双螺旋背后的幽灵

科技日报,2013-07-08

为什么人个子高矮不同，皮肤有白皙有黢黑？我们会说：因为他们遗传了父母的不同基因。然而，真要科学家指着一样东西说：“这就是基因”，是件困难事。直接呈现在科学家眼前的，是一段以双螺旋结构缠绕起来的DNA长链。基因，科学家传统的理解是：把DNA长链分割成无数个片段，每一小段就是一个基因。那么分割的依据是什么呢？不同阶段有不同看法。现代生命科学发展至今，基因像隐藏在DNA双螺旋背后的幽灵，始终没有揭下其神秘的面纱。科学界对基因概念的探索、分析和争论也从未停息，并构成了现代生命科学发展的重要动力。　　基因概念的奠基者当然是在豌豆田里做杂交实验的孟德尔。他于1865年提出最早的基因概念。1909年，约翰逊将遗传因子命名为“基因”，但它只是个看不见摸不着的抽象符号。

20世纪初，美国科学家摩尔根通过果蝇实验发现了基因的“藏身之处”——细胞核内的染色体。他还画出了四百多种基因在果蝇染色体上的相对位置。1926年他出版了《基因论》一书，总结了基因的基本特征：基因在染色体上按一定顺序和间距直线排列，各自占有一定地盘。基因首先是一个功能的单位，基因控制蛋白质的合成，从而控制生物体发育；其次是一个突变单位，一定条件下某个基因能突变成一个新的基因；再就是一个重组单位，来自父母的两个不同基因可以像扑克洗牌一样，重组出新类型的基因。这样，基因不再只是完全抽象的符号，但其具体结构性质和发挥功能的具体途径，仍有待探索。

1945年比德尔提出了“一个基因一个酶”的假说。酶就是生物体内专门催化某种生化反应的特定蛋白质。基因通过控制酶的合成，控制生命各项功能。1953年，克里克和沃森发现了DNA分子的双螺旋结构，后来克里克又提出了DNA、RNA和蛋白质间信息传递的中心法则，这意味着达尔文留下的黑箱，在分子层面被完全打开了。

我们知道，生物体的结构大部分是由蛋白质构成的，比如人的皮肤、头发、器官等，蛋白质是高分子聚合物，多肽链则是这种聚合物的组成单元。通过基因与蛋白质在分子层面的对应关系，人们形成了这样的理解：基因是一段DNA片段，转录为RNA后再翻译后合成一段完整的多肽链。这样，从最早的“一个基因一个性状”，到“一个基因一个酶”，直到“一个基因一个多肽链”，基因被广泛理解为生命信息的承载者。从还原论角度出发，一些科学家干脆认为对生命现象的所有解释都可以最终归结到基因身上去，最典型的就是道金斯的《自私的基因》一书。

随着现代分子生物学的发展，人们发现基因并没有过去想象的那么简单，不同的基因之间会相互影响，而不是像过去设想的那样各自为政；另外基因和蛋白质的合成也不是简单的一一对应关系。这说明，有必要把不同基因构成的整体——基因组作为一个基本的研究对象，这样才不会把生命的奥秘限制在单个基因范围内去理解。21世纪人类基因组计划的完工，标志着“后基因组时代”的开端。在这一时期，出现了一门称为“系统生物学”的崭新学科，其研究对象是基因组、蛋白质组、转录组、代谢组等多层次相互作用的网络。

如今，基因概念是否已经过时？在国际生物学的历史、哲学与社会学研究协会2011年大会上，杜普雷揭示了传统基因概念的缺陷，并与基因组概念进行比较，宣称：“基因已死，基因组长存！”相反，理查森认为基因的概念仍将被继续使用，基因组如此复杂，只有借助基因概念才变得可追踪。

笔者认为，基因作为现代生命科学的核心概念，在一段时间内还将发挥其重要作用。联想古希腊的以太概念，它在科学史中存在了两千多年，曾作为亚里士多德宇宙体系中的第五元素，也曾是笛卡尔宇宙体系中的涡旋组分，一直到爱因斯坦革命性的提出了相对论，才被彻底抛弃。类似的，基因概念也终将有“功成身退”的一天，这一天的到来，将标志着生命科学的一次巨大飞跃。