什么是DNA

本書(shū)并非論述人類的起源，而是論述人類的旅程。因?yàn)槲覀內(nèi)匀徊恢谰烤故裁丛蚝脱莼^(guò)程，在大約19.5萬(wàn)年以前出現(xiàn)了生物學(xué)意義上的現(xiàn)代人類。我們非常確定的只有一個(gè)事實(shí)：所有人屬動(dòng)物都起源于非洲。

本書(shū)并非論述基因，基因是遺傳學(xué)概念，“遺傳學(xué)之父”孟德?tīng)栕钤绨l(fā)現(xiàn)遺傳過(guò)程中存在基因作用。英文基因是Gene，日文是遺傳子（遺傳因子）。人們?cè)?jīng)認(rèn)為，遺傳基因的媒介可能是血型，后來(lái)認(rèn)為可能是蛋白質(zhì)，直到1950年代才最終確認(rèn)是DNA……人類對(duì)遺傳基因的認(rèn)識(shí)不斷深化。DNA是生物組織中最穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，基因通過(guò)DNA得以傳承和表達(dá)。現(xiàn)在，為了方便和簡(jiǎn)單起見(jiàn)，人們往往用一段DNA表示一個(gè)基因。正是通過(guò)DNA，人們最終發(fā)現(xiàn)了人類走出非洲的六萬(wàn)年旅程。

研究DNA的歷史，正是人類一次又一次發(fā)現(xiàn)自己的錯(cuò)誤的歷史。

研究DNA的歷史，也是人類一次又一次修正自己的錯(cuò)誤的歷史。

一百多年來(lái)，人們一次又一次發(fā)現(xiàn)，人類對(duì)于遺傳——基因——DNA——生命的認(rèn)識(shí)是錯(cuò)誤的。這正是科學(xué)研究的本質(zhì)之一。德國(guó)戲劇家與詩(shī)人貝爾托·布萊希特（Bertolt Brecht）在他的著名劇作《伽利略的一生》（Life of Galileo）中這樣總結(jié)伽利略推翻地心說(shuō)、建立日心說(shuō)的對(duì)與錯(cuò)：

科學(xué)的目標(biāo)，

不是為無(wú)限的智慧，打開(kāi)一扇大門(mén)，

而是為無(wú)限的失誤，設(shè)定一個(gè)限度。

千百年來(lái)，人們都知道孩子與父母很相像，男女結(jié)合，女性受孕10個(gè)月后就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)孩子。但是，遺傳的機(jī)理一直是個(gè)奧秘，人們從未停止嘗試建立各種遺傳學(xué)說(shuō)。在古希臘文獻(xiàn)中，大量的資料提到家族內(nèi)的相似性，對(duì)這些問(wèn)題的思考和爭(zhēng)辯，成為早期哲學(xué)家們最喜歡爭(zhēng)議的話題之一。

希波克拉底（Hippocrates）認(rèn)為，生育時(shí)男性和女性都產(chǎn)生一種精液，受精后，部分雙方的精液混合，占上風(fēng)的部分決定了嬰兒的各種性狀。這個(gè)過(guò)程的結(jié)果，會(huì)使一個(gè)孩子可能擁有父親的眼睛和母親的鼻子，如果父母雙方?jīng)Q定某一種形狀的流質(zhì)不相上下，孩子就可能表現(xiàn)居中，比方說(shuō)頭發(fā)的顏色處于父母頭發(fā)顏色之間。

哲學(xué)家亞里士多德在大約公元前335年沒(méi)有任何根據(jù)地寫(xiě)道：總的來(lái)說(shuō)，父親決定孩子的模樣，母親的貢獻(xiàn)僅限于孩子在子宮里和出生后。這種哲學(xué)思想反映了當(dāng)時(shí)以男性為主導(dǎo)的觀點(diǎn)——孩子的健康和形態(tài)狀況，以及心理和生理的一切特性都源于父親。但是，亞里士多德也沒(méi)有否定選擇妻子的重要性——肥沃的土壤總比貧瘠的土壤更適合種植。但是，另一個(gè)問(wèn)題產(chǎn)生了：假如孩子是因?yàn)楦赣H產(chǎn)生的，那么，男人怎么會(huì)有女兒呢？

亞里士多德一生都受到這一問(wèn)題的挑戰(zhàn)。他的回答含糊其詞，幾乎是狡辯：所有嬰兒在各方面都應(yīng)和父親一樣，包括性別應(yīng)該為男性，除非在子宮里受到某種“干擾”。有時(shí)候這種“干擾”比較小，產(chǎn)生微不足道的變異，例如孩子長(zhǎng)出紅頭發(fā)，而不是父親的黑頭發(fā)；有時(shí)候這種“干擾”比較大，例如畸形或女性。

這種古代哲學(xué)理論發(fā)展成了人胚全息論。人胚全息論認(rèn)為，在性交過(guò)程中，一個(gè)微小的人體被放進(jìn)女性體內(nèi)。為了保持皇家血統(tǒng)的純正，從埃及帝國(guó)到曾經(jīng)控制幾乎所有歐洲王室的強(qiáng)大的哈布斯堡王朝，都流行近親婚姻以維護(hù)統(tǒng)治。從現(xiàn)在的遺傳學(xué)來(lái)看，這些封閉的王室之間的婚姻，就像同一個(gè)村莊里的沒(méi)有太多選擇的婚配，配偶都是自己的親戚或鄰居。這種婚配方式導(dǎo)致后代出現(xiàn)大量遺傳疾病，成為這些帝國(guó)滅亡的重要原因之一。

18世紀(jì)初，顯微鏡之父安東尼·馮·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek，1632-1723）認(rèn)為，他可以在精子頭部看到蜷縮的微型人體。

19世紀(jì)，兩項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展使人類發(fā)現(xiàn)了染色體。一項(xiàng)技術(shù)是紡織工業(yè)出現(xiàn)的新的化學(xué)染料，另一項(xiàng)技術(shù)是顯微鏡的性能得到重大改進(jìn)。

染色體（Chromosome）源于希臘語(yǔ)，意思是“染上顏色的物體”。高倍放大能力使人們很容易觀察單個(gè)細(xì)胞，細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)用新的染料染色后，可以清晰地顯現(xiàn)出來(lái)。人們?cè)陲@微鏡中驚訝地看到：在受精過(guò)程中，大的卵細(xì)胞和小的精子結(jié)合時(shí)，細(xì)胞分裂，奇怪的線狀結(jié)構(gòu)聚合起來(lái)，平均分配到兩個(gè)新的細(xì)胞中。這個(gè)過(guò)程叫作有絲分裂。

首先發(fā)現(xiàn)基因作用的孟德?tīng)柺墙菘瞬剪斨Z市（Brno）的一個(gè)修道士，1850-1860年，他在修道院花園里通過(guò)大量的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)，奠定了現(xiàn)代遺傳學(xué)的基礎(chǔ)。1856-1863年，孟德?tīng)栐陔s交實(shí)驗(yàn)了大約2.9萬(wàn)棵植株之后，發(fā)表了論文《植物雜交試驗(yàn)》。孟德?tīng)栒J(rèn)為存在一些遺傳物質(zhì)（后世的科學(xué)家把這種物質(zhì)稱為基因）。孟德?tīng)柕贸鲆粋€(gè)結(jié)論：無(wú)論是什么物質(zhì)決定了遺傳，父母雙方總是把這種物質(zhì)等量地傳給后代。非常遺憾的是，他的論文在當(dāng)時(shí)沒(méi)有引起任何人的重視。

孟德?tīng)枦](méi)有看到染色體就去世了，但是，他的預(yù)言后來(lái)被生物學(xué)證實(shí)是正確的。人類的23對(duì)46個(gè)染色體，從父母雙方等量遺傳（除了線粒體DNA和Y染色體）。在受精過(guò)程中，染色體這種奇怪的線狀物，一部分來(lái)自父親的精子，另一部分來(lái)自母親的卵子。

1869年，25歲的弗雷德里?！っ仔獱?，在德國(guó)圖賓根（Tubingen）的一座古代城堡地下室的簡(jiǎn)陋實(shí)驗(yàn)室里發(fā)現(xiàn)了核酸（Nucleic acid）。這種物質(zhì)就是DNA的構(gòu)成單元。他被認(rèn)為是DNA的發(fā)現(xiàn)者，但是當(dāng)時(shí)沒(méi)有人注意他的這個(gè)發(fā)現(xiàn)。

1903年，人們發(fā)現(xiàn)染色體在遺傳中可能扮演重要角色。

1928年，孟德?tīng)柦胁怀雒值摹斑z傳物質(zhì)”，第一次被稱為基因（Gene）。

1944年，人們發(fā)現(xiàn)DNA是染色體的主要成分，人們將這種物質(zhì)命名為脫氧核糖核酸（DNA，Deoxyribonucleic acid），并且經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)DNA是遺傳基因的載體。這是一個(gè)偉大的進(jìn)步，但是當(dāng)時(shí)大部分人認(rèn)為蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)，這個(gè)進(jìn)步被埋沒(méi)了。

1953年，劍橋大學(xué)的兩個(gè)年輕科學(xué)家，詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）發(fā)現(xiàn)了DNA的分子結(jié)構(gòu)。當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)查清一些蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，沃森和克里克認(rèn)為，利用檢測(cè)蛋白質(zhì)的現(xiàn)成技術(shù)或許可以發(fā)現(xiàn)DNA的分子結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)DNA可能找出遺傳的奧妙。沃森和克里克使用了分析蛋白質(zhì)的同樣辦法：首先使DNA成為結(jié)晶纖維，再用X射線照射DNA，大部分X射線會(huì)直線穿透DNA分子結(jié)構(gòu)的間隙，從后側(cè)出來(lái)，還有一些會(huì)撞擊到DNA分子結(jié)構(gòu)里的原子，彈到一旁。用X射線的照相膠片上的分布形態(tài)和位置，可以推算出DNA內(nèi)部的原子位置，然后查清DNA的分子結(jié)構(gòu)。

但是，DNA的這些X射線的照片的形態(tài)太奇特了，他們兩人很久都沒(méi)有找到與之相吻合的DNA化學(xué)結(jié)構(gòu)。最后，沃森和克里克采用了非常笨拙的“原始”方法，用一條一條的硬紙板和一片一片的金屬片和金屬絲，構(gòu)建各式各樣的模型，試圖重現(xiàn)DNA的結(jié)構(gòu)。他們最后發(fā)現(xiàn)有一種雙螺旋模型完全吻合X射線的分布。這種模型很簡(jiǎn)單，像兩個(gè)螺旋形的梯子扭結(jié)在一起。而且這種結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定——只有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)才能作為遺傳物質(zhì)。DNA正是一種極其穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，僅由4種核苷酸堿基構(gòu)成的一種糖類骨架。這4種核苷酸的化學(xué)名稱如下：

A 腺嘌呤

C 胞嘧啶

G 鳥(niǎo)嘌呤

T 胸腺嘧啶

我們不必記住這些源自希臘語(yǔ)的核苷酸堿基的麻煩名字，只需記住它們的首寫(xiě)字母：A，C，G，T。即使是科學(xué)家，也是經(jīng)過(guò)50多年的研究才查清了這4種核苷酸堿基的基本結(jié)構(gòu)。

對(duì)遺傳媒介的最重要的要求是可以一代又一代地忠實(shí)復(fù)制。當(dāng)細(xì)胞分裂時(shí)，兩個(gè)新的細(xì)胞核里都必須有一套染色體。每次細(xì)胞分裂時(shí)，染色體內(nèi)的遺傳物質(zhì)必須復(fù)制成兩份。復(fù)制的質(zhì)量必須很高，不允許出現(xiàn)錯(cuò)誤。沃森和克里克發(fā)現(xiàn)，每個(gè)DNA分子都由兩條很長(zhǎng)的鏈構(gòu)成，就像兩條纏繞的螺旋形，他們稱之為“雙螺旋”結(jié)構(gòu)。復(fù)制開(kāi)始的時(shí)候，這個(gè)雙螺旋的兩條螺旋解開(kāi)，分別重新制造出一模一樣的另外兩個(gè)雙螺旋，然后再分別存進(jìn)兩個(gè)新的細(xì)胞里。

當(dāng)時(shí)，他們不知道自己是否是正確的。起初，他們兩人甚至無(wú)論如何也畫(huà)不出一個(gè)合乎邏輯的平面結(jié)構(gòu)草圖。最后，弗朗西斯·克里克請(qǐng)他的太太，一位英法混血的女畫(huà)家?jiàn)W迪爾·克里克繪制出了“世界上第一個(gè)DNA的平面圖”。然后，克里克拿著這張簡(jiǎn)陋的草圖，高高興興地找到喝得醉醺醺的沃森：“你看，就是這樣的，就是這個(gè)！”然后，他倆才好不容易最終拼湊出這個(gè)奇形怪狀的立體模型。然后，他們把這個(gè)發(fā)現(xiàn)寫(xiě)成了論文。1962年，9年之后，沃森和克里克獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

這些DNA密碼寫(xiě)成的“整套裝配手冊(cè)”叫作基因組（genome，又稱染色體組），可以組裝出完整的獨(dú)一無(wú)二的物理個(gè)體，即一個(gè)人的全部信息。這套裝配手冊(cè)就像用分子寫(xiě)成的一本《百科全書(shū)》式巨著，大約有30億個(gè)文件夾（核苷酸）。

雖然沒(méi)有辦法作出統(tǒng)計(jì)，但人們通常認(rèn)為一個(gè)人大約有100萬(wàn)億個(gè)細(xì)胞，每個(gè)細(xì)胞里都存放了這樣一本巨大的裝配手冊(cè)——23對(duì)46個(gè)染色體構(gòu)成的基因組。每個(gè)基因組的物理長(zhǎng)度約2米，所以不能直接插在人體中，更無(wú)法放進(jìn)每一個(gè)細(xì)胞里。于是，這本“巨著”基因組被折疊起來(lái)，螺旋狀緊緊纏繞著放在每一個(gè)細(xì)胞的23對(duì)46個(gè)染色體里。

大約46億年前地球形成，大約35億年前第一個(gè)細(xì)胞出現(xiàn)在地球上：基因組出現(xiàn)了，第一個(gè)細(xì)胞分裂就是基因組的復(fù)制。人類已經(jīng)知道一些基因的功能，雖然還不清晰，而且對(duì)大部分基因的功能至今仍然一無(wú)所知。例如，我們知道，有的基因裝配成為腎臟，有的基因裝配成為肺，但是我們卻不知道裝配的細(xì)節(jié)；我們僅僅知道這些器官的基本功能，卻不知道它們?nèi)绾喂ぷ骱拖嗷f(xié)調(diào)?；蚪M的這套密碼和人體組織過(guò)于龐大和復(fù)雜了。

詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克獲得諾貝爾獎(jiǎng)，并非因?yàn)樗麄z僅僅拼出了這個(gè)奇形怪狀的雙螺旋結(jié)構(gòu)的立體模型，沃森和克里克還發(fā)現(xiàn)雙螺旋的兩條鏈的“裝配原則”：一條鏈上的A只能與另一條鏈上的T相連，一條鏈上的C只能與另一條鏈上的G相連。

A與T

C與G

這是永遠(yuǎn)不變的規(guī)則，從大約35億年前就開(kāi)始了，至今沒(méi)有改變。根據(jù)這個(gè)規(guī)則，4個(gè)字母組成的序列被永久保存下來(lái)。這種字母序列叫作DNA序列。DNA序列“密碼”蘊(yùn)含著基因信息，又稱遺傳信息或遺傳密碼。