孟德爾發現了生物的遺傳規律,摩爾根證明了控制生物遺傳和變異的基因是存在於染色體上的,遺傳學到這裏是不是發展到頂點了呢?當然不是,隨著人類科學技術的進步和研究手段的改進,科學家們又有了新的發現。
科學家們發現,染色體是由蛋白質和核酸(主要是被稱為“DNA“的脫氧核糖核酸)組成的,那麽,究竟是在蛋白質上攜帶著遺傳信息呢,還是在DNA上攜帶著遺傳信息呢?這個問題難倒了不少科學家。最終,還是壹位名叫艾沃瑞的科學家把這個問題解決了。
DNA雙螺旋結構的發現對進壹步研究生命科學具有劃時代意義為了解決這個問題,艾沃瑞設計了壹個巧妙的實驗,叫做肺炎球菌轉化實驗,肺炎球菌能夠引起人的肺炎和小鼠的敗血病。肺炎球菌有很多種菌株,但是只有光滑型的菌株可以致病,這是因為它們外面包有壹層保護性莢膜,可以防止它們被宿主的自身保護機構所破壞。艾沃瑞和他的同事們將能致病的光滑型菌株的DNA、蛋白質、莢膜分別分離出來,然後再分別同不能致病的粗糙型菌株壹起註射到小鼠體內:他們發現,在這三組實驗中,只有註射了含有DNA組分的菌株才會使小鼠得病死亡,而其他兩組均不能使小鼠得病,註射以後的小鼠仍然能夠正常存活,體內也監測不到有光滑型的致病菌株的存在。這個實驗說明,只有DNA才能將粗糙型菌株變為能致病的光滑型菌株,從而使小鼠得病死亡。為了更進壹步驗證這個結論,他們還把光滑型菌的DNA用特殊的酶處理,將DNA破壞掉,再同粗糙型不能致病的菌壹同註射到小鼠體內,小鼠也能正常生活,這兩個實驗充分說明,DNA才是真正的遺傳物質,遺傳信息也攜帶在DNA上。
DNA是壹種特別長的高分子化合物。它的立體結構壹直是科學家爭相研究的項目之壹。美國的兩位科學家沃森(Waterson)和克裏克(Crick)在1953年提出了DNA的雙螺旋立體結構模型,並因此而獲得了1962年的諾貝爾生理學或醫學獎。DNA的雙螺旋結構模型為分子遺傳學和遺傳工程的發展奠定了理論基礎,其影響非常深遠。
通常所見的DNA,從立體空間結構上來看,很像壹架繞著中軸線向右盤旋伸展的長梯子,梯子兩側為兩條核苷酸長鏈構成的扶手,扶手由磷酸分子和脫氧核糖分子交替連接而成,並向中間伸出堿基,兩兩相連,構成長梯的壹個個橫檔。
DNA分子中的堿基***有四種,即腺嘌吟(A)、鳥嘌呤(C)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)。這四種堿基以不同的順序排列,就控制了地球上幾乎所有生物的各種各樣的性狀。想不到,這麽紛繁復雜、色彩斑斕的生物世界,竟然只是由這四種堿基決定的!這四種堿基中的兩個堿基彼此相連,構成了DNA長梯的橫檔,這兩個堿基就稱為堿基對。所有DNA的堿基對的結合都是有壹定規律的,即A只能與T互配成壹對,C只能與C互配成壹對。因此,在DNA中,堿基對都是A—T在壹起,C—C在壹起,很少出現例外的情況。
DNA分子在生物體內具有什麽樣的功能呢?首先,DNA分子能夠進行自我復制,使得親代個體能將自己的DNA復制壹份傳給子代,這樣就可以保持DNA在壹代代個體中的穩定性。其次,我們通常所說的基因,實際上就是DNA分子長鏈中的壹個個片斷,每個DNA分子上具有很多個基因,壹個基因就可以控制生物體的壹種性狀。基因可以控制生命物質——蛋白質的合成,使得親代性狀在後代的蛋白質結構上反映出來,並使後代表現出與親代相似的特征。正是由於DNA的這兩個重要的生理功能,才會出現“種瓜得瓜,種豆得豆”的現象。
DNA分子的自我復制過程是非常復雜的,其中牽涉到許多酶的活動,其復制的過程大體如下:壹個DNA分子復制時,是壹邊解螺旋,壹邊復制的,即DNA分子兩條相互纏繞的長鏈,就像壹條拉鏈壹樣,從每個堿基對的中間分開,形成兩條單鏈,我們稱之為母鏈;然後每條母鏈按照A—T、C—C的堿基配對規則,以每條母鏈作為合成子鏈的模板,從周圍環境中選擇合適的堿基和其他成分,形成了與兩條母鏈分別相互對應的子鏈;與此同時,每條母鏈同與自己相對應的子鏈結合,形成了與原來DNA分子壹模壹樣的子代DNA分子。
DNA分子控制蛋白質的合成這個過程也是極其復雜的,其中還需要另外壹種核酸作為“中間人”才能完成,這種核酸叫做核糖核酸,壹般稱為“RNA”。RNA分子是壹條單鏈,形狀很像壹條拆開的單鏈DNA分子:遺傳信息的傳遞就是從DNA經由RNA,再按照遺傳密碼的規則,將氨基酸有順序地排列、連接在壹起,合成蛋白質,並將遺傳信息表現在這種蛋白質的氨基酸排列順序上。
什麽是遺傳密碼?這是壹個大家都非常感興趣的問題。
科學家們早已揭示,在生物體內蛋白質的合成過程中,RNA上的三個堿基能夠決定壹個氨基酸,這就是遺傳密碼,決定壹個氨基酸的三個堿基就稱為壹個密碼子。就這樣,經過了許多科學家的努力,大自然終於向人類展示了由RNA合成蛋白質過程中的最大的機密。經過多個實驗室的科學家的***同測定,我們已經明確了很多遺傳密碼的確切含義。例如UCU代表絲氨酸,CUU代表亮氨酸,GGU代表甘氨酸,CCA代表脯氨酸等等。現在我們已經將決定20種氨基酸的所有密碼子都測定出來了,科學家們將這些密碼子編成了壹本十分獨特的字典——遺傳密碼字典。在這本字典中有64個密碼子,在這64個密碼子中,AUG密碼子不僅是蛋氨酸的密碼子,而且也代表著蛋白質合成的起始信號,沒有它,蛋白質的合成就不能開始;UAA、UAG和UGA三個密碼子是蛋白質合成的終止密碼,是終止蛋白質合成的紅色信號燈,它們三個不代表任何氨基酸。
雖然遺傳密碼詞典不是很大,但是,它卻幾乎控制著生物界中所有生物的蛋白質合成,我們所得到的這本詞典,在整個生物界都是通用的,不管是植物、動物還是微生物,它們幾乎都使用同樣的遺傳密碼,來合成自身的蛋白質。
生物體生長發育的過程中,細胞核中的遺傳物質DNA經過復制,將遺傳信息傳遞給了子代,這樣就使得子代能夠保持親本的性狀。但是,由於許多外部或者內部的原因,使得DNA在復制的過程中,堿基對的排列順序發生了改變,這樣就會使子代在某些性狀上發生了改變,這就是基因突變。
造成生物遺傳性狀發生改變的還有壹個原因,那就是染色體發生了變異。染色體變異包括細胞中染色體成倍的增加或減少,以及細胞中某條染色體增加或減少。在高等植物體內,壹半以上的植物是含有兩組染色體的,稱為二倍體。但是也有許多植物細胞中含有兩對或兩對以上的染色體,這樣的植物就叫做多倍體植物。多倍體植株壹般葉片、果實和籽粒都比較大,但是結實率較低,發育延遲,我們可以通過人工誘導多倍體植物的產生,並再運用其他手段對多倍體植物進行改造,來培育新的植物品種。