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【央视新闻客户端】

基因简史 (2011-08-27 17:14:59)转载

标签： 孟德尔 美国 遗传密码 基因 遗传学 杂谈 分类： 学而时摘之

摘　要: 本文论述了基因这一名词的由来以及人们对基因探索和认识的过程, 指出一部遗传学就是寻找和研究基因的历史.

关键词: 遗传信息; 基因; DNA

中图分类号: Q343. 1文献标识码: A

基因是遗传学( genetics) 中的一个专门术语
。 可以说, 一部遗传学史就是寻找、探索 、研究和认识基因的历史。 遗传学是研究生物遗传变异生命现象的科学 。 生物要繁衍后代, 后代与亲代或祖先相似, 这种“类生类
”的现象便是遗传
。 但子代与亲代又不完全相似, 更不相同, 这就是变异。 遗传和变异形影相随, 不离不弃, 构成一对矛盾的两个方面, 对立而又统一 。 遗传保证了生物的稳定性, 变异则保证了生物的进化
。 在这中间, 选择起了十分重要的作用。

我们说, 生物要繁殖后代才能生生不息, 那么亲代和子代之间联系的桥梁是什么呢? 那就是繁殖, 即细胞

分裂 。 单细胞生物的繁殖是通过细胞的直接分裂来实现的
。 但多细胞生物, 尤其是高等生物的繁殖较复杂: 体

细胞的增殖是靠体细胞的分裂; 个体的增殖则靠性细胞的分裂和雌雄细胞的融合, 即受精作用。 从共同性上看, 无论单细胞生物还是多细胞生物, 亲代个体( 细胞) 向子代个体( 细胞) 传递的是什么呢? 是亲代细胞或个体的“遗传信息” 。

西方从古希腊古罗马时代起, 东方甚至更早一些, 人们就在不停地寻找和探索生殖和遗传现象, 也就是在

寻找“遗传信息 ”。希波克拉底
、阿那克萨哥拉、德谟克利特在原子论的基础上提出的“泛生说
”,亚里士多德提出的“血液说”,以及阿尔克梅翁关于性别决定的“寒热说 ” 、巴门尼德等人的“左右说
”,这些是最早探索生殖和遗传的一些先驱性的工作
。 当然, 他们的种种理论几乎没有一个是正确的, 但他们对后世的影响很大, 直接影

响到拉马克
、达尔文、魏思曼 、斯宾塞
、德伏里斯等人。 这些人中如达尔文提出的“泛生子”、魏思曼的“决定子 ”或“种质
” 、德伏里斯的“泛子”
、斯宾塞的“生理单位 ”等等, 都可以看成是遗传“颗粒
”或遗传“基因”的猜测性形态 。

18～19 世纪, 由于动植物杂交工作的开展, 也由于显微镜和细胞学研究的进步, 为遗传规律和遗传物质基础的揭示打开了大门
。 1865 年, 奥地利僧侣格里戈·孟德尔在连续8 年豌豆试验的基础上, 发表了论文《植物杂交试验》, 提出了遗传学的两大定律——分离定律和自由组合定律。 这两大定律在被埋没了35 年之后, 于1900 年被欧洲三位植物学家柯仑斯、德伏里斯和切尔马克重新发现, 后经英国贝特森等人广泛宣传, 于是诞

生了真正科学的遗传学, 1900 年则被公认为现代遗传学诞生的年代 。 孟德尔定律的本质在于向世人宣布, 遗传是“颗粒 ”性的, 亲代向子代传递的正是这种颗粒性的东西, 他称之为“遗传因子”,后来丹麦的遗传学家约翰

逊改称为“基因
”(gene) , 于是“基因”这一术语很快得到公认, 成为表述生物遗传变异的概念或符号
。

然而, 基因到底是什么? 它在哪里? 科学家们为此进行了长时间的探索。 美国的威尔逊在本世纪初出版了

《发育和遗传中的原理》一书, 对当时的细胞学知识进行了全面的总结, 他明确提出遗传物质是在细胞核中, 是

一种高分子化合物 。 1903 年, 美国一年轻大学研究生萨顿指出, 孟德尔遗传因子的行为与细胞分裂中的染色体的行为平行一致, 于是他和鲍维里几乎同时提出基因就在染色体上
。

美国哥伦比亚大学的胚胎学家 、遗传学大师托马斯·摩尔根和他的一批学生, 从1910 年起对果蝇进行杂交试验, 证实了孟德尔在豌豆试验中所看到的分离和自由组合定律, 同时还发现了伴性遗传和基因的连锁与互换规律。 并且他指出, 遗传基因确确实实存在于染色体上, 它们呈直线排列, 彼此之间有一定的距离和顺序 。

摩尔根在1927 年出版了他的名著—— 《基因论》
。 他和他的学生们绘制出了果蝇的遗传学图。 几乎与此同时,艾默生和麦克林托克等人在玉米中进行了研究, 也绘制出了玉米基因的连锁遗传图, 从而使孟德尔遗传学进

入到细胞遗传学的新时期 。

进而, 人们又要问, 基因是一种什么样的物质?也就是其化学本质是什么? 有不少科学家进行了探索。 1941

年, 美国遗传学家比德尔和泰特姆认为基因和酶有关, 提出了“一个基因一个酶 ”的学说; 1944 年, 阿委瑞等人在肺炎双球菌转化研究的基础上得出结论: 转化( 遗传) 因子是一种叫做脱氧核糖核酸的物质, 简称DNA
。 所

谓转化, 即对生物遗传特性的转变, 这种转化因子只能是DNA 而不是蛋白质。 长期以来, 人们认为“基因是蛋

白质
”这一错误思想得到了纠正 。 1946 年, 莱德伯格和赫斯等人发现, 不同的细菌之间也可以进行杂交, 细菌

也分性别, 细菌的杂交和重组也是由于遗传物质DNA 的交换结果
。 1952 年, 赫尔希和蔡斯用最原始的生物—— 噬菌体—— 感染大肠杆菌。 感染试验证明, 只有DNA 能进入大肠杆菌, 并形成新的子代噬菌体, 而蛋白质并不具备这样的作用 。 同一时期, 美国遗传学家本泽用不同噬菌体感染细菌细胞, 实验结果表明, 噬菌体DNA 上也能进行杂交和重组, 而且证明基因是一个功能单位, 基因内部也是可以再分的, 一个功能单位称为一个“顺反子”,一个顺反子相当于一个“基因 ”
。一个顺反子内包括很多个重组子和突变子。 本泽的顺反子学说修正了摩尔根们对基因的认识, 他们认为基因既是一个功能单位, 又是一个突变单位, 一个重组单位, 即“三位一体
”的概念 。

到50 年代初, 对遗传物质DNA 的化学本质已有了相当了解
。 当然对核酸化学的研究追溯起来已有80多年历史, 如果从1866 年米歇尔分离出核蛋白开始算起的话。 到50 年代初, 已经知道DNA 是由脱氧核糖、磷酸
、四种碱基( 腺嘌呤A、胸腺嘧啶T 、鸟嘌呤G
、胞嘧啶C) 构成 。 每一种碱基与一个脱氧核糖、一个磷酸构成一个核苷酸
。 也就是说, DNA 大分子由四种单核苷酸组成。 而且知道, 在DNA 分子中, 腺嘌呤核苷酸总是与胸腺嘧啶核苷酸相等, 鸟嘌呤核苷酸总是与胞嘧啶核苷酸相等, 即A= T, G= C 。所有这些知识和进展, 都酝酿着一项石破天惊的伟大发现的到来: 这就是DNA 分子的空间结构。

1953 年, 美国的一位研究生 、分子遗传学家华生( 1928- ) 与英国的一位生物化学家克里克( 1916- ) , 在英国晶体学家威尔金森
、富兰克林、肯德鲁等人用X 射线对DNA 分子进行衍射研究的基础上, 在两次诺贝尔

奖获得者美国生物化学家鲍林对蛋白质结构研究的启发下, 成功地提出了DNA 分子双螺旋空间结构模型
。这一结构模型的提出, 解决了DNA 分子的自我复制 、遗传信息的传递( 转录和翻译) 等诸多问题, 被称为是生物学史上继达尔文提出进化论以来的最伟大发现, 是生物学史上的第二个重要里程碑。 他们两人在英国《自然》杂志上发表了这一成果, 不足2 000 字的论文是如此地惊世骇俗, 以至他们和威尔金森一起获得了1962年的诺贝尔生理学和医学奖 。

60 年代初, 继DNA 双螺旋空间结构发现的基础上又有两项重大的发现
。 一是法国科学家雅可布和莫诺

关于基因调控理论的建立; 一是美国科学家尼伦伯格等人关于遗传密码的破译。雅各布和莫诺的基因调控理论主要是在大肠杆菌乳糖代谢的研究中得出的 。 它表明与乳糖代谢有关的三个结构基因, 受到另外三个基因的调节和控制
。 就像几个串连或并连起来的电灯泡要受到几个电源开关的作用一样。 这对于研究基因之间的相互作用, 真正了解基因的作用途径, 特别是与基因工程有着极大的关系 。生物的任何性状几乎都与蛋白质有关
。 DNA 如何决定蛋白质的形成? 包含在DNA 中的遗传信息如何被转移到蛋白质中去? 这是一些相当复杂的问题。 其中破译DNA( 基因) 中的遗传密码是一个十分关键的问题 。

“遗传密码”的概念最早是由奥地利物理学家薛定谔提出的
。 他在40 年代初写了一本书叫做《生命是什么? 》在该书中他已表述了遗传密码的思想。 据说他产生遗传密码的思想是极富诗意的 。 他是在将量子力学的理论引进生物学领域的过程中
、在富有哲理而又充满浪漫色彩的想像中找到探索途径的。 他想像自己坐在林木茂盛的山坡上, 夕阳西照, 古往今来, 人间沧桑, 或许一百年前, 也有另一个人同样坐在这里, 凝望着冰川夕照
。 这个人也一样是父母所生, 一样有痛苦和欢乐。 那么, 为什么你刚好是你, 而不是他呢? 或许, 你和他, 实际上是同一的 。 你现在生活着的生命, 只是古老的神圣生命之树上的一个蓓蕾
。 个人的诞生并不表明我是第一次被创造出来, 我的死亡也并不意味着生命本质的终结。 正是这一系列的想像, 使薛定谔提出了生命的遗传密码的概念, 提出了“每一个这样的机体都是下一个机体的蓝图 ”,从而为分子生物学和分子遗传学的诞生奠定了基础 。

那么, 遗传密码究竟是怎样的? 1955 年, 前苏联——美国物理学家伽莫夫提出了DNA 分子中3 个核苷酸决定蛋白质的一个氨基酸的思想
。 由于DNA 分子中有4 种核苷酸, 如果按3 个核苷酸决定一个氨基酸的话,4的三次方 = 64 种排列方式足以为蛋白质中的20 种氨基酸编码。 他的这一思想1961 年为克里克对大肠杆菌T 4 噬菌体的遗传试验所证实 。 同年美国生物化学家尼伦伯格等人为破译遗传密码进行了艰苦卓绝的研究工作, 终于在1966 年阐明了全部的遗传密码
。 这是开天辟地以来人类对生物也是对自身生命本质的认识。 人之所以为人, 人之所以不同于其他动物和植物, 这个人和那个人之所以不同, 关键在于遗传密码的不同; 但是人之所以为人, 人之所以也是生物, 在遗传密码上他们又有着许多共同的地方: 所有的生物都使用这同一张遗传密码表 。

现在我们就可以给“基因
”下一个定义并作一个总的概括: 基因是生物DNA 分子中含有特定遗传信息的

核苷酸序列, 是遗传物质的最小功能单位, 一个基因大致由1 000 个核苷酸对组成
。

综上所述, 随着科学的发展, 人们对基因的认识是不断深入的。 从最初对遗传因子的了解到对基因的化学

本质的认识, 促使遗传学由最早的经典遗传学, 经过了细胞遗传学、生物化学遗传学直至发展到分子遗传学阶

段 。

[ 参　考　文　献]

[ 1]《中国大百科全书·生物学》遗传学编写组. 遗传学[ M] . 北京: 中国大百科全书出版社, 1983.

[ 2]李难. 生物学史[M ] . 北京: 海洋出版社, 1990.

[ 3]亨斯·斯多倍. 遗传学史[ M ] . 上海: 上海科学技术出版社, 1981.

[ 4]薛定谔. 生命是什么? [ M ] . 上海: 上海人民出版社, 1973.

[ 5]Sturt evantA H. A his tory of genet ics[ M] . Haper & Row Publi shers, 1965.

[ 6]Portu gal F H , Coh en J S . A century of DNA[ M] . Th e MIT Press, 1977.

[ 7]Du nn L C. A short hist ory of genet ics [ M] . New York: Mc-Graw -Hill , 1965.

Genetic Information Carrier-Gene

REN Ben-ming ,　WAN G Hong

( Biolog y Depar tment of XUU, Xi'an 710061, China)

Abstract: It w as dealed w ith the orig in and dev elo pment of gene in this paper. A genet ic

history is the histor y o f looking for gene and study ing it also be put out in the paper.

Key words: Genet ic Informat ion; Gene; DNA

发现DNA双螺旋结构的其中一位科学家弗朗西斯·克里克（Francis Crick）提到有关生命起源的种种理论说“涉及太多臆测，只基于少量事实”。

事实表明 ，分子本身并不能自动结合成复杂的生物
，相反，在物理定律下 ，复杂如机器 、房子甚至细胞这些东西
，会随着时间过去而损坏
。这种现象就是科学家所说的热力学第二定律所产生的结果。简单来说，在这个定律下 ，物质的自然倾向是从有秩序变为无秩序 。《进化入门》一书说，进化过程之所以出现
，是因为地球“从太阳吸收大量的能量，这些能量促使生物分子形成并变得越来越复杂 ”
。当然 ，想要把无秩序的东西变得有秩序是需要能量的。比如说
，我们要运用能量才能把一大堆砖块
、木头和钉子组合成房子 。不过，这样的能量必须受到小心的控制 ，并运用得恰到好处才行
，因为不受控制的能量只会使物质损坏得更快，正如一个房子长期受到烈日曝晒、风吹雨打也会很快损坏一样
。那么 ，促使生物分子形成所需的能量
，为什么控制得恰到好处呢？

已知的最简单的有机体含有千亿个原子，而且能够有数以千计的化学反应同时在体内进行。分子生物学家迈克尔·丹顿（Michael Denton）说：“在一个活的细胞和秩序井然的非生物制度——例如晶体或雪花——之间有一道莫大的鸿沟存在 ，两者之间的距离实在大到令人难以想象 。甚至今日地球上最简单的生物组织——微生物细胞——也是异常复杂的东西
。虽然最细小的微菌细胞小得令人难以置信
，每个细胞实际上都是个十足的微型工厂，含有数以千计设计精巧的复杂分子机械 ，比任何人造的机械复杂得多。在无生物世界中，绝对没有任何东西可与之比拟 。在已知的细胞中
，最简单的类型也十分复杂
。若声称这样的东西是由某种反常而极不可能发生的事件突然将其凑合而成的，就实在令人无法接受了。
”

关于每个细胞内所含的遗传密码 ，丹顿说：“脱氧核糖核酸(DNA)所能贮存的资料数量
，远远超越一切已知的贮存系统 。它的效能如此卓越，以致重量不及一克的数亿分之一的DNA, 其中所含的资料已足以模铸一个像人一般复杂的有机体。跟活的分子结构所显示的精巧和复杂程度比较起来 ，甚至我们最先进的产品也相形见绌
。这使我们感到十分卑微。”

许多科学家认为生命有可能碰巧产生
，是因为1953年首次进行的一个实验 。那年，斯坦利·米勒（Stanley Miller）在他认为能模拟原始大气的混合气体中放电 ，结果产生了一些氨基酸
。后来
，人们在一块陨石中也找到氨基酸。这些发现是不是意味着，所有构成生命的基本成分都能轻易地碰巧产生呢？

美国纽约大学化学系荣誉教授罗伯特·夏皮罗（Robert Shapiro）说：“有些学者假定 ，所有构成生命的成分都能轻易地从类似米勒所做的实验中产生
，而且都在陨石里找得到 。但事实并不是这样
。 ”

米勒教授在作了他的实验四十多年后告诉《科学美国人》说：“生命起源的奥秘，原来比我和其他大部分人所估计的更难解开。”米勒和其他科学家合成了氨基酸后 ，科学家着手制造蛋白质和DNA；这两种物质都是地上生物维持生命所必需的 。科学家在所谓生命起源以前的环境里进行了数千次实验，结果怎样呢？《生命起源的奥秘：再评目前各家理论》指出：“我们在合成氨基酸方面的成就有目共睹
，但合成蛋白质和DNA却始终失败；两者形成了强烈的对照
。
”科学家在合成蛋白质和DNA方面所作的努力，可以用“总是失败”来形容。

科学家均从未能够以没有生命的物质创造新的生命 。斯坦利·米勒的化学混合物却不是活着的
。再者 ，它们并非碰巧产生出来的；反之它们是由训练有素的科学家在现代化的实验室中受到严格控制的环境下产生出来的。这些试验非但没有证明生命是偶然产生的
，反之它表明生命所需的一切生物结构均必须由业已存在的生命所提供 。

“最微小的细菌比斯坦利·米勒的化学混合物更像人，因为这些细菌已经具有生化体系的各种属性。因此 ，细菌跟人的差距
，其实比一组氨基酸跟细菌的差距更小
。 ”——生物学教授林恩·马古利斯（Lynn Margulis）

生物学教授亚历山大·迈纳茨（Alexandre Meinesz）写道： “未能从观察和实验找着证据，证明地球上的生命从分子汤自然产生。跟这个说法有关的科学知识 ，也没有重大进展
” 。

老实说
，要解开的谜并非仅限于第一个蛋白质分子和第一个核酸分子（DNA或RNA）怎样产生，同时也包括它们怎样共同发挥作用
。《新不列颠百科全书》说：“惟独这两种分子共同发挥作用 ，生物才可能在地上生存。”可是这套百科全书指出
，这两种分子怎么会彼此紧密合作，“在生命起源方面 ”仍然“是个关键性的哑谜
” 。

微生物学家拉杜·波帕（Radu Popa）说：“既然生命不能在实验室完全受控的情况下产生 ，又怎么可能是在大自然里衍生出来的呢？活细胞的功能所涉及的机制复杂无比，这些机制看来是不可能同时碰巧形成的
。”

英国天文学家伯纳德·洛维尔（Bernard Lovell）写道：“最细小的蛋白分子凭碰巧形成的机会微乎其微。

实际上等于零 。 ”天文学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）也有类似的看法
，他写道：“整个传统生物学的架构均认为，生命是凭机遇产生的
。可是 ，随着生物化学家发现了更多有关生命令人懔然生畏的复杂事物
，事情已很明显，生命凭碰巧产生的机会如此渺茫 ，以至可以将其完全抹煞。生命不可能是凭机遇产生的 。
”

英国化学家伯纳尔（J. D. Bernal）教授在《生命起源》里说：“我们用严谨的科学方法去验证这个理论
，就很可能在过程中不止一次证明生命根本是无法自行产生的；生命自行产生的可能性实在太低了，机会可说是微乎其微
。教人苦恼的是 ，地上的生物实在千姿百态
，于是相信生命可以自然产生的人为了给生命的起源一个解释，只好曲解他们的论据。”

遗传学家马切依·吉尔蒂克（Maciej Giertych）教授说：“我们现在知道 ，基因含有巨量的信息 。科学无法解释这些信息怎样可能自行产生。信息全凭智慧才能存在
，绝不可能凭机遇产生
。细胞里的DNA 、RNA和蛋白质复制系统都是非常复杂的，这一切必定从起头就是完善无疵的。如果不是这样 ，生物系统就无法存在了 。惟一合理的解释是，这些巨量的信息出于某个有智慧的根源
。 ”

关于“那三次实验证实了基因是DNA而不是蛋白质？
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