人类的进化与世纪生物学的发展

第四节　人类的进化与20世纪生物学的发展

在19世纪达尔文等人奠定的基础上，生物科学在20世纪获得了巨大的发展。20世纪50年代以来，生物学更广泛地运用现代数学、现代物理学和现代化学的概念、理论以及实验技术研究生命的全过程，形成了以分子生物学为标志的各新老分支学科的大发展、大变化，使整个生物学经历了一场深刻的革命。遗传信息的研究一直处于生物学发展的前沿，分子生物学也是在研究遗传的物质基础及遗传信息的传递中逐渐形成和发展的。

孟德尔及豌豆田

1.孟德尔发现遗传基因

19世纪60年代，奥地利生物学家孟德尔（1822～1884年）进行了著名的豌豆实验，并由此推导出遗传因子（即基因）结构和组合原理。1866年，他把研究结果发表在奥地利的地方性杂志上，但是直到1900年，他的这篇论文才被人们发现并予以重视，由此奠定现代遗传学的基础，对生物科学带来了巨大的影响。

恩格斯在谈到达尔文时曾经指出，当达尔文说到自然选择时，并没有考虑到引起个别个体变异的原因，他首先说明这种个别的偏离怎样逐渐成为一个品种、变种或种的特征。在达尔文看来，问题首先与其说是在于找出这些原因，不如说是在于找出一种使它们的作用固定下来并获得久远意义的合理形式。因此，在达尔文之后，要推动生物学继续向前发展，要对生命的历史发展过程给出更加深刻的科学的说明，就必须深入地研究生物的遗传和变异问题。孟德尔正是意识到这个方面的意义而去进行他的著名试验的。

孟德尔1822年出身于农民的家庭。他因贫疾而进入了奥地利布龙的奥地利修道院。1851年他被派往维也纳大学学习物理学、数学等自然科学。1853年返回布龙，在修道院讲授科学。1857年他开始在修道院的花园里做豌豆遗传试验。8年后他在布龙的一次学术会议上公布了杂交实验结果及其理论概括，1866年他在布龙自然历史学会的会刊上发表了论文《植物杂交的试验》。

孟德尔分析总结了前人所进行的植物杂交工作的经验教训，精心选择实验材料并拟定了新的工作方法，选择豌豆作为材料。他注意到在不同品种的豌豆之间，同一性状（如花的颜色）具有不同的特征（如红色、白色），这种性状称为区分性状。孟德尔将具有不同的区分性状的品种（如开红花的豌豆和开白花的豌豆）进行杂交，追踪观察这些性状在后代的分布情况，并对实验结果进行仔细的统计分析。

孟德尔将红花豌豆和白花豌豆作为原始亲本（P1）进行杂交，一共进行了7对性状的试验。孟德尔推断，在这些卵细胞和花粉细胞中存在着与各自类型相符的内部构成。这种决定性状的内部构成因素，后来就被称之为基因。

孟德尔性状传递图

孟德尔继续讨论两对性状传递的规律。他发现不同的两对相对性状，例如花的颜色（红花和白花）和种子的颜色（如黄色和绿色）在性状传递中是互不相干的，这就是说，红花既能产生黄色种子，也能产生绿色种子。白花也是这样。这些性状的后代可以进行自由组合。

在孟德尔以前，长期以来流传着一种“混合”的遗传概念。按照这种概念，不同的亲本性状在杂种后代中“混合”或者彼此“稀释”。孟德尔用大规模的实验和精确的统计分析证明了遗传性状是被一种分散的单位所携带而在世代中传递的，从而推翻了旧的“混合”的遗传概念。孟德尔虽然为这种遗传单位的存在提供了大量的实验证据，但是对这种单位本身的讨论却很少。这种单位在孟德尔看来还是一种“看不见、摸不着”的假定，然而，这绝不是随心所欲的虚构，而是对大量实验材料所作的科学抽象，是对实际的相当深刻的反映。

人们常常将孟德尔遗传规律和道尔顿的原子论及普朗克的量子论相提并论。因为他们在各自的领域中所获得的成果是可以相互媲美的，而且他们使用的推理十分相似。道尔顿根据定比和倍比定律，即化学中的一种简单整数比，推导出原子概念；普朗克根据微观形态的能量分布成简单整数比而推导出量子概念，孟德尔则根据一对区分性状在杂交后代按简单整数比分离而得出基因概念。人们曾因此把孟德尔的分离规律称之为生物学的倍比定律。

分离定律

孟德尔的伟大发现并没有被他的同时代的人所接受。1900年来自荷兰的植物学家德弗里斯（1848～1935年）和德国的植物学家科伦斯布（1864～1933年）以及奥地利的植物学家丘歇马克（1872～1962年），他们每个人都既不知道另外两个人的工作，也不知道孟德尔的工作，都准备好了要发表的研究成果，最后去查阅过去的文献，他们都十分意外地看到了孟德尔早在1866年发表的文章——《植物杂交试验》。他们三个人的工作成果都在1900年发表了，每个人都提到了孟德尔，并且都把荣誉归功于孟德尔，而只是把自己的工作看做证实而已。孟德尔的工作成果被重新发现，他的遗传定律成为新世纪生物学发展的一个起点。

2.人类的进化与分子生物学的产生

基因论证明了染色体是基因的载体，染色体的化学分析表明，它是由蛋白质和核酸这两种主要成分构成的。那么，哪一种成分是遗传的物质基础呢？

费歇尔

19世纪，人们就已经意识到蛋白质与生命现象有密切关系。1902年，德国人费歇尔（1852～1919年）提出了蛋白质的多肽结构学说。他指出，蛋白质分子是由许多氨基酸以肽键结合起来的长键高分子化合物。很显然，在这样的长链中，氨基酸可以按多种方式排列，因而可能含有极其复杂的信息。对于核酸，人们长期以来没有认识到它的重要性，核酸的发现要比蛋白质晚得多。1868年在德国工作的24岁的瑞士化学家米歇尔（1844～？年）从病人伤口脓细胞中提取出当时称为“核质”的物质。这就是被后来公认的核酸的最早发现。核酸当时虽然是在细胞核中发现的，但由于它的结构过于简单，也就很难想象它能在异常复杂多变的遗传现象中起到什么作用。甚至有些科学家在当时蛋白质的结构被阐明之后，认为很可能是蛋白质在遗传中起主要作用。

1950年以后，脱氧核糖核酸（DNA）是遗传物质才得到公认。1953年美国和英国的科学家提出了DNA二级双螺旋的分子结构模型。在以后的50年中，人们迅速地搞清楚了遗传信息从DNA到蛋白质的传递途径和遗传密码。这一切都是围绕核酸这一生物大分子的结构、功能与信息问题进行的。这样就诞生了一门新的学科，即研究生物大分子的结构、功能与信息的学科——分子生物学。

生物大分子构象

在分子生物学的产生过程中，有3个学派作出了重要贡献，即结构学派、信息学派和以比德尔为代表的研究遗传与代谢关系的生化学派。

威廉·亨利·布拉格和他的儿子

结构学派是由一批结晶学家组成的。他们致力于研究生物大分子的结构和功能的关系。1912年，威廉·亨利·布拉格（1862～1942年）和他的儿子提出并发展了X射线衍射晶体分析技术。1931年至1935年，科学家用这种方法研究毛发一类的纤维性蛋白时，发现角蛋白可以有α和β两种构型，并揭示了α角蛋白的分子结构和它们的物理特性——弹性之间的关系。以后，美国著名的量子化学家莱纳斯·卡尔·鲍林（1901～ 1994年）在纤维蛋白方面，维也纳化学家马克斯·佩鲁茨（1914年～）于1962年和他的同事约翰·肯德鲁（1917年～）在球形蛋白上，都曾做了深入的构形分析。他们工作的结果，产生了这样一种观点：每一种蛋白质分子都具有精确大小的专一构型，它决定了蛋白质的生物学功能。这对分子生物学的产生无疑具有重要意义。

α-角蛋白

莱纳斯·卡尔·鲍林

信息学派是由著名量子物理学家尼尔斯·玻尔（1885～1962年）和美籍德国人德尔布吕克（1906～1981年）所倡导的。玻尔认为，不能把有机体简单地还原为化学的相互作用，也不可能存在同已经很好地确立了的物理规律及化学规律不相容的某种特殊的生物学定律。他主张建立一个互补性的理论构架，使物理、化学规律和生物学规律结合起来。德尔布吕克分析了有生命系统和无生命系统的差别，认为基因不是传统的物理和化学所设想的分子。奥地利物理学家埃尔温·薛定谔（1887～1961年）认为关于生命的研究可能导致阐明新的物理学和化学规律。他进一步设想，基因是一种“非周期性晶体”，在它的原子或原子群的排列中蕴含着一种微型密码，这种密码形成遗传信息。1938年德尔布吕克、美籍意大利人卢里亚（1912年～）和美国微生物学家赫尔希（1908年～）组成了病毒小组，从事遗传信息的研究。他们摒弃了果蝇这一经典遗传学的实验系统而采用噬菌体作为新的实验对象。噬菌体是使细菌染病的病毒，和所有病毒一样噬菌体仅仅由两种分子即蛋白质和核酸组成。他们在细菌及噬菌体的遗传学方面做了大量基础性的研究。分子生物学的大量资料是从他们所建立的大肠杆菌——噬菌体的实验工作系统中取得的。但是由于他们把注意力集中在蛋白质上而忽视了核酸，在基因的结构问题上没有重要突破。

美国人艾弗里（1877～1955年）以自己毕生精力不屈不挠地探索肺炎球菌肺炎的控制问题。他的研究范围包括肺炎的病原菌——肺炎球菌。细菌学家们曾研究过在实验室生长的两种不同的肺炎球菌菌株，一种有平滑的外膜（S），一种没有外膜，外表粗糙（R），显然R菌株缺少某种构成这种碳水化合物被膜的酶。同时发现，如果将S菌株的浸出物与R活菌株混合，给小鼠注射，小鼠的组织中就会含有S活菌株。S浸出物（完全是非活性的）显然含有一种因子，能够供给R菌株以所需要的酶，并将之转变成S菌株。大家都认为这种因子本质上是蛋白质，然而在1944年艾弗里及同事研究了S菌株浸出物，证实这种因子是纯粹的脱氧核糖核酸（DNA），并不存在蛋白质。这是一个关键性发展，在此以前，一直认为蛋白质是遗传学的基础，而DNA只是蛋白质的一种不怎么重要的附属品。现在看来DNA才是真正的遗传学基础。但是，由于提纯的DNA之中还有0.02％的蛋白质，还有一些人对DNA是遗传物质提出质疑。这一发现直接导致了对DNA的新的钻研，使克里克和沃森发现了它的结构及其复制方式。当时不知道这是什么物质，有人把它起名叫做“转化因子”。

1944年，艾弗里和另外一些科学家从S型细菌中把DNA、蛋白质和荚膜物质抽提出来，并分别将这些组分和活的R型细菌混合，培养在培养液中。他们发现，DNA分子，而且只有DNA分子能够把某一R型细菌转变为S型细菌。经过几代培养，所有转化了的细胞的后代都是有毒的S型细胞。也就是说，DNA所诱发的转化具有永久性的可遗传性。当时，四核带酸学说仍在流行。按照这种看法人们很难设想核酸具有基因功能。

到1950年，信息学派的一些研究者才开始意识到核酸的重要性。美国微生物学家赫尔希（1908年～）和玛莎·蔡斯（1927～2003年）利用噬菌体制系统设计了跟踪噬菌体成染过程的实验。他们在1952年发表的结果表明，当一个噬菌体感染细菌细胞时，噬菌体将它的DNA“注射”到宿主细胞中，把蛋白质留在外面，最后从宿主细胞中释放出来的新一代菌是跟原来的一样的噬菌体。他们又证明，在没有外壳蛋白存在的情况下，噬菌体的DNA单独具有感染性，并且能在宿主细胞中生成完整的病毒后代。由于赫尔希用同位素去追踪DNA和蛋白质在病毒繁殖过程的动向，实验的精确性是无可怀疑的。它也许是20世纪生物学中最著名的判决性实验，他确定无疑地证明了DNA是遗传的物质基础。

1951年春，美国生物学家詹姆斯·杜威·沃森（1928年～）来到结构学派的主要研究基地剑桥大学的卡文迪许实验室，在这里，他遇到生物学家哈里·康普顿·克里克（1916～2004年），开始了现代生物学历史上最富有成果和最激动人心的合作。沃森是一位病毒遗传学家，遗传学的进展引导他去探索遗传分子的结构，而克里克是一位富有创造性的晶体学家。克里克主要是物理学家，但他受薛定谔的影响，同样将兴趣集中在遗传物质上，但对他来说，这种物质意味着蛋白质，而沃森已经从赫尔希和蔡斯尚未发表的结果深信，DNA是遗传物质。他们结合在一起，在1951年决心将力量集中在DNA的分子结构上。

“DNA之父”沃森在作报告

1953年，克里克和沃森分析了DNA的有关资料，特别是物理学家威尔金斯（1916年～）关于晶体分析的资料，提出了DNA的模型。他们认为DNA分子不是一条而是两条多核苷酸组成的，它们彼此缠绕成双螺旋，靠碱基之间的H键联结在一起，结成对的碱基是不同的，但总是特异地互补的。一条链控制着另一条链的碱基的顺序，假如DNA中的一条链的碱基的顺序是已知的，那么就能够写出它的补合链的碱基的顺序。这就是碱基配对法则。

沃森—克里克模型的重大意义不久就得到阐明。1956年，美国生物学家亚瑟·科恩伯格（1918年～）从大肠杆菌里分离了DNA。1957年，他用含有四种核苷酸、聚合酶和DNA的无细胞体系合成了DNA。科恩伯格发现，只有当存在少量的DNA分子“激发”反应的情况下，四种核苷酸的聚合作用才能进行。更重要的是他发现产物DNA中碱基比例和原先的DNA碱基比例基本相同。以后，他又用了许多种从病毒、细菌和动物所提取的不同DNA作为引进物进行试验，结果都表明产物DNA的核甘酸比例均与引物DNA的核甘酸比例相同。

按照沃森—克里克模型，科恩伯格的试验可以得到令人满意的解释：在进行复制时，DNA的双螺旋被解开了，每一个链都可以作为模型，按碱基配对原则形成一个补合链。这样一个DNA分子就“激发”出完全相同的DNA分子。这种复制方式被称为“半保留复制”。

1958年，梅塞尔桑等人发明了密度离心的方法，并用这种方法去分析用重氮标记的染色体，以追踪细胞分裂过程中DNA复制的情况。他们的实验结果证明了，在细胞分裂中DNA确实是以半保留复制的方式产生的。现在，一个基因如何由原存基因衍生出来的这样一个重大的生物学问题，在DNA分子的结构与功能的基础上，得到了科学的说明。这预示着许多重大的生物学问题同样可以而且应该在生物大分子的层面上找到解答。于是，生物学跨入了分子生物学的发展阶段。

1953年，克里克和沃森的论文《核酸的分子结构》的发表成为分子生物学诞生的主要标志。