种瓜得瓜种豆得豆——揭开生物遗传的奥秘(2)

真正的遗传物质

人类对细胞的研究不断深入，在研究细胞质、细胞核之后，又开始在分子水平上研究细胞，从而进入分子生物学，它要对生物细胞的分子结构进行探索，从而来破解基因之谜。
20世纪以来，人们已经知道：构成细胞的化学物质主要有两大类：一类是蛋白质，另一类是核酸。蛋白质的基本结构单位是氨基酸，常见的蛋白质是由20种不同的氨基酸组成的，不同的蛋白质区别就在于所含氨基酸的种类数目和排列的次序不同。核酸之所以叫它核酸，是因为它最先在细胞核里找到的。它的基本单位叫核苷酸。核酸在细胞里的含量很少，一个鸡蛋里的核酸只占鸡蛋重的20万亿分之一，也就是说，20万亿个鸡蛋所含的核酸的总量，不过等于一个鸡蛋的重量。
其实，早在摩尔根之前就有人在进行这方面的探索，不过当时没能引起人们的注意。1869年，瑞典科学家米歇尔发现，细胞核主要由含磷物质构成。20年后，人们发现这种物质是强酸，便称为核酸。后来，德国人科赛尔将核酸水解，又发现它含有3种成分：核糖、磷酸和有机碱，而有机碱又含有4种成分：胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)、腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)，这样，人们对细胞核的认识有了更加深入的了解。
科赛尔的学生美国化学家莱文，又发现了一个事实：核酸里的糖比普通糖少一个碳原子，就叫它核糖；他又发现有些核糖少一个氧原子，就命名为脱氧核糖。由于核酸所含的糖不同，又分做核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)。在1932年春天召开的国际光疗会议上，作为物理学家的玻尔不怕别人说他班门弄斧，竟在各国医学家、生物学家面前作了一个《光与生命》的演讲。在演讲中，他没有就生物论生物，而是从量子力学出发，大谈物理与生物的互补原理，使在场的许多专家听得茅塞顿开。在听众当中，有一位年仅26岁的原子物理学家，他叫德尔布吕克。德尔布吕克听完玻尔的演讲后，觉得生物学与物理学相比，生物学的微观世界还远没有被人涉足，而物理学的一些研究方法和原理却正可以用于这门新学科，生理现象所以比物理现象复杂，其原因就在于它是生命的体现，而生命之谜正在遗传，这是一个诱人的题目。于是，德尔布吕克暗下决心，改弦更张，由研究物理学转入研究生物学。
第二次世界大战前夕，欧洲科学家纷纷到美国避难，德尔布吕克也来到美国，在加利福尼亚的摩尔根研究基地工作。这时，他看到实验室里使用一种“噬菌体”作为细菌和病毒研究的材料。这噬菌体是一种病毒，与其他生物的细胞染色体的基因有一样的物理、化学属性，但它的结构简单得出奇：它有一个六角形的头，头部中心含有DNA，头部后面拖着一条尾巴，尾巴稍上又有六根尾丝。当噬菌体感染细菌时，先用六根尾丝牢牢地粘附在细菌壁上，这时，它的尾部放出一种酶，把细菌的细胞壁溶解开一个洞，然后就可钻入。而且，它繁殖得很快，侵入大肠杆菌内后，只要20分钟就可繁殖数百个后代。这是一种细菌的“寄生虫”，也能将其多种多样的性状传递给后代。
德尔布吕克见到这种东西不禁心中一喜，选择最简单而又典型的对象来研究，正是物理学中常用的办法。所以，他决定以这个噬菌体作为研究基因的突破口。
噬菌体头部含有 DNA，其他部分都是蛋白质，现在的问题是要区分它进入大肠杆菌后，是靠哪一部分遗传、繁殖的。研究原子物理出身的德尔布吕克这回又表现出了他的优势，他采取了物理学研究方法中常用的放射性同位素标记法。
原来，DNA中只存在磷，不存在硫，而蛋白质中大多是硫，只有极少的磷。于是，他和生物学家赫尔希等人设计了一个极其巧妙的试验：他们用放射性磷-32和放射性硫-35来分别给DNA和蛋白质作了记号，然后，用作了记号的噬菌体去感染大肠杆菌。这一招儿果然很灵，他们发现，当噬菌体侵入细菌内部时，是将身体外壳留在细胞壁外，而将DNA渗入细胞内，这通过记录到的磷-32和硫-35就可以分得一清二楚。
确实是只有 DNA进入了大肠杆菌内，但是，20分钟后生成的噬菌体仍和原来一模一样，这就再清楚不过地证明只有DNA才是生物的遗传物质，执行遗传任务的并不是蛋白质，德尔布吕克因为这项发现而获得了1969年的诺贝尔医学和生物学奖，被人称为“分子生物学之父”。
DNA就是遗传物质，那么，它的结构怎么样?它是怎样实现遗传的呢?

和谐的双螺旋结构

这个时期，世界上研究DNA结构的科学家一共有3组：第一支人马是伦敦大学的威尔金斯所领导的小组，他们用物理办法，即用X射线作工具进行研究。他们认为：DNA是生物高分子，普通光学显微镜根本看不到它的结构，而X射线波长很短，穿过DNA分子时，射线打在分子的不同位置，造成在一些方向上加强，在另一些方向上减弱，这种现象叫做衍射。分析这种衍射图样，就可以确定原子间的距离和排列，这样，就可以弄清它的分子结构。威尔金斯就用这种办法拍到了一张DNA晶体结构的照片，但并不是十分清楚，上面显现的是一片云状的圈圈点点。他不敢妄下结论，只猜想DNA的结构大概是螺旋形的。
第二支人马是美国的结构化学权威波林所领导的小组，也是采用 X射线作为研究工具。1951年夏天，波林用X射线探测蛋白质的结构，顺利地得出阿尔法螺旋模型，离探明DNA的结构只有一步之遥了。
第三支人马就是半路出家的沃森和克里克。
论实验条件，威尔金斯的实验室最好；论知识功底，波林最雄厚。但是，要论年龄，却是沃森和克里克最年轻，因而，他们的思想也最少保守。
沃森和克里克初出茅庐，日夜苦干，决心摸清DNA结构，首先夺魁。
1951年 5月，沃森在一个科学会议上遇见了威尔金斯，威尔金斯身边正带着几张DNA的X光衍射照片。沃森不耻下问，立即向威尔金斯虚心求教，并开口索要DNA的X光衍射照片。威尔金斯也不保守，不仅满口答应，还诚恳地向这位年轻人谈了自己的猜想。沃森惊喜异常，深受感动。
沃森回到卡文迪许实验室后，立即把收获告知了克里克，并同克里克一起进行研究。他们对不太清楚的照片进行分析，认为DNA的结构肯定是螺旋形的。
沃森拿起一个放大镜，又仔细地扫视着图面，突然，他把目光停在一个十字状的地方，对克里克说道：“这地方有个交叉，我看这种螺旋很可能是双层的，就像一个扶梯，旋转而上，两边各有一个扶手。”
克里克也感到很兴奋，他说：“很有可能。威尔金斯小组的弗兰克林也认为它是双链同轴排列，现在看来这个问题就只差一层窗户纸没有捅破了。在这个双螺旋体里，到底T、C、A、G这4种物质怎样组合排列的，弄清这个也就弄清了DNA的模型。”
“看来，我们现在的主攻方向应该是制出一个 DNA模型，有了这个模型才能说清遗传机理。”
他们找来金属绞合线，又参考了弗兰克林测得的一些数据，在实验室的车间里开始制作模型。他们反反复复，做成一个又拆掉，拆了一个又重作，但是，连续十几个月，他们无论怎样摆弄，总是找不到一个理想的模型。一天，他们正在实验室里累得满头大汗，寻找着理想的模型，突然，他们的助手推门进来，紧张地对他们说：
“有最新消息了!”
“什么新消息?”
“波林已经宣布，他完成了DNA模型，是三股螺旋!”
这个消息非同小可，就是说在这场研究DNA结构的竞赛中，对手已经超过了他们，冲到了终点，夺取了桂冠。刚才还是一种迷惘的烦恼，现在更是一种失败的沮丧。克里克一屁股坐在椅子上，顺手将那些乱七八糟的木棒、线头推到一边，沃森也痴呆呆地站在那里，半天才自言自语道：
“三螺旋，这不大可能吧?”
事实上，他们的确是虚惊了一场，其他实验室随后的试验都表明，波林的三螺旋的模型并不能解释DNA的结构。沃森和克里克经过这场虚惊之后，对他们自己的思路更加坚信，加紧了模型制作工作。卡文迪许实验室的车间也为他们帮了大忙。
1953年元旦刚过，沃森和克里克就制出了一个新模型：在两股糖与磷酸的螺旋链之间，夹着一一相同的碱基，A基与A基相对，T基与T基相对。这种模型倒是与已知的资料情况相符，但是，构型却有点别扭，因为碱基分子大小不同，使两条外骨架发生了扭曲，看上去令人不舒服。
沃森坐在桌旁，对着这个奇怪的模型陷入了沉思，他认为这样别扭的结构一般来说是不可能的。因为自然界中的生物都常常以一种美的、合理的结构存在，他想神秘的DNA也应该具有一种和谐的、美的结构，而绝不应该这样歪歪扭扭。
沃森这样想了一会儿，便把碱基拆了下来。重新换了个位置，大小搭配，让 A基和 T基配对，G基和C基配对，这样一来，面前的模型宛如一条凌空翻舞的彩绸，那样舒展自如，而且又符合前不久关于DNA结构的另一项发现：A、T两基的数目与G、C两基的数目都正好相等。
DNA结构之谜从此解开了!
沃森和克里克又惊又喜，顾不得疲劳，立即动手撰写论文。写完论文后，他们又给编辑部写了一封信。信中说：
“这确是个奇特的模型，不过，既然 DNA是个不寻常的物质，我们也就敢作不寻常之想了。”
1953年 4月，沃森和克里克的论文在英国的《自然》杂志上发表，虽然他们的论文只不过是千把来字，但是它却可以与达尔文的《物种起源》相比美，它开创了分子生物学的新时代。
在研究DNA结构的3支力量中，沃森和克里克资历最浅，却首先夺魁，正是得力于他们敢于大胆想象，不循常规。为此，他们同威尔金斯一同获得了1962年度的诺贝尔医学和生理学奖金。
曾经一度领先的波林最终没能取胜。当他看到沃森和克里克的研究成果后，十分后悔他自己的疏忽，直到1974年，他还遗憾地说：
“我深知核酸内含有嘌呤和嘧啶，但为什么就没有想到给它们配对呢？我总在探讨三螺旋，就是没有去试一下双螺旋。哎！那些极简单的概念，有时竟是这样难以捉摸。”
按照沃森和克里克的模型，遗传信息是怎样传递的呢？在这条双螺旋中，两股糖和磷酸组成梯子的两侧A-T、C-G连成梯子的横杠，在一个人体细胞中，DNA梯子全长约有 1米，所包含的横杠不下60亿条之多，一个人的基因，它可能是梯子的一段，约有2000条横杠。当细胞繁殖的时候，这条双螺旋就从中间分开，犹如链一样从中间分成两半儿，这时，每一个碱基对都拆开了，但是，这剩下的一半儿在浮游细胞核内的分子中很快就找到了新的伴侣，A又与新的T结合，G又与新的C结合，这样，就形成两个与原来的DNA一模一样的复制品，这就是生命的遗传，如果DNA在复制过程中出一点儿意外，就会造成物种的突变。

(责任编辑：admin)

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