“科普中國(guó)書系·解鎖基因智庫”叢書（全4冊(cè)）

基因是暗藏在生物細(xì)胞中的密碼，是生命個(gè)體的說明書，在微生物、植物、動(dòng)物的身體里都有基因的秘密調(diào)控，基因的變遷使地球上的生物變得多姿多彩，也使我們這顆星球生機(jī)勃勃。但神秘的基因究竟是什么？它又是如何左右生物體的變化的？本套書將揭開基因的神秘面紗，帶讀者了解基因，看看科學(xué)家是怎樣利用基因進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造的。

發(fā)現(xiàn)生命密碼——基因

在科幻作品中，基因往往扮演遙遠(yuǎn)而神秘的角色。其實(shí)，基因與我們息息相關(guān)。有生命的地方就有基因，它是生命的密碼。

漢語中的“基因”一詞是英語“gene”的音譯，它的拉丁語詞根“gen”有“生育”之意。基因又稱遺傳因子，是具有遺傳效應(yīng)的DNA片段，是控制生物性狀的基本遺傳單位。可以說，基因是解開生物生老病死之謎的“密鑰”，而人類對(duì)這把“密鑰”的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)而艱辛的過程。

大自然蘊(yùn)藏著形形色色的生命體，這些生命體呈現(xiàn)著各不相同的生命特征，但構(gòu)成生命體的基本單元是一樣的，那就是細(xì)胞。迄今為止，我們已知的除病毒之外的所有生物都由細(xì)胞組成，但病毒這種特殊的生命體的生命活動(dòng)周期也必須在寄主細(xì)胞中才能完成。

細(xì)胞由英國(guó)科學(xué)家羅伯特·胡克（Robert Hooke）在1665年通過他自制的光學(xué)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)。隨后的一二百年里，科學(xué)家提出：細(xì)胞是生物的基本組成單元。

隨著顯微鏡制作的改進(jìn)，科學(xué)家進(jìn)一步觀察到了比細(xì)胞更為細(xì)微的單元。細(xì)胞的組成部分一點(diǎn)點(diǎn)被顯微鏡放大到人們的視野里：高等植物細(xì)胞膜外有細(xì)胞壁，細(xì)胞質(zhì)中有葉綠體和液泡，還有線粒體等細(xì)胞器；動(dòng)物細(xì)胞無細(xì)胞壁，細(xì)胞質(zhì)中有中心體。更為有趣的是，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)細(xì)胞都是從原來就存在的細(xì)胞中分裂而來的，并慢慢地弄清楚了細(xì)胞分裂的過程。更為重要的是，科學(xué)家還在細(xì)胞的分裂過程中觀察到了染色體，并證實(shí)：染色體的變化左右著細(xì)胞的分裂和生命的遺傳。要弄清楚染色體與遺傳的關(guān)系，還要從著名的孟德爾實(shí)驗(yàn)說起。

格雷戈?duì)枴っ系聽枺℅regor Mendel）是奧地利帝國(guó)生物學(xué)家，遺傳學(xué)的奠基人。19世紀(jì)60年代，孟德爾在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：豌豆的形狀、顏色等性狀可以遺傳給下一代。孟德爾提出了遺傳因子（現(xiàn)在稱為基因）的概念，并認(rèn)為性狀的遺傳是由遺傳因子決定的，且這種遺傳具有規(guī)律性。他歸納他歷時(shí)8年的雜交實(shí)驗(yàn)后得出兩個(gè)遺傳學(xué)規(guī)律：基因的分離定律和自由組合定律，這兩大定律被后人統(tǒng)稱為孟德爾遺傳定律。

1910年，美國(guó)胚胎遺傳學(xué)家托馬斯·摩爾根（Thomas Morgan）利用白眼果蠅和紅眼果蠅進(jìn)行了著名的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了控制眼色性狀的遺傳因子和控制性別的遺傳因子是連鎖在一起的，由此得出了連鎖與互換定律。該定律與孟德爾的兩大定律統(tǒng)稱為“遺傳學(xué)三定律”，摩爾根也因此榮獲了1933年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

一系列的科學(xué)發(fā)現(xiàn)推動(dòng)遺傳學(xué)進(jìn)入了“黃金發(fā)展期”，并催動(dòng)了分子生物學(xué)的誕生。1909年，丹麥學(xué)者約翰森（W．L．Johannsen）提出用基因（gene）這一名詞來指代遺傳因子，并且引入了基因型和表現(xiàn)型兩個(gè)術(shù)語，前者是生物的基因成分，后者是基因所表現(xiàn)的性狀。

1928年，英國(guó)科學(xué)家格里菲斯（F. Griffith）發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常奇怪的現(xiàn)象：將活的R型無毒細(xì)菌和高溫殺死的S型有毒細(xì)菌分別注入小鼠體內(nèi)后，小鼠安然無恙；但將用高溫殺死的S型有毒細(xì)菌同活的R型無毒細(xì)菌混合起來，注入小鼠體內(nèi)后，有些小鼠竟死了，且病死的小鼠血液中有許多具有活性的S型有毒細(xì)菌。這些神出鬼沒的有毒細(xì)菌從何而來？直到1944年，謎底終被揭開，美國(guó)生物學(xué)家、醫(yī)生艾弗里（O. T. Avery）等從有莢膜的R型細(xì)菌中分離出一種被稱為“轉(zhuǎn)化因子”的物質(zhì)，并將這種物質(zhì)加入到培養(yǎng)無莢膜的R型細(xì)菌的培養(yǎng)基中，經(jīng)培養(yǎng)后，無莢膜的R型細(xì)菌及其后代竟有了莢膜。這種“轉(zhuǎn)化因子”就是脫氧核糖核酸，即DNA。

這是生物學(xué)史上第一次用實(shí)驗(yàn)的方法證明了核酸是遺傳物質(zhì)，讓核酸在遺傳學(xué)中有了“名分”。美國(guó)科學(xué)家沃森（J. D. Watson）和英國(guó)科學(xué)家克里克（F. H. C. Crick）于1953年公開發(fā)表了他們的DNA雙螺旋模型：DNA是由兩條基本骨架構(gòu)成，4種堿基（A、T、G和C）按照A-T、C-G的組合方式，像旋轉(zhuǎn)梯一樣連接著DNA的兩條鏈，使整個(gè)分子環(huán)繞自身中軸形成一個(gè)雙螺旋。這個(gè)重大發(fā)現(xiàn)使遺傳學(xué)的研究深入到分子層面，標(biāo)志著分子遺傳學(xué)的誕生。

范云六

中國(guó)工程院院士，生物科學(xué)博士，博士研究生導(dǎo)師。

錢前

水稻分子遺傳學(xué)家，中國(guó)科學(xué)院院士，研究員，博士研究生導(dǎo)師，長(zhǎng)期從事作物種質(zhì)創(chuàng)新與分子育種研究。

鄧子新

微生物學(xué)家，中國(guó)科學(xué)院院士，發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院院士，上海交通大學(xué)教授。