DNA的研究和探索歷史，你了解多少？

最新 08-10

導讀：問題是起源於水中的生命，是如何發展成為人的。原因是什麼？

答案是：DNA【基因】遺傳的不完全整性和突變性。

那什麼是DNA，生物學上是這樣介紹的。DNA即脫氧核糖核酸（英語：deoxyribonucleic acid，縮寫：DNA）是一種生物大分子，可組成遺傳指令，引導生物發育與生命機能運作。脫氧核糖核酸是染色體的主要化學成分，同時也是組成基因的材料。有時被稱為「遺傳微粒」，因為在繁殖過程中，父代把它們自己DNA的一部分複製傳遞到子代中，從而完成性狀的傳播。

DNA分子極為龐大（分子量一般至少在百萬以上），主要組成成分是腺嘌呤脫氧核苷酸、鳥嘌呤脫氧核苷酸、胞嘧啶脫氧核苷酸和胸腺嘧啶脫氧核苷酸。DNA存在於細胞核、線粒體、葉綠體中，也可以以遊離狀態存在於某些細胞的細胞質中。大多數已知噬菌體、部分動物病毒和少數植物病毒中也含有DNA。

主要功能是信息儲存，可比喻為「藍圖」或「配方」。其中包含的指令，是建構細胞內其他的化合物，如蛋白質與核糖核酸所需。帶有蛋白質編碼的DNA片段稱為基因。其他的DNA序列，有些直接以本身構造發揮作用，有些則參與調控遺傳信息的表現。

生物個體成長需要經歷細胞分裂，當細胞進行分裂時，必須將自身基因組中的脫氧核糖核酸複製，才能使子細胞擁有和親代相同的遺傳信息。脫氧核糖核酸的雙股結構可供脫氧核糖核酸複製機制進行，在此複製過程中，兩條長鏈會先分離，之後一種稱為DNA聚合酶的酶，會分別以兩條長鏈為依據，合成出互補的脫氧核糖核酸序列。

酶可找出正確的外來互補鹼基，並將其結合到模板長鏈上，進而製造出新的互補長鏈。由於脫氧核糖核酸聚合酶只能以5"到3"的方向合成脫氧核糖核酸鏈，因此雙螺旋中平行但方向相反的兩股，具有不同的合成機制。舊長鏈上的鹼基序列決定了新長鏈上的鹼基序列，使細胞得以獲得完整的脫氧核糖核酸複製品。

各條脫氧核糖核酸螺旋間的交互作用不常發生，在人類細胞核里的每個染色體，各自擁有一塊稱作「染色體領域」的區域。染色體之間在物理上的分離，對於維持脫氧核糖核酸信息儲藏功能的穩定性而言相當重要。

不過染色體之間有時也會發生重組，在重組的過程中，會進行染色體互換：首先兩條脫氧核糖核酸螺旋會先斷裂，之後交換其片段，最後再重新黏合。重組作用使染色體得以互相交換遺傳信息，併產生新的基因組合，進而增加自然選擇的效果，且可能對蛋白質的演化產生重要影響。遺傳重組也參與脫氧核糖核酸修復作用，尤其是當細胞中的脫氧核糖核酸發生斷裂的時候。

同源重組是最常見的染色體互換方式，可發生於兩條序列相類似的染色體上。而非同源重組則對細胞具有傷害性，會造成染色體易位與遺傳異常。

脫氧核糖核酸所包含的遺傳信息，是所有現代生命機能，以及生物生長與繁殖的基礎。不過目前尚未明了在長達40億年生命史中，脫氧核糖核酸究竟是何時出現並開始發生作用。

有一些科學家認為，早期的生命形態有可能是以RNA作為遺傳物質。RNA可能在早期細胞代謝中扮演主要角色，一方面可傳遞遺傳信息；另一方面也可作為核糖酶的一部分，進行催化作用。RNA由核糖核苷酸經磷酸二酯鍵縮合而成長鏈狀分子。RNA是以DNA的一條鏈為模板，以鹼基互補配對原則，轉錄而形成的一條單鏈，主要功能是實現遺傳信息在蛋白質上的表達，是遺傳信息向表型轉化過程中的橋樑。

在古代RNA世界裡，核酸同時具有催化與遺傳上的功能，而這些分子後來可能演化成為目前以四種核苷酸組成遺傳密碼的形式，這是因為當鹼基種類較少時，複製的精確性會增加；而鹼基種類較多時，增加的則是核酸的催化效能。兩種可達成不同目的功能最後在四種鹼基的情形下達到最合適數量。

不過關於這種古代遺傳系統並沒有直接證據，且由於脫氧核糖核酸在環境中無法存留超過一百萬年，在溶液中又會逐漸降解成短小的片段，因此大多數化石中並無脫氧核糖核酸可供研究。即使如此，仍有一些聲稱表示已經獲得更古老的DNA，其中一項研究表示，已從存活於2億5千萬年古老的鹽類晶體中的細菌分離出脫氧核糖核酸，但此宣布引起了討論與爭議。

最早分離出脫氧核糖核酸的弗雷德里希·米歇爾是一名瑞士醫生，他在1869年，從廢棄繃帶里所殘留的膿液中，發現一些只有顯微鏡可觀察的物質。由於這些物質位於細胞核中，因此米歇爾稱之為「核素」（nuclein）。

到了1919年，菲巴斯·利文進一步辨識出組成脫氧核糖核酸的鹼基、糖類以及磷酸核苷酸單元，他認為脫氧核糖核酸可能是許多核苷酸經由磷酸基團的聯結，而串聯在一起。不過他所提出概念中，脫氧核糖核酸長鏈較短，且其中的鹼基是以固定順序重複排列。1937年，威廉·阿斯特伯里完成了第一張X光衍射圖，闡明了脫氧核糖核酸結構的規律性。

1928年，弗雷德里克·格里菲斯從格里菲斯實驗中發現，平滑型的肺炎球菌，能轉變成為粗糙型的同種細菌，方法是將已死的平滑型與粗糙型活體混合在一起。這種現象稱為「轉型」。但造成此現象的因子，也就是脫氧核糖核酸，是直到1943年，才由奧斯瓦爾德·埃弗里等人所辨識出來。1953年，阿弗雷德·赫希與瑪莎·蔡斯確認了脫氧核糖核酸的遺傳功能，他們在赫希-蔡斯實驗中發現，脫氧核糖核酸是T2噬菌體的遺傳物質。

到了1953年，當時在卡文迪許實驗室的詹姆斯·沃森與佛朗西斯·克里克，依據倫敦國王學院的羅莎琳·富蘭克林所拍攝的X光衍射圖及相關數據，提出了最早的核酸分子結構精確模型，並發表於《自然》期刊。五篇關於此模型的實驗證據論文，也同時以同一主題發表於《自然》。其中包括富蘭克林與雷蒙·葛斯林的論文，此文所附帶的X光衍射圖，是沃森與克里克闡明脫氧核糖核酸結構的關鍵證據。此外莫里斯·威爾金斯團隊也是同期論文的發表者之一。富蘭克林與葛斯林隨後又提出了A型與B型脫氧核糖核酸雙螺旋結構之間的差異。1962年，沃森、克里克以及威爾金斯共同獲得了諾貝爾生理學或醫學獎。

當時主要有三個實驗室幾乎同時在研究DNA分子模型。第一個實驗室是倫敦國王學院的威爾金斯、弗蘭克林實驗室，他們用X射線衍射法研究DNA的晶體結構。當X射線照射到生物大分子的晶體時，晶格中的原子或分子會使射線發生偏轉，根據得到的衍射圖像，可以推測分子大致的結構和形狀。第二個實驗室是加州理工學院的大化學家萊納斯·鮑林(Linus Pauling)實驗室。在此之前，鮑林已發現了蛋白質的a螺旋結構。第三個則是個非正式的研究小組，事實上他們可說是不務正業。23歲的年輕的遺傳學家沃森於1951年從美國到劍橋大學做博士後時，雖然其真實意圖是要研究DNA分子結構，掛著的課題項目卻是研究煙草花葉病毒。比他年長12歲的克里克當時正在做博士論文，論文題目是「多肽和蛋白質：X射線研究」。沃森說服與他分享同一個辦公室的克里克一起研究DNA分子模型，他需要克里克在X射線晶體衍射學方面的知識。他們從1951年10月開始拼湊模型，幾經嘗試，終於在1953年3月獲得了正確的模型。關於這三個實驗室如何明爭暗鬥，互相競爭，由於沃森一本風靡全球的自傳《雙螺旋》而廣為人知。值得探討的一個問題是：為什麼沃森和克里克既不像威爾金斯和弗蘭克林那樣擁有第一手的實驗資料，又不像鮑林那樣有建構分子模型的豐富經驗(他們兩個人都是第一次建構分子模型)，卻能在這場競賽中獲勝？

這些人中，除了沃森，都不是遺傳學家，而是物理學家或化學家。威爾金斯雖然在1950年最早研究DNA的晶體結構，當時卻對DNA究竟在細胞中幹什麼一無所知，在1951年才覺得DNA可能參與了核蛋白所控制的遺傳。弗蘭克林也不了解DNA在生物細胞中的重要性。鮑林研究DNA分子，則純屬偶然。他在1951年11月的《美國化學學會雜誌》上看到一篇核酸結構的論文，覺得荒唐可笑，為了反駁這篇論文，才著手建立DNA分子模型。他是把DNA分子當作化合物，而不是遺傳物質來研究的。這兩個研究小組完全根據晶體衍射圖建構模型，鮑林甚至根據的是30年代拍攝的模糊不清的衍射照片。不理解DNA的生物學功能，單純根據晶體衍射圖，有太多的可能性供選擇，是很難得出正確的模型的。

沃森在1951年到劍橋之前，曾經做過用同位素標記追蹤噬菌體DNA的實驗，堅信DNA就是遺傳物質。據他的回憶，他到劍橋後發現克里克也是「知道DNA比蛋白質更為重要的人」。但是按克里克本人的說法，他當時對DNA所知不多，並未覺得它在遺傳上比蛋白質更重要，只是認為DNA作為與核蛋白結合的物質，值得研究。

對一名研究生來說，確定一種未知分子的結構，就是一個值得一試的課題。在確信了DNA是遺傳物質之後，還必須理解遺傳物質需要什麼樣的性質才能發揮基因的功能。像克里克和威爾金斯，沃森後來也強調薛定諤的《生命是什麼？》一書對他的重要影響，他甚至說他在芝加哥大學時讀了這本書之後，就立志要破解基因的奧秘。如果這是真的，我們就很難明白，為什麼沃森向印第安那大學申請研究生時，申請的是鳥類學。由於印第安那大學動物系沒有鳥類學專業，在系主任的建議下，沃森才轉而從事遺傳學研究。

當時大遺傳學家赫爾曼·繆勒(Hermann Muller)恰好正在印第安那大學任教授，沃森不僅上過繆勒關於「突變和基因」的課(分數得A)，而且考慮過要當他的研究生。但覺得繆勒研究的果蠅在遺傳學上已過了輝煌時期，才改拜研究噬菌體遺傳的薩爾瓦多·盧里亞(Salvador Luria)為師。但是，繆勒關於遺傳物質必須具有自催化、異催化和突變三重性的觀念，想必對沃森有深刻的影響。正是因為沃森和克里克堅信DNA是遺傳物質，並且理解遺傳物質應該有什麼樣的特性，才能根據如此少的數據，做出如此重大的發現。

他們根據的數據僅有三條：第一條是當時已廣為人知的，即DNA由6種小分子組成：脫氧核糖，磷酸和4種鹼基(A、G、T、C)，由這些小分子組成了4種核苷酸，這4種核苷酸組成了DNA。第二條證據是最新的，弗蘭克林得到的衍射照片表明，DNA是由兩條長鏈組成的雙螺旋，寬度為20埃。第三條證據是最為關鍵的。美國生物化學家埃爾文·查戈夫(Erwin Chargaff)測定DNA的分子組成，發現DNA中的4種鹼基的含量並不是傳統認為的等量的，雖然在不同物種中4種鹼基的含量不同，但是A和T的含量總是相等，G和C的含量也相等。

查加夫早在1950年就已發布了這個重要結果，但奇怪的是，研究DNA分子結構的這三個實驗室都將它忽略了。甚至在查加夫1951年春天親訪劍橋，與沃森和克里克見面後，沃森和克里克對他的結果也不加重視。在沃森和克里克終於意識到查加夫比值的重要性，並請劍橋的青年數學家約翰·格里菲斯(John Griffith)計算出A吸引T，G吸引C，A+T的寬度與G+C的寬度相等之後，很快就拼湊出了DNA分子的正確模型。

以上就是關於DNA的發現歷史，當然我們的介紹是簡單的。我個人也沒有能力為大家更詳細的講述DNA詳細細節知識。不過根據DNA研究和發展史，我們可以得出，所有現存的地球生命，都是有一個共同的因子。

還是我一直強調的最簡單的基點：生命體受先天和後天力量共同影響。

我相信有一台攝像機從生命誕生那刻起，就一直拍攝到現在，我們一定能夠看到我們最初的樣子。

遺傳基因有兩個特點，一是能忠實地複製自己，以保持生物的基本特徵；二是在繁衍後代上，基因能夠「突變」和變異，當受精卵或母體受到環境或遺傳的影響，後代的基因組會發生有害缺陷或突變。絕大多數產生疾病，在特定的環境下有的會發生遺傳。也稱遺傳病。在正常的條件下，生命會在遺傳的基礎上發生變異，這些變異是正常的變異。

含特定遺傳信息的核苷酸序列，是遺傳物質的最小功能單位。除某些病毒的基因由核糖核酸（RNA）構成以外，多數生物的基因由脫氧核糖核酸（DNA）構成，並在染色體上作線狀排列。基因一詞通常指染色體基因。在真核生物中，由於染色體在細胞核內，所以又稱為核基因。

基因在染色體上的位置稱為座位，每個基因都有自己特定的座位。在同源染色體上佔據相同座位的不同形態的基因都稱為等位基因。在自然群體中往往有一種占多數的（因此常被視為正常的）等位基因，稱為野生型基因；同一座位上的其他等位基因一般都直接或間接地由野生型基因通過突變產生，相對於野生型基因，稱它們為突變型基因。在二倍體的細胞或個體內有兩個同源染色體，所以每一個座位上有兩個等位基因。如果這兩個等位基因是相同的，那麼就這個基因座位來講，這種細胞或個體稱為純合體；如果這兩個等位基因是不同的，就稱為雜合體。在雜合體中，兩個不同的等位基因往往只表現一個基因的性狀，這個基因稱為顯性基因，另一個基因則稱為隱性基因。在二倍體的生物群體中等位基因往往不止兩個，兩個以上的等位基因稱為復等位基因。

不過有一部分早期認為是屬於復等位基因的基因，實際上並不是真正的等位，而是在功能上密切相關、在位置上又鄰接的幾個基因，所以把它們另稱為擬等位基因。某些表型效應差異極少的復等位基因的存在很容易被忽視，通過特殊的遺傳學分析可以分辨出存在於野生群體中的幾個等位基因。這種從性狀上難以區分的復等位基因稱為同等位基因。許多編碼同工酶的基因也是同等位基因。

基因變異是指基因組DNA分子發生的突然的可遺傳的變異。從分子水平上看，基因變異是指基因在結構上發生鹼基對組成或排列順序的改變。基因雖然十分穩定，能在細胞分裂時精確地複製自己，但這種穩定性是相對的。在一定的條件下基因也可以從原來的存在形式突然改變成另一種新的存在形式，就是在一個位點上，突然出現了一個新基因，代替了原有基因，這個基因叫做變異基因。於是後代的表現中也就突然地出現祖先從未有的新性狀。

例如英國女王維多利亞家族在她以前沒有發現過血友病的病人，但是她的一個兒子患了血友病，成了她家族中第一個患血友病的成員。後來，又在她的外孫中出現了幾個血友病病人。很顯然，在她的父親或母親中產生了一個血友病基因的突變。這個突變基因傳給了她，而她是雜合子，所以表現型仍是正常的，但卻通過她傳給了她的兒子。基因變異的後果除如上所述形成致病基因引起遺傳病外，還可造成死胎、自然流產和出生後夭折等，稱為致死性突變；當然也可能對人體並無影響，僅僅造成正常人體間的遺傳學差異；甚至可能給個體的生存帶來一定的好處。

可以想像一個水中的生命體經過很長的歲月誕生了。最簡單的生命密碼【遺傳基因】也在此刻誕生了。通過無性繁殖變為2個，變為4個，變為8個，變為16個……但是遺傳密碼不會百分百不變的遺傳給其他新個體。可能是99.99%，也可能是99.9%。

正是哪微不足道的一點點變化，使得物種在變化，在漫長的歲月中不斷變化和繁榮。

有性繁殖就在這歲月中發展起來的。這可以說是遺傳基因的高速時代的來臨。新個體得到了雙重的基因組合。我們依然可以從現在我們的人類和動物的身上看到此點。新生兒擁有父母雙方的基因。狼崽，虎仔，獅子等都是。

不同種群的交合，又會發展出新的個體。比如獅子和老虎，北極熊和灰熊，比如西方人和東方人。