| 基因——人類最偉大的十個科學(xué)發(fā)現(xiàn)之八 |
| 作者：塔米姆·… 文章來源：科技園 點(diǎn)擊數(shù)： 50 更新時間：2006-12-27 |
| 本站將陸續(xù)推出這十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的故事，它們分別是勾股定理、微生物的存在、三大運(yùn)動定律、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、血液循環(huán)、電流、物種進(jìn)化、基因、熱力學(xué)四大定律、光的波粒二相性，敬請關(guān)注。 基因——人類最偉大的十個科學(xué)發(fā)現(xiàn)之八 塔米姆·安薩利 20世紀(jì)初，科學(xué)家判定必然是某些實(shí)際的物質(zhì)攜帶這種特性，創(chuàng)立了基因（gene）這個詞，以后又證明了基因的化學(xué)本質(zhì)是DNA分子。1953年，發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。 孟德爾出生在奧地利的一個貧寒的農(nóng)民家庭里，受同為園藝家的父母的熏陶，他從小喜愛植物。他先在當(dāng)?shù)亟虝k的一所中學(xué)教自然科學(xué)，后來到維也納大學(xué)深造，受到相當(dāng)系統(tǒng)和嚴(yán)格的科學(xué)教育與訓(xùn)練，為后來的科學(xué)實(shí)踐打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。孟德爾回到布魯恩后弄來了34個品種的豌豆，從中挑選出22個品種用于實(shí)驗(yàn)。它們都具有某種可以相互區(qū)分的穩(wěn)定性狀，例如高莖或矮莖、圓料或皺科、灰色種皮或白色種皮等。 從生物的整體形式和行為中很難觀察并發(fā)現(xiàn)遺傳規(guī)律，而從個別性狀中卻容易觀察，這也是科學(xué)界長期困惑的原因。孟德爾不僅考察生物的整體，更著眼于生物的個別性狀，這是他與前輩生物學(xué)家的重要區(qū)別之一。孟德爾選擇的實(shí)驗(yàn)材料也非?？茖W(xué)。因?yàn)橥愣箤儆诰哂蟹€(wěn)定品種的自花授粉植物，容易栽種，容易逐一分離計數(shù)，這對于他發(fā)現(xiàn)遺傳規(guī)律提供了有利的條件。 孟德爾清楚自己的發(fā)現(xiàn)所具有的劃時代意義，但他還是慎重地重復(fù)實(shí)驗(yàn)了多年，以期更加臻于完善。1865年，孟德爾總結(jié)出著名的遺傳規(guī)律，在布爾諾（Brno）自然科學(xué)學(xué)會宣讀了他的論文《植物雜交試驗(yàn)》（Experiments in Plant Hybridization），盡管與會者絕大多數(shù)是學(xué)會會員，其中既有化學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家和生物學(xué)家，也有生物學(xué)業(yè)的植物學(xué)家、藻類學(xué)家。但聽眾對連篇累續(xù)的數(shù)字和繁復(fù)枯燥的論證毫無興趣，他們跟不上孟德爾的思維，因此無法估計孟德爾發(fā)現(xiàn)的重要性。第二年，孟德爾在學(xué)會雜志上發(fā)表了他得到的試驗(yàn)結(jié)果，也沒有引起科學(xué)界的注意。孟德爾的論文在此后30余年中未被科學(xué)界所知。 柯靈斯（如下左圖）也在做植物雜交的實(shí)驗(yàn)，在德弗里斯之后也趕緊發(fā)表了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。他在論文中提到了孟德爾，但也像德弗里斯一樣，聲明是在自己獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了遺傳定律之后才讀到孟德爾的論文的。 契馬克（如上右圖）也在幾星期后發(fā)表了論文，在論文中引用了孟德爾，但同樣稱自己獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了遺傳定律，然后才驗(yàn)證孟德爾的實(shí)驗(yàn)。 1909年，丹麥生物學(xué)家約翰遜（Wilhelm Ludwig Johannsen，1857－1927）（如右圖）根據(jù)希臘文“給予生命”之義，創(chuàng)造了基因（gene）一詞，并用這個術(shù)語代替孟德爾的“遺傳因子”。不過他所說的基因并不代表物質(zhì)實(shí)體，而是一種與細(xì)胞的任何可見形態(tài)結(jié)構(gòu)毫無關(guān)系的抽象單位。因此，那時所指的基因只是遺傳性狀的符號，還沒有具體涉及基因的物質(zhì)概念。 美國遺傳學(xué)家摩爾根（Thomas Hunt Morgan，1866－1945）（如上左圖）對基因?qū)W說的建立作出了卓越的貢獻(xiàn)。1915年至1928年，他和他的助手以果蠅（如上右圖）作為實(shí)驗(yàn)材料，第一次將代表某一特定性狀的基因，同某一特定的染色體聯(lián)系了起來，創(chuàng)立了遺傳的染色體理論。隨后遺傳學(xué)家又應(yīng)用當(dāng)時發(fā)展的基因作圖（gene mapping）技術(shù)，構(gòu)筑了基因的連鎖圖，進(jìn)一步揭示了在染色體載體上基因是按線性順序排列的。 首先用實(shí)驗(yàn)證明基因的化學(xué)本質(zhì)就是DNA分子的是加拿大生物化學(xué)家艾弗里（Oswald Theodore Avery，1877－1955 ）（如上左圖）。1945年，他和他的合作者在紐約進(jìn)行細(xì)菌轉(zhuǎn)化的研究（如上右圖），實(shí)驗(yàn)材料是肺炎鏈球菌，結(jié)果說明，使細(xì)菌性狀發(fā)生轉(zhuǎn)化的因子是DNA（即脫氧核糖核酸），而不是蛋白質(zhì)或RNA（即核糖核酸）。 這一重大的發(fā)現(xiàn)轟動了整個生物界。因?yàn)楫?dāng)時許多研究者都認(rèn)為，只有像蛋白質(zhì)這樣復(fù)雜的大分子才能決定細(xì)胞的特征和遺傳。而艾弗里等人的工作打破了這種信條，在遺傳學(xué)理論上樹起了全新的觀點(diǎn)，即DNA分子是遺傳信息的載體。 當(dāng)人們?yōu)榘ダ锏膶?shí)驗(yàn)而激烈爭論時，美國微生物學(xué)家赫爾希（Alfred Day Hershey，1908－1997）（如右圖）等人在考慮，能否將蛋白質(zhì)和DNA完全分開，單獨(dú)觀察DNA的作用呢？他們的實(shí)驗(yàn)材料是T2噬菌體。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞的噬菌體是核酸；進(jìn)而說明，攜帶遺傳信息的是核酸，而不是蛋白質(zhì)。噬菌體的DNA不但包括噬菌體自我復(fù)制的信息，而且包括合成噬菌體蛋白質(zhì)所需要的全部信息。1952年，赫爾希和他的學(xué)生共同發(fā)表報告，肯定了艾弗里的結(jié)論。此后，再也無人懷疑DNA是遺傳物質(zhì)了。 英國生物物理學(xué)家阿斯特伯里(William Thomas Astbury,1898－1961)（如下左圖）1938年曾通過X射線結(jié)晶衍射圖發(fā)現(xiàn)DNA分子是多聚核苷酸分子的長鏈排列。然而阿斯特伯里所發(fā)現(xiàn)的DNA圖片極其不清楚，無法真實(shí)反映DNA清晰的圖像。 1950年，愛爾蘭科學(xué)家威爾金斯（Maurice Wilkins，1916－）（如上右圖）的研究小組就測定了DNA在較高溫度下的X射線衍射，得到的照片比阿斯特伯里的要精美得多。其中一個主要原因就是他們保持了DNA纖維的濕潤狀態(tài)。DNA的X光衍射照片中有明顯的幾組點(diǎn)組成了十字的一橫，提示DNA的整個結(jié)構(gòu)為螺旋形，但證據(jù)并不充分。后來，威爾金斯似乎再也無法深入到更深層面了解DNA的真實(shí)結(jié)構(gòu)。 具有非凡才能的英國女科學(xué)家羅沙琳德·弗蘭克林（Rosalind Franklin，1920－1958）（如下左圖）加盟到威爾金斯小組。她憑著獨(dú)特的思維，設(shè)計了更能從多方面了解物質(zhì)不同現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)方法，如獲取在不同溫度下的DNA的X射線衍射圖。把這些各種局部的結(jié)構(gòu)形狀匯總，DNA的衍射圖片越來越全面。1952年5月她獲得了一張清晰的DNA的X光衍射照片。弗蘭克林與威爾金斯提出DNA的結(jié)構(gòu)可能是雙螺旋。 美國化學(xué)家鮑林(Linus Pauling，1901－1994)（如上右圖）從1951年起就在用同樣的X射線晶體衍射方法研究蛋白質(zhì)的氨基酸和多肽鏈，最后發(fā)現(xiàn)了血紅蛋白多肽鏈為α螺旋鏈，他成為X射線晶體衍射的權(quán)威。鮑林將注意力轉(zhuǎn)到了DNA，并獲得了一些DNA的X射線晶體衍射圖片。也許是由于實(shí)驗(yàn)的問題，或是指導(dǎo)思想的問題，鮑林一直認(rèn)為DNA是三螺旋結(jié)構(gòu)，走入了誤區(qū)。 1953年，最偉大的模型——DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型被提出來了，兩位創(chuàng)立者是美國生物化學(xué)家沃森（James Dewey Watson，1928－）（如下左圖）和英國生物物理學(xué)家克里克（Francis Harry Compton Crick，1916－）（如下右圖）。 1951年，沃森前往意大利參加生物大分子結(jié)構(gòu)會議。威爾金斯和弗蘭克林關(guān)于DNA的X射線晶體衍射圖分析報告吸引了沃森。博士畢業(yè)后沃森在英國的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室與克里克相遇并共同研究DNA的結(jié)構(gòu)。雖然受到來自威爾金斯和弗蘭克林的報告的啟發(fā)，但是，DNA具體是一個什么樣的螺旋結(jié)構(gòu)，是雙鏈、三鏈還是四鏈的，沃森和克里克心中并沒有譜。 沃森與克里克按照他們的理解搭出了DNA三螺旋的結(jié)構(gòu)。他們認(rèn)為，這個模型與威爾金斯和弗蘭克林提供的X衍射圖比較吻合，盡管弗蘭克林當(dāng)時并不知道DNA的精確結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)是什么樣的，但她指出這個模型過分模仿水分子，DNA結(jié)構(gòu)不應(yīng)當(dāng)是三螺旋。 沃森和克里克對DNA螺旋結(jié)構(gòu)的數(shù)種設(shè)想都被威爾金斯和弗蘭克林否定。在 沃森和克里克在一封信中對弗蘭克林說，她和威爾金斯的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)X衍射圖片對他們啟發(fā)很大。正是在這張圖片和弗蘭克林與威爾金斯的不斷指引，他們才走上了正確的跑道，并最終完成了一項(xiàng)具有劃時代意義的偉大工作。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著分子生物學(xué)從此誕生。它不僅說明了DNA為什么是遺傳信息的攜帶者，而且說明了基因的復(fù)制和突變等機(jī)理。 |
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