今天，基因已經(jīng)成為了婦孺皆知的內(nèi)容了，無論是核酸、親子鑒定，還是專業(yè)雜志，都一直在關(guān)注基因。

比如2022年，Science雜志同時(shí)發(fā)表了六篇文章，還以封面形式介紹了人類基因組計(jì)劃的最新成果，稱之為人類基因組計(jì)劃的全新里程碑。

（圖片來源：science）

基因組是什么？和基因有什么關(guān)系？為什么直到現(xiàn)在，頂級(jí)期刊依然用如此大篇幅來關(guān)注基因？基因?qū)ξ覀冇钟惺裁匆饬x呢？我們將用五篇內(nèi)容來為大家細(xì)細(xì)道來，講述基因王國的故事。

在介紹基因組之前，我們必須了解的是基因。

時(shí)至今日，對(duì)于大眾來說，基因已經(jīng)是個(gè)非常熟悉的日常詞匯了，無論老少都知道這個(gè)詞匯。不過可能很多人不知道的是，其實(shí)基因這個(gè)詞匯，是個(gè)新詞。它從出現(xiàn)到現(xiàn)在才一百余年。

讓我們從最初的源頭說起。

漫長的探索——遺傳物質(zhì)是什么？

到底什么影響著人以及各種生命的性狀，可以說是一個(gè)亙古的話題。從很久以前，人類就開始思考這個(gè)問題，也提出了一些猜測(cè)，比如東方傳說中的女媧用泥土造人，西方畢達(dá)哥拉斯提出的土、氣、水、火組成生命之類的說法，這些猜想往往因文化歷史差異而不同。

但是有一種現(xiàn)象，讓人們對(duì)于這種性狀影響因素有了一些更接近本質(zhì)的猜測(cè)，那就是：相似性，尤其是血緣家庭之間的相似性，尤為顯著。這提示我們，這些決定因素，和親緣關(guān)系非常密切。

這就誕生了另一個(gè)重要詞匯：遺傳。

因?yàn)橄鄬?duì)其他不可捉摸的因素，遺傳的變量要小多了，主要是父母和孩子。所以產(chǎn)生了不少關(guān)于遺傳本質(zhì)的樸素認(rèn)知，比如“龍生龍、鳳生鳳”之類的民間俗語，這背后，意味著親本和子代之間有著共同的遺傳因素，這些因素應(yīng)該是植根于生物體內(nèi)。

按照這一思路，人們開始尋找生物體內(nèi)到底是什么物質(zhì)來負(fù)責(zé)遺傳。

當(dāng)然，這條路，十分漫長。早在畢達(dá)哥拉斯時(shí)代，他就提出過遺傳的理論，他認(rèn)為，遺傳應(yīng)該是來自精液，在全身游走獲取各種信息然后傳遞到下一代。到了后來，人們逐步意識(shí)到，在遺傳這個(gè)事情上，應(yīng)該是父母都參與了，只是這些因子，到底是什么呢？

比如大家熟悉的生物學(xué)家達(dá)爾文，就提出過一種假說，認(rèn)為生物體各種細(xì)胞存在著特定的繁殖粒子，稱為“微芽”或“泛子”，這種粒子會(huì)在生育的時(shí)候傳承過去。當(dāng)然也有其他一些猜測(cè)，比如血液作為遺傳因子等。

但是總有一些大神能夠超越時(shí)代提出讓人耳目一新的理論，典型的就是孟德爾。他在尚不清楚什么是遺傳物質(zhì)的前提下，創(chuàng)造性地提出生物體內(nèi)存在“遺傳因子”，并通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的辦法，提出了孟德爾遺傳定律——基因分離定律和自由組合定律。

這一規(guī)律在幾十年后才被證實(shí)是正確的，至今令人嘖嘖稱奇。

而在孟德爾去世的幾十年后，丹麥遺傳學(xué)家約翰遜第一次正式提出了“基因”這個(gè)詞，Gene，來源于希臘語，意思是“生”。可見這個(gè)詞，從一開始就是和生殖遺傳相關(guān)。作為一名生命科學(xué)領(lǐng)域的工作者，我認(rèn)為“基因”這個(gè)詞的中文翻譯稱的上是信達(dá)雅的典范，達(dá)到了音譯和意譯的和諧。

（圖片來源：wiki，筆者漢化）

不過，這個(gè)時(shí)候的基因和我們今天的基因概念其實(shí)還是有不小的差別。

但是從那時(shí)起，人類就至少達(dá)成了一個(gè)共識(shí)，那就是生命體內(nèi)有一部分專屬的物質(zhì)來負(fù)責(zé)傳遞遺傳信息，也就是遺傳物質(zhì)。

那么，遺傳物質(zhì)的本質(zhì)到底是什么呢？科學(xué)家們開展了一場(chǎng)幾十年的持續(xù)探索。

當(dāng)然，這一路并不順暢，這上面耗費(fèi)了無數(shù)科學(xué)家的心血，直到上世紀(jì)，伴隨著生命科學(xué)的發(fā)展，尤其是生物化學(xué)和遺傳學(xué)的發(fā)展，最終讓我們確定了遺傳物質(zhì)的本質(zhì)，而在這其中，有三個(gè)實(shí)驗(yàn)起到了關(guān)鍵的作用。

三個(gè)巧妙實(shí)驗(yàn)揭示遺傳物質(zhì)的本質(zhì)是核酸

研究遺傳物質(zhì)的本身性質(zhì)，我們首先要尋找一些相對(duì)簡單的模型，這樣能夠盡可能的降低實(shí)驗(yàn)難度。此時(shí)，結(jié)構(gòu)較為簡單的病毒和細(xì)菌就成為了大家的研究對(duì)象。

比起以我們?nèi)祟悶榇淼慕^大多數(shù)真核生物，病毒和細(xì)菌的結(jié)構(gòu)要簡單得多。以DNA為例，在病毒和細(xì)菌里，DNA往往是獨(dú)立的存在，而在真核生物里，DNA則是會(huì)被像組蛋白之類的諸多蛋白包裹著形成了染色質(zhì)（意思是可以被染色的物體），既有DNA又有蛋白質(zhì)，還有中間的著絲粒和兩端的端粒等結(jié)構(gòu)，非常復(fù)雜。

當(dāng)然，我們?cè)诨仡欉@些實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，還是要裝作我們并不知道遺傳物質(zhì)本質(zhì)是什么，這樣才能領(lǐng)會(huì)到這三個(gè)著名實(shí)驗(yàn)的精妙之處。

但是，也并非一無所知，至少在探索遺傳物質(zhì)本質(zhì)的初期，研究人員已經(jīng)大體上鎖定了遺傳物質(zhì)的范圍，那就是核酸或者蛋白質(zhì)。這是因?yàn)橥ㄟ^生物化學(xué)的手段就可以確定極其簡單的生命體如病毒等的核心結(jié)構(gòu)只有兩種，分別是核酸和蛋白質(zhì)。

這兩者大家并不陌生，核酸是1869年的時(shí)候米歇爾在白細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)將其命名為核素，后來阿爾特曼發(fā)現(xiàn)這種分子是酸性的，所以就叫做核酸。而蛋白質(zhì)發(fā)現(xiàn)就更早了，在1838年就由科學(xué)家穆爾德發(fā)現(xiàn)。

有了這個(gè)基本判斷后，那么接下來就是分辨核酸和蛋白質(zhì)二者到底哪種是遺傳物質(zhì)，還是兼有？

1.經(jīng)典的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證明了DNA是遺傳物質(zhì)

這個(gè)實(shí)驗(yàn)是由格里菲斯和艾弗里先后進(jìn)行的，而所謂的轉(zhuǎn)化就是讓肺炎雙球菌的一種類型轉(zhuǎn)變成另一種類型。

我們首先要介紹下肺炎雙球菌的兩種類型，一類是表面光滑且有莢膜的有毒S型肺炎雙球菌（smooth，光滑），另一類是表面粗糙無莢膜的無毒R型肺炎雙球菌（rough，粗糙），這樣可以直接從外觀就能分辨出來。

接下來格里菲斯做了四組實(shí)驗(yàn)。

第一組，注射R型活菌，小鼠不死亡。

第二組，注射S型活菌，小鼠死亡，同時(shí)在小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)S型活菌。

第三組，注射加熱殺死的S型菌，小鼠不死亡。

第四組，注射R型活菌和加熱殺死的S型菌，小鼠死亡，并且在小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)S型活菌。

（圖片來源：wiki，筆者漢化）

通過簡單的比較，我們可以看出，1，2組實(shí)驗(yàn)證明了R和S型本身的活性，實(shí)驗(yàn)3證明了S型可以被殺死，而實(shí)驗(yàn)4證明有毒的S型死細(xì)菌中某種物質(zhì)，可以轉(zhuǎn)移到無毒的R型活菌中，并且使之具有毒性。

不過在當(dāng)時(shí)的技術(shù)下，無法區(qū)分到底是這種“轉(zhuǎn)化因子”的化學(xué)成分，到底是什么，于是就有了后來的艾弗里實(shí)驗(yàn)。

艾弗里是幸運(yùn)的，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候人類已經(jīng)從細(xì)菌中區(qū)分了DNA、蛋白質(zhì)和多糖等成分，于是艾弗里把這些成分分別加入到了加熱滅活的S型細(xì)菌中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有加入DNA才可以讓細(xì)菌恢復(fù)感染性。

這一實(shí)驗(yàn)也第一次證實(shí)了DNA就是那個(gè)轉(zhuǎn)化因子。

有了這次實(shí)驗(yàn)，那么下一次實(shí)驗(yàn)就順理成章了，那就是，作為轉(zhuǎn)換因子的DNA，到底包含了部分遺傳信息還是全部異常信息呢？

這次，赫爾希和蔡斯的實(shí)驗(yàn)對(duì)象是更為簡單的噬菌體。

2.DNA包含全部遺傳信息——來自噬菌體的證據(jù)。

噬菌體，顧名思義，就可以侵噬細(xì)菌的生物，它是一種病毒，結(jié)構(gòu)比細(xì)菌還簡單，主要是兩部分，外部是蛋白質(zhì)組成的衣殼，里面是DNA。

由于蛋白質(zhì)和DNA的化學(xué)元素組成不同，比如蛋白質(zhì)含有S元素（硫）,而DNA基本不含S元素，反過來，P元素（磷）主要存在于DNA中。因此可以通過放射性同位素技術(shù)來標(biāo)記蛋白質(zhì)和DNA，這樣可以區(qū)分。

接下來，他們用放射性同位素標(biāo)記的噬菌體去感染細(xì)菌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，感染過程，蛋白質(zhì)并不進(jìn)入宿主細(xì)菌中，只有DNA進(jìn)入，而進(jìn)入的DNA，還可以進(jìn)一步指導(dǎo)細(xì)菌合成出完整的噬菌體，而這個(gè)新合成的噬菌體，其衣殼蛋白質(zhì)是不含同位素標(biāo)記過的S元素的。

這不僅進(jìn)一步佐證了DNA是遺傳物質(zhì)而非蛋白質(zhì)，而且也證明了，DNA包含了所有的遺傳信息。

（圖片來源：wiki）

3.煙草花葉病毒感染證實(shí)RNA也可以作為遺傳物質(zhì)

有了上述實(shí)驗(yàn)，大家開始思考另一個(gè)問題，核酸有兩種，DNA是脫氧核糖核酸，那么不脫氧的核糖核酸RNA是不是遺傳物質(zhì)呢？于是就有了康拉特實(shí)驗(yàn)。

康拉特選擇了只含有RNA的煙草花葉病毒去感染煙草，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有RNA的病毒也可以感染并復(fù)制，這就證實(shí)了RNA也是遺傳物質(zhì)。

康拉德實(shí)驗(yàn)的過程（圖片來源：Russell ,P. , I Genetics, a molecula approach , 3rd edition , 2009, edited by Yue-Wen Wang. Pearsons,USA）

到此，關(guān)于遺傳物質(zhì)的爭議基本落下帷幕，科學(xué)家們現(xiàn)在基本上的共識(shí)是：核酸是遺傳物質(zhì)。

知道遺傳物質(zhì)是核酸后，基因是什么呢？

下一篇會(huì)告訴你。

出品：科普中國

作者：李雷

監(jiān)制：中國科普博覽

本文編輯：孫晨宇