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人體密碼徹底被破解 遺傳還有什麽用武之地?

2016-11-04 07:30:00 書問  姜萌

  孟德爾,現代遺傳學之父。

  他於1822年生在奧地利。他當了一輩子修道士,終身沒結婚,沒有後代,卻把豌豆當兒女,天天撮合豌豆“非誠勿擾”,堪稱“豌豆雜交大師”。1866年,他發表了論文《植物的雜交實驗》,闡述了生物界的遺傳現象。孟德爾提出了遺傳中兩個重要規律——遺傳規律和自由組合規律。他的工作,事實上引發了“基因”的概念,直接導致了遺傳學的誕生,後來又催生了分子生物學。

孟德爾
孟德爾

  不過這些事,都是發生在他的論文發表34年、逝世16年以後。在他的有生之年,他的工作只能用“默默無語兩眼淚,眼中全是豌豆黃”來形容。而且當時達爾文的進化論思想一手遮天,占據了各大門戶網站的廣告位,孟德爾也沒有足夠的經費進行網絡推廣,所以他的思想基本沒有傳播渠道。

  1900年,德國、荷蘭和奧地利的三位生物學家在完全互相不認識的情況下,獨立進行了植物的雜交實驗,三個哥們都意氣風發地以為自己發現了生物學上的“新大陸”。不過,大家為了防止無意中造成侵權和“學術不端行為”,也裝模作樣地去數據庫裏進行“論文查重”。結果不查不知道,一查嚇一跳。

  他們自以為了不起的工作,幾十年前孟德爾已經研究完了。

  這位被埋進土裏16年的“現代遺傳學之父”終於重現江湖,史稱“孟德爾的再發現”。20世紀的遺傳學得到了孟德爾的真傳,獲得了開門紅,正式誕生了。
實驗中的孟德爾
實驗中的孟德爾

  不過,孟德爾的理論還是比較粗淺,經驗性的東西更多一些。對於一些更深入的細節,在當時的條件下還沒有辦法解釋。譬如,最需要解釋的,就是孟德爾所說的“遺傳因子”在細胞裏的哪個位置,究竟是什麽東西?

  1879年,德國生物學家弗萊明發現細胞核中有些物質能夠被染料染色,他同時觀察到了有絲分裂現象。後來,被弗萊明稱之為“染色質”的物質,被正式命名為染色體。不過,當時孟德爾已經不幸在地下沈睡了,弗萊明的發現並沒有被往遺傳學上聯想。

  直到孟德爾的結果被再次發現,美國的薩頓和德國的鮑維裏發現孟德爾所說的“遺傳因子”就在染色體上。後來“遺傳因子”被“基因”一詞取代,在希臘語中,“基因”是“生”的意思。
基因就像火車上的乘客,坐在染色體這輛火車上。不過基因到底在染色體的什麽位置上,具體是怎麽排列的,它有什麽特點?歷史把揭示這一切的艱巨任務,交給了美國生物學家摩爾根。

  基因就像火車上的乘客,坐在染色體這輛火車上。不過基因到底在染色體的什麽位置上,具體是怎麽排列的,它有什麽特點?歷史把揭示這一切的艱巨任務,交給了美國生物學家摩爾根。

  摩爾根跟孟德爾不同,不玩豌豆改玩兒果蠅了。因為豌豆畢竟是植物,生長周期太長;雜交又不是發豆芽,一晚上就行,想要等一個實驗結果,需要很長時間。而果蠅好歹是動物,生長周期只有十幾天,而且特別皮實,很好飼養。它的染色體只有4對,研究起來也非常簡單。

  這種令人討厭的小昆蟲,就這樣大搖大擺地登上了歷史舞臺,成為生物學和遺傳學裏的大明星,為人類的遺傳學做出了巨大的貢獻。

  下次除“四害”的時候,記得放果蠅一馬。
摩爾根
摩爾根

  1910年,摩爾根的媳婦兒兼他的實驗員,發現了一只白眼睛雄性果蠅。這只“白眼蠅”將註定與袁隆平雜交水稻研究中,在海南發現的“野稗”一樣,被載入史冊。摩爾根對這只果蠅比對自己的孩子還親,真是捧在手裏怕死了,含在嘴裏怕咽了。一直伺候到它與一只正常的紅眼雌蠅交配以後,才放手讓它去死。摩爾根為了養果蠅,甚至不惜成為小偷,偷了鄰居不少牛奶瓶。

  白眼果蠅之所以如此重要,是因為它的“白眼”特征是一個基因突變的結果,通過繁殖就可以追蹤到基因遺傳的規律。果然,白眼果蠅和正常紅眼果蠅交配後的第二代,白眼果蠅都是雄性的。這就說明決定眼睛顏色的基因,和決定性別的基因在同一個染色體上。

  摩爾根乘勝追擊,發現一個染色體上有多個基因,不同染色體上的基因可以自由組合,而同一染色體上的基因則不能自由組合。他還測定了果蠅的基因在染色體上的位置,畫出了果蠅4對染色體上基因的排列圖。

  1919年和1928年,摩爾根相繼出版了《遺傳學的物質基礎》和《基因論》,建立了完整的基因遺傳理論體系。基因遺傳學自此獲得重大突破。摩爾根也因此獲得了1933年的諾貝爾生理醫學獎。
不過,摩爾根雖然獲得了很大的成就,但是仍然沒有回答“基因到底是個什麽玩意兒”這一本質性問題。而這個問題,必須要深入到分子層面才有可能得以解釋。

  不過,摩爾根雖然獲得了很大的成就,但是仍然沒有回答“基因到底是個什麽玩意兒”這一本質性問題。而這個問題,必須要深入到分子層面才有可能得以解釋。

  有很長一段時間,人們都懷疑蛋白質是人體內的遺傳物質。然而,1869年瑞士生物學家米歇爾發現了細胞中一種酸不拉嘰的物質,稱為“核酸”。後來核酸又明確地被區分為了核糖核酸RNA和脫氧核糖核酸DNA。

  不過,科學發展的歷程總是這樣一步一坎坷。按理說DNA都已經被發現了,DNA是遺傳物質這件事應該水到渠成,然而迷惑的人們還是不相信DNA就是遺傳物質。

  1928年英國生物學家格裏菲斯將死掉的S型肺炎雙球菌和活著的R型肺炎雙球菌進行混合培養,結果活著的R型病菌變成了活著的S型病菌。

  這事兒太嚇人了,S型病菌死而復生了!

  這個問題連格裏菲斯本人都迷惑了,難道有一種神秘的物質,能夠穿越生死,讓細菌復活?
1944年美國細菌學家艾弗裏將S型病菌粉碎成各種分離物,發現只有DNA與R型病菌混合後,R型病菌變成了S型病菌。艾弗裏是第一個揭示DNA是遺傳物質的人,他的工作是革命性的。1952年赫希爾和蔡斯通過用放射性示蹤物標記噬菌體(一種病毒),再用噬菌體作為殺手去侵染細菌,獲得了DNA是遺傳物質的直接證據。這就好比根據殺手使用的子彈類型,就能夠判斷出來殺手是誰。

  1944年美國細菌學家艾弗裏將S型病菌粉碎成各種分離物,發現只有DNA與R型病菌混合後,R型病菌變成了S型病菌。艾弗裏是第一個揭示DNA是遺傳物質的人,他的工作是革命性的。1952年赫希爾和蔡斯通過用放射性示蹤物標記噬菌體(一種病毒),再用噬菌體作為殺手去侵染細菌,獲得了DNA是遺傳物質的直接證據。這就好比根據殺手使用的子彈類型,就能夠判斷出來殺手是誰。

  至此,人們再也不懷疑DNA是遺傳物質了,蛋白質在遺傳學領域終於可以哪兒涼快哪兒待著去了。

  那麽問題又來了,DNA的結構到底是什麽樣的呢?

  1951年,倫敦大學的威爾金斯和女物理學家富蘭克林利用物理學的發展,對DNA進行了X射線衍射,得到了DNA的X射線衍射圖。DNA的真實長相逐漸浮出水面。1952年,奧地利裔美國生物化學家查伽夫測定了DNA中4種堿基的含量,發現其中腺嘌呤與胸腺嘧啶的數量相等,鳥嘌呤與胞嘧啶的數量相等。

  人體密碼被破解,只差一步之遙。
這一步是由美國生物學家沃森和英國生物學家克裏克跨越完成的。沃森是艾弗裏創立的噬菌體研究小組成員,而克裏克在英國搞研究。1951年,兩人在劍橋大學的卡文迪什實驗室相遇,倆人談起DNA的分子結構越談越投機,越談越來勁,真是一見如故,後悔自己的爹媽沒把他倆生成雙胞胎,恨不得下半輩子都捆綁在一起。

  這一步是由美國生物學家沃森和英國生物學家克裏克跨越完成的。沃森是艾弗裏創立的噬菌體研究小組成員,而克裏克在英國搞研究。1951年,兩人在劍橋大學的卡文迪什實驗室相遇,倆人談起DNA的分子結構越談越投機,越談越來勁,真是一見如故,後悔自己的爹媽沒把他倆生成雙胞胎,恨不得下半輩子都捆綁在一起。

  沃森和克裏克找來了鐵皮和鐵絲,在辦公室裏搞起了幼兒手工課,熱烈地研究起DNA的結構模型。他們看到了DNA的X 射線衍射圖後,靈感大發。功夫不負有心人,他們的第一個手工作品“DNA三螺旋模型”成功地誕生,但馬上就失敗了。查伽夫的工作使沃森、克裏克想到4種堿基之間應該存在兩兩配對的關系。於是,他們拋棄了三螺旋結構,提出了著名的“DNA雙螺旋結構”。

  這個結構終於成功了,DNA分子像一個梯子,堿基對在DNA的兩個鏈條之間形成階梯。沃森和克裏克因此獲得了1962年諾貝爾生理醫學獎。遺憾的是,諾貝爾獎理論上是不能發給去世的人的,DNA的X射線攝影師女物理學家富蘭克林,因為長期接觸放射線,於1958年去世,如果她在世,很有可能與沃森和克裏克分享“炸藥獎”的榮譽。

  至此,人體密碼徹底被破解了。
DNA雙螺旋結構的提出,是維薩留斯之後,小宇宙領域的又一次革命性突破。它宣告了分子生物學的誕生,生物學研究也從此進入了人眼看不見的分子水平。借著分子生物學的突破,酶工程、細胞工程、發酵工程、基因工程、蛋白質工程等一系列生物工程技術層出不窮。

  DNA雙螺旋結構的提出,是維薩留斯之後,小宇宙領域的又一次革命性突破。它宣告了分子生物學的誕生,生物學研究也從此進入了人眼看不見的分子水平。借著分子生物學的突破,酶工程、細胞工程、發酵工程、基因工程、蛋白質工程等一系列生物工程技術層出不窮。

  也許不久的將來,我們在馬路上看到一只長著人耳朵,不用吃飯、光靠喝水就能自我光合作用,還能隨時分泌可樂和豆油的寵物狗,也是很有可能的事情。

 

書名科技史脫口秀
書名科技史脫口秀

  作者姜萌

  出版社清華大學出版社

  定價39元

(責任編輯:李瑩 HN016)
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