基因概念内涵的充填过程

梁愈

文件编号： 1003 - 7586（2016）06 - 0005 - 03

从基因概念的提出到基因内容的充填，经历了漫长的探索过程，倾注了众多生物学家的心血。

1 基因概念的提出

1866年，孟德尔发表了关于豌豆杂交实验的论文，将控制生物性状的物质赋予了一个新的名字，即“遗传因子”。孟德尔认为一个遗传因子决定着一种性状；“使两个植株能相互区别的性状，归根到底决定于因子的不同组成和不同的组合；这些因子以动态的相互作用方式存在于它们的起源细胞中”；生物的性状通过遗传因子从亲代传递给子代。遗传因子概念是孟德尔在进行大量实验的基础上，对实验材料进行统计分析，采取假说—演绎法提出的。遗传因子使孟德尔发现了遗传的两大定律，为遗传学的建立奠定了理论基础。

1865年，孟德尔以《植物杂交实验》为题，在布隆自然科学学会上介绍了实验过程和结果，但其研究成果被完全忽视了。载有孟德尔新发现的布隆学会会刊被寄往115个图书馆。孟德尔得到这篇文章的复印件后，寄了一份给达尔文。可惜的是达尔文连看也没有看一眼。孟德尔又将文章寄给知名的植物学家克尔纳和内格里，也没有引起克尔纳的关注。内格里与孟德尔保持了一段时间的通信，孟德尔在给内格里的第二封信中，建议内格里重复一下自己的实验，并将豌豆种子寄过去，但内格里没有做这个实验。内格尔在1884年出版的关于进化与遗传的著作中，没有提到孟德尔，这是因为他主张和支持融合遗传的理论。

直至1900年，3位植物学家德弗里斯、柯伦斯和切尔马克在几个月内，先后发表文章称，他们发现了重要的遗传规律，但在查阅文献时发现，19世纪60年代孟德尔已经发表了该定律。

孟德尔的理论为什么会被埋没了35年呢？主要原因在于，一些科学家认为孟德尔的理论过于抽象，与实际脱节，没有物质基础。美国遗传学家摩尔根最初也是反对孟德尔学说的，他认为孟德尔学说缺乏实验证据，甚至怀疑等位基因分离理论，因为没有什么机制可以解释相对性状的分离。

1909年，丹麦遗传学家约翰逊提出了用“基因”取代孟德尔的“遗传因子”。约翰逊认为，遗传因子或因子不属于科学术语，不够准确。“基因”便于与其他的词结合起来，表达近代孟德尔法则由研究者们所涉及的配子中的“单位因子”“要素”或“alleles”。不仅如此，为了把遗传的原因与效应分开，1911年，约翰逊又提出了基因型和表现型的概念。约翰逊用“基因型”一词，用来描述受精卵中全套基因及其表达生物性状的全部能力；用“表现型”一词来描述基因外在作用的结果，这两个术语很快就被科学界普遍采用。基因型是自然选择的基础，基因型中的变化是永久性的，它们能够遗传下去。表现型的变化反映了环境因素的作用，并非是永久性的。基因型与表现型的区别，有助于研究者弄清哪些变异是可遗传的，哪些变异是不能遗传的。约翰逊虽然提出了基因的概念，但他认为，基因只是一个说明问题的符号、计算单位、统计单位。约翰逊说：“不再考虑基因是一种器官样的、有独立生活和类似性质的小体的概念，会导致这一概念的假设必须完全忘掉”。1917年，美国遗传学家戈式米特批评了遗传学家对基因过分谨慎的态度，戈式米特说：“我们认为对待问题的这种心智态度，是约翰逊对基因的本质采取了不可知论的结果，这样就使我们产生了某种神秘的崇敬心情，对基因的世俗属性的观点表示深恶痛绝。”约翰逊虽提出了基因的概念，但并不承认基因的物质性，使人们对基因的认识带上了神秘的色彩，甚至使自己也滑向了唯心主义，这是可悲的。孟德尔和约翰逊的共同点是都提出了一个概念、一个符号，将基因的形式和内容分离开来。他们的不同在于，孟德尔并未否定基因的物质性，而约翰逊认为基因是不可知的，属于一种非物质的东西。

2 对遗传物质的探索

什么是遗传物质？这个问题困扰了科学家很长时间。1883年，德国遗传学家魏斯曼预言：“遗传物质是具有特定分子结构的化合物”。在证实脱氧核糖核酸是遗传物质之前，遗传学家已经认识到，作为遗传物质至少应当具备三个特点：① 携带遗传信息；② 能够自我复制，使子代和亲代保持相对的稳定性和连续性；③ 能够产生可遗传的变异，使生物与环境相适应。要想知道基因是什么，就必须研究染色体，分析染色体上什么物质携带遗传信息。这项工作难度很大，因为细胞核本身很小，很难将染色体分离出来。尽管如此，科学家仍然成功地将染色体上的物质分离出来，得出其基本成分是核酸和蛋白质，并且证实这两种物质都是高分子有机化合物。1900年前后，遗传学家认为：核酸不是遗传物质，因为核酸较蛋白质的结构简单，不可能在遗传以及受精卵的发育过程中发挥作用。再者，细胞有丝分裂过程中，只有染色质浓缩时才能着色。1909年，植物细胞学家特拉斯布格说：染色体本身不可能是遗传物质，因为它随后就脱离了染色体形态，而且在细胞核中，其含量也因发育阶段不同而变化。1920年，美国遗传学家戈尔什米特指出：“如果按照习惯认为染色体中的核素是遗传物质，那么就决不可能有某种化学概念能够解释它的多种多样效应”。染色体的主要成分是蛋白质和核酸，那么两者谁才是遗传物质呢？1868年，瑞士化学家米歇尔从伤员绷带上的化脓细胞中，分离出一种酸性物质，这种酸含有大量的氮和磷。后来，米歇尔又从鲑鱼精子的头部，分离出含有酸性的化合物，并取名为“核素”，后来改称“核酸”。1879年，德国生物学家柯塞尔发现，核素是蛋白质和核酸的复合物。他经过十多年的研究，搞清了核酸的基本成分，但在当时并没有被人们普遍接受。1909年，美籍俄国生物化学家莱文发现，酵母中的核酸含有核糖。1929年，莱文发现动物胸腺嘧啶细胞中的核酸含有脱氧核糖，并把以前发现的核糖称作核糖核酸，把后来发现的核酸称作脱氧核糖核酸。1923年，细胞化学家福尔根证明，DNA是染色体的主要成分之一。一些间接证据表明，DNA储藏着遗传信息。比如，细胞内绝大多数的DNA位于染色体上，每一个细胞DNA的含量与染色体的倍数有着精确的对应关系，二倍体生物的体细胞中，DNA含量总是同种生物单倍体的两倍。另外，DNA比蛋白质和RNA更加稳定。这些都暗示着DNA是遗传物质，但还不能被证明。

1928年，英国医生格里菲斯用肺炎双球菌感染小鼠时发现，肺炎双球菌有两种类型：光滑型和粗糙型。粗糙型的菌体无荚膜、无毒性，一般不会使小鼠致病；光滑型有荚膜、有毒性、致病性强。荚膜的化学成分是葡萄糖和葡萄糖醛酸的复合物，能够抵抗某些生物体的吞噬，使细菌在宿主体内大量繁殖而致机体生病。肺炎双球菌又分为RⅠ、RⅡ、RⅢ和SⅠ、SⅡ、SⅢ等不同的菌体。格里菲斯用RⅡ和SⅢ作为实验材料，把SⅢ型注入小鼠体内，结果使小鼠患肺炎而死亡；将RⅡ注入小鼠体内，小鼠不患病。经过加热处理的SⅢ型肺炎双球菌，注入小鼠体内后也不致病。但将经过加热处理的SⅢ型肺炎双球菌与RⅡ型肺炎双球菌混合注入小鼠体内，却使小鼠患病死亡。从死亡小鼠的血液中可以分离出大量有活性的SⅢ型的肺炎双球菌，小鼠体内的这种SⅢ型肺炎双球菌含有SⅢ型的多糖荚膜，证明无荚膜的R型肺炎双球菌突变成为了有荚膜的S型。格里菲斯对此现象的解释是：经过热处理、已经被杀死的S型细菌，可以使那些活着的R型细菌发生转化，使它们恢复野生型所具有的合成荚膜的能力。格里菲斯发现了肺炎双球菌的转化现象，但不能解释转化的原因。

1944年，美国生物学家艾弗里及其同事通过体外转化实验，弄清了转化的本质。艾弗里重复了格里菲斯的实验，并用生物化学的方法证明转化的因子是DNA，而不是蛋白质、RNA和多糖。他分别做四个正实验和四个负实验：将SⅢ型的细菌杀死，然后分离出DNA、RNA、蛋白质和多糖荚膜，把这四种物质分别加进RⅡ型菌株，经培养后，只有加进SⅢ型菌DNA的RⅡ型菌株发生转化，产生RⅡ型和SⅢ型的细菌；与此同时，还用不同的酶，处理提取物以观察实验的影响。这样，艾弗里第一次证明了DNA是转化因子，即DNA是遗传物质。尽管艾弗里的实验很严谨，但其他科学家认为这一结论有以下疑点。

① 认为生物的遗传与染色体上的蛋白质有关。蛋白质与核酸相比，蛋白质作为遗传物质的可能性更大。这是因为，组成蛋白质的氨基酸有20种，这20种氨基酸的不同排列组合，是一个巨大的天文数字，可储存更多的遗传信息。DNA分子量小，只有4种碱基，不同的DNA之间的差异很小；

② 在转化过程中，DNA提取的不够纯，可能带入蛋白质分子，其他科学家认为是蛋白质完成了转化的功能；

③ DNA虽然是转化因子，但可能DNA只对荚膜的形成有作用，而不是遗传信息的载体。1952年，美国生物学家赫尔希和蔡斯分别用同位素35S和32P来标记T2噬菌体的蛋白质外壳和核心DNA。当T2噬菌体被35S标记后，将其与大肠杆菌混合几分钟，用搅拌器搅拌被感染了噬菌体的细菌，使吸附在细胞表面的噬菌体脱落后。这时，蛋白质外壳脱落下来，没有进入细胞中。子代噬菌体不含放射性。当噬菌体T2用32P标记后，所有放射性只在感染了噬菌体的大肠杆菌内部，表明病毒DNA进入了宿主细胞，而蛋白质外壳留在外面。合成子代T2噬菌体的DNA的遗传信息，只存在于父代DNA中。这个实验的结果表明，DNA才是遗传物质，这个实验结论很快被科学家承认。赫尔希和蔡斯的实验证明DNA是遗传物质，揭示了遗传物质的化学本质，大大推动了对核酸的研究。但DNA的结构是怎样的？在遗传上如何发挥作用，这些还不得而知。

3 基因本质的揭开

1911年，莱文发现了两种核酸：脱氧核糖核酸和核糖核酸。脱氧核糖核酸的碱基有腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶。核糖核酸的碱基中没有胸腺嘧啶，而存在尿嘧啶。莱文发现了核酸的化学组成，但没有确定四种核苷酸以什么结构形成核酸分子。1940年，英国物理学家阿斯特伯里拍摄了一些DNA的X射线衍射照片，这些照片虽然质量不高，但仍然能够证实DNA是由一叠扁平核苷酸构成的。20世纪50年代初，由专门从事晶体结构分析的科学家组成的三个个研究小组继承了阿斯特伯里的工作。在这三个研究小组中，第一小组没有取得什么实质性的结果。第二小组英国科学家威尔金斯领导，制成了高度定向的DNA纤维，因此拍摄的X射线衍射照片非常清晰，进一步证实了阿斯特伯里的推断，测出两个相邻核苷酸的距离是3.4埃。第三小组中有美国生物学家沃森和英国物理学家克里克。沃森在芝加哥大学动物系毕业后，从事X射线对噬菌体影响的研究工作，由于他是“信息学派”的成员，加之年轻有为，被派到英国剑桥大学卡尔迪许实验室深造。在这里沃森与克里克密切合作。这种合作不仅是两个人之间的合作，也是物理学与生物学之间的合作。1953年2月，第三小组在看到威尔金斯小组的照片后，立即进行了研究，几个星期内，就从照片中发现了DNA分子的双螺旋结构。他们的主要结论是：DNA分子结构是一个正常的螺旋。这个螺旋的直径是20埃，沿着螺旋长度，每34埃完成一个螺距，由于两个核苷酸的间距是3.4埃，所以，每一个螺距是由十个核苷酸组成。根据DNA分子的密度推论，这个螺旋由两条核苷酸链构成，是一个双螺旋。四种核苷酸在双螺旋中遵循碱基互补配对原则，即胞嘧啶总是与鸟嘌呤配对，胸腺嘧啶总是与腺嘌呤配对。沃森、克里克把研究成果和威尔金斯小组提供的X射线衍射照片一起发表在1953年4月的英国《自然》杂志上。

DNA双螺旋结构的确定，在生物学中具有划时代的意义：① 解释了双螺旋所有的X射线衍数据。② 从生物学和遗传学角度看，这个模型解释了自催化原理。其提出了DNA分子储存遗传信息的机制，解释了DNA的自我复制和转录。③ 根据模型可以说明，DNA分子既稳定又能突变；新模型还使人们设想DNA如何指导蛋白质分子的合成。DNA双螺旋结构模型为进一步研究遗传信息传递的规律铺平了道路，为基因的复制、转录、表达和调控等方面的研究奠定了坚实的基础，开创了分子遗传学的新纪元。

从基因概念的提出到基因本质的揭开，经历了八十多年的时间。从最初的一个基因符号到基因内容的一一发现，这是科学概念的形式在先，内容在后的一种科学发展模式。通过这个事实笔者得到以下启示：① 形式先于内容，是自然科学发展中的一种常态。不仅生物学可以这样发展，其他学科的发展也有类似情况。比如：数学中的负数和化学中的原子问题。② 形式先于内容，具有激发科学家探究精神的功能。当一个科学概念抛出后，除了一个符号外什么都没有，这激发了人们探索其内容的求知欲，因为形式与内容密不可分。基因提出后，人们就想知道基因的本质是什么？基因是物质的还是精神的？基因在什么地方？基因的功能是什么？结构如何？它的结构和功能之间有什么关系……

参考文献：

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