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分子生物学的突破 |
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染色体的发现 早在19世纪中叶，生物学家们在显微镜下，就已经观察到了细胞里有细胞核。 而且，令人振奋的是：如果把一个细胞分成两半，一半有完整的细胞核，一半没有细胞核，同时，可以发现有细胞核的那一半能够生长分裂，而没有细胞核的那一半就不行了。 令人遗憾的是，由于细胞基本上是透明的，即使是在显微镜下也不大容易看清它的精细结构，所以在很长一段时间内，人们都没有弄清楚细胞核分裂的机理。 当科学发展到了1879年，一位叫做弗莱明 （1843～1915年）的德国生物学家发现，利用碱性苯胺染料可以把细胞核里一种物质染成深色，这种物质称做染色质。 1882年，弗莱明更加详细地描述了细胞分裂过程。 细胞开始分裂的时候，染色质聚集成丝状，随着分裂过程的进行，染色质丝分成数目相等的两半，并且形成两个细胞核。这种分裂过程称做有丝分裂。 1888年，染色质丝被称做染色体。 人们发现，各种生物的染色体数目是恒定的。在多细胞生物的体细胞中，染色体的数目总是复数。 例如，人的体细胞染色体数目为46，果蝇为8，玉米为20等等。其中，具有相同形状的染色体又总是成对存在着。因此，人的染色体为23对，果蝇为4对，玉米为10对。 追溯每一对染色体的来源，其中一个来自精子，一个来自卵子。成对的染色体互为同染色体。 细胞中成对染色体一般说来是相似的，但有一个例外，就是性染色体。人有23对染色体，其中22对男女都一样，称为常染色体。另一对男女不一样，就是性染色体。 女人的一对性染色体，形态相似，称为X染色体。男人的一对性染色体，一个为X染色体，另一个为Y染色体。XX为女性，XY为男性。 染色体的数目同生物物种有联系，又同生物的繁殖有联系。 1903年，美国生物学家萨顿最早发现了染色体行为和孟德尔因子的分离组合之间存在着平行关系。 即每条染色体有一定的形态，在连续的世代中保持稳定；每对基因在杂交中保持它们的完整性和独立性。 其次，染色体成对存在，基因也成对存在；在配子中，每对同源染色体只有其中一条，每对等位基因也只有一个。 再次，不同的等位基因在配子形成时是独立分配的；不同对染色体在减数分裂后期的分离也是独立的。 1906年，英国生物学家本特森在几种植物中发现了几个“连锁群”，但他拒绝接受染色体学说，而是固执地认为，基因的物质基础在细胞结构中没有任何直接的证据。 但是，不管怎样，萨顿的假说还是引起了广泛的注意，因为染色体是细胞中可见的结构，这个假说就显得十分具体。 要证实这个假说，需要把一些特定的基因与特定的染色体联系起来。 摩尔根的影响 首先做到这一点的，是美国生物学家摩尔根。20世纪初，由于其对果蝇的研究，在遗传因子和染色体方面取得了令世人震惊的重大的进展。 摩尔根是个不同凡响的人物，他把遗传因子理论和染色体研究结合起来，发现染色体就是遗传因子载体，他也因此而获得1933年的诺贝尔奖。 托马斯·亨特·摩尔根于1866年9月25日出生在肯塔基州列克辛顿这样一个名门望族之家。他的父亲曾经担任过美国驻外领事。他母亲的祖父弗朗西斯·斯科特是有名的美国国歌《星条旗》的词作者。 摩尔根从青少年时代起，就表现了其卓尔不群的个性。 他身高超过1.83米，一双蓝眼睛蓝得令人吃惊。他从来都不修边幅，找不到裤带的时候，有时就用一根绳子扎裤子。甚至有一次，他发现衬衫上被烟头烧了一个洞，便找来一张小白纸，用浆糊把洞给贴起来。 他热爱大自然，常常拿着采虫网到处旅行，采集动植物，制成标本。他还跟随美国的一支地质考察队在家乡的山区工作过两个夏天。有一次，他还独自一人跑到波士顿的海洋生物站，饶有兴趣地进行海洋生物的实验研究。 他对动植物有着强烈的兴趣和无限的好奇心。正是这种兴趣和爱好，驱使他探索自然界的奥秘，并且使他在艰苦乏味的科学研究工作中获得无穷无尽的乐趣。 1886年，摩尔根以优异的成绩从肯塔基州立大学毕业，并获得动物学学士学位。并于同一年考入了霍普金斯大学的研究院做研究生。 1890年，摩尔根写出了《论海洋蜘蛛》的论文，他研究了四种水中无脊椎动物，比较它们的形态变化，确定了它们的种属。因为这篇论文，摩尔根获得了博士学位和布鲁斯研究员的席位。 20世纪初，摩尔根开始研究遗传学，他选择果蝇做实验动物。 果蝇比豌豆和其他动植物有许多优点，它有好几十个容易观察的特征，有比较简单的染色体——每个细胞中只有四对染色体繁殖性，容易培养。 1908年，摩尔根就开始在他的哥伦比亚的实验室内繁殖果蝇，以便在动物中看看是否有明显的突变发生。 尽管在摩尔根的饲养中没有惊人的、物种水平上的突变发生，但在1910年5月，在摩尔根实验室的一群红眼睛的果蝇中，经过放射性射线照射，产生了一只白眼睛的果蝇。 虽然这是一种突然出现的新性状，但却没有形成为一个果蝇的新种。摩尔根把这种变化称为“突变”，并且让这个突变的新果蝇与正常的红眼雌果蝇交配，所得子代都是正常的，即均为红眼果蝇。 当他把第一代的雌雄红眼果蝇相互交配，第二代既有红眼果蝇又有白眼果蝇，红眼与白眼之比为三比一。 这说明，红眼和白眼受一对等位基因支配，红眼为显性。然而，第二代中雌蝇都是红眼，雄蝇中有一半是红眼，一半是白眼。也就是说，白眼雄蝇只把它的眼睛特性传给“孙男”，而不传给“孙女”。 由此，摩尔根认识到，决定白眼的遗传因子和决定性别的因素是相互联系遗传的。以前，在对染色体的研究中已经发现，决定性别的因素是雄性精子中的染色体。这样，就自然得出遗传因子是在染色体上的推论。 为了说明与性别有关的特殊的白眼遗传现象，摩尔根进一步设想，控制眼色的孟德尔因子总是伴随着性别的遗传因子分离的。 摩尔根不由自主地想起了在1904年和1905年进行的影响性别决定的细胞学工作。威尔逊等人曾独立地证明，所谓“副染色体”（结构上不推动相同的两条配成对的同源染色体），其实与性别遗传是相联的。 威尔逊等人还证明，在某些种类的动物和植物中，看来正常的副染色体结合在一起就产生雌性的生物；若一个正常的染色体与一个“畸形的”染色体结合，就产生雄性个体。 因此，摩尔根得出结论，如果白眼雄蝇（ry）和红眼雌蝇（RR）杂交，在第一代中，雌蝇的二条X染色体，一条为来自母本的带R基因的，一条为来自父本的带r基因的，R为显性，所以表现为红眼。 第一代的雄蝇和雌蝇交配，两种卵和两种精子重新组合，产生四种第二代果蝇。 在果蝇中具有类似白眼红眼这样遗传行为的性状不止一个，而是有一百多个，它们都位于X染色体上。这些性状常常在一起作为整体传递，这种现象叫做连锁。 在后来的岁月里，摩尔根和他的同事们又发现了许多令人惊异的结果。 他们创造了染色体作图的方法；证明了副染色体和体染色体的比率决定了性别的表现；他们获得了有特殊标记的染色体并繁殖成为纯系，用以阐明杂交结果与染色体结构的细胞学研究之间的相应关系。 1911年，摩尔根提出一种设想，如果孟德尔的遗传因子以线性方式排列在染色体上，那么就应该有一些可以根据它们的相对距离来作图的方法。 摩尔根认为，两条同源染色体联接时发生部分的交换。而后，两个因子在染色体上分离，它们之间常常发生高频的交换。这样，通过同时观察两个性状，就可知道它们是在同一染色体上，子代中两个性状分离的频率，可能表明染色体发生交换的频率。 1915年，摩尔根和人合作，发表了《孟德尔遗传机理》一书。 在这部划时代的著作中，摩尔根和他的同事们发展了孟德尔“遗传因子”的思想，总结了对果蝇的研究结果，用大量的实验资料证明染色体是遗传因子的载体，并且借助数学方法，精确确定遗传因子在染色体上的具体排列位置，给染色体——遗传因子理论奠定了可靠的基础。 从此，遗传学中定性描述逐渐附属于定量实验的方法。 1916年，摩尔根宣布说：“我们现在知道父代所携带的遗传因子是怎样进到生殖细胞里面去的。” 摩尔根证明这些遗传因子包含在一种叫做基因的东西里，而这些分别控制各种遗传特征的基因则在活细胞的染色体链中。 个体发育时，一定的基因在一定的条件下，控制着一定的代谢过程，从而体现在一定的遗传特征和特征的表现上。 例如：其中有一些专管树叶和花的形状，有一些专管头发和眼睛的颜色，有一些则专管翅膀的长短等。 据此，摩尔根建立了染色体——基因理论。 1917年，摩尔根开始把遗传因子叫做基因。 1928年，摩尔根在其名著《基因论》一书里坚持染色体是基因的载体，提出了基因是否属于有机分子一级的问题。 摩尔根染色体——基因理论的创立标志着经典遗传学发展到了细胞遗传学阶段，并在这个基础上展现了现代生化遗传学和分子遗传学的前景，成为今天的遗传学从经典遗传学中继承下来的最重要的遗产。 后世有人高度评价：“染色体学说是作为人类成就史上的一个伟大奇迹而登上舞台的。” 1933年，在诺贝尔诞辰一百周年之际，摩尔根收到一份电报，通知他因建立遗传的染色体理论的成就，授予他诺贝尔奖。 但是，摩尔根最害怕出风头，他拒绝参加在瑞典斯德哥尔摩举行的盛大授奖仪式和纪念诺贝尔诞辰的宴会。 摩尔根一直对金钱都看得很淡。他曾经把4万美元的免税奖金平均分发给了自己的助手的孩子们，供他们好好地上学。他对自己的钱财丝毫也不吝啬，常用自己的积蓄来支付助手们的工资。 摩尔根非常注重家庭生活。无论工作多么繁忙，他每天总要挤出一点时间来与家人一起共进晚餐。 他还经常陪孩子们做游戏，耐心地回答他们所提出来的一些稀奇古怪的问题。临睡的时候，总要给孩子讲一些有趣的故事。 等孩子们终于睡着了，摩尔根才坐到书房里一直工作到深夜。他跟妻子的关系非常好。每当黄昏时分，一家人总是手拉手，去散步，或欣赏一些古典音乐。 1941年12月4日，摩尔根这位伟大的生物学家因胃溃疡突发引起动脉破裂而逝世。 然而，摩尔根的染色体学说可以说是人类想象力的一个重大飞跃，它给医学上预防和治疗遗传性疾病开辟了一条广阔的道路，也给分子生物学的产生和发展准备了充分的条件。 分子生物学 本世纪40年代和50年代，完全可以被称作“分子生物学时代”。 这个时期，在生物学领域，对诸如蛋白质及后来的核酸分子的结构和功能的研究，开辟了研究生命系统微观结构的新前景，并且揭示了在生物学广阔领域中存在的新联系。 从19世纪末期到20世纪初期，人们已经知道细胞主要是由蛋白质、核酸等生物大分子所组成的。 所谓的生物大分子，就是化学中所说的高分子。 一般无机物的分子量只有几十，比如水由3个原子构成，分子量是18。 而组成生命的基本物质即蛋白质和核酸是有机化合物，他们通常由几千到几亿个原子组成，分子量高达几万甚至几百亿，所以称它们是生物大分子。 在20世纪的早期，人们就已经发现，病毒其实就是最简单的在一定种类的活细胞中能够自我复制的生命形式，它是比细胞还小的生命体。 同时，病毒主要是由蛋白质和核酸这样的生物大分子构成。有一些病毒则可以成结晶状，被认为是接近非生命物质的生物。 蛋白质、核酸这些生物大分子的聚集物，组成了细胞膜、细胞核、细胞质。比研究细胞再深入一层，在生物大分子的水平上研究生命运动，这就是分子生物学。 分子生物学不光包括结构和功能的因素，而且也包括信息的因素。 它涉及一些重要的生物大分子（如蛋白质或核酸）结构如何在细胞代谢中行使功能和携带特定的生物学信息的问题。 物理的和结构化学的方法 （诸如晶体分子的X射线衍射和建立分子模型），已被用于研究分子的结构。 同时，生物化学的方法也被用于确定细胞内的大分子与其他小分子之间是如何相互作用的。 分子生物学是沿着三条思路形成的： 结构方面：与生物分子的结构有关。 生化方面：与生物大分子在细胞代谢和遗传中如何相互影响有关。 信息方面：与信息如何在有机体世代间传递以及该信息如何被翻译成特定的生物分子有关。 在现代分子生物学中，所有上述这三方面都融合起来了。因此，可以肯定地说，对任何分子现象的完整描述，都必须包括结构、生化和信息这三方面的资料。 在几种生物大分子中，最先引起人们高度重视的是蛋白质。 部分原因是因为蛋白质在生物组织中含量丰富，而且也是由于19世纪的思想家强调了作为生命物质基础的“原生质”的胶体性质所致。 蛋白质被认为对确定胶体性质有着重要的作用。 此外，由于蛋白质的结构在本世纪头20年里已越来越清楚，人们认为这些分子似乎特别适合于携带遗传信息。 蛋白质这个名称的来源是这样的：生物中有一些物质像鸡蛋清一样，加热以后会凝固，化学家就把这类物质称做蛋白质。 蛋白质的基本成分是氨基酸，它能以各种方式排列，具有贮存大量复杂信息的潜力。蛋白质似乎是唯一具有这种潜力的大分子。 蛋白质和一般有机物相比较，有两个显著的特点，这就是成分复杂和品种极多。 组成复杂蛋白质的氨基酸大约有20种，大量的不同种的氨基酸按照不同的排列组合，就可以得到不同品种和不同性能的蛋白质。 例如，血清蛋白质由500多个氨基酸组成，它可能的结构就是一后面有600个零，更不用说含有几万个氨基酸的复杂蛋白质了。 从1945年起，英国生物化学家桑格开始研究肽链上氨基酸的排列次序。通过卓有成效的工作，桑格发现了牛胰岛素的分子结构，发明了测定RNA顺序的科学方法，把人们引入了生命的殿堂。 桑格也因此于1958年和1980年两度获得诺贝尔化学奖。 桑格的贡献 1918年，桑格出生于英国的一个知识分子家庭，父亲是从事医药研究的学者，他小的时候，受父亲的影响非常深刻，求知欲很强。 中学毕业以后，桑格考入了剑桥大学的约翰学院，在这里，他对用化学来解释生命科学非常感兴趣。 桑格天生有一种嗜好，就是他爱整天躲在实验室里一刻不停地实验、观察，后来，他选择了实验室工作作为自己的职业，一直到1983年他65岁退休时为止。 桑格从来不喜欢自我标榜，自我吹嘘，也不喜欢抛头露面，所以他所在的实验室，即使是在空闲的时候，也总是在讨论生化问题，而没有把时间浪费在闲聊上。 桑格不止一次地说，“我喜欢这样的环境，很能激励人，我能在这样的实验室里工作，这真是很幸运。不存在人间的相互摩擦而干扰我们的研究工作。” 早在19世纪初期，许多科学家曾从动植物体内分离出一些蛋白质，并且已经开始意识到这类物质笃定与生命现象有着密切关系。似是，蛋白质的结构是什么，大家谁也没法子给弄清楚。 桑格和他的助手们选择了胰岛素这种激素作为研究对象，一方面因为它普遍存在 （所有哺乳动物都产生），另一方面也因为它比其他蛋白质小。 桑格和他的小组运用各种方法来水解胰岛素，每种方法都得到了不同的水解产物。 例如，用消化蛋白质的酶——胃蛋白酶，总是得到末端为某种氨基酸的片断；用胰蛋白酶，通常得到末端为另一种氨基酸的片断。 反之，若用强酸处理，则各种末端氨基酸的片断是随机的。 由此，桑格设想，酸水解肽键是随机的，消化蛋白质的酶是专性的，只断裂某些氨基酸之间的肽键。 桑格和他的同事们一旦分离出各种片断，他们就能确定每个片断的化学特性，并确定它们的数量。 用这种方法，他们鉴定了数百个片断并确定了每种片断出现的频率。 最后，桑格不但搞清了胰岛素中氨基酸的数目和种类，而且还揭示了它们彼此连接的特定顺序。 1945年，桑格曾把进行这项工作的难度比喻为从一堆废料中挑选零件，然后重新组合为一辆完整的汽车。 桑格认为，这项工作的关键是找到由两个或两个以上氨基酸连接成的片断，就像在一大堆废料中寻找轮子和轴连在一起的零件一样，由此可以推测出这两部分在完整的汽车上的连接情况。 桑格用2，4二硝基氟苯作为多肽链端上氨基的试剂进行实验，发现在比较温和的条件下，这个试剂可以和蛋白质结合，然而在酸性水解时，端基的氨基酸又成为鲜黄色的2，4二硝基衍生物，即所谓PNP化合物。 由此，桑格断定，利用这种试剂可以使端基氨基酸和其他氨基酸分离。接着，桑格又利用电泳法和色谱法来进行分离和鉴定，用酸和酶来降解蛋白质所得到的产物。 后来，桑格和他的小组终于描绘出牛胰岛素的氨基酸排列顺序图。 这个胰岛素分子总共由51个氨基酸组成，排成两条多肽链（标为a链和b链），两条肽链之间由二硫键相连。 桑格的工作第一次证明了蛋白质是氨基酸通过肽键连结在一起的聚合物。 这在当时是一个重大的突破，桑格也因此而荣获1958年诺贝尔化学奖。 桑格对胰岛素的研究和测定，为人工合成胰岛素开辟了一条广阔的道路。 1958年，中国科技工作者在前人对胰岛素结构和肽链合成方法研究的基础上，开始研究合成胰岛素。 他们主要是分三步来完成这项工作的： 第一步先把天然胰岛素的两个肽链拆开，然后再重新合成有活性的胰岛素； 第二步用一条人工合成的肽链来代替一条天然肽链，合成半人工胰岛素； 第三步用两条人工合成肽链合成人工胰岛素。 1965年，中国科技工作者在世界上首次合成了结晶牛胰岛素。 当各种荣誉纷至沓来的时候，桑格并没有骄傲自大，孤芳自赏，他对于自己心爱的实验工作，更是一丝不苟了。 无论是洗刷烧瓶试管等玻璃器皿，还是进行测定工作，他都坚持亲自去做。他说：“我最喜欢也最擅长于实践，我当然也会思考，但不善于讨论。” 他怎么也忘不掉，他在攻读博士学位的时候，他的导师皮里教授对待博士生的方法，那就是“把他们扔进深渊，让他们寻找出路。”而这种方法，终于迫使桑格独立地思考，大胆地去探索、实验。 在漫漫的科学道路上，桑格一如既往地沿着既定的目标，奋力地上下求索着。 不久，桑格又发明了测定DNA顺序的科学方法，使揭示生命奥妙的工作由可能转为现实，他本人也因此而于1980年再度获得诺贝尔化学奖。 进入60年代以后，桑格开始转向核酸顺序的研究和测定工作，在对RNA的顺序测定获得重大进展以后，于1969年又开始了对 DNA的顺序测定工作。 DNA即脱氧核糖核酸，是一种遗传物质，主要集中在细胞核中。 染色体是由蛋白质和核酸组成的。二者都是长链状的多聚体，由相似然而并不必然相同的单体以化学键结合在一起而成。 长期以来，认为蛋白质是活细胞中最重要的、最广泛存在的成份，而核酸似乎是四种核苷酸按同样次序的重复排列。 这就产生一种观念，即：基因和染色体的活性成份是蛋白质而不是核酸。这种观念直到50年代初才被打破。 随着基因论的发展，许多科学家推测基因是某种化学实体。1928年摩尔根在 《基因论》一书中写道： “我们仍然难以放弃这个可爱的假设，就是基因之所以稳定，是因为它代表着一个有机的化学实体。 后来证明这个化学实体就是DNA。 DNA分子链上的核苷酸的排列顺序是分子生物学所要解决的重要课题。 生物遗传信息储存在DNA的核苷酸序列中，如果能够弄清楚各种生物的核苷酸序列，就等于了解了生命的本质。 桑格首先分析所测的DNA的两条单链效果，然后改进了测定方法，进而又创造出自己独特的测定方法，使测定工作变得更加准确、简便、易于操作。 由桑格所首创的DNA顺序测定法，至今仍被生物科学家们所特别看重，并广泛地用于测定蛋白质中的氨基酸顺序。 今天，分子生物学家还在继续深入地探讨研究这种方法，以企望对高等生物的基因有更加深入的了解。 桑格对人类的贡献是巨大的，也是不朽的。他于65岁的时候退休，因为他总觉得：“若我继续工作下去，就会发现总失败，而且这样占着可给年轻人的位置是一种犯罪。” 因酶引起的研究 在生命现象中许多复杂的化学反应里，蛋白质作为生物体的基本建筑材料，都当仁不让地参加了。而生命体中的许多化学反应是靠酶这种特殊的催化剂加以完成的。 在生物学中，最先被研究的酶是动物体内的胃蛋白酶。这种酶能够把蛋白质分解做氨基酸，帮助消化。 1897年，德国化学家爱达华·巴克纳在碾碎的酵母细胞提取液中发现了一种叫做酿酶的物质。 巴克纳正确地指出，酿酶具有“酵素”的特性，并证明在无细胞的情况下它仍有促进糖发酵的能力。 巴克纳相信酶是蛋白质，而且细胞中的每一步化学反应都是由专一的酶调节的。 巴克纳的学说唤起大批研究者试图去阐明所有生命过程中细胞内酶活动的直接功能，这股研究的热浪席卷了生物学界。 1991年，俄国出生的美国生物化学家莱文发现有两种不同的核酸：一种核酸中含有和普通糖成份不同的核糖，称做核糖核酸（RNA）；另一种核酸中的核糖少一个氧原子，称做脱氧核糖核酸（DNA）。 1912年，生理学家马克斯·卢比纳断言，细胞中的酶作用被限制成非常简单的化学反应类型，而较复杂、较根本的过程 （如呼吸），则是“活力”作用的结果。 对于某些人来说，“活力”意味着某些超自然的东西，它不受物理和化学定律的支配，但对另外一些人来说，这不过是与生命系统相连的物质性的组织结构而已。 大约在1908年至1910年间，奥特·瓦勃开始研究细胞呼吸问题。 奥特·瓦勃早年曾在海德尔堡大学攻读医学博士学位。 在学医期间，他被威胁人类生存的不治之症——癌症所深深地吸引，尤其是对观察到癌细胞比正常细胞有快得多的呼吸速率和分裂速率这一现象产生了浓厚的兴趣。 对于呼吸速率的精确测量，不光提供了一种判断细胞是否癌变的诊断方法，而且也为研究作为癌变基础的可能化学反应提供了一条线索。 瓦勃针对当时有争议的细胞核是呼吸作用的场所的论点做了两种观察。 首先，他观察到8个或32个细胞时期的海胆胚的呼吸作用和未分裂的卵大致相同，虽然细胞的数目显著增多了。 其次，他观察到被阻止分袭的受精卵和进行正常分裂的受精卵都有同样的呼吸速率。 由此，瓦勃断定，分裂的细胞核不是呼吸作用的场所。 1910年4月，瓦勃作了几个意想不到的观察，从而提供了呼吸作用可能在什么地方发生的线索。 他观察到精子穿入海胆卵后，几乎立刻在卵的表面产生了一层可见的“受精膜”，提供了一种防止其他精子进入的屏障。 同时，受精卵表现出吸氧（吸氧量是呼吸速率的一种量度）速度提高。 另外，他观察到在细胞内容物（细胞质）的碱性没有明显增加的情况下，碱性溶液能提高吸氧速率。 这就可以设想，碱性物质的作用位点可能在细胞表面。 当观察到有机溶剂被加入到有功能的海胆细胞中、破坏了细胞膜，使得呼吸速率下降时，这种设想就进一步被证实了。 1912年，瓦勃发展了一套包括被他称为“呼吸酵素”的学说。 瓦勃承认，细胞中所发生的大部分化学反应可能是由酶催化的，他发现，作为一种蛋白质的呼吸酵素，在试管中能起发酵作用，尽管其反应速率很慢。 可是，在完整的细胞中，呼吸酵素被吸收到细胞结构中去，并“被组织”起来，所以它能以最大效率发挥作用。 在 20世纪初期，蛋白质和核酸这两种生物大分子都登上了生物学的舞台，但是，受到的待遇却不一样。 一部分生物学家把自己的全部精力都投注到对蛋白质的结构和性能上去；另一部分科学家则特别迷恋于蛋白质中有神奇催化作用的酶；核酸却遭到了不公正的待遇，几乎被打入了冷宫。 然而，这种情况不久就发生了明显的变化。 在摩尔根发表了他的光辉理论以后，生物学界的一个中心议题就是，深入研究基因的作用和组成。 经过系统的研究，生物学家们发现，有不少遗传特性，比如眼睛、毛发和皮肤的颜色同氨基酸转化成的色素有关，而氨基酸怎样转化成色素以及生成色素的多少，却又和一些酶有关。 这就意味着生物的不同特性是由不同的酶决定的。遗传学指出生物特征受基因规定，那么基因和酶有什么关系呢？ 1941年，美国生物学家乔治·W·比德尔选择了一种简单的生物——红色面包霉菌 （链抱霉），开始研究这个问题。 当比德尔还在攻读博士学位时，他就完成了关于小麦杂交遗传学的哲学博士论文。 1928年，正当比德尔全神贯注于他的研究时，他出席了道奇主办的讨论会。当时，道奇正在用红色面包霉进行研究，并已经在两株霉菌的杂交后代中观察到了一些奇怪的分离现象。 在以后的几年中，比德尔积极试验和寻找某些研究果蝇性状胚胎发育的途径，果蝇的遗传性状如何。 最初，比德尔企图在试管中培养果蝇的组织（成虫、幼虫等），目的是为了研究不同物质对特定性状发育的影响。 比德尔用这种技术，将眼芽从一种遗传组成的果蝇中移植到不同遗传组成的幼虫体内。结果，移植眼的颜色依照芽体和受体的遗传组成而变化。 色素分子的发育似乎不只是依赖于移植体的基因，而且也依赖于眼芽从它的周围环境所得到的物质。 通过制作大量不同类型的移植体，比德尔设计出一种简单的生化分析方案。在该方案中，合成眼色素的每一单独步骤，都可以用特殊的中间物质鉴定出来。 遗传学的研究 后来，比德尔在斯坦福大学又遇到了微生物学家塔特姆，他们的合作导致了生化遗传学史上硕果累累的时代。 比德尔和塔特姆一致决定用红色面包酶来进行研究。 红色面包酶的优点很多，主要是： 首先，它产生有性后代的世代时间较短。 其次，它在实验室内易于生长和保存 （在含有简单培养基的试管中就能生长）； 再次，它容易鉴别代谢的 （即生化的）突变体； 最后，它的成体阶段是单倍体（只有一套染色体），这样就使所有的突变基因都表现出它们的表现型。 他们用X射线照射正常的红色面包酶的孢子以提高其突变率。由于大多数突变是有害的，所以他们希望许多被照射过的孢子，将不能在“基本培养基”上萌发。 所有被照射的孢子最初培养在一种“完全”培养中，这种培养基含有原料和生物体正常产生的全部物质。 将每类生长旺盛的孢子采下来以后，再把它们培养在“基本培养基”上，以决定哪些原种发生了突变。 在鉴别了大量这样的突变体之后，比德尔和塔特姆对每一菌株形成的孢子进行了遗传分析。结果表明，代谢障碍和基因分离直接相关。因此，可观察到的代谢障碍看来是和基因突变相联的。 因此，他们得出结论，基因突变引起酶的变化，而且每一基因一定控制着某一种特定酶的合成。 根据这项工作，他们提出了“一个基因一种酶”的假说，大意就是说，每一个基因产生一种特殊的酶。 比德尔和塔特姆的这个学说解决了基因怎样对遗传性状起作用，但是，仍旧没有解决基因的物质基础是什么的问题。 基因就好像一个神秘的幽灵一样，它到底在哪里呢？ 在30年代，许多生物学家不相信DNA是基因载体。当时普遍认为DNA是由四种核苷酸所组成的单调的均匀的大分子，认为DNA和淀粉类似，不论生物来源怎样，组分总是相同的。 |
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