DNA的發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識

DNA的發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識孟德爾的功績在于他認(rèn)識到遺傳一定有其物質(zhì)基礎(chǔ)。他大膽設(shè)想，這種物質(zhì)基礎(chǔ)就是“因子”（基因），至于“因子”為何物？它的物質(zhì)結(jié)構(gòu)又如何？那只能留待他人和后人來解答了。對基因的化學(xué)組成、分子結(jié)構(gòu)及其生物功能的最粗略的認(rèn)識，即把基因和DNA聯(lián)系起來，也經(jīng)歷了長達(dá)80多年的歷程。發(fā)現(xiàn)基因物質(zhì)構(gòu)成本身也是一個偶然事件。1869年，即孟德爾在自然科學(xué)會例會上宣布他的研究成果后四年，一位年輕的瑞士研究生米歇爾在完成其博士論文過程中，要測定淋巴細(xì)胞蛋白質(zhì)的成分。蛋白質(zhì)在當(dāng)時只有30年的發(fā)現(xiàn)史，被認(rèn)為是細(xì)胞中最重要的物質(zhì)。米歇爾在科學(xué)研究上是個調(diào)皮而富于想象力的人，他為了獲得更多的實驗材料，便到附近的一家醫(yī)院去搜集廢棄的傷員繃帶，想由此而洗出膿液來，因為那些膿液里含有很多的淋巴細(xì)胞。為了使細(xì)胞膜破裂而細(xì)胞核仍能保持完整，米歇爾用各種不同濃度的鹽溶液來處理細(xì)胞。當(dāng)他用弱堿溶液破碎細(xì)胞時，在試管里發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的沉淀物，這種沉淀物各方面的特性都與蛋白質(zhì)不同，它既不溶解于水、醋酸，也不溶解于稀鹽酸和食鹽溶液。米歇爾興奮了，他的心砰砰地跳動著，他意識到這一定是一種未知的甚至是神秘的物質(zhì)。這種物質(zhì)究竟存在于細(xì)胞質(zhì)中還是存在于細(xì)胞核中呢？為了搞清這個問題，他用弱堿溶液單獨處理純化的細(xì)胞核，并在顯微鏡下檢查處理過程，終于證實這種物質(zhì)存在于細(xì)胞核之中。米歇爾將這種物質(zhì)定名為“核質(zhì)”，他當(dāng)時當(dāng)然還不知道，這就是主宰生命復(fù)制過程的物質(zhì)：DNA。就這樣一個看來相當(dāng)簡單的過程，米歇爾研究了10年。10年過去了。1879年開始，米歇爾的師弟考塞爾接過了“核質(zhì)”研究的接力棒。考塞爾著重對“核質(zhì)”組成成分的研究。他利用酵母作為研究的素材，經(jīng)過10多年的努力，他終于可以肯定地得出結(jié)論：“核質(zhì)”有四種物質(zhì)組成：腺嘌呤（簡寫為A）、鳥嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C），這是最早期對于DNA分子結(jié)構(gòu)研究的科學(xué)結(jié)論，盡管它是那么零零星星。1889年，另一名正在熱衷于“核質(zhì)”研究的科學(xué)家阿爾特曼，建議將“核質(zhì)”定名為“核酸”，因為當(dāng)時不少科學(xué)家已經(jīng)確認(rèn)所謂“核質(zhì)”實際上是核酸和蛋白質(zhì)的混合物。由核質(zhì)到核酸，一字之易，花費了生物科學(xué)家多少心血呵！這本身就是在解讀基因的長征途中大大前進(jìn)了一步。離核酸的定名一晃又過去了20年。到1909年，對核酸的研究又有了進(jìn)展。科學(xué)家利文在實驗中發(fā)現(xiàn)酵母的核酸中含有核糖。那么，是否所有的核酸都含有核糖呢？為了回答這一問題，利文苦苦搜尋了20年之久。后來，他發(fā)現(xiàn)了動物細(xì)胞的核酸含有一種特殊的核糖——脫氧核糖。對此，他作出了一個大膽的推論：核糖是植物細(xì)胞所有，而脫氧核糖只有動物細(xì)胞才具有，這就是植物和動物的區(qū)別。這一大膽而錯誤的推論，當(dāng)時竟得到了科學(xué)界同仁的認(rèn)可，一時間人們都這樣認(rèn)為了。錯誤有時也會擁有大多數(shù)。直到1938年，人們才糾正了這一由于“疏忽”而形成的錯誤。人們認(rèn)識到，酵母中對酸比較穩(wěn)定的核酸是核糖核酸（RNA），在胸腺細(xì)胞中抽提純化出來的對酸不穩(wěn)定的核酸是脫氧核糖核酸（DNA）。所有的生物（包括動植物）的細(xì)胞中都含有上述兩大類核酸。過去之所以能觀察到酸母和胸腺細(xì)胞核酸的顯著區(qū)別，是由于它們恰恰分別含RNA和DNA特別多的原因。以后人們還認(rèn)識到RNA和DNA不單在核糖上有上述區(qū)別，而且在堿基上也有區(qū)別，RNA含尿嘧啶（U），DNA含胸腺嘧啶（T），這是兩者所特有的性質(zhì)。人們艱苦地工作了整整70個年頭，才獲取了如此有限的對核酸的認(rèn)識。差不多在同時，生物學(xué)家弗爾根發(fā)明了細(xì)胞核中染色體的染色方法。由此發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)動植物細(xì)胞里，幾乎所有的細(xì)胞核，尤其是染色體上都有DNA存在，以后又證明了DNA是染色體的主要成分。生物學(xué)家又發(fā)現(xiàn)，在同一種生物體的不同組織的細(xì)胞里，單套染色體組的DNA含量是個常數(shù)。如在黃牛的肝細(xì)胞里DNA的含量是×10－9毫克，而它的精子細(xì)胞里的DNA含量只有×10－9毫克，恰好是體細(xì)胞的DNA含量的一半，這同染色體在兩種細(xì)胞里的存在形式是完全一致的。如人體細(xì)胞是46條，生殖細(xì)胞（精子、卵子）各23條。證實DNA是遺傳物質(zhì)的試驗又整整進(jìn)行了16年，并且是經(jīng)過幾位科學(xué)家的不斷重復(fù)和驗證，這在遺傳學(xué)發(fā)展史上是一次“馬拉松”式的試驗。英國的科學(xué)家格里菲思利用肺炎雙球菌做了實驗。這是一種引起人類肺炎的病菌，它也可以使小家鼠發(fā)病。如果把感染了肺炎雙球菌的病人的痰注射到小家鼠體內(nèi)，24小時內(nèi)家鼠就會死亡。用顯微鏡檢查死鼠的心臟，可以觀察到大量的肺炎雙球菌。仔細(xì)看，這種肺炎雙球菌外面包裹著一層很厚的透明“衣服”，這叫莢膜，細(xì)菌就靠這層莢膜抵擋被感染動物的免疫細(xì)胞對它的抵抗；這些莢膜是肺炎雙球菌毒性的象征。格里菲思突發(fā)奇想：他將一個正常的能致病的肺炎雙球菌的樣品加熱殺死，然后與一個不致病（無莢膜）的肺炎雙球菌樣品混合，注射到小家鼠體內(nèi)。結(jié)果他驚奇地發(fā)現(xiàn)小家鼠死了。他把這只死亡家鼠的心臟中所存在的細(xì)菌加以分離和檢查，發(fā)現(xiàn)原先被殺死的有毒的肺炎雙球菌“死而復(fù)活”了。格里菲思一遍又一遍地重復(fù)上面的實驗，結(jié)果都一樣，家鼠一只一只地死了。他從實驗中得出這樣的結(jié)論：家鼠之所以會成批死亡，是由于加熱殺死的肺炎雙球菌中有一種物質(zhì)，可使那些無毒的活肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化為有毒的肺炎雙球菌。這種物質(zhì)，明顯是一種遺傳物質(zhì)。此后，生物學(xué)家一再重復(fù)著這一實驗，有人把有毒的肺炎雙球菌的細(xì)胞弄破，用由此獲得的提取液加到生長著的無毒的肺炎雙球菌里去，結(jié)果也能使無毒的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化為有毒的肺炎雙球菌。關(guān)鍵是要對被加熱殺死的肺炎雙球菌的提取液的所有成分進(jìn)行徹底清查，看是什么在使無毒肺炎雙球菌向有毒肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化中起了關(guān)鍵性的作用。1944年，艾弗里等三位科學(xué)家都進(jìn)行了這樣的“清查”試驗。艾弗里等用一系列化學(xué)的或酶催化的方法把各種蛋白質(zhì)、類脂和多糖從提取液中除去，這樣，對轉(zhuǎn)化因子的包圍圈就大大縮小了，最后對提取液進(jìn)行一系列純化以后，三人得出同一結(jié)論：轉(zhuǎn)化因子（基因）是脫氧核糖核酸（DNA）。最后證實DNA是遺傳物質(zhì)的試驗是噬菌體感染試驗。噬菌體是細(xì)菌的“瘟神”，是細(xì)菌的天敵和死亡之神。其實，噬菌體不單攻擊細(xì)菌，也危害動物、植物和人類。現(xiàn)在人們統(tǒng)稱它們?yōu)椴《?。植物病毒最有名的是煙草花葉病毒。感染人類的病毒有感冒病毒、乙型肝炎病毒等。噬菌體（細(xì)菌病毒）是地球上最簡單、最原始的生命形式，它的結(jié)構(gòu)很簡單，只具有DNA和一個蛋白質(zhì)外殼，而且蛋白質(zhì)外殼和DNA的比例差不多為1︰1，所以用噬菌體來研究它的基因的結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系既方便又簡單。遺傳學(xué)家采用噬菌體作為試驗材料，還由于噬菌體生長非?？欤?0分種就是一代，如在一個玻璃培養(yǎng)皿內(nèi)已培養(yǎng)厚厚的一層細(xì)菌，噬菌體可以在四、五個小時內(nèi)使之“全軍覆沒”。美國微生物學(xué)家埃利斯和德國物理學(xué)家德爾布呂克進(jìn)行合作，研究了細(xì)菌病毒的生活史，弄清了噬菌體繁殖周期的三個階段——吸附細(xì)菌、潛伏期和溶菌期。同時證明，裂解了的噬菌體會從細(xì)菌細(xì)胞中釋放出來。1942年，意大利血統(tǒng)的美國微生物學(xué)家盧里亞和美國微生物學(xué)家安德森用電子顯微鏡揭示出噬菌體顆粒頭部和尾部的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。1946年，德爾布呂克又用兩個邊緣噬菌體的突變體去感染細(xì)菌，在噬菌體后代中獲得重組體（雜種），這樣就產(chǎn)生了噬菌體遺傳學(xué)，也就是分子遺傳學(xué)的開創(chuàng)。1952年，生物學(xué)家赫爾希和蔡斯進(jìn)行了著名的噬菌體感染實驗。實驗分三步進(jìn)行：第一步，將噬菌體的DNA和外殼蛋白質(zhì)分別加以標(biāo)記，以便試驗后可對它們各自的來龍去脈進(jìn)行追蹤。第二步，將作了標(biāo)記的噬菌體培養(yǎng)液和細(xì)菌的培養(yǎng)液混合起來，就是說，使噬菌體有機會侵入細(xì)菌。第三步，過一段時間后，將噬菌體和細(xì)菌混合培養(yǎng)液進(jìn)行低速離心，從而可以區(qū)分開噬菌體和細(xì)菌。試驗結(jié)果表明：作了標(biāo)記的噬菌體DNA基本上都進(jìn)入了細(xì)菌體內(nèi)，進(jìn)行了繁殖，而噬菌體的