破譯“生命密碼”

應(yīng)琛

脫氧核糖核酸（DNA）的雙螺旋結(jié)構(gòu)。

“科學(xué)革命并不是一場知識的革命，而是一場無知的革命?？茖W(xué)革命起步的偉大發(fā)現(xiàn)就是，發(fā)現(xiàn)我們?nèi)祟悓τ谧钪匾臇|西其實毫無所知?！币陨凶骷矣韧郀枴ず绽凇度祟惡喪贰分械倪@段話，在人類探索生命世界的過程中，體現(xiàn)得淋漓盡致。

1992年10月1日，揭示人類疾病奧秘的第一張染色體圖在倫敦正式發(fā)表。這一成果被認(rèn)為是遺傳學(xué)上的一個里程碑。

從發(fā)現(xiàn)基因，到基因測序的可能，再到真正解密基因組，基因組的奧秘被運用于醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、人類學(xué)、考古學(xué)……百年來，人類每解開一個謎團(tuán)，卻發(fā)現(xiàn)了更多的謎團(tuán)，但這絲毫阻擋不了人類對生命真相的不懈追尋。

“問地上的植物，它們會教會你?！薄妒ソ?jīng)·約伯記》里的這句話神奇地契合了人類發(fā)現(xiàn)基因的過程。

1857年至1864年間，捷克布爾諾的圣托馬斯修道院中，一位名叫孟德爾的神父周而復(fù)始地沉浸在對豌豆的播種、授粉、開花、采摘與計數(shù)的工作中。他執(zhí)著地將每種雜合體的雜交結(jié)果數(shù)據(jù)制成表格，并且最終發(fā)現(xiàn)所有結(jié)果都驚人地一致。就在修道院花園中這一小塊空場上，孟德爾獲得了數(shù)量眾多且可供分析使用的數(shù)據(jù)，其中包括2.8萬株植物、4萬朵鮮花以及近40萬顆種子。

1865年，孟德爾在《布爾諾自然科學(xué)協(xié)會學(xué)報》上發(fā)表了論文《植物雜交實驗》，使用了兩個不同的詞來描述控制豌豆性狀的神秘遺傳物質(zhì)：天性（Anlage）和因子（Elemente）。后者就是今天已經(jīng)被廣泛認(rèn)知的基因。但這篇劃時代的論文并未引起學(xué)術(shù)界的重視。1884年，孟德爾帶著深深的遺憾去世了。

直到20世紀(jì)的第一個春天，三位植物學(xué)家：德·弗里斯、科倫斯和馮·切爾邁克用多種不同的植物進(jìn)行了與孟德爾早期研究類似的雜交育種試驗，并作出了與孟德爾相似的解釋，這才證實了孟德爾的遺傳規(guī)律，確認(rèn)了它的重大意義。這個戲劇性的事件被歷史學(xué)家稱為“孟德爾的再發(fā)現(xiàn)”。

這一事件開辟了遺傳學(xué)的新紀(jì)元，孟德爾也被公認(rèn)為現(xiàn)代遺傳學(xué)的創(chuàng)始人。1909年，丹麥植物學(xué)家約翰遜在前者的基礎(chǔ)上提煉出了基因（Gene）一詞。

1868年，在德國蒂賓根大學(xué)工作的瑞士科學(xué)家米切爾用顯微鏡研究手術(shù)繃帶中的膿液時，在細(xì)胞核中發(fā)現(xiàn)了一種他不認(rèn)識的物質(zhì)，并將之稱為“核素”。 與孟德爾的研究一樣，這一后來被稱為脫氧核糖核酸（DNA）的物質(zhì)在此后半個世紀(jì)內(nèi)都被忽視，人們認(rèn)為其在遺傳中扮演的角色微不足道。

直到摩爾根和他的果蠅出現(xiàn)。從1908年起這位美國生物學(xué)家對果蠅進(jìn)行了“嚴(yán)刑拷打”：使用X光、激光照射，用不同的溫度培養(yǎng)，加糖、加鹽、加酸、加堿，甚至剝奪其睡眠。 兩年后，紅眼果蠅群中出現(xiàn)了一只異常的白眼雄性果蠅。接下來復(fù)雜而有突飛猛進(jìn)成果的實驗催生了被稱為遺傳學(xué)三大定律之一的“連鎖與互換定律”，并確定了基因不是一個“純理論單位”，而是居住在染色體中的有形物質(zhì)，而且它們的關(guān)系就像排列在細(xì)繩上的串珠。

摩爾根還給出了第一個果蠅染色體連鎖圖，從而確立了基因作為遺傳基本單位的概念。1919年和1926年，摩爾根又相繼出版了《遺傳學(xué)的物質(zhì)基礎(chǔ)》和《基因論》，建立了完整的基因遺傳理論體系。他因此而獲得了1933年的諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎。

此后，生物學(xué)家、物理學(xué)家、遺傳學(xué)家們繼續(xù)沿著摩爾根的道路前進(jìn)。1943年，量子理論學(xué)家薛定諤在都柏林的一次演講中，大膽地嘗試用基礎(chǔ)理論來描述基因的分子屬性。他設(shè)想出一種具有多種化學(xué)鍵的化學(xué)物質(zhì)，能夠沿著“染色體絲”的長度伸展。這些化學(xué)鍵的序列組成了密碼本，能夠攜帶大量信息，又可以在細(xì)胞內(nèi)保持結(jié)構(gòu)緊湊，盡管組成順序簡單，但代表種類繁多。從這時起，為后世所知的雙螺旋結(jié)構(gòu)已經(jīng)在向人類招手。

受其影響，1953年，美國生物學(xué)家沃森和英國物理學(xué)家克里克在《核酸分子結(jié)構(gòu)：脫氧核糖核酸結(jié)構(gòu)》中指出，雙螺旋結(jié)構(gòu)顯示出DNA分子在細(xì)胞分裂時能夠自我復(fù)制。而在同一期《自然》雜志上，另外兩名科學(xué)家戈斯林與羅莎琳德·富蘭克林發(fā)表的論文，也為雙螺旋結(jié)構(gòu)提供了有力的晶體學(xué)證據(jù)。

雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的提出是遺傳學(xué)史上劃時代的事件，它宣告了分子遺傳學(xué)的誕生。以此為開端，生物學(xué)各分支科學(xué)及相關(guān)農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)也發(fā)生了巨大的變化。1962年，沃森、克里克憑借此發(fā)現(xiàn)榮獲了諾貝爾獎。遺憾的是，富蘭克林因罹患卵巢癌已于1958年英年早逝。

富蘭克林患病，與實驗時接觸大量X光射線有關(guān)，也與家族遺傳有關(guān)。如果富蘭克林活在今天，也許就能通過盡早的基因篩查，預(yù)知自己得病的幾率，從而盡早預(yù)防和治療。畢竟，大千世界的生老病死，都受控于生命的遺傳密碼——基因組。

可以說，人類對基因、基因組的研究和相關(guān)技術(shù)的運用，已經(jīng)獲得了飛速的發(fā)展。

1977年，人類第一次完成了對一個物種基因組的測序。

1990年到2003年，美、英、德、法、日、中6個國家共同努力，用13年時間、耗資38億美元，終于完成了一個人的全基因組測序。這一被譽為生命科學(xué)領(lǐng)域“阿波羅登月計劃”的項目，之所以如此耗時費力，是因為人類基因組擁有30億個堿基對。

1992年10月1日，揭示人類疾病奧秘的第一張染色體圖在倫敦正式發(fā)表。據(jù)英國《自然》雜志報道，染色體由絲狀或棒狀的遺傳物質(zhì)構(gòu)成，一張染色圖猶如一張地圖一樣重要，可以使你發(fā)現(xiàn)能夠?qū)е录膊〉挠腥睋p的基因的時間從5年縮短到幾個月。

近年來，基因測序技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，如今只需24小時、500美元即可完成單人基因組的測序?；诨蚪M全序列，一個個遺傳病致病基因的突變不斷被發(fā)現(xiàn)，基因治療在21世紀(jì)的第二個10年里取得了良好療效，地中海貧血、白血病患者受益于基因技術(shù)被治愈的信息頻現(xiàn)報端。

但到目前為止，公開發(fā)表的被解密的動植物基因組也僅有500余種，即使加上正在開展的科研項目，也不足1000種。而地球上預(yù)計存在的物種，超過870萬種。

今年8月23日，兩篇發(fā)表在《自然》雜志的論文宣告：科學(xué)家組裝了人類Y染色體的第一個完整序列，補齊了人類基因組這部“生命天書”。

展望未來，或許人類與基因的故事，才剛剛開始。

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