人类是如何一步步揭开生命之谜的?

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人类是如何一步步揭开生命之谜的?插图

说来也巧,现代生命科学的奠基人-摩尔根,诞生于遗传学的祖师爷孟德尔发表豌豆遗传论文的1866年。不过不同的是,摩尔根出身名门,家境富裕。这使他能够游历名山大川,在游历中,这位富家少年产生了对大自然的无限热爱,促使他最终走上了探索生命奥秘之路。1886年,踌躇满志的摩尔根考入了美国著名的霍普金斯大学研究院读研究生。几年后,他写出了《论海蜘蛛》的论文,获得了博士学位。

1900年春,也就是摩尔根取得博士学位后不久,蒙在孟德尔论文上的尘土被拂去了,他所创立的遗传学说重新放出了光辉。这不仅使孟德尔这位生前默默无闻的修士顿时名扬世界,而且使他奠基的遗传学雨后春笋般地兴盛起来。

而在这之前,细胞学取得了很大的进步。德国生物学家弗莱明发现了细胞中的染色体和细胞的有丝分裂。一旦孟德尔的学说重见天日,生物学家便马上看出了孟德尔所说的遗传因子和染色体之间的联系,一门新的科学-细胞遗传学以崭新的姿态在科学界出现了。

这时,已经是哥伦比亚大学生物学教授的摩尔根,不失时机地投入了对这门新兴科学的研究。他一心扑在他的奇怪的实验室里,成了人们心目中的一个“怪人”。在他的实验室里,他培养了几万只果蝇。这东西尽管令普通人讨厌,但它们身体小,占地很小,使用方便,饲养的成本又低,再加上它们繁殖率高,生活史短,便于观察。所以,成了摩尔根和他的学生们实验的好材料。

1910年的一天,摩尔根偶然发现在许多红眼果蝇中有一只白眼果蝇。他让红白果蝇杂交,到子二代时,他发现白眼蝇全是雄性的。这说明性状(白)和性别(雄)的因子(即“基因”)是关联的。这一重大发现,说明白眼性状是由性染色体传递遗传的,这称为“伴性遗传”。

通过长期实验探索,摩尔根终于肯定地得出了染色体是遗传因子载体的结论。摩尔根的发现为人们探索生物遗传机理开拓了一条新路。以后,在大量实验资料的基础上,运用数学方法,摩尔根和他的学生一起又成功地推断出一对对基因在染色体上的具体的排列位置,绘出了果蝇遗传基因人染色体上的坐落图。1928年,摩尔根的遗传学名著《基因论》同世。在《基因论》中,摩尔根预言基因是一种化学实体。此后,这位科学伟人就离开对细胞遗传学的研究,而去搞他的老本行一-胚胎发育学去了。1933年,摩尔根获得了诺贝尔医学和生理学奖。

以后不久,在摩尔根的研究基地福尼亚理工院,来了一位年轻的德国科学家,名叫德尔布吕克。他看到实验室里正在使用一种“噬菌体”做细菌和病毒研究的材料。这噬菌体的结构非常简单,头呈六角形,头部中心含有DNA。所谓DNA就是脱氧核糖核酸,它和糖核酸(DNA)一起组成核酸,是构成细胞核的主要成分。噬菌体与其他生物的细胞染色体的基因有一样的物理、化学属性,而且繁殖极快,德尔布吕克觉得用它来研究基因是再好不过的了。德尔布吕克原来是个物理学家,所以他能得心应手地运用物理研究中的放射性同位素标记法,他和生物学家赫尔希等人设计了一套极妙的试验,结果证实DNA才是真正的遗传物质。一门新兴的科学分子生物学,就这样诞生了。

1969年,德尔布吕克因此荣获诺贝尔医学和生理学奖。科学发展到20世纪,很自然地出现了多学科交叉的研究方式。要进一步揭开DNA之谜,就不是单纯靠生物研究能够完成的。1944年量子力学家薛定谔,写了一本研究生物学的书《生物是什么》。在书中,他提出了生命密码的设想。他认为,遗传实际上就是生命密码被复制后传给后代。有个名叫克里克的青年物理学家读了薛定谔的这本书后,立刻下决心改行研究生物,并在他从事研究工作的英国著名的卡文迪许实验室,遇上了一位志同道合的朋友华生,于是两人合作探索DNA的秘密。

两个年轻人日以继夜地埋头在实验室里从事他们的研究。足足有三年多,连节假日也是在实验室里度过的。“功夫不负有心人”。1953年元旦过后不久,他们终于弄清楚DNA是两根链条螺旋状似的缠合在一起的结构。为了直观起见,他俩还制出了模型。他们解释说,当细胞繁殖时,这条双螺旋就像拉开拉链似的从中间分开。这时,每一个碱基对都拆开了,不过剩下的一半会很快地在浮游在细胞核内的分子中找到新的搭档。两个与原来DNA一模一样的复制品就被复制出来了。华生和克里克的发现,开创了分子生物学的新时代。他俩和另一位为揭示DNA之谜作出重大贡献的英国科学家威尔金斯一起,获得了1962年的诺贝尔医学和生理学奖。从此,分子生物学成为一门最有诱惑力的科学。经过进一步的研究,完全证实了薛定谔关于遗传密码的设想,科学家们已经集中精力来研究破译这些密码了。这样又产生了一门运用遗传密码让生物按照人的意愿来进行遗传和变异的新的科学技术生物遗传工程。人们完全可以这样设想,有朝一日,人类将可以通过修复和调节基因来治疗疾病,改造生命。

人类正在一步步揭开生命之谜,所以生命科学是人类文明在20世纪最丰硕的成果之一。可喜的是,中国科学家在这一领域有着骄人的贡献。

1965年9月17日,世界上首次用人工方法合成了牛胰岛素,这就是我国的化学家经过6年零3个月的奋战,经过近200步的化学合成,所夺取的一项科学的“世界冠军”。

原来,在人和动物的胰脏里,分布着一种形状类似小岛的细胞群胰岛。它分泌的激素,就叫胰岛素。胰岛素能促进人体内碳水化合物的新陈代谢,能控制血液里糖的含量,如果人体里缺少胰岛素,血液中糖的含量就会增加,大量的糖分就会从小便中排出,形成糖尿病,严重的会引起惊厥甚至死亡。

人工合成胰岛素之所以为世人瞩目,是因为它具有极为重要的科学意义。胰岛素是一种蛋白质,而蛋白质正是生命必需的物质基础。人工合成胰岛素也就是人工合成了蛋白质。所以,它标志着人类在认识生命、揭开生命奥秘的伟大进程中,迈出了极其重要的一步。

1960年,根据中国科学院领导的指示,组成了以上海生化研究所副所长王应睐为首的专家组,我国著名的生物化学家纽经义、邹承鲁、有机化学家汪献、邢其毅都积极参与了这项研究。胰岛素是微观的东西,看不见,摸不着,全靠化学的分解、合成。牛胰岛素的分子是由A,B两条链组成的。一个牛胰岛素分子,由777个原子组成。要把一个个氨基酸连成A,B两条长链,仿佛用一块块砖砌万里长城那样,当然,它比砌墙要难得多。试想,蛋白质是由20种不同的氨基酸组成的,而每一种氨基酸又是严格按一定次序排列的。这样,每连接一个氨基酸,势必要做三四个化学反应。只要其中一步稍有差错,就会使几个月的辛苦,毁于一旦。人工合成胰岛素是一项多么艰巨的科学工程啊!那时,王应睐白天同科研人员一起在实验室里忙碌,晚上,他要听取研究工作进展情况的汇报,然后进行分析,制定第二天的研究方案,每天几乎都要工作到半夜一两点钟……

人工牛胰岛素合成后,王应睐又率领他的研究小组向新的科学高峰-人工合成核糖核酸挺进!我们知道,核酸是生命遗传奥秘的所在。因此,如果能人工合成核酸中的一种核糖核酸,比人工合成蛋白质更具有不可估量的意义。

在王应睐的指挥下,这个由我国一流专家组成的研究小组整整奋战了13年,终于在1981年11月,完成了人工合成核糖核酸的伟大创举,夺得了又一项科学的“世界冠军”

20世纪60年代起,生命科学的发展非常迅速。1967年,在世界各国的好几个实验室里,几乎同时,科学家们分别采用不同的方法独立破译了遗传密码,编成了十分独特的生物遗传密码字典。生物遗传密码的破译,最终揭开了生物遗传的机理。人们明白了,一切生物的遗传,原来都由核酸中的遗传基因管着。譬如一个孩子的眼睛像妈妈,为什么嘴巴却像爸爸呢?那是因为眼睛和嘴巴遗传基因分别是妈妈和爸爸给的。一个基因装载着一种遗传密码,表示一种遗传信息。无数个基因形成核酸,所以一个核酸分子就好比是一篇完整的文章。科学家们计算出,人的一个细胞中就记录着50万个遗传密码。科学家们因此作了一个大胆的猜想,如果改变一种生物的遗传密码,一定可以改变生物的遗传性状。这就是遗传工程。1973年,以科恩为首的一批美国科学家完成了世界上第一项遗传工程。他们在一支试管中,把大肠杆菌的一个带抗四环素与一个带抗链霉素遗传信息重组在一起,又放回到大肠杆菌中被复制了出来,表现出同时能抗四环素与链霉素的双亲基因遗传信息。科恩的成果,立即引起了全世界生物学家的注目,从此,遗传工程研究走入了快车道。

不久,遗传工程相继取得实用性的成果。首先是用大肠杆菌生产治疗糖尿病和其他人体器官功能失调的良药-脑激素。原来从10万只羊的脑浆中只能提取1毫克脑激素,而现在用人工合成的脑激素基因在大肠杆菌中复制出脑激素,提取1毫克脑激素,只需2升大肠杆菌培养液,成本大大降低。接着,遗传工程又在医药领域取得一系列成就。例如,制成人体胰岛素和干扰素。干扰素是人体内抵抗病毒感染的蛋白质,并有抗癌作用,原来生产1克干扰素成本高达2000万一4000万美元。现在,瑞士、美国、日本等都已能用细菌生产多种廉价的干扰素。在医学上遗传工程还用于治疗多种遗传病,医学家们预计在21世纪,人类将应用遗传工程克服癌症。

在工业上,科学家培养出了清除石油污染的细菌。中国的科学家也正在研究把蚕吐丝的遗传密码引进到细菌中去,让细菌吐丝,这样真丝生产就像造纸那样容易了。

在农业上,科学家们正在研究应用遗传工程来实现生物固氮,把豆科植物独有的固氮遗传密码植进各种农作物中去,这样世界上所有的化肥厂就变成多余,地球的环境将大大得到改善。总之,生命科学的前景十分广阔,它的意义不可估量。它将是21世纪最具生命力和挑战性的一门新兴科学,人类将用它来绘制自己更加美好的蓝图。

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