基因概念內(nèi)涵的充填過程

梁愈

文件編號： 1003 - 7586（2016）06 - 0005 - 03

從基因概念的提出到基因內(nèi)容的充填，經(jīng)歷了漫長的探索過程，傾注了眾多生物學家的心血。

1 基因概念的提出

1866年，孟德爾發(fā)表了關(guān)于豌豆雜交實驗的論文，將控制生物性狀的物質(zhì)賦予了一個新的名字，即“遺傳因子”。孟德爾認為一個遺傳因子決定著一種性狀；“使兩個植株能相互區(qū)別的性狀，歸根到底決定于因子的不同組成和不同的組合；這些因子以動態(tài)的相互作用方式存在于它們的起源細胞中”；生物的性狀通過遺傳因子從親代傳遞給子代。遺傳因子概念是孟德爾在進行大量實驗的基礎(chǔ)上，對實驗材料進行統(tǒng)計分析，采取假說—演繹法提出的。遺傳因子使孟德爾發(fā)現(xiàn)了遺傳的兩大定律，為遺傳學的建立奠定了理論基礎(chǔ)。

1865年，孟德爾以《植物雜交實驗》為題，在布隆自然科學學會上介紹了實驗過程和結(jié)果，但其研究成果被完全忽視了。載有孟德爾新發(fā)現(xiàn)的布隆學會會刊被寄往115個圖書館。孟德爾得到這篇文章的復(fù)印件后，寄了一份給達爾文。可惜的是達爾文連看也沒有看一眼。孟德爾又將文章寄給知名的植物學家克爾納和內(nèi)格里，也沒有引起克爾納的關(guān)注。內(nèi)格里與孟德爾保持了一段時間的通信，孟德爾在給內(nèi)格里的第二封信中，建議內(nèi)格里重復(fù)一下自己的實驗，并將豌豆種子寄過去，但內(nèi)格里沒有做這個實驗。內(nèi)格爾在1884年出版的關(guān)于進化與遺傳的著作中，沒有提到孟德爾，這是因為他主張和支持融合遺傳的理論。

直至1900年，3位植物學家德弗里斯、柯倫斯和切爾馬克在幾個月內(nèi)，先后發(fā)表文章稱，他們發(fā)現(xiàn)了重要的遺傳規(guī)律，但在查閱文獻時發(fā)現(xiàn)，19世紀60年代孟德爾已經(jīng)發(fā)表了該定律。

孟德爾的理論為什么會被埋沒了35年呢？主要原因在于，一些科學家認為孟德爾的理論過于抽象，與實際脫節(jié)，沒有物質(zhì)基礎(chǔ)。美國遺傳學家摩爾根最初也是反對孟德爾學說的，他認為孟德爾學說缺乏實驗證據(jù)，甚至懷疑等位基因分離理論，因為沒有什么機制可以解釋相對性狀的分離。

1909年，丹麥遺傳學家約翰遜提出了用“基因”取代孟德爾的“遺傳因子”。約翰遜認為，遺傳因子或因子不屬于科學術(shù)語，不夠準確。“基因”便于與其他的詞結(jié)合起來，表達近代孟德爾法則由研究者們所涉及的配子中的“單位因子”“要素”或“alleles”。不僅如此，為了把遺傳的原因與效應(yīng)分開，1911年，約翰遜又提出了基因型和表現(xiàn)型的概念。約翰遜用“基因型”一詞，用來描述受精卵中全套基因及其表達生物性狀的全部能力；用“表現(xiàn)型”一詞來描述基因外在作用的結(jié)果，這兩個術(shù)語很快就被科學界普遍采用?；蛐褪亲匀贿x擇的基礎(chǔ)，基因型中的變化是永久性的，它們能夠遺傳下去。表現(xiàn)型的變化反映了環(huán)境因素的作用，并非是永久性的。基因型與表現(xiàn)型的區(qū)別，有助于研究者弄清哪些變異是可遺傳的，哪些變異是不能遺傳的。約翰遜雖然提出了基因的概念，但他認為，基因只是一個說明問題的符號、計算單位、統(tǒng)計單位。約翰遜說：“不再考慮基因是一種器官樣的、有獨立生活和類似性質(zhì)的小體的概念，會導(dǎo)致這一概念的假設(shè)必須完全忘掉”。1917年，美國遺傳學家戈式米特批評了遺傳學家對基因過分謹慎的態(tài)度，戈式米特說：“我們認為對待問題的這種心智態(tài)度，是約翰遜對基因的本質(zhì)采取了不可知論的結(jié)果，這樣就使我們產(chǎn)生了某種神秘的崇敬心情，對基因的世俗屬性的觀點表示深惡痛絕。”約翰遜雖提出了基因的概念，但并不承認基因的物質(zhì)性，使人們對基因的認識帶上了神秘的色彩，甚至使自己也滑向了唯心主義，這是可悲的。孟德爾和約翰遜的共同點是都提出了一個概念、一個符號，將基因的形式和內(nèi)容分離開來。他們的不同在于，孟德爾并未否定基因的物質(zhì)性，而約翰遜認為基因是不可知的，屬于一種非物質(zhì)的東西。

2 對遺傳物質(zhì)的探索

什么是遺傳物質(zhì)？這個問題困擾了科學家很長時間。1883年，德國遺傳學家魏斯曼預(yù)言：“遺傳物質(zhì)是具有特定分子結(jié)構(gòu)的化合物”。在證實脫氧核糖核酸是遺傳物質(zhì)之前，遺傳學家已經(jīng)認識到，作為遺傳物質(zhì)至少應(yīng)當具備三個特點：① 攜帶遺傳信息；② 能夠自我復(fù)制，使子代和親代保持相對的穩(wěn)定性和連續(xù)性；③ 能夠產(chǎn)生可遺傳的變異，使生物與環(huán)境相適應(yīng)。要想知道基因是什么，就必須研究染色體，分析染色體上什么物質(zhì)攜帶遺傳信息。這項工作難度很大，因為細胞核本身很小，很難將染色體分離出來。盡管如此，科學家仍然成功地將染色體上的物質(zhì)分離出來，得出其基本成分是核酸和蛋白質(zhì)，并且證實這兩種物質(zhì)都是高分子有機化合物。1900年前后，遺傳學家認為：核酸不是遺傳物質(zhì)，因為核酸較蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)簡單，不可能在遺傳以及受精卵的發(fā)育過程中發(fā)揮作用。再者，細胞有絲分裂過程中，只有染色質(zhì)濃縮時才能著色。1909年，植物細胞學家特拉斯布格說：染色體本身不可能是遺傳物質(zhì)，因為它隨后就脫離了染色體形態(tài)，而且在細胞核中，其含量也因發(fā)育階段不同而變化。1920年，美國遺傳學家戈爾什米特指出：“如果按照習慣認為染色體中的核素是遺傳物質(zhì)，那么就決不可能有某種化學概念能夠解釋它的多種多樣效應(yīng)”。染色體的主要成分是蛋白質(zhì)和核酸，那么兩者誰才是遺傳物質(zhì)呢？1868年，瑞士化學家米歇爾從傷員繃帶上的化膿細胞中，分離出一種酸性物質(zhì)，這種酸含有大量的氮和磷。后來，米歇爾又從鮭魚精子的頭部，分離出含有酸性的化合物，并取名為“核素”，后來改稱“核酸”。1879年，德國生物學家柯塞爾發(fā)現(xiàn)，核素是蛋白質(zhì)和核酸的復(fù)合物。他經(jīng)過十多年的研究，搞清了核酸的基本成分，但在當時并沒有被人們普遍接受。1909年，美籍俄國生物化學家萊文發(fā)現(xiàn)，酵母中的核酸含有核糖。1929年，萊文發(fā)現(xiàn)動物胸腺嘧啶細胞中的核酸含有脫氧核糖，并把以前發(fā)現(xiàn)的核糖稱作核糖核酸，把后來發(fā)現(xiàn)的核酸稱作脫氧核糖核酸。1923年，細胞化學家福爾根證明，DNA是染色體的主要成分之一。一些間接證據(jù)表明，DNA儲藏著遺傳信息。比如，細胞內(nèi)絕大多數(shù)的DNA位于染色體上，每一個細胞DNA的含量與染色體的倍數(shù)有著精確的對應(yīng)關(guān)系，二倍體生物的體細胞中，DNA含量總是同種生物單倍體的兩倍。另外，DNA比蛋白質(zhì)和RNA更加穩(wěn)定。這些都暗示著DNA是遺傳物質(zhì)，但還不能被證明。

1928年，英國醫(yī)生格里菲斯用肺炎雙球菌感染小鼠時發(fā)現(xiàn)，肺炎雙球菌有兩種類型：光滑型和粗糙型。粗糙型的菌體無莢膜、無毒性，一般不會使小鼠致??；光滑型有莢膜、有毒性、致病性強。莢膜的化學成分是葡萄糖和葡萄糖醛酸的復(fù)合物，能夠抵抗某些生物體的吞噬，使細菌在宿主體內(nèi)大量繁殖而致機體生病。肺炎雙球菌又分為RⅠ、RⅡ、RⅢ和SⅠ、SⅡ、SⅢ等不同的菌體。格里菲斯用RⅡ和SⅢ作為實驗材料，把SⅢ型注入小鼠體內(nèi)，結(jié)果使小鼠患肺炎而死亡；將RⅡ注入小鼠體內(nèi)，小鼠不患病。經(jīng)過加熱處理的SⅢ型肺炎雙球菌，注入小鼠體內(nèi)后也不致病。但將經(jīng)過加熱處理的SⅢ型肺炎雙球菌與RⅡ型肺炎雙球菌混合注入小鼠體內(nèi)，卻使小鼠患病死亡。從死亡小鼠的血液中可以分離出大量有活性的SⅢ型的肺炎雙球菌，小鼠體內(nèi)的這種SⅢ型肺炎雙球菌含有SⅢ型的多糖莢膜，證明無莢膜的R型肺炎雙球菌突變成為了有莢膜的S型。格里菲斯對此現(xiàn)象的解釋是：經(jīng)過熱處理、已經(jīng)被殺死的S型細菌，可以使那些活著的R型細菌發(fā)生轉(zhuǎn)化，使它們恢復(fù)野生型所具有的合成莢膜的能力。格里菲斯發(fā)現(xiàn)了肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，但不能解釋轉(zhuǎn)化的原因。

1944年，美國生物學家艾弗里及其同事通過體外轉(zhuǎn)化實驗，弄清了轉(zhuǎn)化的本質(zhì)。艾弗里重復(fù)了格里菲斯的實驗，并用生物化學的方法證明轉(zhuǎn)化的因子是DNA，而不是蛋白質(zhì)、RNA和多糖。他分別做四個正實驗和四個負實驗：將SⅢ型的細菌殺死，然后分離出DNA、RNA、蛋白質(zhì)和多糖莢膜，把這四種物質(zhì)分別加進RⅡ型菌株，經(jīng)培養(yǎng)后，只有加進SⅢ型菌DNA的RⅡ型菌株發(fā)生轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生RⅡ型和SⅢ型的細菌；與此同時，還用不同的酶，處理提取物以觀察實驗的影響。這樣，艾弗里第一次證明了DNA是轉(zhuǎn)化因子，即DNA是遺傳物質(zhì)。盡管艾弗里的實驗很嚴謹，但其他科學家認為這一結(jié)論有以下疑點。

① 認為生物的遺傳與染色體上的蛋白質(zhì)有關(guān)。蛋白質(zhì)與核酸相比，蛋白質(zhì)作為遺傳物質(zhì)的可能性更大。這是因為，組成蛋白質(zhì)的氨基酸有20種，這20種氨基酸的不同排列組合，是一個巨大的天文數(shù)字，可儲存更多的遺傳信息。DNA分子量小，只有4種堿基，不同的DNA之間的差異很??；

② 在轉(zhuǎn)化過程中，DNA提取的不夠純，可能帶入蛋白質(zhì)分子，其他科學家認為是蛋白質(zhì)完成了轉(zhuǎn)化的功能；

③ DNA雖然是轉(zhuǎn)化因子，但可能DNA只對莢膜的形成有作用，而不是遺傳信息的載體。1952年，美國生物學家赫爾希和蔡斯分別用同位素35S和32P來標記T2噬菌體的蛋白質(zhì)外殼和核心DNA。當T2噬菌體被35S標記后，將其與大腸桿菌混合幾分鐘，用攪拌器攪拌被感染了噬菌體的細菌，使吸附在細胞表面的噬菌體脫落后。這時，蛋白質(zhì)外殼脫落下來，沒有進入細胞中。子代噬菌體不含放射性。當噬菌體T2用32P標記后，所有放射性只在感染了噬菌體的大腸桿菌內(nèi)部，表明病毒DNA進入了宿主細胞，而蛋白質(zhì)外殼留在外面。合成子代T2噬菌體的DNA的遺傳信息，只存在于父代DNA中。這個實驗的結(jié)果表明，DNA才是遺傳物質(zhì)，這個實驗結(jié)論很快被科學家承認。赫爾希和蔡斯的實驗證明DNA是遺傳物質(zhì)，揭示了遺傳物質(zhì)的化學本質(zhì)，大大推動了對核酸的研究。但DNA的結(jié)構(gòu)是怎樣的？在遺傳上如何發(fā)揮作用，這些還不得而知。

3 基因本質(zhì)的揭開

1911年，萊文發(fā)現(xiàn)了兩種核酸：脫氧核糖核酸和核糖核酸。脫氧核糖核酸的堿基有腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶。核糖核酸的堿基中沒有胸腺嘧啶，而存在尿嘧啶。萊文發(fā)現(xiàn)了核酸的化學組成，但沒有確定四種核苷酸以什么結(jié)構(gòu)形成核酸分子。1940年，英國物理學家阿斯特伯里拍攝了一些DNA的X射線衍射照片，這些照片雖然質(zhì)量不高，但仍然能夠證實DNA是由一疊扁平核苷酸構(gòu)成的。20世紀50年代初，由專門從事晶體結(jié)構(gòu)分析的科學家組成的三個個研究小組繼承了阿斯特伯里的工作。在這三個研究小組中，第一小組沒有取得什么實質(zhì)性的結(jié)果。第二小組英國科學家威爾金斯領(lǐng)導(dǎo)，制成了高度定向的DNA纖維，因此拍攝的X射線衍射照片非常清晰，進一步證實了阿斯特伯里的推斷，測出兩個相鄰核苷酸的距離是3.4埃。第三小組中有美國生物學家沃森和英國物理學家克里克。沃森在芝加哥大學動物系畢業(yè)后，從事X射線對噬菌體影響的研究工作，由于他是“信息學派”的成員，加之年輕有為，被派到英國劍橋大學卡爾迪許實驗室深造。在這里沃森與克里克密切合作。這種合作不僅是兩個人之間的合作，也是物理學與生物學之間的合作。1953年2月，第三小組在看到威爾金斯小組的照片后，立即進行了研究，幾個星期內(nèi)，就從照片中發(fā)現(xiàn)了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)。他們的主要結(jié)論是：DNA分子結(jié)構(gòu)是一個正常的螺旋。這個螺旋的直徑是20埃，沿著螺旋長度，每34埃完成一個螺距，由于兩個核苷酸的間距是3.4埃，所以，每一個螺距是由十個核苷酸組成。根據(jù)DNA分子的密度推論，這個螺旋由兩條核苷酸鏈構(gòu)成，是一個雙螺旋。四種核苷酸在雙螺旋中遵循堿基互補配對原則，即胞嘧啶總是與鳥嘌呤配對，胸腺嘧啶總是與腺嘌呤配對。沃森、克里克把研究成果和威爾金斯小組提供的X射線衍射照片一起發(fā)表在1953年4月的英國《自然》雜志上。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的確定，在生物學中具有劃時代的意義：① 解釋了雙螺旋所有的X射線衍數(shù)據(jù)。② 從生物學和遺傳學角度看，這個模型解釋了自催化原理。其提出了DNA分子儲存遺傳信息的機制，解釋了DNA的自我復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。③ 根據(jù)模型可以說明，DNA分子既穩(wěn)定又能突變；新模型還使人們設(shè)想DNA如何指導(dǎo)蛋白質(zhì)分子的合成。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型為進一步研究遺傳信息傳遞的規(guī)律鋪平了道路，為基因的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、表達和調(diào)控等方面的研究奠定了堅實的基礎(chǔ)，開創(chuàng)了分子遺傳學的新紀元。

從基因概念的提出到基因本質(zhì)的揭開，經(jīng)歷了八十多年的時間。從最初的一個基因符號到基因內(nèi)容的一一發(fā)現(xiàn)，這是科學概念的形式在先，內(nèi)容在后的一種科學發(fā)展模式。通過這個事實筆者得到以下啟示：① 形式先于內(nèi)容，是自然科學發(fā)展中的一種常態(tài)。不僅生物學可以這樣發(fā)展，其他學科的發(fā)展也有類似情況。比如：數(shù)學中的負數(shù)和化學中的原子問題。② 形式先于內(nèi)容，具有激發(fā)科學家探究精神的功能。當一個科學概念拋出后，除了一個符號外什么都沒有，這激發(fā)了人們探索其內(nèi)容的求知欲，因為形式與內(nèi)容密不可分?；蛱岢龊?，人們就想知道基因的本質(zhì)是什么？基因是物質(zhì)的還是精神的？基因在什么地方？基因的功能是什么？結(jié)構(gòu)如何？它的結(jié)構(gòu)和功能之間有什么關(guān)系……

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