今天，基因已經成為了婦孺皆知的內容了，無論是核酸、親子鑒定，還是專業雜志，都一直在關注基因。

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

（圖片來源：science）

基因組是什么？和基因有什么關系？為什么直到現在，頂級期刊依然用如此大篇幅來關注基因？基因對我們又有什么意義呢？我們將用五篇內容來為大家細細道來，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。

時至今日，對于大眾來說，基因已經是個非常熟悉的日常詞匯了，無論老少都知道這個詞匯。不過可能很多人不知道的是，其實基因這個詞匯，是個新詞。它從出現到現在才一百余年。

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，可以說是一個亙古的話題。從很久以前，人類就開始思考這個問題，也提出了一些猜測，比如東方傳說中的女媧用泥土造人，西方畢達哥拉斯提出的土、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。

但是有一種現象，讓人們對于這種性狀影響因素有了一些更接近本質的猜測，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，和親緣關系非常密切。

這就誕生了另一個重要詞匯：遺傳。

因為相對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。所以產生了不少關于遺傳本質的樸素認知，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，這些因素應該是植根于生物體內。

按照這一思路，人們開始尋找生物體內到底是什么物質來負責遺傳。

當然，這條路，十分漫長。早在畢達哥拉斯時代，他就提出過遺傳的理論，他認為，遺傳應該是來自精液，在全身游走獲取各種信息然后傳遞到下一代。到了后來，人們逐步意識到，在遺傳這個事情上，應該是父母都參與了，只是這些因子，到底是什么呢？

比如大家熟悉的生物學家達爾文，就提出過一種假說，認為生物體各種細胞存在著特定的繁殖粒子，稱為“微芽”或“泛子”，這種粒子會在生育的時候傳承過去。當然也有其他一些猜測，比如血液作為遺傳因子等。

但是總有一些大神能夠超越時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的前提下，創造性地提出生物體內存在“遺傳因子”，并通過統計學的辦法，提出了孟德爾遺傳定律——基因分離定律和自由組合定律。

這一規律在幾十年后才被證實是正確的，至今令人嘖嘖稱奇。

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

（圖片來源：wiki，筆者漢化）

不過，這個時候的基因和我們今天的基因概念其實還是有不小的差別。

但是從那時起，人類就至少達成了一個共識，那就是生命體內有一部分專屬的物質來負責傳遞遺傳信息，也就是遺傳物質。

那么，遺傳物質的本質到底是什么呢？科學家們開展了一場幾十年的持續探索。

當然，這一路并不順暢，這上面耗費了無數科學家的心血，直到上世紀，伴隨著生命科學的發展，尤其是生物化學和遺傳學的發展，最終讓我們確定了遺傳物質的本質，而在這其中，有三個實驗起到了關鍵的作用。

三個巧妙實驗揭示遺傳物質的本質是核酸

研究遺傳物質的本身性質，我們首先要尋找一些相對簡單的模型，這樣能夠盡可能的降低實驗難度。此時，結構較為簡單的病毒和細菌就成為了大家的研究對象。

比起以我們人類為代表的絕大多數真核生物，病毒和細菌的結構要簡單得多。以DNA為例，在病毒和細菌里，DNA往往是獨立的存在，而在真核生物里，DNA則是會被像組蛋白之類的諸多蛋白包裹著形成了染色質（意思是可以被染色的物體），既有DNA又有蛋白質，還有中間的著絲粒和兩端的端粒等結構，非常復雜。

當然，我們在回顧這些實驗的時候，還是要裝作我們并不知道遺傳物質本質是什么，這樣才能領會到這三個著名實驗的精妙之處。

但是，也并非一無所知，至少在探索遺傳物質本質的初期，研究人員已經大體上鎖定了遺傳物質的范圍，那就是核酸或者蛋白質。這是因為通過生物化學的手段就可以確定極其簡單的生命體如病毒等的核心結構只有兩種，分別是核酸和蛋白質。

這兩者大家并不陌生，核酸是1869年的時候米歇爾在白細胞中發現的，當時將其命名為核素，后來阿爾特曼發現這種分子是酸性的，所以就叫做核酸。而蛋白質發現就更早了，在1838年就由科學家穆爾德發現。

有了這個基本判斷后，那么接下來就是分辨核酸和蛋白質二者到底哪種是遺傳物質，還是兼有？

1.經典的轉化實驗證明了DNA是遺傳物質

這個實驗是由格里菲斯和艾弗里先后進行的，而所謂的轉化就是讓肺炎雙球菌的一種類型轉變成另一種類型。

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驗。

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，同時在小鼠體內發現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，并且在小鼠體內發現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組實驗證明了R和S型本身的活性，實驗3證明了S型可以被殺死，而實驗4證明有毒的S型死細菌中某種物質，可以轉移到無毒的R型活菌中，并且使之具有毒性。

不過在當時的技術下，無法區分到底是這種“轉化因子”的化學成分，到底是什么，于是就有了后來的艾弗里實驗。

艾弗里是幸運的，因為這個時候人類已經從細菌中區分了DNA、蛋白質和多糖等成分，于是艾弗里把這些成分分別加入到了加熱滅活的S型細菌中，結果發現，只有加入DNA才可以讓細菌恢復感染性。

這一實驗也第一次證實了DNA就是那個轉化因子。

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

這次，赫爾希和蔡斯的實驗對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。

噬菌體，顧名思義，就可以侵噬細菌的生物，它是一種病毒，結構比細菌還簡單，主要是兩部分，外部是蛋白質組成的衣殼，里面是DNA。

由于蛋白質和DNA的化學元素組成不同，比如蛋白質含有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來標記蛋白質和DNA，這樣可以區分。

接下來，他們用放射性同位素標記的噬菌體去感染細菌，結果發現，感染過程，蛋白質并不進入宿主細菌中，只有DNA進入，而進入的DNA，還可以進一步指導細菌合成出完整的噬菌體，而這個新合成的噬菌體，其衣殼蛋白質是不含同位素標記過的S元素的。

這不僅進一步佐證了DNA是遺傳物質而非蛋白質，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RNA也可以作為遺傳物質

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

康拉特選擇了只含有RNA的煙草花葉病毒去感染煙草，結果發現只有RNA的病毒也可以感染并復制，這就證實了RNA也是遺傳物質。

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

到此，關于遺傳物質的爭議基本落下帷幕，科學家們現在基本上的共識是：核酸是遺傳物質。

知道遺傳物質是核酸后，基因是什么呢？

下一篇會告訴你。

出品：科普中國

作者：李雷

監制：中國科普博覽

本文編輯：孫晨宇