對生命起源和演化的探索

解密生命

作者：周祥

引子：

關(guān)于地球上的生命究竟是如何誕生的，至今沒有一個公認的令人信服的說法，這就給生命的源頭蒙上了一層神秘的色彩。

當然，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，其中與生命尤為相關(guān)的便是大氣，因為是它為生命的出現(xiàn)創(chuàng)造了必要的條件。

解密生命--生命之源

生命之源

關(guān)于地球上的生命究竟是如何誕生的，至今沒有一個公認的令人信服的說法，這就給生命的源頭蒙上了一層神秘的色彩。

當然，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，其中與生命尤為相關(guān)的便是大氣，因為是它為生命的出現(xiàn)創(chuàng)造了必要的條件。

地球大氣的演進可以分為三個階段：第一代大氣即原始大氣在地球演化的初期就消失了；第二代大氣是被地球內(nèi)部物理化學反應擠壓出來的，稱為還原大氣。還原大氣的顯著特征便是缺氧，只是由于后來出現(xiàn)了植物，植物的光合作用提供了大量的氧氣，才使得還原大氣變成了以氮、氧為主的現(xiàn)代大氣，即氧化大氣。據(jù)此，科學家們推測，在35億年之前，地球上就已經(jīng)出現(xiàn)了生命。

推測終歸是推測，地球生命起源依然是一個懸而未決的問題?，F(xiàn)在，可以肯定地認為，大約在40億年前，地球上只有巖五和水，地表溫度很高，缺氧的大氣使來自太陽的紫外線可以暢通無阻地射到地表，而紫外線具有相當強的化學活性，它是生命形成的催化物。諸多關(guān)于生命起源的假說就是從這里開始的。

1924年，被譽為世界研究生命起源的先驅(qū)。蘇聯(lián)生物學家奧巴林在他的《生命起源》一書中把生命起源的歷史分為三個階段：有機物產(chǎn)生；氨基酸、高分子聚合物形成；具有新陳代謝機能的蛋白質(zhì)產(chǎn)生。奧巴林認為，生命發(fā)生的可能過程應為蛋白質(zhì)分子一分子團團聚體，團聚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完善可以導致原始生命的出現(xiàn)，并最終產(chǎn)生結(jié)構(gòu)、功能復雜的生命單體。先是原始單細胞生物，然后向兩個方向進化：一是自養(yǎng)能力強化而運動功能退化，進化至單細胞菌藻類植物，成為植物界進化的源頭；另一方向則是運動功能強化而自養(yǎng)功能退化，進化至單細胞原生動物，成為動物界進化的源頭。

奧巴林的生命起源假說擁有很大一批追隨者，其中不乏聞名于世的身體力行者。20世紀50年代，美國人米勒開創(chuàng)了生命起源模擬實驗的先河。1953年，米勒依據(jù)奧巴林的假說，著手開始了原始大氣模擬實驗。他把甲烷、水蒸汽、氨、氧氣的混合物裝在一個完全密閉的裝置內(nèi)，讓它們循環(huán)流經(jīng)一個模擬太陽紫外線輻射的電弧。在歷經(jīng)一周的連續(xù)放電之后，密閉裝置內(nèi)產(chǎn)生了甘氨酸、丙氨酸等11種氨基酸，其中有4種氨基酸存在于天然蛋白質(zhì)中。米勒實驗的成功給了后來者極大的鼓舞，此后，世界各國科學家紛紛投身于尋找生命源頭的研究中。1959年，德國科學家格羅特和維斯霍夫設(shè)計了一個用紫外線代替放電的實驗，同樣得到了氨基酸；1961年，美國的生物化學家奧洛把氰化物加入實驗混合物中，得到了很多種氨基酸及一些短鏈的肽，還制成了一種重要的生命物質(zhì)一瞟吟；1962 年，奧洛又制成了核糖和脫氧核糖；1963年，美國人波南佩魯馬做了同米勒相似的實驗，他用電子作能源，制成了腺瞟吟；接著，他又和同事們一起在紫外線的作用下，制成了腺膘吟校普。到了周世紀70年代，組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸已能夠全部通過人工模擬自然條件的方法合成。奧巴林假說中關(guān)于生命起源的有機物產(chǎn)生階段已多次為實驗所證實，大的分歧出現(xiàn)在蛋白質(zhì)與生命物質(zhì)產(chǎn)生階段。在奧巴林生命起源假說中，海水是不可或缺的，它被認為是生命的搖籃。奧巴林派堅持認為，如果沒有原始海洋，有機物質(zhì)難以儲存聚集，最終形成有自我復制功能的生命單體。

但是，美國生物化學家?？怂箙s不這樣認為，1960年，他提出了另一種生命起源的假說一類蛋白微球體假說。?？怂拐J為，早期的地球溫度很高，依靠熱能就足以使簡單的化合物形成復雜的化合物。為了證明自己的假說，早在1955年，?？怂咕烷_始進行實驗。他把各種氨基酸的混合物加熱到200℃，3小時后，它們形成了形似蛋白質(zhì)的分子鏈，被稱為類蛋白。1960年，福克斯又把酸性類蛋白放人稀酸中加熱溶解，冷卻后縮結(jié)成團，形成微球體。在光學顯微鏡下，?？怂拱l(fā)現(xiàn)這種微球體很像細菌，并且在特定處理后還能出芽，芽長大后能脫落下來；小球還能分裂，一分為二或者彼此連成長串。

福克斯的類蛋白微球體假說否定了生命發(fā)生對原始海洋的依賴，因而被稱為“陸相起源派”?？茖W歷來具有極大的包容性，多年以來，奧巴林派與?？怂古砷L期致力于發(fā)展完善各自的理論，其間并無多少爭論。在數(shù)十億年前，什么樣的事情都有可能發(fā)生，而今天的人類只能在想象中追尋昔日的印跡，追尋原始生命發(fā)生的轟轟烈烈的景象。奧巴林派與?？怂古傻膶W術(shù)價值都得到了同樣的認可，團聚體和微球體都被看成是生命發(fā)生過程中的原始細胞模型。

在“海納百川，有容乃大”的科學精神的鼓舞下，近年來，關(guān)于地球生命起源的假說紛起林立，比較著名的有“火山學派”與“外來生命學派”。?？怂沟摹邦惖鞍孜⑶蝮w”迄今在自然界尚未被發(fā)現(xiàn)，而有生命的類病毒卻可以在自然界發(fā)現(xiàn)。類病毒的前導物質(zhì)為單質(zhì)磷酸，科學家在研究火山氣體時發(fā)現(xiàn)其中含有單質(zhì)磷酸復合形成的大分子磷酸。據(jù)此，“火山學派”認為，由于火山爆發(fā)生成了大量大分子磷酸，這種物質(zhì)溶入海水，成為地球生命之源。有一件事可以佐證“火山學派”的結(jié)論。1977年，海洋學專家柯利斯在太平洋底考察海底火山時無意中發(fā)現(xiàn)，在沸騰的火山巖漿噴口周圍活躍著形形色色的生命形態(tài)，有鞋底大小的蛤，也有肝達近兩米的大管蟲。這時，一個奇思妙想在他的腦海中產(chǎn)生：地球上的生命很可能就是在這樣的條件下催生的，因為在地球形成生命的初期，地球的環(huán)境也是相當惡劣的，許多地方都很類似于海底火山四周圍的環(huán)境?？吕沟陌l(fā)現(xiàn)及假設(shè)并未引起足夠的重視，從未有過科學家真正去認真地加以驗證。絕大多數(shù)探索生命源頭的人都不會相信，生命是在滾燙有毒的環(huán)境中誕生的。直到最近幾年，才有一些科學家開始挽起袖口驗證熱液出口是否有發(fā)生生化反應的可能性。試驗結(jié)果表明，那些炙熱的、甚至含有大量有毒物質(zhì)的熱液噴口處果真有早期生命產(chǎn)生所必需的化學變化。1996年8月，美國基因組研究所的科學家宣稱，他們解開了當初由柯利斯提出的作為生命第三分支（另兩種為細菌與真核細胞）而存在的一種原始生物楊氏產(chǎn)甲烷球菌的1700個基因密碼。楊氏產(chǎn)甲烷球菌生活在太平洋洋底2623米水深的一座火山口的邊沿上，其生活不受陽光的影響，而且不以有機碳作為食物源。它靠火山口排放出的二氧化碳、氮和氫為生，釋放甲烷。研究人員從這種微生物中抽取了生命體中最重要的生命物質(zhì)DNA?？茖W家認為，這種微生物可能是原始生命最早的形式，還可能是外星上最有可能存在的生命形式。

和“火山學派”主張生命是從地下冒出來的不同，外來生命學派則堅定地認為，地球生命是從天上掉下來的?？茖W家們發(fā)現(xiàn)，從天外墜落到地球上的隕石中包納了構(gòu)成地球生命的全部基本要素；宇宙中存在著有機分子云，地球上發(fā)生流感的周期與某些管星的運行軌道接近地球的周期十分一致。此外，在地球上還發(fā)現(xiàn)了能在 232℃高溫下生活的細菌。美國康奈爾大學的著名天文學家卡爾·薩根對于豐富完善“外來生命學”功勛卓著。通過地球初級階段的多種電腦模型和對星際塵埃粒子的深入分析，薩根認為，隕星曾是促成生命起源的分子的主要源泉。薩根的言外之意是，假如他的論點成立，并能發(fā)現(xiàn)外星生命實質(zhì)上與地球生命相同，那么，現(xiàn)行的生命起源及胚種論等學說就得重新改寫了。

或許，薩根是對的。迄今為止，生命究何端，學術(shù)界依然各執(zhí)已見，莫衷一是，誰都可以拿出“足夠的證據(jù)”來證實自己的真知灼見。這也難怪，35億年前發(fā)生的事情，又有誰能夠確切地知曉呢？

解密生命--生命之旅

生命之旅

在生命起源的歷史階段中，多分子體演變?yōu)樵忌亲顝碗s、最有決定意義的階段。至于多分子體如何演變成為原始生命，迄今為止，科學家們并沒有弄清楚，他們只能用“經(jīng)過長期不斷地相互作用”把這段關(guān)鍵而復雜的過程一筆帶過?？傊?，35億年前，地球生命出現(xiàn)了。

現(xiàn)在能夠找到的最早化石是出現(xiàn)在南非的細菌球狀和材狀結(jié)構(gòu)化石，現(xiàn)已確定這是35億年前的化石。此后的一段漫長時間（約30億年），＊命史幾乎一片空白。那么長的時間內(nèi)，誰統(tǒng)治著整個地球，它們都干了些什么，今天的人們根本無法想象。或許，那些簡單得不能再簡單的生命體真是靜悄悄地蠕動了30億年，直到5一利己年前才變成了最原始的藻類和結(jié)構(gòu)相對復雜的微生物。

大約在4．5億年前，地球，確切地說是海洋出現(xiàn)了～個統(tǒng)治者，這種生物就是現(xiàn)已滅絕的三叮蟲。三葉蟲是一種原始的無脊椎動物，其身體結(jié)構(gòu)已相當精巧、完善。在那個古老的世界里，三葉蟲是生活得最為舒坦的動物。有時候，它在水面上游來游擊；有時候，它卻在海底的泥沙里鉆來鉆去。它有許多子孫，其中有一些進化成為新的物種。三葉蟲稱王稱霸的日子一直持續(xù)到2億年前，但是后來卻不知為什么全部滅絕了。只有一種三葉蟲進化成為水蝎，后來也悄無聲息地退出了歷史舞臺，取而代之的是淡水溪流的泥底里出現(xiàn)的甲胄魚，它們披盔掛甲，樣子很威武，是最原始的脊椎動物。

早期的生命都是在海水中成長的，大約在4億年前，生物才從海洋中絡(luò)繹不絕地登上I陸地。河先是植物，大約在利己500萬年前，裸棵等一類低等植物在陸地上扎下了根，這些植物高約40厘米左右，莖上長滿丁帶刺的小葉，種種跡象表明，它們應當是海藻一類植物的后代。接著是動物，在魚類時代的某個時期出現(xiàn)了能呼吸空氣的有鼻孔的魚類，包括肺魚的一族和總鰭類的一支。這些有鼻孔的魚類并不甘心總是在海洋中游像最終，它們還是設(shè)法爬上了陸地，成為原始的兩棲動物。第一批登陸的原始兩棲動物生活得頗為艱辛，它們往往要在比水的浮力大好幾倍的地球引力下掙扎著呼吸幾口新鮮空氣，然后再回到水中，那兒才是它們舒適的生活環(huán)境。幾千萬年以后，許多古代的兩棲動物都滅絕了，只在地球的溫帶留下了它們的后裔，主要是青蛙、病蛤蟒和珠餓之類的動物。這時，自然選擇再次制造了奇跡：一些兩棲動物可以體內(nèi)受精。生下的卵外面包有一層皮質(zhì)硬殼，不受干旱和來自陸地的各種危險的影響，并且它們還可以離開水生殖。這些兩棲動物最后進化成為爬行動物，從此，曲指算來，爬行類出現(xiàn)并逐漸開始在陸上橫行霸道應當是1－2億年前的事情了。那時候，地球氣候溫暖如春，遍地都是茂密的森林，給爬行動物提供了異常豐富的食物源。因此，它們逐漸繁盛起來，種類也越來越多：有的長了長腿，喜歡在陸地上奔跑；有的則完全失去了雙腿，長得像蛇一樣；有的腿又變成了像魚類～樣的鰭狀肢，重新回到水里；有的長起了翅膀，向天空中飛去……最為突出的一類分化為鱷魚和恐龍?？铸埡髞沓蔀橹炅_紀（距今195億年）、白查紀（距今137億年）世界的統(tǒng)治者，好萊塢大片《株羅紀公園》曾將恐龍用電腦特技的手段再現(xiàn)于銀幕之上。

6000萬年前，不知什么原因，恐龍從地球上神秘地消失了。此后，一些身體小的爬行動物進化成為現(xiàn)在的蛇、漸惕和烏龜之類，而另一類小型的恐龍則進化為鳥類的祖先始祖鳥。在恐龍還是地球霸主的年代里，有一些從最初的爬行動物發(fā)展出來的小動物就開始活躍起來。與爬行動物相比，它們有兩個顯著的差異：－，它們遍身長毛；二，它們的血恒溫恒熱。而此前，大多數(shù)脊椎動物的血液都不能保持一定的溫度。到了爬行動物的全盛期過后，這些新興的動物似乎表現(xiàn)出了對地球環(huán)境更為強大的適應力，因而也得到了很大的發(fā)展，它們后來成為最古老的哺乳類動物。

在此后的3000萬年間，像爬行動物當初發(fā)展的軌道一樣，哺乳動物經(jīng)歷了一個迅速發(fā)展的繁榮期。

今天眾多的各類哺乳動物都是從早期的原始動物分化而來的。原始哺乳動物中有一種吃水果、昆蟲、棲居樹上的小動物成為靈長自動物的直接祖先，從它們的各種身體特征來看，它們應當是現(xiàn)代狐猴的祖先。科學家們在美國懷俄明州發(fā)現(xiàn)了生活在5800萬年前的古狐猴的化石。它們的一些后代進而演變成現(xiàn)代猿，如大猩猩、長臂猿及黑猩猩；同時，另有少數(shù)的古狐猴從樹上跳了下來到地面搜尋食物，并慢慢地站立起來，發(fā)現(xiàn)并學會了使用火。在這條進化大道上，它們慢慢地向人類演變著，把生命之旅帶進了人類文明的新紀元。當生命日歷翻到了新生代第四紀——距今250萬年前的時候，人類的祖先出現(xiàn)了，喜怒交加、愛恨交織、血腥仇殺、和平發(fā)展的人類文明史終于揭開了序幕。

從最古老的單細胞到有著復雜生命結(jié)構(gòu)與思維的人類誕生，在漫長的30多億年生命行進征程中，形形色色的生物從出生到滅亡，從低等到高等，究竟是何種神奇的力量推動著生物的進化發(fā)展呢？多少個世紀以來，人們絞盡腦汁，企圖找到令人信服的答案，最終都以百思不得其解而告終。直到19世紀，法國人居維葉才提出了一個讓人們勉強接受的“災變論”。居維葉認為歷史上地球表面曾發(fā)生過災難性的巨變，這些巨變都是在瞬間造成的。在毫無防備的情況下，地球上的大部分生物驟然間死亡了，后來變成化石，而寥寥可數(shù)的幾個殘存生物則發(fā)展出了新的物種。居維葉生活在拿破侖時期，當時是拿破侖的大紅人。由于這層微妙的關(guān)系，居維葉得以快意地痛擊學術(shù)對頭拉馬克，并在學界推行他的災變說。由此，居維葉也博得了“生物學界的獨裁者”的雅號。在生物進化思想發(fā)勝負上，店維葉的論敵拉馬克是一位必須提到的人物，他被認為是進化論的偉大先驅(qū)。拉馬克反對“災變論”而主張“生物是進化”的學說，他認為，生命的歷史自古至今從未中斷過，在環(huán)境的影響下，生物的器官起使用越發(fā)達，不使用便會退化、消失。這就是拉馬克畢生所倡導的“用進廢退”學說。

就在對生命演進機理持不同見解的各門各派展開激烈論戰(zhàn)、爭論不休的時候，一個劃時代的人物出現(xiàn)了。自古以來眾說紛紜、莫衷一是的進化論思想終于在19 世紀英國偉大的博物學家達爾文手中形成了具有無可爭議說服力的體系。到了1859年達爾文的《物種起源》一書出版后，生物普遍進化的思想以及物競天擇、適者生存的進化機制已成為學術(shù)界、思想界的公論。由此，達爾文的生物進化論被稱為19世紀自然科學的三大發(fā)現(xiàn)之一。

查理·達爾文1809年2月12日生于英國希羅普郡，幼年時代，他并沒有表現(xiàn)出什么特別的天份，只是到了青年時代，好玩愛動、迷戀大自然的天性才給他帶來了好運氣。

1828年8月，達爾文搭乘美國海軍的海洋考察船“貝格爾號”壞航世界，探索貿(mào)易路線，開始了改變化一生命運的事業(yè)之旅。達爾文在“貝格爾號”上生活了將近5年，每航行到一個地方，他都堅持采集巖石、植物和動物的標本，還記下了許多珍貴的筆記。1836年達爾文回到英國后，他已成為一個訓練有素的博物學家。在環(huán)球考察后，達爾文得出了一個重要的結(jié)論：某個物種只要條件比其它物種優(yōu)越，哪怕是略見優(yōu)越，也會有很好的機會生存下來并且繁殖后代。這便是著名的“自然選擇”理論，“適者生存”是“自然選擇”理論的精髓。20多年后，在舉世聞名的《物種起源》一書中，達爾文提出了一個又一個令人震驚的論斷：生命只有一個祖先，因為生命都起源于一個原始細胞的開端；生物是從簡單到復雜。從低級到高級逐步發(fā)展而來的，生物在進化中不斷地進行著生存斗爭，進行著自然選擇；

人類的悠久家史并不比豬、狗“高貴”多少，人類也是起源于“某些原始細胞”，后來逐漸進化，變成了魚、兩棲動物、哺乳動物，再經(jīng)過進化才變成了類人猿和今天的人類……

達爾文的《物種起源》一書成了生物學史上的經(jīng)典著作。如今，《物種起源》所提及的許多觀點已成為人盡皆知的常識。達爾文的生物進化論后來不斷地得到了發(fā)展。20世紀40年代初，英國人霍爾丹和美籍蘇聯(lián)生物學家杜布贊斯基創(chuàng)立了“現(xiàn)代進化論”。

現(xiàn)代進化論者摒棄了達爾文把個體作為生物進化基本單位的說法，他們認為，應當把群體作為進化的基本單位。突變本身是物種的一種適應性狀，它既是進化的動因，又是進化的結(jié)果，自然選擇的作用不是通過對優(yōu)勝個體的挑選，而是以消滅無適應能力的個體這一方式而實現(xiàn)的?，F(xiàn)代進化論很好地解釋了古典達爾文主義無法解釋的許多事實。

遺憾的是在達爾文時代，遺傳學先驅(qū)孟德爾還沒有能夠讓世人相信他的遺傳學說，否則，達爾文定會痛不欲生，因為1838年，他選擇了親舅舅的女兒、表姐埃瑪作為終身伴侶。據(jù)說，到了晚年，達爾文對孟德爾和他的遺傳學略有所聞，他常常為他的近親結(jié)婚感到不安。

解密生命--生命基質(zhì)：細胞

生命基質(zhì)：細胞

這是一群圍繞著自己產(chǎn)下的印亂轉(zhuǎn)的昆蟲，它們似乎在舉行某種歡慶儀式，以表達新生命產(chǎn)生的莊嚴與神圣。

自從生命在地球上出現(xiàn)以來，生物區(qū)對生命的產(chǎn)生方式和生命的萌芽物產(chǎn)生了某種特有的崇拜與依戀槽結(jié)——鳥類精Its＼孵卵，人類十目懷路，生命惟有在母性的撫愛中才能夠誕生井茁壯成長，這是生命的本能。直到1665年英國人羅伯特·胡克發(fā)現(xiàn)了細胞，解開生命之謎的大門才漸漸開啟。當年，胡克用他的那架老掉牙的顯微鏡觀察軟木片的切片時竟然發(fā)現(xiàn)了許多小空洞，空洞中布滿了氣孔，除此之外一無所有。那時候，胡克并不知道，他親自打開了充滿了奧妙與神奇的生命寶盒?，F(xiàn)在，顯微鏡的發(fā)展使人們已經(jīng)十分清楚，所有的生命都是由這些被稱為“細胞”的小率洞組成的。細胞乃是生命的原型與基質(zhì)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能相當復雜，遠非胡克所認識得那樣簡單。今天，人們在高倍顯微鏡下可以清晰地看到細胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。植物細胞的外面有細胞壁，細胞與細胞之間有一層膠狀物，把兩個細胞壁緊緊地粘合在一起。在相鄰兩個細胞之間的壁上有胞間連絲，使細胞之間彼此互通。此外，植物細胞內(nèi)還有細胞質(zhì)和細胞核。細胞質(zhì)內(nèi)有核糖體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體和液泡等內(nèi)容物。核糖體是合成蛋白質(zhì)的地方，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體有合成、包裝和運輸物質(zhì)的功能。細胞質(zhì)內(nèi)還有絲狀和管狀結(jié)構(gòu)，類似細胞的肌肉和骨架，與細胞的運動有關(guān)。細胞核內(nèi)有核膜，使核與細胞質(zhì)分開。此外還有染色質(zhì)和核仁。細胞核是細胞的“中樞”，是遺傳信息儲存、復制和轉(zhuǎn)錄的場所。細胞內(nèi)還有兩個較大的細胞器，就是線粒體和質(zhì)體。線粒體能起呼吸作用。動物細胞與植物細胞最顯著的區(qū)別是它的表面由一層質(zhì)膜包裹，控制著細胞內(nèi)外物質(zhì)的運輸。在電子顯微鏡下，質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)變化多端，有的向內(nèi)折疊成手指狀，有的向外凹陷，形成月芽狀。

有的細胞，人的肉眼就可以看見，比如鳥類的蛋，最大的直徑達10厘米；最小的細胞直徑只有0．互微米，比如原始細菌，要用高倍顯微鏡才能夠看清楚。細胞的形狀千差萬別，有球體、多面體、紡錘體和柱狀體等。通常，細胞的結(jié)構(gòu)和功能密切相關(guān)，如神經(jīng)細胞能夠伸展好幾米，有利于傳導外界的刺激信息。

以上內(nèi)容都是今天人們所熟知的自然常識，而在19世紀30年代德國植物學家施萊登和生理學家施旺創(chuàng)立細胞學說之前，細胞在人們心目中的印象還是相當模糊的。在他們所共同創(chuàng)立的細胞學說中，細胞被認為是“一個具有生命特性的有機體，整個動物和植物體乃是細胞的集合體，細胞是生命體結(jié)構(gòu)與功能的基本單位，它們依照一定的規(guī)律排列在動植物體內(nèi)”。

施萊登和施旺均探討過細胞的成長發(fā)育過程，他們深信，既然所有的生命在結(jié)構(gòu)上都由細胞組成，那么所有生命的發(fā)生也應當從一個細胞開始，組織的發(fā)育必定是通過細胞的增殖進行的。施萊登、施旺的以上觀點后來被德國生物學家韋爾素概括為一句名言：“一切細胞都來自細胞?！表f爾素的這句名言也暗含了另外一層意思：一切生命均來自于生命，因此，細胞也可以恰如其分地被認為是全部生命的基質(zhì)。

現(xiàn)在看來，細胞學說的創(chuàng)立和細胞對于生命的重要性如同原子學說和原子對于物理、化學的重要性，它們把生命的奧秘和生命本身濃縮到了一個微觀境界。由于細胞的發(fā)現(xiàn)，人們不僅知道一切高能有機體都是按照一個共同的規(guī)律生長發(fā)育的，而且通過細胞的變異，不斷地改變自己，并向更高的生命層次邁進。和達爾文進化論一樣，細胞學說也被譽為19世紀的三大發(fā)現(xiàn)之一。

解密生命--生命之舟：染色體

生命之舟：染色體

細胞英文名為“h1，意為小房間。那么，既然細胞是生命的基質(zhì)，生命的全部奧秘必定都是在這個小房間里了，只是需要一把開啟房門的鑰匙。這把鑰匙就是染色體，它同時也被稱為生命的載體。

發(fā)現(xiàn)染色體的過程也頗為復雜。早期的科學家發(fā)現(xiàn)，如果人為他將一個單細胞生物分成兩半，使其中一半含有完整的細胞核，另一半不含細胞核，那么，有核的一半就能夠分裂、生長，另一半則趨于死亡。由此，人們初步認識到細胞的分裂實際上是細胞核的分裂。于是，科學家們把視線聚焦到了細胞的內(nèi)核上；而且，他們還發(fā)現(xiàn)，某些染料可以將細胞核染色，使它在整個細胞中變得十分清晰，便于觀察。

1848年，德國植物學家霍夫邁斯特在花粉母細胞中隱約看到了核內(nèi)的絲狀物O1879年，德國生物學家弗萊明發(fā)現(xiàn)，細胞核內(nèi)分布著～些絲狀物，這些絲狀物能夠被染料染色。于是，弗萊明把這些絲狀物稱為“染色質(zhì)”，后來被德國解剖學家瓦爾德爾改稱為“染色體”。1882年，弗萊明在他的一本描述細胞分裂過程的著作中把整個細胞的分裂過程稱為“有絲分裂”，因為他確信，染色質(zhì)在其中起著至關(guān)重要的作用。后來，科學家們發(fā)現(xiàn)，同一物種內(nèi)的生物，細胞內(nèi)都含有同樣數(shù)目的染色體，細胞中的染色體是成對存在的。在有絲分裂過程中，染色體的數(shù)目先加倍，然后細胞再一分為二，因此，分裂后的兩個子細胞各含有與原母細胞相同數(shù)目的染色體。和各類生物殊途同歸，人類也有染色體。1959年，人們終于弄清楚，人類染色體共有46條，對對。從來源b來說，有一半來自父親，另一半來自母親。

很有必要描繪一下減數(shù)分裂。減數(shù)分裂也稱作“成熟分裂”，是指在性成熟的生殖細胞中，性母細胞經(jīng)過兩次連續(xù)分裂，染色體在整個分裂過程中只復制一次，形成的4個子細胞中的染色體數(shù)目減少到原來細胞的一半。減數(shù)分裂形成的細胞中

，只有一套（組）染色體，這種細胞也叫作單倍體細胞，常見的如生物體內(nèi)的精子與卵子。當精子與卵子受精形成一個細胞后，受精卵（或合子）中的染色體就變成了兩套（組），由此出現(xiàn)了一個新生命的開始。顯而易見，減數(shù)分裂及精卵結(jié)合是保證生命體世代交替和種類穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。

當人們認識到生物體內(nèi)生殖細胞的減數(shù)分裂與體細胞的有絲分裂同樣離不開染色體時，把染色體比喻作生命之舟并不夸張。因為體細胞的有絲分裂導致生命體的成長壯大，而生殖細胞的減數(shù)分裂則導致了生命體的生生不息一生命的過程無非如此。

染色體的先復制，再隨著細胞的分裂而分裂可以很好地解釋生命的生活與延續(xù)狀態(tài)，但是，生命為何有性別之分呢？這個問題引發(fā)了人們濃厚的興趣O20世紀初，德國生物學家亨金用切片法研究半翅目昆蟲的減數(shù)分裂時，發(fā)現(xiàn)在性母細胞減數(shù)分裂的后期有一條染色體在向細胞一極移動時處于落后狀態(tài)。亨金對這條染色體感到很陌生，就隨便給它起了個“X染色體”的名詞，表示這是一條連他也沒弄清楚的染色體。1902年，美國人麥克朗認為這條“X染色體”可能與昆蟲的性別有某種內(nèi)在的聯(lián)系，他苦思冥想，但最終沒有找到說服自己的理由。直到1905年，丹麥人威爾遜發(fā)現(xiàn)了在半翅目和直翅目的許多昆蟲中，雌性個體的細胞中具有兩套普通的染色體，稱作“常染色體”，另外還有兩條“X染色體”，而雄性個體的細胞中也有兩套常染色體，但是只有一條“X染色體”。由此，威爾遜激動地得出了結(jié)論：動物的雌、雄性別可以根據(jù)細胞中“X”染色體的多少加以區(qū)別，“X染色體”因而也被他稱為“性染色體”。驚喜交加的威爾遜忽視了雄性個體的那條 “X染色體”身邊還有一條不露聲色的同伴：“Y染色體”，這種染色體呈鉤型，比“X染色體”短小。這條被威爾遜丟失的“Y染色體”三年后被生物學家史蒂芬斯發(fā)現(xiàn)。

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解密生命--豌豆的啟示

豌豆的啟示

達爾文進化論并沒有給達爾文本人帶來多少樂趣，因為他一直被一個百思不得其解的問題糾纏著。細心的人們可以發(fā)現(xiàn)，達爾文在進化機制方面似乎更多地注意到變異，而對于遺傳則吞吞吐吐，語焉不詳。事實上，達爾文進化論最受非議的就是遺傳問題?？鄲炛?，達爾文甚至采納了拉馬克獲得性遺傳的觀點來補充他的自然選擇學說。拉馬克認為，生活環(huán)境的變化必將引起動物生活習性的變化，而生活習性的變化則導致器官的用進廢退，這些變化遺傳給了后代，逐漸形成了新的物種。

今天看來，拉馬克的獲得性遺傳是個錯誤的論斷，而與達爾文同時代的奧地利修道土孟德爾和他的34個株系的豌豆真正揭示了自然界遺傳與變異的奧秘。

孟德爾注定是生命科學史上一個極其偉大的悲劇人物。1854年夏天，飽經(jīng)風霜的孟德爾在他所供職的修道院的花園里種植了34個株系的豌豆，開始了植物雜交有種的遺傳研究。孟德爾首先考察株的高矮兩種性狀的遺傳情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，矮株的種子永遠只能生出矮株，因此它屬于純種。而高株卻不同，約占1／3的高株種子代代生育高株，而其余的高株種子則生出一部分高株，一部分矮株，且比例總是1：3。這表明，高株既有純種的，也有雜種的。那么，將矮株與純種高株雜交會出現(xiàn)什么情況呢2結(jié)果，孟德爾有了一個驚人的發(fā)現(xiàn)：

雜交生出的全是高株，但是，將這一代雜交出的高株進行自花傳粉，新一代1／4是純矮種，l／4是純高種，2／4是雜高種。

這種意外發(fā)現(xiàn)的規(guī)律太神奇了，孟德爾幾乎不相信自己的眼睛。后來，孟德爾還認識到，豌豆的高、矮性狀在遺傳時表現(xiàn)有很大差異，前者是顯性，后者是隱性。那么，這種顯性、隱性的性狀遺傳是否具有普遍性呢？孟德爾又考察了豌豆的其它性狀，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了類似的遺傳規(guī)律。

8年以后，孟德爾將自己的驚人發(fā)現(xiàn)寫成了一篇題為《植物雜交實驗》的論文，并在一次自然科學研究會上宣讀。遺憾的是，他的這項劃時代的驚人發(fā)現(xiàn)并沒有弓I起任何反響，某些權(quán)威甚至不屑一顧地說：“靠數(shù)一數(shù)豌豆能發(fā)現(xiàn)什么？”此后，孟德爾的這篇論文被塵封了達34年之久，孟德爾本人也在默默無聞中悄然逝去。雖然他直到臨終都在呼喊——

“看吧，我的時代就要來到了”，但那篇論文的處境卻依然沒有得到改觀。

種瓜得瓜，種豆得豆，上一代的性狀總會傳給下一代，這是遺傳現(xiàn)象，但是上代和下代之間又不可能完全相同，總有許多差異，這種差別叫作變異。這些在日常生活中習以為常的遺傳和變異現(xiàn)象早就引起了人們的注意。因此，自孟德爾之后，人們對于遺傳與變異現(xiàn)象的研究就從未停止過。1900年，一個偶然的機會，一些執(zhí)著的研究者們在查閱從前的文獻資料時，發(fā)現(xiàn)了30多年前一位名叫孟德爾的人寫的文章，他們失望地接受了一個事實：他們什么也不用做了，孟德爾早已打開了現(xiàn)代遺傳學的大門，揭示了生命的許多秘密。

這樣偉大的人物竟然一直尚不為科學界所知，人們的心中油然而生一種敬意。于是，盛贊孟德爾的文章頻頻見之于世，孟德爾也被世人稱頌為現(xiàn)代遺傳學的奠基人——孟德爾的時代一如孟德爾臨終時所呼告的那樣姍姍來遲。

解密生命--生命密碼箱：基因

生命密碼箱：基因

基因早先被稱為“遺傳因子”，要知道它的確切來歷，還得要回到孟德爾的那篇論文中。那篇論文指出，生物體表現(xiàn)出來的高矮、胖瘦、大小、顏色等性狀只是人們能夠感覺到的表面現(xiàn)象，而這些現(xiàn)象的反復出現(xiàn)一定有著某種內(nèi)在的原因。孟德爾把這種決定性狀的內(nèi)在原因稱為‘’遺傳因子”，這是孟德爾學說的核心概念。孟德爾認為，由于有了遺傳作用，生物在進化過程中就不會是連續(xù)的變異，而是不連續(xù)的變異。這與達爾文的連續(xù)變異的進化思想是迥然不同的。

孟德爾還指出，生物體的每種性狀都是由兩個遺傳因子決定的，一種決定顯性，另一種決定隱性。生物體在形成生殖細胞時，原來成對的遺傳因子不能同時進入一個生殖細胞，每個生殖細胞中只有一對遺傳因子中的一個，由雌。雄生殖細胞的合二為一而恢復成對。在孟德爾的學說中，成對的遺傳因子在生物體形成生殖細胞時必然要分離被稱作遺傳學第一定律，即“分離定律”，而分離后的遺傳因子再次組合成一對的遺傳因子時，可以和原來并非是一對的遺傳因子自由搭配在一起，共同進入一個生殖細胞中——這種各對遺傳因子的獨立分離和遺傳因子的自由組合被稱為遺傳學第二定律，即“自由組合定律”。

孟德爾和他的學說在20世紀初掀起了一個宏大的科學熱潮，遺傳學迅速成為當時生物學家們的研究熱點，“遺傳”、“變異”、“遺傳因子”等詞語也成了頗為時髦的流行語。在實際研究工作中，“遺傳因子”是用得比較多的概念。1909年，丹麥植物學家和遺傳學家約翰遜提出，“遺傳因子”使用起來很不方便，而 “基因”代替“遺傳因子”更能反映出事物的本質(zhì)，說起來也朗朗上口。此后，人們便習慣于將決定和控制生物遺傳和變異內(nèi)在的某種細微因子稱為“基因。”但是，基因究竟是什么東西？當時誰也沒有親眼見到過。

那么，基因在哪里？究竟是什么樣子呢？比較順理成章的推測是，基因必定孕育于細胞中，而且很可能就是染色體或在染色體上。1902年，美國哥倫比亞大學生物學研究生沃·薩頓發(fā)現(xiàn)，染色體顯然不是基因，但是染色體與基因有許多相似之處，比如在受精時來自父方的一個基因與來自母方的一個基因合在一起恢復成雙，而來自父方的一條染色體與來自母方的一條染色體也是合到一起，恢復成雙。這種比較研究的結(jié)果令薩頓極為振奮，因為他已經(jīng)意識到，基因很可能就在染色體上。據(jù)此，薩頓提出了一個假說：染色體是基因的載體。令薩頓欣喜若狂的是，他的假說很快被各項實驗所證實。

1908年，美國哥倫比亞大學生物系的生物胚胎學家摩爾根開始沿著校友薩頓的思路在果蠅身上尋找基因。在摩爾根看來，果蠅是頗為理想的實驗材料，它的生活周期只有10－14天，易于飼養(yǎng)，而且染色體不多，只有4對。最終，果蠅幫了摩爾根大忙。多年以后，摩爾根和他的弟子們建立了相當系統(tǒng)的基因遺傳學說，揭示了基因是組成染色體的遺傳單位，它能控制遺傳性狀的發(fā)育，也是突變、重組、交換的基本單位。摩爾根本人也因此獲得了1933年度諾貝爾醫(yī)學和生理學獎。

在一群嗡嗡亂飛的果蠅身L，摩爾根發(fā)現(xiàn)，生物遺傳基因的確在生殖細胞的染色體上，而且基因在每條染色體內(nèi)是呈直線排列的。染色體可以自由組合，但排在一條染色體上的基因是不能夠自由組合的?；蚩偸歉S著染色體——這種特點被摩爾根稱為基因的“連鎖”，即染色體好比是鏈條，基因好比構(gòu)成鏈條的鏈環(huán)，鏈環(huán)跟著鏈條跑?？墒?，這種由鏈環(huán)連接而成的鏈條偶爾也有丟掉一個鏈環(huán)再補上的情形。由于同源染色體的斷離與結(jié)合而產(chǎn)生了基因的“交換”。連鎖和交換定律是摩爾根發(fā)現(xiàn)的遺傳學第三定律，它揭示了一個奧秘：染色體好比是傳遞基因的接力棒，它永不停息地從上一代傳往下一代。

基因遺傳理論雖然確立了，但是基因究竟是不是一種物質(zhì)實體在當時尚不清楚。摩爾根則傾向于基因“代表一個有機的化學實體”的看法，他在著名的《基因論》一書中寫道：“像物理和化學家設(shè)想的看不見的原子和電子一樣，遺傳學家也設(shè)想了看不見的要素——基因……它之所以穩(wěn)定，是因為它代表著一個有機的化學實體。”摩爾根確信，等到生物化學發(fā)展到一定程度之后，基因的客觀存在性必定會得到證實。

但是，人們對于基因是否實際存在并非像摩爾根那樣充滿信心。事實上，基因?qū)W說一問世，不少人就認為，基因不過是以某種特定的形式排列在染色體上的位點，它并不實際存在。其后，遺傳學家普遍認為，要想揭示基因的秘密，必須通過更為精密的遺傳分析。另外一部分學者則耐心地等待著分子生物學時代的到來，他們認為，無論基因是否客觀存在，遺傳的研究進入分子層次總能夠發(fā)現(xiàn)一些意想不到的未解之謎。1910年，德國生物學家魏斯曼提出：“生物科學必須通過把物理學和化學結(jié)合起來的方法，并一直深入到分子原子這樣的單位上，才能解釋生命世界的種種現(xiàn)象。”事實證明，遺傳的微觀機制只有通過物理化學的方法才能揭示，魏斯曼的論斷吸引了一大批物理學家、化學家介入了遺傳領(lǐng)域，從而促發(fā)了分子生物學時代的早日來臨。

人類最終解開基因之謎則要歸功于一條帶血的繃帶。1868年，年輕的瑞主化學家米歇爾在一條滿是濃液的繃帶上找到了記錄遺傳信息的“無字天書”——核酸。說起來，核酸的發(fā)現(xiàn)極其偶然。那條為人類遺傳學作出了不朽貢獻的繃帶是米歇爾從外科診所的廢物箱中撿來的。濃血主要由白細胞和人體細胞組成，米歇爾用硫酸鈉稀溶液沖洗繃帶，使細胞保持完好并與膿液中的其它成分分開，得到了很多白血球細胞。然后，他又用酸溶解了包圍在白血球外的大部分物質(zhì)而得到了細胞核，再用稀堿處理細胞核，又得到了一種含磷量很高的本知物質(zhì)。這種未知物質(zhì)被興趣盎然的米歇爾定名為“核素”。不久，米歇爾的德國導師塞勒也從酵母菌中提取出了核素。1879年，塞勒的另一名弟子科塞爾開始系統(tǒng)地研究核素的結(jié)構(gòu)。到了20世紀初，科塞爾和他的學生們已經(jīng)把核素的所有組成成分一一一一一一糖、磷酸、膘吟堿、嘴院堿全部辨認出來。由于在細胞核中找到的那種含磷量很高的“核素”具有很強的酸性，因此，“核素”后來被“核酸”所取代，并為科學界廣泛采納。

按說，至此，基因物質(zhì)已全部登場，基因的秘密也該真相大白了。但是，事實并非如此，科塞爾等人并不知道他們所發(fā)現(xiàn)的核酸究竟和基因有什么關(guān)系，因此，摩爾根的預言尚未能夠得到證實。1909年，美國生物化學家歐文發(fā)現(xiàn)核酸中的碳水化合物是由5個碳原子組成的核糖分子；到了1930年，他又發(fā)現(xiàn)米歇爾在繃帶上所發(fā)現(xiàn)的“胸腺核酸”中的糖分子僅僅比塞勒從酵母菌中發(fā)現(xiàn)的“酵母核酸”中的糖分子少一個氧原子，因此把這種糖分子稱為“脫氧核糖”。此后，這兩種核酸分別被命名為“核糖核酸”（RNA）與“脫氧核糖核酸”（DNA）。1934年，歐文把以上兩種核酸分解為含有一個膘吟（或噴院）、一個糖分子和一個磷酸分子的許多片段，并把這種片段叫作“核苷酸”。歐文認為，核酸是由核苷酸連接而成，根據(jù)核苷酸中包含的源吟和陵牌的種類不同，核苷酸可分成4種。在 DNA中，4種核甘酸是：

腺瞟吟（A）、鳥膘吟（G）、胞密啶（X）和胸腺密啶（X）核苷酸。在RNA中分為：腺膘吟（A）、鳥膘吟（G）、胞密啶（X）和尿密啶（X）核苷酸。

DNA一般只在細胞核中，而RNA除了細胞核，還分布在細胞質(zhì)中。后來，它們被證明為攜帶遺傳秘密的基因物質(zhì)，這些基因物質(zhì)內(nèi)貯存了生命的所有密碼旦開啟基因一這個永恒的生命密碼箱，那么，生命的全部奧秘都將盡顯無遺，而生命的歸宿也必將命中注定。這是一位名叫道金斯的美國科學家的觀點，他堅定不移地認為，生命在本質(zhì)上應該被視作是基因的載體。生命照管自己的基因，并且通過某種特定的方式與同類的基因（通常是這樣）相混合，將它們傳遞給后代以延續(xù)種族。生命傳遞給每一個后代的便是由生命密碼組成的啟動程序，是基因的特定組合。事實上，當?shù)厍蛏_始出現(xiàn)的時候，基因的傳遞便開始了，而且還要永遠傳遞下去，因此，每個生命只是一個暫時的基因載體。

果如道金斯所言，生命所經(jīng)歷的實在是一場精致的悲劇人生，而生命存在的價值——至說人類存在的價值——然只是攜帶著一個生命密碼箱在生命演進的大道上放足狂奔。

解密生命--生命語言：DNA

生命語言：DNA

DNA和RNA的發(fā)現(xiàn)似乎并沒有掀起多少波瀾，因為它們的發(fā)現(xiàn)者們并沒有能夠很好地說明DNA和RNA與生物遺傳基因究竟有什么關(guān)系。直到19M年以前，人們還認為，蛋白質(zhì)才是生命體內(nèi)主要的遺傳物質(zhì)。

1944年，美國科學家埃弗雷設(shè)計了一個很巧妙的實驗，間接證實了DNA就是那個被遺傳學家們找了很久的基因物質(zhì)，在DNA身上帶有生命的遺傳秘密指令。埃弗雷用的實驗材料是肺炎球菌。肺炎球菌有兩種，一種能致病，表面光滑，稱為S型；另一種不能致病，表面粗糙，稱為R型。早在1928年，人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)將殺死了的S型肺炎球菌和活著的R型肺炎球菌一起注入小鼠體內(nèi)仍會致病，從而說明S型肺炎球菌中存在著某種物質(zhì)能使R型菌轉(zhuǎn)化成具有致病能力的肺炎球菌。這一結(jié)論給了埃弗雷不小的啟發(fā)，他將S型菌粉碎后，提純其體內(nèi)的各種物質(zhì)，獲得了純度很高的糖類、脂類、蛋白質(zhì)和核酸等，將這些物質(zhì)分別與R型菌進行混合培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)只有和核酸混合培養(yǎng)的R型菌才能轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂兄虏∧芰Φ募毦Ｓ纱丝梢?，核酸才是主要的遺傳物質(zhì)。后來，又有科學家發(fā)現(xiàn)，RNA也是一個攜帶遺傳秘密的基因物質(zhì)。

1951－1952年，美國科學家赫爾希和德爾布呂克通過對噬菌體的研究，進一步證實了埃弗雷的觀點。噬菌體是能吃細菌的物體，這種物體離開了細胞是一種無生命的物體，而一旦進入細胞，就具有生物體新陳代謝、繁衍后代等一切特性。赫爾希和德爾布呂克選擇了一種專食大腸桿菌的噬菌體，外形像絨科，有短而粗的頭和一條尾巴。當這種噬菌體遇到大腸桿菌時，先把尾巴搭住細菌并在細菌身上打開一個孔，然后把自己體內(nèi)的物質(zhì)通過小孔注入細菌體內(nèi)，隨后，數(shù)以千計的噬菌體形成了，細菌也破裂了。噬菌體的外殼是蛋白質(zhì)，而內(nèi)容物只有DNA。噬菌體把自己的DNA注入到細菌體內(nèi)生出了小噬菌體就證明了DNA具有指導遺傳的功能，也說明DNA決定著蛋白質(zhì)的合成以及蛋白質(zhì)的性質(zhì)和構(gòu)成。蛋白質(zhì)是組成生命的基礎(chǔ)物質(zhì)，是生命功能的最主要執(zhí)行者，因此，DNA就是生命遺傳的基因物質(zhì)。

在以上幾位科學家所取得的巨大成就的鼓舞下，生物化學家們開始重新考察核酸的結(jié)構(gòu)。

那么，DNA中的4種核苷酸是怎樣連接起來的呢？在很長的一段時間內(nèi)，許多科學家一直把蛋白質(zhì)作為生物性狀表現(xiàn)的工具，認為核酸是通過蛋白質(zhì)起作用的，因此，核酸在遺傳中的重要作用沒有受到足夠的重視。直到20世紀40年代末50年代初，人們才發(fā)現(xiàn)核酸不但能夠水解分裂成堿基片段，而且還可以進行定量分析。1950年，美國生物化學家查爾加夫分析了DNA的組成成分，發(fā)現(xiàn)了不同來源的DNA分子中，膘哈類核苷酸和呼院類核苷酸的總數(shù)總是相等，腺膘吟核苷酸（A）的數(shù)目總是等于胸腺喚院核苷酸阿），鳥源吟核苷酸（G）的數(shù)目等于胞陵陡核苷酸（C），即A＝T，G＝C；A＋G＝T＋C。這就是著名的“查爾加夫規(guī)則”。

通過研究，查爾加夫還發(fā)現(xiàn)，DNA堿基成分隨著來源的不同有很大的差異，4種堿基可以按不同的序列排列，表現(xiàn)出極大的多樣性和特異性，能得到4”種不同的排列方式，是一座十分龐大的遺傳密碼庫。而且4種堿基的組合還遵循一個共同的規(guī)律：不論DNA的來源如何，在4種堿基中，腺瞟吟（A）總是跟胸腺闡陡河）配對，腺喀院（C）總是跟鳥膘哈（則配對。這種嚴格的堿基配對叫作“堿基互補原則”。

查爾加夫的發(fā)現(xiàn)大大地推進了人們對DNA的理解程度，下一步就是要搞清楚DNA的化學結(jié)構(gòu)以及它在蛋白質(zhì)中產(chǎn)生何種作用，從而支配著蛋白質(zhì)的合成。就在查爾加夫埋頭對DNA展開細致研究的同時，運用X射線等先進的物理學方法研究生物大分子的晶體結(jié)構(gòu)也取得了突破性進展。這一工作主要是在英國進行的。 50年代初，英國科學家威爾金斯等人用X射線衍射技術(shù)對DNA結(jié)構(gòu)潛心研究了3年后發(fā)現(xiàn)，DNA是一種螺旋結(jié)構(gòu)。1951年，英國女物理學家富蘭克林拍到了一張十分清晰的DNAX射線衍射照片。這些卓有成效的工作為DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)打下了堅實的基礎(chǔ)。

最終完成這一宏偉工程的是美國生物學家沃森和英國生物學家克里克。沃森是埃弗雷噬菌體研究小組的成員，克里克則是英國結(jié)構(gòu)學派的成員。1951年11 月，兩人在劍橋大學的卡文迪許實驗室相遇，并進行了愉快的交談，很快發(fā)現(xiàn)彼此都對DNA分子結(jié)構(gòu)極感興趣，于是便相約合作研究，試圖揭示和闡明遺傳信息的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

此后，沃森與克里克抓緊時間研究已經(jīng)獲得的各項數(shù)據(jù)，并于1951年底提出了一個由三股鏈組成的螺旋結(jié)構(gòu)模型。但是很快，他們便失望了，因為由于算少了DNA的含水量，搭構(gòu)出來的三股鏈的樣子連他們自己看著都覺得別扭。第一個模型失敗了。1952年7月，克里充意外地從查爾加夫那里得知DNA所含的4 種堿基含量并不相等，他意識到，果真如此，那么只有一種可能，那就是它們只能是兩條鏈上堿基互相以配對的形式而存在。1953年2月，克里克與沃森又得到了關(guān)于DNA結(jié)構(gòu)的X射線衍射照片和新數(shù)據(jù)。根據(jù)各方面對DNA研究的信息和深入細致的研究分析，沃森和克里克形成了一個共識：DNA是一種雙鏈螺旋結(jié)構(gòu)。于是，他們搭建了一個DNA雙螺旋模型，并于1953年4月將新的DNA結(jié)構(gòu)模型在權(quán)威刊物帕然》雜志上公布于世。

這是一個極為成功、無懈可擊的DNA分子結(jié)構(gòu)模型，它由兩條右旋但反向的鏈在同一個軸上盤繞而成，像一個螺旋形的梯子，生命的遺傳密碼就列在梯子的橫檔上。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型完美地說明了遺傳物質(zhì)的遺傳、生化和結(jié)構(gòu)的主要特征，它的提出是生物學史上劃時代的事件。從此，遺傳學的歷史和生物學的歷史正式從細胞階段進入了分子階段。由于這一劃時代的貢獻，沃森、克里克和英國科學家威爾金斯共獲1962年度諾貝爾醫(yī)學和生理學獎，這一殊榮今完全出乎意料的克里克、沃森感慨萬千，激動不已。克里克在他的回憶錄《狂熱的追求——科學發(fā)現(xiàn)之我見》中表述了這種心情：“雙螺旋確實是一種了不起的, 分子，也是一個了不起的發(fā)現(xiàn)。現(xiàn)代人的歷史約有5萬年，文明的歷史幾乎不到1萬年，美國的歷史僅僅200多年，可是RNA、DNA都至少存在了幾十億年。從古至今，雙螺旋就一直存在并活躍著，可是我們還是近些年才知道。當然，值得慶幸的是，我們是地球上最先意識到它的存在的生物。有關(guān)我們發(fā)現(xiàn)雙螺旋的文章如此之多，我很難再補充什么。我想說，DNA是由4個字母的語言寫成的長長的生命信息，這是生命的語言……”

沃森與克里克發(fā)現(xiàn)的DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型有4個重要特點：一，DNA分子是由兩條成對的鏈以雙螺旋的方式接一定空間距離相互平行盤繞，像一根扭曲的大麻花。DNA分子的長鏈從頭至尾都嚴格遵守堿基配對原則。二，兩條長鏈的方向是相反的。三，腺瞟吟（A）

跟胸腺嚼嚀燈）以兩氫鍵聯(lián)結(jié)配對，而胞噴促（C）與鳥瞟吟（G）卻以三氫鍵聯(lián)結(jié)配對。比如，一條鏈上的堿基排列順序是TCGACTGA……，AF么，另一條鏈上的堿基排列順序一定是AGCTGACT……。這就意味著，DNA中一條鏈的堿基順序一旦確定，那么另一條鏈的堿基順序也就確定了。四，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型表明它的結(jié)構(gòu)對于堿基的順序不存在任何限制。

據(jù)科學家統(tǒng)計，一個體細胞的全部DNA“螺旋樓梯”長約2米。若將一個人的全部DNA連接起來，可以在地球和太陽之間扯上80個來回。

在那個偉大的發(fā)現(xiàn)之后，沃森與克里克從未停止過對生命更深層次的探索。不久，他們又給《自然》雜志撰寫第二篇文章，提出了DNA分子的復制假說：在體細胞的有絲分裂中，每個DNA分子雙螺旋先分解成兩個單螺旋，每個單螺旋再利用細胞中現(xiàn)成的游離膜吟、嘖嘖以及酶重建失去的那一半。實際上，可以形象地認為，每個單鏈好像“模子”，按照某種特定方式澆注出一個個與“模子”相匹配的產(chǎn)品。因此，生命體內(nèi)DNA分子由一個變?yōu)閮蓚€的復制被稱為“半保留復制”。沃森和克里克闡述的關(guān)于DNA分子的復制假說得到了當時科學界廣泛認同，人們開始認識到，生命就是一個不斷復制和進化的過程，而這個過程起始于DNA的復制，從而保證了父輩的生命密碼像拷貝一樣準確無誤地傳給了子孫。至此，千百年來一直困擾人類的生命遺傳之謎終于被解開了。到了20世紀90年代中期，分子生物學家的研究發(fā)現(xiàn)，所有的DNA都有一種語言的特性：分子中的每4種堿基對必定組成4個字母，由此構(gòu)成長的文字系列。事實上，編譯出基因中信息的DNA 系列已經(jīng)被生物學家形象地稱為“生命的語言”，他們?yōu)榱税选吧恼Z言”“逐字表述出來，讓DNA通過一系列語言的測試，測試的結(jié)果令人驚訝：一部分 DNA顯示的文字，其構(gòu)造竟然同天然的語言十分相似，而另一部分DNA顯示的文字則形同“天書”，完全不像天然的語言，而這一部分DNA恰恰含有能編譯密碼、制造蛋白質(zhì)的基因。

解密生命--生命密碼

生命密碼

在層層剝離生命的奧秘顯現(xiàn)出生命的全部密碼之前，很有必要提一提蛋白質(zhì)。這個名詞對于許多人都不會陌生，“高蛋白”幾乎成了高營養(yǎng)的代名詞。雖然蛋白質(zhì)在生物學上的重要性并非全在于營養(yǎng)方面，但是，在生命體這座雄偉大廈的圖紙上，真正構(gòu)筑起大廈并行使各種功能的主要還是蛋白質(zhì)，它是生命功能最忠實的執(zhí)行者。

蛋白質(zhì)是一類含氮的生物高分子，其基本組成單位是氨基酸。構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸只有20種，其中有8種是人體內(nèi)無法合成的，需要從食物中攝取。蛋白質(zhì)可以分為兩大類，一類是簡單蛋白質(zhì)，它們的分子只由氨基酸組成，另一類是結(jié)合蛋白質(zhì)，它們的分子由氨基酸和部分非蛋白質(zhì)部分組成，結(jié)構(gòu)相當復雜…··二總之，蛋白質(zhì)是一種高分子有機化合物，種類繁多。由于不同生命體細胞內(nèi)存在著不同的蛋白質(zhì)，所以生命體能顯示出不同的性狀。

顯然，生命體無法直接將它特有的蛋白質(zhì)傳遞給后代，猶如父母并不能把他們的眼睛、鼻子、嘴唇直接傳給子女一樣。在這一具有決定性意義的傳遞過程中，起關(guān)鍵作用的只有DNA，DNA可以把遺傳信息表現(xiàn)為細胞的結(jié)構(gòu)和功能，它可以“指示”細胞合成自身生命活動所需要的一切蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)再進而顯示出生物體的遺傳性狀。

那么，DNA如何“指示”細胞合成蛋白質(zhì)？這一過程的復雜程度在人們沒有破譯出生命遺傳密碼之前幾乎難以設(shè)想。因為DNA是由4種堿基組成，而蛋白質(zhì)卻由20種氨基酸組成，4種堿基若能夠決定20種氨基酸的排列組合，一定會有某種特別的編碼方式。1944年，著名的量子物理學家薛定愕出版了《生命是什么》一書，提出了遺傳密碼的思想。薛定愕認為，莫爾斯電碼只用了點和劃兩種符號便可產(chǎn)生幾十種代號，基因分子的編碼方式必定具有雷同之處。薛定愕未能走得再遠一些，而是把這個很傷腦筋的問題留給了業(yè)余生物愛好者、美國天文學家蓋莫夫。1953年沃森和克里克關(guān)于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型發(fā)表之后，蓋莫夫在 1954年2月便提出了一個大膽的設(shè)想：DNA分子中的4種核音酸分解形成各種不同的組合，每一種組合就是一種氨基酸的符號。蓋莫夫的設(shè)想立即在美國招致非議，倒不是他說得沒有道理，而是他作為一個天文學家，“管得太寬了”，不該在生物學界“評頭論足”。蓋莫夫只好轉(zhuǎn)而求助于丹麥的一家科學雜志，沒想到引起了很多物理學家的關(guān)注。1955年，這些物理學家憑借著驚人的抽象思維能力，提出了三個核音酸組合在一起決定著一個氨基酸的設(shè)想。

1957年，克里克在吸收物理學家關(guān)于DNA組合編碼的思想、對核苷酸可能是蛋白質(zhì)合成的密碼進行研究時提出了“三聯(lián)體密碼”假說：在DNA分子中，三個核苷酸組成一種氨基酸的密碼，除了每個氨基酸有自己的“三體密碼子”外，多余的密碼子是蛋白質(zhì)合成或終止合成的符號。此外，也確實存在著一種氨基酸有幾種不同的密碼子的情況。至此，紛繁復雜的生命最終在三體密碼的基礎(chǔ)上獲得了統(tǒng)一，基因的真實面目也大白于天下：它只是一個密碼的系統(tǒng)，而不是人們原先想像的那樣是某種神秘的物質(zhì)實體。生物界從最簡單的病毒到最高等的人類，基本活動都是合成蛋白質(zhì)的活動，而且無一例外地都服從統(tǒng)一的、由核各酸組合而成的密碼的支配。所有的生物都在按照這個密碼體系進行著生命接力棒的傳遞。接下來又發(fā)生了一件轟動20世紀生命科學界的大事。20世紀60年代，美國生物學家尼倫伯格等人破譯了DNA中核苷酸組合成的生命遺傳密碼。1961年，美國生物學家尼倫伯格等人合成了由許多“尿核青酸”連結(jié)成的長鏈，稱為“多聚尿著酸（U－U－U－U……）”，他們把這條人工合成的長鏈加入含有多種氨基酸、酶、核糖體和一些合成蛋白質(zhì)所必需的溶液中。不久，奇跡出現(xiàn)了，這種溶液中形成了一條只有苯丙氨酸連接而成的多肽鏈。于是，尼倫伯格等人斷定苯丙氨酸的三聯(lián)體密碼是U－UU。此后，尼倫伯格等人進行了更為復雜的試驗，并采用類似的方法確定了亮氨酸、異亮氨酸等多種氨基酸的密碼。到了1967年，他們破譯了20余種氨基酸的密碼，還發(fā)現(xiàn)了不少代表著起始、終止和標點的密碼。后來，人們把尼倫伯格等人破譯的生命遺傳密碼組合成一部精致的密碼字典，利用這部特殊的字典便可以隨心所欲地找到各種氨基酸和它所對應的遺傳密碼。

查閱遺傳密碼字典的時候，先取左邊（第一堿基）的一個字母，再取上面（第二堿基）

的一個字母，最后，再取右邊（第三堿基）的一個字母，合起來就是一個氨基酸。例如GAG代表谷氨酸，AAU代表天冬酚胺等。非常有趣的是，密碼里還有句號，用來表示氨基酸連成I一個段落。不妨借助這部生物字典翻譯下列一段密碼：GCA（丙氨酸）、AAC（天冬酚胺）、UCC（絲氨酸）。GGU（甘氨酸）、AUC（異亮氨酸）、UAC（酪氨酸）、UAA（句號）、UAG（句號）、GGA（甘氨酸）、UUA（亮氨酸）、CCC（脯氨酸）、AUG（甲硫安酸）、UCG（絲氨酸）、AAG（賴氨酸）、ACA（蘇氨酸）、AAG（賴氨酸）。原來，它就是噬菌體R17身上的部分遺傳密碼。科學家指出，從細菌到人類的一切生物的遺傳密碼都能從遺傳密碼字典上找到（附：遺傳密碼字典）。

當科學家們破譯了決定生命基礎(chǔ)的蛋白質(zhì)的氨基酸合成密碼后，遺傳信息的傳遞機理便成了人們迫切渴望獲知的熱門話題?？墒?，在當時，對遺傳信息的傳遞過程作出合情合理的解釋，實在令人望而生畏。因為細胞學所掌握的事實是，所有DNA都在細胞核內(nèi)，而蛋白質(zhì)卻存在于細胞質(zhì)中，像DNA這樣碩大的分子是無法隨意進入細胞質(zhì)的。但是，DNA的遺傳密碼如果不能被帶入細胞質(zhì)就無法合成特定的蛋白質(zhì)，換言之，這個密碼就無所作為。于是，科學家們大膽地推測，一定有一個傳遞信息的使者，從DNA那里拷貝了一份密碼文件，并帶入了細胞質(zhì)中。那么，這個傳遞信息的使者染色體是由許多記錄遺傳信息的小基因區(qū)段組成，每一個基因區(qū)段負責控制生物一種性狀或者負責幾種相關(guān)的性狀，或者是幾個基因區(qū)段負責控制生物體某方面的性狀等等，一旦這些正?；虬l(fā)生變化就會變成異常基因，相應地由它決定的正常性狀也就變成了異常性狀。突變基因產(chǎn)生后就會通過精、卵、受精卵傳給下一代。但在DNA模型尚未建立之前，

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