掌握了人工诱发突变的方法以后，改造生命便成了一项时髦的科学活动。比如今 天人们熟知的无籽西瓜就是人工诱发突变的杰出成果。因此，作这样的设想绝非是科学 家的异想天开：将来如果有一天人们能像使用手枪那样地使用诱变剂，想让哪个基因发 生突变，就用手枪的“子弹”射中哪个基因的“靶子”，那么人们就可以按照自己的意 愿来改造某些对人类有利用价值的生命了。当然，人类是否具有这样的权利或者人类是 否愿意为这种生命游戏制订规则却是另外一个问题了 |
5楼2006-05-03 10:17:25
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标 题: 6---基因猪与克隆羊 在人们完全洞悉了生命的奥秘之后，随意组装、修改生命便成了许多人做梦都想跃 跃欲试的事情。当然，组装、修改生命既非“天方夜谭”，也绝非人们所想象得那样简 单。在大多数情形下，谁也不愿意承担可能会带来灾难性后果的巨大风险。即便如此， 类似这样的事情还是发生了。 1986年11月，一头举世无双的公猪在美国贝尔茨维尔农业实验站诞生了。这只猪大 小和普通猪差不多，但却浑身长着红褐色的毛，一双向内斜视的眼睛挤在一张多皱的大 脸盘上，腿脚发肿，还患有严重的关节炎。总之，这只猪长得非常难看，活得也很痛苦 。 为什么会弄成这个样子呢？原来，研究人员在这只公猪的胚胎细胞内嵌入了一头母 牛的生长激素基因，指令公猪的细胞生长母牛的生长激素。估计研究人员的初衷是希望 公猪生长得像牛一样硕大、健壮，但没想到事与愿违，令人沮丧：这只基因猪对于人类 而言并无可圈可点的诱人价值。 这只丑陋的公猪被公布于世之后，立即引起了社会舆论的震动，大体局势是反对者 占了上风。美国动物保护协会公开指责此举是对动物尊严的亵渎，实在太残忍了。他们 甚至向联邦法院提出了诉讼。有些国会议员和科学家也担心，人类用这种强有力的手段 ， 对自然界的生灵横加干涉必定会产生难以想象的严重后果。反对者普遍感到忧心忡忡的 是：这一事实表明，地球上的一切生物，包括人类，都将成为基因工程的开发对象，而 当基因技术无所不能、无法控制的时候，灾难便很可能应运而生……还是有许多科学家 从另外一个角度展望了“基因猪”的前景，他们认为，人类完全具有控制基因技术的能 力，如同原子能造福人类一样，基因工程将会为人类造福，对这一点不应有丝毫怀疑。 10年之后的1996年8月，生物学界又发生了一件轰动世界的大事：在英国苏格兰首府爱 丁堡市郊的卢斯林研究所，克隆羊“多莉”来到了人间。直到1997年2月27日，卢斯林 研究所的科学家才突然向世界宣布，他们在世界上首先使用体细胞成功地克隆了一头绵 羊。消息传出，举世哗然。有人欢呼说这是划时代的突破，也有人惊呼克隆将成为毁灭 人类的武器……总之，小小的克隆羊“多莉”让1997年相对平静的世界热闹了好一阵子 。 当“多莉”正式开始面对世人的时候，它已经牛长了7个月。这时的“多莉”浑身洁白， K着细长弯曲的羊毛，粉扑扑的鼻子，右耳上系着一个标志与众不同身份的小红牌。7个 月大的“多莉”尽管已具有成年学的模样，但仍然很顽皮，时而在圈里蹦来蹦上，时而 从饲养员手中抢东西哈。也许是见f些世间的缘故，它见了陌生入一点儿也不紧张，反 而歪着头，嘴巴略微张开，嘴角向上翘起呈微笑状。此时的“多莉”体重已达45公斤， 但从年龄上讲它还是只小羊。为什么小小的“多莉”竟然引起这么大的轰动效应事实上 ， “多莉”之所以成为名羊，是因为它是一只“克隆”羊。因此，事情还得从“克隆”说 起。 “克隆”在生物学并不是什么新字眼，早在1903年，这个词语就在英语词典上出现 了。克隆最初是指园艺中的扦插、嫁接、压条等技术，后来则泛指一切无性繁殖技术。 无性繁殖的显著特点是在生殖过程中没有精卵结合过程而由体细胞直接发育成新个体， 这样的细胞发育而成的个体能够保留亲代的全部基因，所以能够长得同亲代一模一样。 打个比喻，若能育出“克隆人”，那么由父亲克隆出来的肯定是个男孩，由母亲克隆出 来的必定是女孩，而且谁克隆出来长得就会像谁。克隆羊就是这样，据目击者称，“多 莉”长得和生育她的那只长着黑脸的母羊一模一样。和那只可怜的基因猪不同，克隆羊 “多莉”的出现得到的是一片褒奖和对科学未来的殷切展望。其中内里只能解释为，克 隆羊自身所具备的优点和它的不具破坏性使得人们对生物技术造福人类未来充满了信心 。 克隆动物最大的优点在于能把动物体全面、忠实地复制，这在育种上意义重大。无论是 何种高超手段，都是为了获取具有优良性状的动物，譬如下蛋多的鸡，长肉快的猪。但 这些动物在推广时都会面临一个难题：在大量繁殖时如何才能保持优良的性状？因为传 统的交配有种方式经常会导致优良性状的丢失，所以若要保证性状完全不丢失，就必须 采用克隆技术。据说培育出克隆羊“多莉”的卢斯林研究所曾经培养出一头乳汁中含有 用以治疗人类血友病的药物原料的母羊，被一家公司以50万英镑的价格买走。若是能采 用克隆技术来大批量复制这头羊的话，那么卢斯林研究所必将大发横财。实际上，克隆 动物早在20世纪60年代初就实现了。1960－1962年，英国生物学家戈登用非洲蟾蜍为材 料，进行了细胞中的核移植试验。他从一只非洲蟾蜍的几种体细胞中取出细胞核，用一 种特殊的细针将这些细胞核送入事先用紫外线杀死了核的卵细胞中。“换核卵”与受精 卵一样经过细胞分裂和胚胎发育的正常途径生成了与那只非洲蟾蜍性状极为相似的小非 洲蟾蜍。那时候，就开始有人异想天开了，假如从当今世上最杰出的科学家一一一一一 一如爱因斯坦、霍金一一一一一一xx体细胞中取出细胞核，将之移植到去核的卵细胞中 使之生长发育，那么世界上将会有许多个伟人出现。多少年过去了，科学家没有被克隆 出来，小羊“多莉”却被克隆出来了，而且引起了克隆贿赂时代从未出现过的巨大轰动 一一一一知道，克隆羊的试验方法并不比克隆非洲蟾蜍高明多少。 “克隆”真正成为异常时髦的词语应该是1997年克隆羊“多莉”隆重推出之后。紧 接着，各国科学家纷纷宣布自己的克隆成果，有克隆牛、克隆猪，还有克隆猴……到3 月初的某一天，还传闻出现了克隆人，这个传闻报快又被否认。 这头名叫“多莉”的羊的出现单纯从克隆技术上说本来算不上什么新闻，更不值得 大惊小怪，因为几十年前，科学家们就这样做了。现在看来，这头克隆羊令人啧啧称赞 之处在于，它是世界上第一头使用体细胞复制出来的哺乳动物。以往的哺乳动物克隆技 术只是在胚胎时期将胚胎取出，移入另外的卵子中，这样就可以产生许多孪生个体一克 隆羊却不一样，只要找到羊的活细胞，就有可能复制出几头羊。不过，由于技术条件的 限制，目前这种方法的成功率还很低。据说，同一批进行融合的卵子共有200多个，只 有“多莉”成了幸运者。 事情发展到了这一步，有些问题就不得不考虑了。“克隆羊’猪有了，“克隆人” 还会远吗？虽然从技术上来说，“克隆人”在目前还不可能出现，但是谁能保证会不会 有一天在地球的一个小角落发出这样一个令人恐慌的声音：克隆人“多莉”已经诞生， 世界已正式步入了克隆世纪！因为人类还没有做好心理、生理、伦理体系等各方面的充 分准备，一旦“克隆人”降世，人类将会束手无策，不言而喻，世界也将会变得混乱不 堪。正因如此，牛物技术也受到了立法限制。在美国，人体克隆试验已被明令禁止，日 本、英国、法国等国家也纷纷出台类似规定。有的国家甚至禁止进行克隆动物的研究。 当然，科学家自身也不愿被别人指责为疯子，“多莉之父”维穆特博士多次声称：“我 们从来没有想过要克隆人类，‘克隆人’对于研究来说毫无意义。”……总之，费心去 探讨克隆羊“多莉”出现的意义看上去并没有多少价值，因为它的出现还远未上升到里 程碑的高度，对于整个21世纪的生物技术而言，这只是个小小的序幕，尽管“多莉”是 那样地讨人喜欢、举世闻名。但是，一个必须看到的事实是，“多莉”使得越来越多的 人真切地感受到生物工程世纪的迫近。人们都在认真地思考一个问题：等到生物技术发 展到无所不能的那一天，这个世界将会变成什么样子呢？ 生物工程大观 从1665年英国人罗伯特·胡克发现细胞到克隆羊“多莉”出世，其间经历了300多 年。300多年来，世界发生了天翻地覆的变化，生物学界也不例外。随着周世纪生物科 学和生物技术的崛起及迅猛发展，人类已经可以在细胞和基因的水平上干预和改造生物 的遗传特性，从而依照人类的意愿，设计出新的生物基因蓝图，然后据此制造出新的生 命体。要知道，在300年前，这可是一个神话，而在今天，这个美妙的神话却变成了一 个富于想象力的科学用语：生物工程。 生物工程主要由5个分支组成：基因工程、细胞工程、酶工程、蛋白质工程和微生 物工程。生物工程是本世纪70年代才发展起来的一个新领域，主要研究微生物学、生物 化学加工技术结合起来应用于生物系统的生产技术，其基础为生命科学。生物技术将对 未来世界经济的变革造成深远的影响。 |
6楼2006-05-03 10:18:17
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标 题: 7---基因工程一一M分子水平上对生命作人为干预 随着DNA的内部结构和遗传机制的秘密被揭示一特别是当人们了解到遗传密码由信 使RNA转录表达以后，生物学家不再仅仅满足于探索揭示生命的奥秘，而是群情激昂， 跃跃欲试，设想在分子的水平上去干预生命。这是一个令人着迷的构思：假如将一种生 物的DNA中的某个遗传密码片段连接到另外一种生物的DNA链上去，将DNA重新组织，不就 可以按照人类的愿望，设计出新的遗传物质并创造出新的生物类型吗？这种做法史无 前例，很像技术科学的工程设计，即依据人类的需要把这种生物的这个“基因”与那种 生物的那个“基因”重新“组装”成新的基因组合，创造出新的生命体。这种完全如人 类所愿、由重新组装基因到新生命产生的生物科技被称为“基因工程”。 第一个把上述大胆、神奇的设想变为现实的是美国人科恩。1973年，科恩将两种不 同的基因拼接在一个质粒中，从而拉开了基因工程时代的大幕。科恩本人也以DNA重组 技术发明人的身份向美国专利局申报了世界上第一个基因工程的技术专利。1973年，身 为美国斯坦福大学教授的科恩，从大肠杆菌里取出了两种不同的质粒，它们各自具有一 个抗药的基因，分别对抗不同的药物。科恩把两种质粒上不同的抗药基因“裁剪”下来 ， 再把这两种基因“拼接”在同一个质粒中。当这种杂合质粒进入大肠杆菌体后，这些大 肠杆菌就能抵抗两种药物，而且这种大肠杆菌的后代都具备双重抗菌性。 1974年，科恩又把具有抗青霉素基因的金黄色葡萄球菌的质粒和大肠杆菌的质粒 “组装”成杂合质粒放入大肠体内。结果这种大肠杆菌也获得了对青霉素的抗药性。这 表明，外来基因在大肠杆菌体内同样可以发生作用。当年，科恩又将非洲爪赠的DNA与 大肠杆菌的质粒“拼接”成功，大肠杆菌体内产生了非洲爪赠的核糖体核糖核酸。科恩 实验的成功向全世界宣告了一个生物工程发展的光辉前景：基因工程完全可以不受生物 种类的限制而按照人类的意愿去拼接基因，组装生命。此后，基因工程成为一门颇受世 界各国青睐的前沿科学。在短短的几年内，世界上许多国家的上百个实验室相继开展了 基因工程的研究。基因工程一般分为4个步骤：一是取得符合人们要求的DNA片段，这种 DNA片段被称为“目的基因”；H是将目的基因与质粒或病毒DNA连接成重组DNA；三是把 重组DNA引人某种细胞；四是把目的基因能表达的受体细胞挑选出来。 在以上4个步骤中，第一步至关重要。DNA分子很小，其直径只有五百万分之一厘米 ， 在它们身上动手术是非常困难的，必须要有特殊的工具。这种工具就是一种被称为内切 酶的“分子剪刀”。1968年，科学家第～次从大肠杆菌中提取出了限制性内切酶。这种 限制性内切酶能够在DNA上寻找特定的切点，认准后将DNA分子的双链交错地切断。自力 年代以来，人们已经分离提取了400多种“分子剪刀”，许多“分子剪刀”的特定识别 切点已被弄清。用“分子剪刀”把DNA的分子链切开后，还得缝接起来以完成基因的拼 接。担当此任的是一种叫作“DNA连接酶”的“分子针线”。1967年，科学家们发现并 提取出一种酶，这种酶可以将两个DNA阶段连接起来，修复好DNA链的断裂。要把拼接好 之后的DNA分子运送到受体细胞中去必须寻找一种分子小。能自由进出的细胞，而且在装 载了外来的DNA片段后仍能照样复制的运载体。科学家发现，基因比较理想的运载工具是 病毒、噬菌体和质粒。有了限制性内切酶、连接酶及运载体，基因工程就可以开始 了。当然，如果有一种叫作“基因枪”的工具就更加方便了。科学家发明基因枪的目的 就是为了将外源基因导人受体细胞。基因枪的结构和枪相似，也是用火药来推动的一种 机器装置。基因枪推动一个包着遗传物质钨粒子的塑料弹丸，枪的固定封闭式弹膛里有 一特殊金属板，板上有一微孔。这样，金属板就能阻止弹丸的塑料部分进入，但带有外 源基因的微粒却可以通过微孔，进入紧贴金属板的植物组织或细胞之中。基因枪最大的 好处是将外源基因直接导人完整的细胞而不必除去细胞壁。 基因疗法 1990年美国医生将修改了基因的白血球注入一个小女孩的静脉里，首例基因疗法获 得成功。那位世界上第一个接受基因疗法的小女孩的遗传基因存在缺陷，自身不能生产 一种增强对疾病抵抗力的酶。自从出生以来，她几乎每天都在疾病感染中度过。为了维 持生存，她只能生活在无菌的隔离帐内。美国马里兰州贝塞斯达市卫生研究所医疗中心 的好心医生们挽救了她的性命，1990年9月14日，他们用滴注法将一种灰色溶液输入小 女孩左臂的一条静脉血管中。这种溶液中含有这个女孩的已经过改造的白血球。输液以 后，小女孩已能产生抵抗疾病的那种酶。此后，她只患过一次伤风。据医生说，还没有 发现这种疗法有什么副作用。DNA鉴定——菜温斯基的衣裙DDNA鉴定技术表明，前白宫实 习生莫尼卡·菜温斯基衣裙上的体液与美国总统比尔·克林顿很有关联。菜温斯基与克 林顿的风流韵事以及县为世养第一强国总统的克林顿不得不自独立检察官递交证词成为 20世纪末全世民目性津津乐道的话题。克林顿也因此险些落马，所幸的居他还是保住了 位子。近些日来，DNA鉴定技术已广泛用于司法办案。在美国著名的“辛普森案件”中， 杀人嫌疑人厂辛普森就曾接受过DNA鉴定。这种鉴定的依据是：任问两个人的DNA都是不 相同的，因此，用犯罪现场遗留血样的DNA与犯罪嫌疑人的DNA进行比较，置二者是否一 致，从而作出判决。 病毒灵丹妙药——干扰素 1957年，两位美国科学家在研究病毒干扰现象时发现了一种抗病毒的特效药——干 扰素。它是少数几种能抵御病毒的天然防御物质之一。干扰素的价格十分昂贵，l于克 纳干扰素的价值可达440亿美元。传统生产干扰素的方法是由芬兰人卡里·坎特尔发明 的，他从血液中提取白细胞，然后用病毒去感染它，这时的白细胞就会产生干扰素，提 纯以后，便可供使用。1980年，美国两位生物学家创建了一个遗传技术公司，通过各种 不同的基因配合，得到了几种生产干扰素的细菌。基因技术介入干扰素生产领域大大地 提高了干扰素的生产量。过去用白细胞生产干扰素，每个细胞最多产生100－1000个干 扰素分子，而用基因工程技术改造的大肠杆菌发酵生产，l－2天内便可产生20万个干扰 素分子。现在，美国已经采用基因工程，大规模工业化生产干扰素。中国在用基因技术 生产干扰素方面也不甘落后，1982年，中国科学家就开始用基因工程的方法组建了生产 干扰素的大肠杆菌的新菌种，用这种菌种产生的干扰素具有很强的抗病毒活性。基因移 植人们在长期的研究、实践中发现，自然界中有些细菌具有耐高温、耐盐碱、耐干旱等 优良性能，而这些性能恰恰是许多农作物所缺乏的。如果把细菌的这些性能通过基因移 植技术移植到农作物身上，将从根本上提高农作物抵抗病虫害的能力。这种美好的愿望 最终在1986年得到了实现。当年，比利时的一个遗传科学家小组把苏云金杆菌的基因成 功地移植到烟草细胞中，这种杆菌产生的毒素能杀死昆虫的幼虫。没过多久，贵迹发生 了，当这些带有苏云金杆菌基因的烟草成长植株以后，对害虫的幼虫就有了很强的杀伤 力，幼虫吃了这些烟草几天后便一命呜呼。科学家还发现，这种烟草还能把这种抵抗力 代代遗传下去。基因动物——牛那样大的猪和恐龙那样大的鸡。信不信由你，只要下功 夫在基因上做手术，就有可能制造出牛那样大的猪和恐龙那样大的鸡——当然，这也许 是多少年以后的事情了。现在科学家已经能够制造出超级小白鼠。 1982年，美国科学家把人的生长激素基因注射到小白鼠的受精卵中，得到了个子特 别大的超级小白鼠。像超级小白鼠之类做过改变基因手术的动物被称为转基因动物。转 基因动物的基因移植最初是在小鼠体内进行的。首先将小鼠的受精卵取出来。小鼠的受 精卵有两个原核，一个是雄原核，一个是卵原核，雄原核略微显大，是注射基因的地方 。 手术需要采用特制的显微注射器，固定住玻璃细注射管，由此把基因送到卵里去。随后 ， 将结扎了输精管的雄鼠与雌鼠交配，交配后的雌鼠产生了一系列的生理变化并具备了怀 孕的条件。由于雌鼠体内的卵并没有受精，因此它只是假孕，此时将注射过外源基因 （比如人的生长激素基因）的小鼠受精卵植入假孕母鼠的子宫，这样产生的小鼠就带有 了移植过来的基因。这样的动物就是生物中常见的转基因动物。 细胞工程 细胞工程是指在细胞水平上的遗传操作，即通过细胞融合、核质移植、染色体或基 因移植以及组织和细胞培养等方法，快速繁殖和培养出人们所需要的新物种的技术。细 胞工程的优势在于避免了分离、提纯、剪切、拼接等基因操作，只需将细胞遗传物质直 接转移到受体细胞中就能够形成杂交细胞，因而能够提高基因的转移效率。此外，细胞 工程不仅可以在植物与植物之间、动物与动物之间、微生物与微生物之间进行杂交，甚 至可以在动物与植物与微生物之间进行融合，形成前所未有的杂交物种。“生物导弹” 单克隆抗体在细胞工程中，单克隆抗体技术最为引人瞩目，其产生与癌颇有些关联。癌 是非常令人恐惧的，人们谈癌色变是因为癌细胞能够无限地生长，甚至可以在病人身上 长到几十千克。如果不切除，它还会继续长下去，直到癌细胞将正常的组织所需的养分 全部掠夺从而把病人折磨至死。但是，当癌细胞离开人体后，这一特性却能够变害为益 。 现代免疫学早已查明，一种抗体是由一种B淋巴细胞产生的，人体内约有一亿种不同的B 淋巴细胞，可产生一亿种不同的抗体。依据这种事实，1975年，著名免疫学家米尔斯坦 和同事勒尔在英国剑桥大学分子实验室内巧妙地把B淋巴细胞和能无限生长的骨髓细胞 合并成一个杂交瘤细胞。杂交瘤细胞因而具备了双重特性：既能无限生长，又能产生B 淋巴细胞的抗体。当杂交瘤细胞注射进老鼠的腹腔后，它就能产牛一种特异性抗体一部 克隆抗体。单克隆抗体应用十分广泛，被人们誉为对付癌症的“生物导弹”。如采用抗 癌细胞的单克隆抗体与放射性同位素、化学药物或毒素相结合，注入体内同癌细胞结合 ， 能在原位杀死癌细胞，而对其它正常细胞则毫无损伤，因此，单克隆抗体还被喻为“抗 癌明星”。单克隆抗体本身也可以起到治疗作用，比如，注射乙肝病毒的单克隆抗体可 以达到预防乙肝的目的。 生物技术发展到今天，细胞则成了科学家们随意发挥想像力的乐园，他们甚至可以 把生命像积木那样组装起来，进行细胞水平上的生命组合游戏。生命组合的一个最具代 表性的游戏是美国耶鲁大学教授克莱白特·L·马格特和罗伯特·M·彼德斯的杰作。他 们在黑毛鼠、白毛鼠、黄毛鼠的受精卵分裂成8个细胞时用特制的吸管把8细胞胚吸出输 卵管，然后用一种酶将包裹在各个胚胎上的粘液溶解，再把这三种鼠的8细胞胚放在同 一溶液中使之组装成一个具有24个细胞的“组装胚”。马格特和彼德斯把“组装胚”移 植到一只老鼠的子宫内，不久，一只奇怪的组装鼠问世了，这只组装鼠全身披着黄、白 、 黑三种不同颜色的皮毛。迄今为止，除组装鼠外，英国和美国还组装成功了绵羊和山羊 的嵌合体——绵山羊。据说，世界各国科研人员热情高涨，正在组装“五位一体”。“ 六位一体”的生物，实在想象不出那样的生物会是什么样子。 蛋白质工程——第二代基因工程 蛋白质工程是以蛋白质结构功能关系的知识为基础，通过周密的分子设计，把蛋白 质改造为合乎人类需要的新的突变蛋白质。1983年，美国生物学家额尔默首先提出了 “蛋白质工程”的概念。蛋白质工程的实践依据DNA指导合成蛋白质，因此，人们可以 根据需要对负责编码某种蛋白质的基因进行重新设计，使合成出来的蛋白质的结构变得 符合人们的要求。由于蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，在技术方面有诸 多同基因工程技术相似的地方，因此蛋白质工程也被称为第二代基因工程。 蛋白质工程第一个十分成功的范例是胰岛素的人工合成。1965年，中国科学院和北 京大学生物系联手首次人工合成了牛胰岛素，成了轰动世界的大事。 1953年，英国生物化学家桑格破译出由17种51个氨基酸组成的两条多肽链牛胰岛素 的全部结构。这也是人类第一次搞清一种重要蛋白质分子的详细结构。从1958年开始， 中国科学院上海生化研究所、上海有机化学研究所和北大生物系三个单位联合成立一个 协作组，开始探索用化学方法合成胰岛素。1965年9月7日，协作组完成了结晶牛胰岛素 的全合成。经过严格鉴定，这种人工合成的结晶牛胰岛素在结构、生物活力、物理化学 性质、结晶形状上都与天然的牛胰岛素完全一样。人工合成结晶牛胰岛素是世界上第一 个人工合成的蛋白质，为人类认识生命、揭开生命奥秘迈进了一大步。 让绵羊自己“剪毛” 能让绵羊自己“勇毛”？听起来莫似天方夜谭。殊不知这一特殊的“工艺”已在澳 大利亚试验成功，从而结束了延续5000年2久的一零一度的手工剪毛工作。 这种新方案是采用一种天然蛋白质使绵羊自动脱毛，称为“生物再毛技术”。给一 R接受生物再毛技术处理的绵羊注射上这种特殊的蛋白质，然后军上台体的“发网”， 一周以后，羊毛就会完整地脱慧到网里，宛如绵羊脱下了外经。这一技术已连续7库被 15万多绵羊试用，结果表明，该技术对绵羊无明目损伤，1天之内，绵羊体内的这种蛋 白质水平恢复正常，新的羊毛又开始重新生长。这种新换术将莫毛工作者从繁杂、疲惫 的工作中解放出来，不仅能够减轻工作压力、保证羊毛质量，还能保护绵羊免受剪刀伤 害。 |
7楼2006-05-03 10:18:56
nickler
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标 题: 8---生物芯片 硅晶体是制造电脑的重要材料，长期以来，半导体硅芯片电路过分密集引起的散热 问题一直难以解决。此外，20世纪微电子技术的快速发展也使得硅芯片的制造工艺达到 了登峰造极的程度，于是，科学家们便开始寻找代替硅芯片的新材料。20世纪70年代， 人们发现蛋白质具有开关的特性，用蛋白质分子作元件可以制成生物芯片。这一发现激 发了众多科学家的灵感和热情，很快，一些简单生物元件相继问世。现已研制出利用蛋 白质制造的芯片有： 合成蛋白芯片、遗传生成芯片、红血素芯片等。用蛋白质制造的电脑芯片在1平方 毫米的面积上即可容纳数亿个电路，其存储容量可以达到普通电脑的10亿倍。由蛋白质 构成的集成电路，大小也只相当于硅片集成电路的十万分之一，而且运转速度更快，只 有10秒，大大地超出了人的思维速度。此外，生物芯片耗能低，且具有自我修复的功能 ， 它可以与人体人脑结合起来，听从人脑指挥，从人体中吸收养分。酶工程如果没想一下 没有酶的存在，一个人吃饭后会变成什么样于，就知道了酶对于生命是多么重要：可以 确信，没有酶参加消化吸收的化学反应，一个人吃下去的饭食将不会发生任何变化，那 么，这个人也将会被活活饿死。 很多人都已经知道，酶是最重要的生命物质之一，是生命体内优化调控生命活力的 催化剂，它能使化学反应的速度提高10－10倍。酶具有专一性，一种酶通常只能催化一 种化学反应。到目前为止，在自然界发现的酶大约有300多种。多少年来，科学家一直 在关注一个问题：酶到底是什么物质？他们试图分离酶，但最终都失败了。1930年，洛 克菲勒研究院的化学家诺思罗普和他的同事们得到了许多种酶的结晶体，发现这些结晶 体的确都是蛋白质，但奇怪的是，即使把它们溶解到查不出蛋白质存在的状态都能保持 着催化活力。由此，人们确信，酶是“蛋白质催化剂”早期的酶工程技术主要是从动植 物、微生物材料中制造各种酶制剂以应用于化工、食品和医药等工业领域。70年代后， 生物反应器、生物传感器等酶工程技术迅速应用。随着第三代酶制剂的诞生，酶工程技 术在制造精细化工产品和医药产品等各个领域的广泛应用中逐渐展示了广阔的前景。 微生物工程 首先要澄清一个常识性的错误：人们常说的细菌，或者较为温和的称呼一微生物， 绝非都是致病有害的。实际上，在人类已知的1400种细菌中，只有匕0种危害人类、动 植物的病菌。地球上每时每刻都有数不清的生命体死亡，如果没有真菌和细菌，特别是 腐生细菌，长此以往，地球很可能会被死去的动植物尸体所堆满，人类早已失去了立身 之所。微生物存在的意义显然不只于此，在20世纪中期兴起的生物工程中，微生物工程 举足轻重，因为基因工程、细胞工程、酶工程、单克隆抗体和生物能量转化等高科技成 果往往要通过微生物才能转化为生产力。不用说，人类在史前时期就已经开始利用微生 物为自己酿酒、酿醋了，虽然古人们并不知道这其实是酵母菌立下的汗马功劳。绵延几 千年的传统发酵技术与现代生物工程相结合，使发酵业进入到微生物工程阶段。现代微 生物工程不仅使用微生物细胞，也可以使用动、植物的细胞来发酵，以生产出对人类有 用的各类产品，例如利用培养罐对杂交瘤细胞进行发酵，生产出单克隆抗体等昂贵的生 物工程药品。此外，还可以利用微生物采矿、生产生物塑料和具有解毒功能的微生物。 未来世界 生物工程技术的日新月异为人类打开了前所未有的创造之门，也给未来世界描绘了 一幅锦绣前程。可以预见，未来的生物技术将全面改变人类的生活及生存状态，同时， 作为副产品，也可能引发一系列棘手的社会问题，因为获得总是要付出代价的。 1996年，英国的一些未来学家对21世纪的生物工程技术可能引发的社会问题作出预 测。他们认为，随着ZI世纪的到来，人类将面临着生物遗传学带来的一些社会问题。可 以仅从有关人类的两个方面来分析生物遗传学将带来一系列社会问题的可能性：基因组 图谱、生物与伦理。 1990年，一个世界级的科学家团体宣布，将在未来的匕年内编绘出人类的全部基因 图，这一计划被称为“人类基因组工程”。这项计划的目的在于详细调查、破译组成人 体遗传物质的35亿对基因碱基。“人类基因组工程”的科学价值被当年舆论评价为“关 系到人类未来的健康，关系到遗传疾病、基因病、癌症以及最令人关心的艾滋病的治 疗”。“人类基因组工程”在6年后获得了突破性进展。1996年3月，法国一个叫作“杰 勒通”的科学家小组发表了～个基因图谱，该图谱可以帮助人类征服多种疾病。例如， 从人类基因组分析中，我们可以了解到诸基因在染色体上所处的特定位置，并分析哪些 基因发生了突变，发生了什么样的突变，将遗传病或癌症病人的基因组与正常人基因组 加以比较，从而确定基因治疗的方案。这项成果已使科学家们能够确定200多种疾病 （主要是罕见病）所涉及的223个基因和鉴别对个致病基因突变。现在科学家们正以每 天发现一个或一个以上的基因速度寻找着人类基因。截止目前，“杰勒通”已完成了人 类基因组计划第一个阶段的工作一一绘制人类遗传基因图，即指出在长长的染色体上各 个遗传基因是如何分布于其上的。有了人类遗传基因图，就可以确定各种遗传基因的正 确位置。据美国卫生研究院预测，大慨再过一年时间，便可完成基因位置确定，而到了 2005年便可破译全部遗传基因所携带的遗传信息。一旦完成了人类基因组计划，即意味 着“生命百科全书”的问世。有了人类基因组图谱，人类的生、老、病、死之谜也就一 目了然了。既可以对人的遗传性状、行为模式等有所预见，又可以对其它门类的学科产 生巨大的影响。难怪人们把人类基因组计划看作是“试图全面彻底了解人体自身奥秘的 阿波罗登月计划”～旦人类基因组图谱被绘制出来，那么从易读的人类基因组图谱中的 DNA来预测人的性状，又会使人们面临着涉及人的隐私、婚姻、就业、保险等一系列社 会问题。例如，可能出现用遗传基因筛选的方法聘用雇员，从而使带有一组不利基因的 人的就业机会受到限制；可能出现不能结婚的遗传群体，这些群体将受到基因歧视。现 在，国外已有公司要求求职者提供有关个人的遗传资料，作为是否聘用的一个依据。 此外，一旦将人类基因与人的行为表现联系起来，用电脑分析基因对于个人行为的 作用，以此预测人的综合能力和可教育程度时，就会存在把遗传检验当作判断人的能力 的精确尺度，而忽视教育等其它因素对个体的作用。甚至还有某些人、某些团体可能会 利用人类基因组图谱泛起遗传决定论的沉渣，点燃种族主义的火种。因此，世界各国众 多的有识之士已经开始呼吁，尽快讨论制订使用遗传信息的政策和立法问题，避免出现 与人们期望的人类基因组工程主旨背道而驰的后果。 再就是生殖与伦理。人们都明白一个无可奈何的事实，那就是世界上没有长生不死 的生物，区别无非只是寿命的长短。但是，另一方面，自然界又存在着一个永恒的天津 ： 生即是死。每个生命个体在死亡之前，总会以某种方式繁衍与自己性状相似的后代以延 续生命，这就是生殖。人类的自然牛殖过程是由性交、输卵管受精、植入子宫、子宫内 好娠和分娩等步骤所组成的。如果因为某种原因而不能生育时，是否可以通过某些技术 手段的非正常途径来生儿育女呢？这种设想当然是能够实现的。现在，人们完全可以根 据需要在实验室里通过人工授精、体外受精和胚胎移植等生殖技术手段培养出一个婴儿 ， 换言之，人类可以随心所欲地创造新生命。 人工授精、体外授精和无性生殖是当代三种基本的生殖技术。人工授精可以解决丈 夫不育症所引起的难题。现在世界上有不少国家有了精子库。体外授精是用人工方法在 人体外将精子和卵子放在含有特定营养液中受精，发育到前胚阶段移植到母体子宫内， 让其继续发育直至分娩。早在100多年前，人们就在哺乳动物试验中对此作过探索性的 研究。1978年7月25日，英国生理学家爱德华和外科医生斯蒂普托联手用人卵母细胞体 外授精，成功地创造了世界首例试管婴儿——路易丝·布朗。继路易丝·布朗之后，接 着有很多试管婴儿在世界各地诞生。到20世纪如年代初期，全世界已有1万多名试管婴 儿来到了人间。现在的试管婴儿还是在母亲的子宫中发育成长起来的。据不少科学家预 测，胎儿整个发育时期都在试管中进行的真正的试管婴儿或许在不久的将来就能实现。 到那时，如果不加限制，就会有大批量的婴儿按流水作业的方式成批生产出来。果真如 此，情形实在令人不寒而栗。 还有必要再提一提“克隆人”。1963年，英国生物学家霍尔丹在《未来一万年的人 种生物学的可能性》一文中叙述了人类实现无性繁殖的可能性。他的设想和克隆羊“多 别’的诞生一样，把人的体细胞的核移植到去核的卵细胞中，就可繁殖出克隆人。此外 ， 霍尔丹还设想了一种可能：把两个没有受精的卵子融合起来，就可能繁殖有母无父的单 ， 繁殖出多父多母的组装人生殖技术的应用改变了人类生育的自然过程，从而使人们面临 前所未有的新问题，并对传统的伦理、价值观念、家庭和社会秩序等产生巨大的冲击， 引发一系列的法律和伦理道德问题。伦理讲的是关于人们的行为准则和人与人之间应有 的道德关系，如辈分、长幼、朋友、上下级等等关系。不是夫妻，却要实行人工授精， 却要让他们的生殖细胞结合、发育、生孩子；不是夫妻，却要为别人的丈夫生儿育女。 精子、卵子、子宫一旦变成商品一样的东西，儿女也就成了商品，他们从存在那一天就 开始迷悯。通过体细胞克隆或融合形成的孩子已经失去了子女的概念，而是提供体细胞 核的人的复制——克隆人同供核人之间，在年龄上可以相差几十乃至上百岁，但他们不 是亲子关系，而是兄弟、姐妹，这太不可思议了。家庭将如何定义谁是父亲？谁是母亲 ？ 我是谁？这会是个十分头痛的难题。 |
8楼2006-05-03 10:19:28
fishncjx
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