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第3章 海洋——生命的起始(2)

在他弥留之际,孟德尔曾经充满信心地对他的好友——布鲁恩高等技术学院大地测量学教授尼耶塞尔说:“看吧,我的时代来到了。”这似乎是孟德尔本人的一句预言。

到孟德尔逝世后16年、豌豆实验论文正式出版后的34年、孟德尔本人从事豌豆试验43年后,孟德尔的预言变成了现实。

随着20世纪雄鸡的第一声啼鸣,来自三个国家的三位学者同时独立地“重新发现”孟德尔遗传定律。1900年,成为遗传学史乃至生物科学史上划时代的一年。从此,遗传学进入了孟德尔时代。

今天,通过摩尔根、艾弗里、赫尔希和沃森等数代科学家研究,已经使生物遗传机制——这个使孟德尔魂牵梦萦的问题细轮到了遗传物质的层次上。现在,人们已经开始向控制遗传机制、防治遗传疾病、合成生命等更大的造福于人类的工作方向前进。然而,所有这一切都与圣·托马斯修道院那个献身于科学的修道士的名字——孟德尔相连。

摩尔根与果蝇现在,我们将孟德尔发现的这种遗传规律的执行者称为“基因”。但“基因”并非由孟德尔命名,甚至孟德尔本人连这种位于染色体上的遗传物质是如何运作的都不清楚。

1895年冬的—个黄昏,美国纽约谢默霍恩大楼旁的体育馆突然起火。火借着风势,很快烧穿了屋顶,并向谢默霍恩大楼逼近。消防员不停地喷着水,但大楼还是烟雾腾腾,一些窗框甚至都融化了。警察远远地拉起了警戒线,不允许任何人靠近大楼。但是,有个男子却苦苦哀求警察让他进到大楼里去。那男子声称自己是教授,而自己最宝贵的实验材料都在大楼里面。警察上下打量着这位穿着没有扣子的外套、腰里系着一根绳子、留着一脸大胡子的人,很难相信他竟然是一位教授。但他的真诚和言辞中透露的高雅气度还是感动了警察,最后他竟然被放行了。那名男子飞陕地一口气冲上六楼,一次次地抢出一大堆瓶瓶罐罐,并把它们全部转移到大楼的另一端,然后才喘着气冲出浓烟滚滚的大楼,回到人行道上观望。

这位穿着随意但视科学如生命的教授,就是后来举世闻名的遗传学家托马斯·亨特·摩尔根。被抢出来的瓶瓶罐罐中装着的,就是他的宝贝——果蝇。

摩尔根对果蝇情有独钟,因为果蝇的染色体数目特别少,一共只有四条;而目果蝇繁殖极快,特征明显,饲养又极为方便,是检验遗传理论的理想材料。

摩尔根从1906年开始做果蝇的遗传实验。

到1912年,他已经分离出了具有不同特征的40多种果蝇。这些果蝇是那么地来之不易,难怪他要冒死去救果蝇了。他对研究非常入迷。一次,有人问摩尔根的孩子:“你爸爸是干什么的?”孩子不无得意地回答:“我爸爸是替哥伦比亚大学数苍蝇的!”

实验最初进行得很不顺利,开头几年甚至一无所获。

譬如为了研究果蝇后天产生的视力缺损是否能遗传下去,摩尔根的—位学生使果蝇连续69代不见光线,第70代果蝇出生后,果然个个视力昏花。学生赶紧叫来摩尔根:实验成功了!可是这些视力缺损是暂时的,这些果蝇很快在成群的科学家们的眼皮底下恢复了视力,若无其事地向光亮处飞去,就好像什么事也没发生过一样!直到1910年,摩尔根的一位学生在洗瓶子时,无意中发现了一只红眼睛的果蝇。这是一种非常少见的现象。摩尔根立即做了进一步的试验。

摩尔根让红眼果蝇和白眼果蝇交配,结果第二代全是红眼果蝇。再让红眼果蝇自相交配,下一代中红眼和白眼果蝇都有,而白眼果蝇全是雄性。这就是后来所谓的“性别连锁遗传”,他当时称之为“性连环”,也就是有关眼睛颜色的遗传单位位于性染色体上,摩尔根把这个遗传单位称为“基因”。

之后,一大批发现接踵而来:染色体交换时会产生相互干扰、致死因子和性染色体相连、染色体在某种条件下会违反孟德尔遗传规律而联合在一起遗传给后代……摩尔根开始认识到染色体上基因有一定的位置,并由基因间的交换频率而推测出基因彼此间的距离以及相对位置,绘制出了人类历史上第一张基因排列图。之后,摩尔根先后撰写了《遗传与性》《孟德尔遗传原理》、《果蝇遗传学》等现代遗传学的经典著作,全面、系统地提出了现代遗传学的基本原理,使人类对遗传学的研究从染色体水平进入到了基因水平。

1933年,摩尔根获得诺贝尔生理医学奖。

果蝇给摩尔根的研究带来如此巨大的成功,以致后来有人说这种果蝇是上帝专门为摩尔根创造的。

基因探秘

DNA,即脱氧核糖核酸,是多种生物染色体的主要化学成分,同时也是组成这些生物基因的材料,有时被称为“遗传微粒”。在繁殖过程中,亲代把它们自己DNA的一部分复制传递到子代中,从而完成性状的传播。

原核细胞的染色体是一个长DNA分子。真核细胞核中有不止一个染色体,每个染色体也只含一个DNA分子。不过它们一般都比原核细胞中的DNA分子大而且和蛋白质结合在一起。DNA分子的功能是贮存决定物种性状的几乎所有蛋白质和RNA分子的全部遗传信息;编码和设计生物有机体在一定的空间中有序地转录基因和合成蛋白,从而完成各种器官发育的所有程序。

遗传物质的基本组成部分在摩尔根发现基因之后不久便被测定出来,但是遗传物质的结构却迟迟没能面世,因为遗传物质的结构需要化学、物理学和数学等多个领域知识协同才有可能构建出来。

1953年2月,天才化学家沃森和克里克通过他们的朋友维尔金斯看到了著名物理学家威尔金斯·富兰克林在1951年11月拍摄的一张十分漂亮的DNA晶体X射线衍射照片,这一下激发了他们的灵感。通过这张照片,他们不仅确认了对DNA螺旋结构的推测,而且分析得出了螺旋参数。他们采用了富兰克林的判断,并加以补充:磷酸根在螺旋的外侧构成两条多核苷酸链的骨架,并且方向相反;碱基在螺旋内侧,两两对应。一连几天,沃森、克里克在他们的力公室里兴高采烈地用铁皮和铁丝搭建着模型。

1953年2月28日,第—个DNA双螺旋结构的分子模型终于诞生了。

双螺旋模型的意义,不仅意味着探明了DNA分子的结构,更重要的是它还提示了DNA的复制机制:由于腺膘呤总是与胸腺嘧啶配对、鸟膘呤总是与胞嘧啶配对,这说明两条链的碱基顺序是彼此互补的,只要确定了其中一条链的碱基顺序,另一条链的碱基顺序也就确定了。因此,只需以其中的一条链为模版,即可合成复制出另一条链。这样的结构可以保证:即使任何一条生命体的DNA链受到损坏,也有可能通过另一条链来修复,这可以很大程度地提高生物体遗传物质的稳定性。

不过DNA并不是遗传物质的最初形式。在原始地球的极端环境催化下,氨基酸以及包括核酸在内的一些复杂化学物质产生了。核酸与氨基酸之间的结构决定了不同的核酸或氨基酸之间可以通过强弱作用力形成一些稳定的组合体,这些组合体通常是单链的结构,其中单链的氨基酸形成了今天我们所认识的蛋白质,而单链的核酸则是大家所熟知的RNA,中文翻译为核糖核酸。

也是因为核酸和氨基酸结构的原因,使得核酸与氨基酸也能够在强弱作用力的作用下按一定条件以一定方式结合起来。因而核酸组成的链条也就同氨基酸形成的链条以一定的方式紧密连接到了一起,形成了—个稳定的整体。逐渐地,核酸链不再需要与这些氨基酸链紧密联系起来,而是通过自身排布顺序的一些调整,以现在我们所知的遗传物质转录过程将游离于周围环境的氨基酸以一定顺序组合起来形成具有一定功能性的蛋白质,而这些蛋白质就聚集到了核酸链的周围,形成了保卫核酸链稳定性的一个“房子”,而核酸链也获得了更大的自由度,蛋白质外壳与核酸链形成了—个微妙的共存局面,而这个微妙的共存体一起构成了最原始的单细胞生物。

据科学家猜测,DNA链是由两条RNA链组合而成的,它可以保证生物体遗传物质的稳定,是更加适合环境的产物。而随着DNA的出现,高等生物也已经出现了萌芽,生命不再是一个单链RNA加上一层蛋白膜的简单结构,而是向更高等、更复杂、承担着更多使命的高级生命体迈进。

生存方式的殊途生物体无时无刻不在消耗着能量,不管动物的一举一动还是植物的春华秋实,这一切的一切都需要能量的支持。之前提到的最原始生命体亦是如此。

如何获取能量,成为了生物存活的头等大事。

在生命起源之初,地球环境极度恶劣。一些身体结构简单,能有效利用本身资源存活的生命体占据了世界主导地位,其中的代表就有嗜热菌、耐酸菌或耐盐菌等。它们既能承受环境给它们带来的强大压力,同时还能够依托环境制造出生活必需品。然而,在随后的几十亿年里,随着地球环境的逐渐稳定,诸如氧气浓度增加、气温降低、气候转好等,生物体的结构以及生存方式也相应发生了变化。

地球的能量大部分来自太阳,并且主要以光能的形式存在。但想要吸收光能维持生计,就必须经过一系列复杂的化学过程将光能转化成为生物体可以直接利用的能量,该过程的顺利进行要求生物体必须进化出—套相应更为复杂的细胞结构。