生物

生物学站在四个基础理论上：

细胞
进化
遗传
体内平衡

生物学帮助物理学发现了能量守恒定律，这是在生物吸收和放出的热量问题上证实的，很多生物过程实际上都是物理现象，比如血液的循环，心脏的跳动，血压等

细胞

细胞不能无限长大，因为体积越大越不容易满足不了细胞和外界充分进行物质交换的需要

由一个细胞分为两个细胞的过程叫做细胞分裂，对于单细胞生物体能够通过分裂产生新生物体，对于多细胞生物体能够增加细胞数目。细胞通过分裂产生的后代，在形态，结构和生理功能上发生差异性变化，这个就是细胞分化，结果是形成不同的组织。分化建立在分裂和生长的基础上，分化必然伴随分裂和生长，但是分裂的细胞不一定就分化。无论如何细胞在分裂、生长、分化的过程中，遗传物质都不会发生改变

生物和生态系统

以细胞为基本结构的和功能单位（除了病毒），能进行新陈代谢，能生长发育和繁殖后代，能对外界的刺激作出反应，能遗传和变异，能适应和影响环境都是生物的基本特征，生物和非生物的根本区别就是是否具有生命现象

在一定空间内，生物和环境所形成的整体叫生态系统，生态系统由生物部分：生产者，消费者，分解者，非生物部分组成。在生态系统中不同生物之间吃与被吃的关系形成的结构叫做食物链，食物链不包括分解者和非生物部分，由很多条食物链彼此交错连接形成食物网。生态系统中生物的种类和数量越多，食物链和食物网越复杂，自动调剂能力就越强。地球上所有的生物和环境总和叫做生物圈，是最大的生态系统

植物和动物的异同

植物细胞的基本结构和功能：

细胞壁 - 对细胞起到支持和保护的作用
细胞膜 - 保护和控制物质的进出
细胞质 - 经常流动促进营养物质的运输，通气等
细胞核 - 控制细胞的生长，发育和遗传
液泡 - 溶解很多物质
线粒体 - 呼吸作用，能为细胞生命活动提供能量
叶绿体 - 植物进行光合作用的场所

植物的结构层次（没有系统结构）：

细胞组织
器官
植物体

植物六大器官：

营养器官：根，茎，叶
生殖器官：花，果实，种子

植物的主要组织

分生组织 - 分裂产生新细胞
保护组织 - 保护内部柔嫩部分
营养组织 - 储存营养物质，含有叶绿体的组织可以进行光合作用
输导组织 - 运输水和无机盐，筛选运输有机物
机械组织 - 对植物体起支撑作用

植物有很多分类：

#	生活环境	形态结构	繁殖方式	主要作用
藻类	水中，阴湿处	无根茎叶的分化	孢子生殖	氧气的重要来源
苔藓	阴湿的地面火墙壁	由茎叶的分化，无真正的根	孢子生殖	对有毒空气敏感，可作为空气污染程度的指示植物
蕨类	潮湿的陆地	具有真正的根茎和输导组织	孢子生殖	与煤的形成有关

动物细胞和植物细胞相比，不具有细胞壁，叶绿体，液泡

动物体的结构层次：

细胞 - 最基本的单位
组织 - 形态相似，结构，功能相同的细胞联合在一起形成的细胞群
器官 - 由不同组织按照次序构成行使一定功能的结构
系统 - 由多个器官按照一定次序组合在一起构成的系统
动物体

#	生活环境	特征
腔肠	海洋	身体呈辐射对称，体表有刺细胞，有口无肛门
扁形	溪流石块下	身体呈两侧对称，背负扁平，有口无肛门
线性	寄生	身体细长，呈圆柱形，体表有角质层，有口无肛门
环节	土壤	身体呈圆柱形，有许多彼此相似的体节组成
软体	水中	柔软的身体表面有外套膜，大多有壳
节肢	广泛	有一对触角，三对足，一般有两对翅，身体和附肢都分节

按照有脊椎骨可以将动物分为脊椎动物和无脊椎动物

区别	概念	类型
脊椎	身体有脊椎骨	鱼，两栖动物，爬行动物，鸟，哺乳动物
无脊椎	身体没有脊椎骨	腔肠动物，扁形动物，线形动物，环节动物，软体动物，节肢动物

按照体温是否跟着环境温度进行变换，可分为恒温动物和变温动物

单细胞生物是由一个细胞构成的生物，能够独立完成一系列生命活动，比如草履虫

人

人属于动物，只不过相比普通动物具有更发达的大脑，人和动物的区别就是人可以制造和使用工具，但人不一定比其他动物“高级”，

人体中的四大基本组织：

上皮组织 - 皮肤
结缔组织 - 骨组织，血液
肌肉组织 - 平滑肌，骨骼肌，心肌
神经组织 - 神经

人体中的八大系统：

运动系统 - 运动，支持，保护
循环系统 - 运输体内物质
消化系统 - 消耗食物和吸收营养物质
呼吸系统 - 吸入氧气和呼出二氧化碳
泌尿系统 - 排除废物
神经系统 - 调节人体的生理活动
内分泌系统 - 分泌激素，调节人体的生理活动
生殖系统 - 生殖

糖类，脂肪和蛋白质时组成细胞的只要有机物，额能够为生命活动提供能量

糖类：主要能量来源
脂肪：备用能量来源
蛋白质：建造和修复身体的重要原料

水也是人体细胞的主要成分之一，无机盐也是构成人体的重要材料，虽然占比不多，维生素也是比较重要的有机物，人不能自己制造，膳食纤维有利于保健作用

消化和吸收

消化系统的组成：

器官	描述	分泌物质
口腔	咀嚼和搅拌事物	唾液，消化淀粉酶
咽	食物的通路	无
食道	能蠕动，将食物推入胃中	无
胃	暂时贮存食物，初步消化食物	胃液，由盐酸和蛋白酶组成
肝脏	人体最大的消化腺，使脂肪变为微小颗粒	胆汁
胰腺	分泌胰液到小肠	胰液，含有消化糖类，脂肪和蛋白质的酶
小肠	通过蠕动促进消化，吸收营养物质，将剩余物质推入大肠	肠液，含有消化糖类，脂肪和蛋白质的酶
大肠	通过蠕动将残渣推出肛门	无

淀粉在唾液的作用下变成麦芽糖在肠液和胰液的作用下转换为葡萄糖

蛋白质在胃液作用下初步分解物质，在肠液和胰液的作用下变成氨基酸

脂肪在胆汁的作用下分解为脂肪微粒，在肠液和胰液的作用下变成甘油和脂肪酸

吸收的部位：

胃：少量的水，无机盐和酒精
小肠：无机盐，葡萄糖，氨基酸，甘油，脂肪酸，水，酒精
大肠：少量的水，无机盐和部分维生素

所以说小肠是最主要的消化吸收器官

小肠的特点：

长：约 6 米，能保证食物完全消化和充分吸收物质
大，表面积大，小肠壁表面有很多环形的皱襞，皱襞上有很多小肠绒毛，大大提高了消化吸收的面积
多：消化液种类多
薄：小肠绒毛壁内有丰富的毛细血管和毛细淋巴管，仅有一层上皮细胞构成，利于吸收

呼吸

呼吸系统的组成：

器官	描述
鼻	温暖，湿润，情结空气作用，气体进出肺的通道
咽	气体进出肺的通道
喉	气体进出肺的通道
会厌软骨	防止食物进入气管，气体进出肺的通道
气管	分布纤毛和腺细胞，气体进出肺的通道
支气管	气管下端，分为左右支气管，分别通向左右肺，并且在肺内一再分支，气体进出肺的通道
膈	气体交换的场所
肺	主要器官，左右各一个，左肺两页，右肺三叶，左右气管分别进入两肺，形成树枝状的分支，分支末端形成了很多肺泡，气体交换的场所

肺泡外面包绕着毛细血管，肺泡和毛细血管的壁都很薄，只有一层上皮细胞，利于肺泡和血液进行充分的气体交换。气体交换遵循气体扩散原理，即气体总是由浓度高的地方向浓度低的地方扩展，直至平衡。血液与组织细胞之间进行气体交换，动脉血时含氧量最高的，再经过交换后就变成了静脉血

血液和血管

血液属于结缔组织，血液的组成：

血浆：上层分布，占约血液总量的 55%
血细胞：
- 红细胞：下层分布，红色
- 白细胞：红细胞与血浆交界处的白色物质
- 血小板：红细胞与血浆交界处的白色物质

血浆 90% 都是水，剩下的都是溶解再血浆的各种物质，包括从消化道吸收来的各种营养部分，细胞排除的代谢废物，还有凝血，抗病的血浆蛋白，主要的功能是运载血细胞，运输维持人体生命活动的物质以及体内产生的废物

红细胞（RBC）数量最多，呈两面凹的圆盘状，成熟的红细胞没有细胞核，只能生存 120 天左右，骨髓能够不断地产生新的红细胞补充，呈红色是因为含有血红蛋白，血红蛋白能够再含氧量高的地方易于氧结合，再含氧量低的地方易于氧分离

白细胞（WBC）体积比较大，数量比较少，有细胞核对人体起防御和保护的功能，能够吞噬病菌，自己也会死亡

血小板（PLT）体积最小，形状不规则，无细胞核，有凝血和止血的功能

血管类型：

动脉
毛细血管
静脉

项目	动脉	静脉	毛细血管
管壁	较厚，弹性大	较薄，弹性小	非常薄，只有一层上皮细胞构成
管径	小	大	最小，只允许红细胞单行通过
瓣膜	无	有静脉瓣，防止血液回流	无
血流速度	快	慢	最慢
血流方向	从心脏运输到全身各部位	从身体各部位运输到心脏	从最小动脉到最小静脉

心脏

心脏由发达的心肌构成，能够推动血液再血管里循环流动，是血液循环的动力器官

心脏的结构：

左心房：连肺静脉，流动脉血
左心室：连主动脉，流动脉血
右心房：连上下腔静脉，流静脉血
右心室：连肺动脉，流静脉血
房室瓣：位于心房和心室间，朝心室开
动脉瓣：位于心室于动脉间，朝动脉开

体循环途径：左心室-主动脉-全身各级动脉-全身毛细血管-各级静脉-上下腔静脉，右心房

肺循环：右心室-肺动脉-肺部毛细血管-肺静脉-左心房

冠脉循环：由主动脉基部的罐装动脉流向心肌内部的毛细血管网，再由静脉瘤会右心房的循环，用于给心脏自身输送氧和营养物质并运走废物

心率：每分钟心脏跳动的次数
脉搏
血压

血型：ABO 血型，安全输血的前提是同型血为原则，但情况紧急是可以输入少量异性血，输血原则如下表：

某人的血腥	可接受的血型	可输给的血型
A	A, O	A, AB
B	B, O	B, AB
AB	A, B, AB, O	AB
O	O	A,B,AB,O

生殖和发育

男性和女性的生殖系统是不一样的，男性的结构和功能：

尿道：排出尿液和精液
膀胱：储存尿液
阴茎：帮助输入精子到阴道内
睾丸：主要生殖器官，产生精子，分泌雄性激素
附睾：贮存和输入精子
阴囊：保护睾丸和附睾
前列腺：分泌粘液
精囊腺：分泌粘液

女性的结构与功能：

子宫：胚胎发育的场所
输卵管：输送卵细胞
卵巢：主要的生殖器官，产生卵细胞和雌性激素
阴道：精子进入和胎儿产出的通道

生殖过程额外为：含精子的精液进入阴道，在输卵管中与卵细胞相遇，只有一个精子才能进入卵细胞形成受精卵，不断分裂发育成胚泡，从输卵管移动到子宫，附着在子宫内膜上，不断分裂和分化发育成胚胎，通过胎盘和脐带从母体中获取营养物质，废物也通过胎盘从母体排出，当当到达第 38 周时，发育成熟，从阴道内产出，这个过程叫做分娩

人体废物

人体的废物排泄途径：

通过汗腺以汗液排出
通过过呼吸系统排出
以通过泌尿系统以尿液排出

泌尿系统组成：

肾脏：左右各一个，结构：肾小球，肾小囊，肾小管，主要器官
输尿管
膀胱
尿道

尿的形成：血液流入肾小球和肾小囊过滤形成原尿，原尿经过肾小管时，重新吸收一些有用的物质，最后形成尿液

血液，原尿及尿液的成分差异：

血液：血细胞，蛋白质，葡萄糖，水，无机盐，尿素
原尿：葡萄糖，水，无机盐，尿素，微量蛋白质等
尿液：水，无机盐，尿素等

人体感知

眼球的结构：

外膜
- 角膜：无色，透明
- 巩膜：白色，坚韧，
中膜：
- 虹膜：有色素和瞳孔，可以调节瞳孔大小，控制进入园区牛内部的光线
- 睫状体：内含平滑肌，可以调整晶状体曲度
- 脉络膜：含有丰富的毛细血管和色素，基于视网膜提供营养
内膜：
- 视网膜：含有许多对光线敏感的感光细胞，能感受光的刺激，外界物体反射的光线在视网膜上成像，但视觉的形成在大脑皮层的视觉中枢
内容物：
- 房水：透明液体，在角膜和晶状体之间
- 晶状体：透明，有弹性，像双凸透镜，能折射光线
- 玻璃体：透明胶状物质，支撑眼球壁，并折射光线

视觉形成：在视网膜上形成清晰的物象，刺激感光细胞产生神经冲动，沿着视神经传入到大脑皮层的视觉中枢

近视和远视的形成：

近视：眼球前后径过长，形成的物体在视网膜前
远视：眼球前后直过短，形成的物像在视网膜后

耳的基本结构与功能：

外耳：耳郭和外耳道
中耳：鼓膜，鼓室和听小骨。鼓膜主要是在声波的作用下撞击产生振动，振动经过鼓室里的三块听小骨传到内耳
内耳：耳蜗，前庭和半规管。耳蜗有对声波敏感的细胞，接受听小骨传来的震动，产生神经冲动。前庭和半规管没有听觉感受器，但是有感受头部位置变化的感受器，用于维持身体平衡

听觉形成：声波使鼓膜振动，听小骨放大振动传到耳蜗，耳蜗产生神经冲动传递到听觉中枢

神经系统

神经系统由脑，脊髓和它们发出的神经组成，脑和脊髓是神经的中枢部分，脑神经和脊神经是神经系统的周围部分

大脑：左右两个半球，表面是大脑皮质，含有 140 亿个神经细胞，具有感觉，运动，语言，听觉，视觉等多种神经中枢，大脑皮质是调节人体生理活动的最高中枢
小脑：协调运动，维持身体平衡
脑干：专门调节心跳，呼吸，血压等人体的基本生命活动
脊髓：能够对外界或体内的刺激产生有规律的反应，能把这些反应传给大脑。功能由反射和传到，有一些比较低级的中枢
神经：脊神经有 31 对，分布在躯干，四肢和肌肉。脑神经有 12 对，分布在头部的感觉器官，皮肤，肌肉。脑和脊髓都有通向内脏器官的神经

神经元又叫神经细胞，是神经系统结构和功能的基本单位

遗传和变异

每种生物都需要信息来维持运转，它需要一种作为信息载体的分子，来指导如何正确的排列和构建每一种蛋白质的氨基酸。遗传信息的主要功能就是指定生物所有的蛋白质组成部分，细胞会利用这个信息指导蛋白质的合成，因此将基因定义为”携带合成一种蛋白质信息的 DNA 结构“，除此之外还能自我复制，因此这就是遗传的意义

有关人体的各种特质都与某种化学组分有关：色素，激素及许多化学物质组成的细胞，孩子遗传父母的特征是因为从父母那里获取的某种”指令“。生命体成长是一个化学过程，在分子间发生相互作用的过程中，各自的原子互相施力使旧化学键断裂，新化学键生成，产生化学反应的分子间会发生原子的重新组合

酶是一种蛋白质，可以特异性的与某些分子相互作用，并使其发生某一化学反应

性状的可遗传性是有规律可循的，这来自孟德尔的发现。孟德尔用纯种品系的豌豆来保证无论传递多少代，每一株豌豆的性状都十分稳定，因为豌豆是自花授粉，这种品系称为”纯育“。然后使用两种不同纯种的豌豆进行杂交，以获得“杂合”的后代。比如黄色豌豆和绿色豌豆进行杂交，结果子一代都是黄色豌豆，绿色这一性状完全消失了。如果用该后代继续杂交，则在子一代消失的绿色豌豆又重新出现了，只不过是既有黄色也有绿色豌豆。此时对该性状计数，就会发现一个规律：黄色和绿色比例接近 3:1

孟德尔提出了一个理论模型用于解释以上现象，假如每个性状都由成对的遗传因子共同决定，则每个因子分别来自父本和母本。同时拥有两个不同的遗传因子时，其中一个因子为”显性“，而另一种为”隐性“。比如豌豆的黄色表皮肯定是显性，而绿色是隐性，用通用的标记书写法则，以大写字母代表显性因子，小写字母带表隐性因子。比如用 Y 代表豌豆黄色的因子，用 y 代表豌豆绿色的因子。并且已知显性因子和隐性因子其实是决定表皮颜色的基因的两种形态，所以称它们互为对方的”等位基因“或”对偶基因“

现在用以上理论来解释以下两个纯种品系的豌豆杂交规律，即纯种黄皮豌豆肯定携带了两个 Y 因子，而纯种绿皮豌豆肯定携带两个 y 因子。这是因为纯种成对的因子总是相同的，所以把这种情况称为”纯合的“，把这种个体称为纯合子。由此两个版本的纯种豌豆分别贡献出一个决定表皮颜色的因子，所以下一代定均为 Yy，这就解释了为什么子一代全部都是黄皮，而由于它们携带的两个因子不同，所以把它们称为”杂合子“。当这些杂合子相互再进行杂交时，会产生两种不同的配子，这些配子随机组合成四种情况：YY，Yy，yY，yy，只有同时携带两个隐性因子的组合才会表达绿色表皮的性状，其他的都是黄色，这也解释了 3:1 的比例

命名法

所有个体都可以分为三类：显性纯合子 YY，隐性纯合子 yy，杂合子 Yy

杂合子和显性纯合子都具有相同的显性表现型，如果杂合子和显性或隐性纯合子的表现型均不同，这种情况称为“不完全显性”，即杂合子的表现型将介于显性纯合和隐性纯和之间，或者说红花和白花杂交获得的后代开出粉色花朵

由此总结：

个体体内的每个基因都由成对的等位基因构成
等位基因间有显隐性的区别
配子形成过程中成对的基因会发生分离
配子结合形成合子是完全随机的

血型和遗传的关系

历史上某些对遗传学的突破性理解来自对血型的研究，如果不同血型之间输血，会导致负面反应，因为红细胞表面可能有 A 抗原或 B 抗原，而在血液中有与抗原不同类型的抗体存在，A 型血只有 A 抗原，但体内含有对抗 B 抗原的抗体，B 型血情况与之相反，而 O 型血既没有 A 也没有 B 抗原，所以不会触发任何血清的免疫反应，所以可以输给任何人，而 AB 型血同时拥有两种抗体，既没有针对 A 抗原的抗体，也没有针对 B 抗原的抗体，所以是万能的受血者

决定 A-B-O 血型的基因称为 I，它有三个不同的等位基因，这是比较简单的“复等位基因”，与之前豌豆仅有两个的等位基因不同，这种最少拥有三个等位基因的关系才称为复等位基因，等位基因 I^A，决定 A 抗原，I^B 决定 B 抗原，既不决定 A 也不决定 B 抗原的等位基因为 i。I^A 和 I^B 相对于 i 均为显性，O 型血的基因为 ii，A 型血的基因为 I^AI^A 或 I^Ai，B 型血的基因为 I^BI^B 或 I^Bi，而 IA 和 IB 互为共显性关系，所以一个基因型为 I^AI^B 的人将表达 AB 型血

许多人类疾病都与单基因的等位基因有关，鉴于有不完全显性和共显性这样的现象存在，等位基因相互之间的关系就显得没有那么复杂。A-B-O 血型系统是由三个等位基因组合决定的，而某些决定性状的等位基因的数量更是在这之上，相互之间的作用关系也非常复杂。这种繁复的关系说明等位基因之间的显隐性关系是一种相对的概念，而非单个等位基因的绝对特性

测交和概率

拥有显性性状的个体可能是纯合，也可能是杂合。换种说法，也就是它的基因型可能是 AA 或Aa。在某些情况下，区分这两种基因型显得非常重要，比如当你希望繁育带有某种显性性状的个体时，你会希望确保它们是该性状的纯合子。这时，你就可以用“测交”（test cross）的办法进行验证

用隐性纯合个体与基因型未知的目标个体进行杂交，所用的 aa 型个体在这里被称为“测交系”（tester）。显性纯合AA的个体只能产生带有等位基因 A 的配子，所以它的测交后代只能是表现为显性性状的杂合子。但是，杂合子的测试对象将有一半的配子带有等位基因 a，因而测交后代中将有大约一半的个体为 aa 的隐性纯合子。实际上，一旦测交后代中出现 aa 性状的个体，就能说明测交的对象为杂合子。这是一种简便而有效的测试方式

一枚硬币的正反面概率是一样的，但将两枚硬币或两件以上的事放到一起，两枚硬币一共产生四种可能的结果，每一种结果的出现概率均为 1/4。两个相互独立的事件，即其中一件事的结果对另一件事的结果没有影响，那么两者同时满足某一特定条件的概率为其分别满足该条件的概率之积，这意味着两枚硬币均为正面的概率为：其中一枚硬币正面的概率乘以另一枚硬币正面的概率，即 1/4，另外三种结果也同理可得

而在面对精卵组合出现的概率时，也是此类问题两个杂合子 Tt 杂交，每个杂合子都产生 1/2 的 T 配子和 1/2 的 t 配子，因此出现四种可能的组合情况，每一种出现的概率均为 1/4，这正好解释了标准比例 1:2:1 和 3:1 出现的原理

细胞和生殖

所有的生物，但凡是由细胞构成的，均来自先前存在的生物。渐成指胚胎每个部分的生长和发育都是从无到有、循序渐进的。发育的起点是精子对卵子完成受精，两者形成合子。单个细胞生长而后分裂，这样一个一分为二的完整过程被称为一个“细胞周期”。细胞周期的全部功能在于让一个细胞变成两个乃至更多个细胞，并让新形成的细胞不断重复这个过程，为此，每个新形成的细胞必须拥有一套完整的基因组。由于基因组主要的载体是位于细胞核内的染色体，所以细胞分裂的首要任务是完整地复制这套染色体。染色体的复制发生细胞周期的 S 期（S phase，S 意指 DNA 合成）内，细胞在这个时期内完成DNA的复制，基因组由此翻倍。随后，新的细胞核形成，分别包裹两组染色体中的一组，翻倍的染色体在这个被称为分裂期（M 期）的周期内被平分

细胞周期内主要包括两个关键事件：一个是染色体的复制，一个是细胞分裂，两者的目的是保证每个子细胞含有母细胞内每一条染色体的精确复制。介于 M 期和 S 期之间的，是一个被称为 G1 期的时期，这个阶段持续的时间相对较长，是细胞生长的主要时期。从 S 期到 M 期还有一个间隔期，被称为 G2 期，它是细胞启动有丝分裂前的准备阶段。G1 期、S 期和 G2 期的全长有时被合称为间期（interphase），这就是有丝分裂的过程，实际上是一个动态的过程，只不过被人为划分了不同阶段

在整个间期，看不出细胞核内有什么明显的变化，而一旦细胞周期进入分裂期的第一阶段——分裂前期，构成细胞核边界的核膜就会发生崩解，继而可以看到数条明显的、细线状的染色体。在分裂期的这个阶段，每条染色体都成对存在，分别由两条紧贴在一起的“细线”构成，称每条“细线”为染色单体。两条染色单体互为对方的姐妹染色单体，它们是 DNA 在 S 期完成复制后所形成的两条完全相同的染色体拷贝，每条染色体的姐妹染色单体都由着丝粒相连

在动物细胞中，细胞中心线的两侧会分别出现一对名为“中心体”（centrioles）的微小结构，随着分裂过程的推进，它们会分别向细胞的两极运动，最终在那里形成两个分裂极（division poles）。介于两个极点的中心体之间，会形成纺锤体（spindle）结构；纺锤体由许多纤维（这些纤维的本质是微管，由微管蛋白构成）构成，它们的作用是在分裂的最后牵动染色体分离，使之进入两个新形成的细胞核中。有些纤维连接着中心体和着丝粒，正是这些纤维承担着牵引染色体的作用

纺锤体发出的纺锤丝前后牵动着染色体，但是很快它们就会在两极中点的地方（称为赤道板，equatorial plate）停驻下来。自此，细胞的有丝分裂进入第二阶段——中期。突然之间，每条染色体的姐妹染色单体就像接到统一的指令一样分离，并开始向着相反的两极移动。起着牵引作用的纺锤丝，有的靠缩短自身的长度拉拽，有的则通过延长自己起着推挤两极令其进一步分离的作用。这些过程在后期持续发生就进入了有丝分裂的第三阶段，细胞的中间会出现箍缩的凹陷，整个细胞一分为二的迹象初现

在有丝分裂的第四阶段，染色体到达两极，纺锤体消解，新核膜在重新分配的染色体周围形成，同时，染色体逐渐恢复不可见的状态。至此，细胞完成从一个母细胞到两个子细胞的分裂过程

如此精细的分裂过程，其结果是将两套完全相同的染色体平均分到了两个子细胞当中，保证它们分别拥有一套与母细胞完全相同的染色体组。因此，有丝分裂保证了细胞系能在一代又一代的分裂过程中保持自身染色体组的完整性。除此之外，分裂过程的细胞光学特征反映了高度精巧的分子协同过程，由一个合子发育为一个含有千亿个细胞的个体，需要不断重复这一过程。细胞分裂不仅保证了动植物体积的增长，对维持机体的正常运作也必不可少。每一天，由有丝分裂获得的新细胞都在替换不断耗损的皮肤细胞，修复切口、损伤，以及制造新的红细胞

核型

现在，我们可以利用已有的对有丝分裂的认识，再仔细审视一下染色体在分裂过程中的移动行为了。我们把一份血液样本加入含有培养基的试管中，如此一来，血液中的白细胞便可以在其中生长存活。经过数日的增殖之后，我们用秋水仙素（colchicine）处理试管中的细胞，该药物能够阻止纺锤体的形成，使所有分裂的细胞都停留在中期，而此时，染色体的浓缩程度最高、光学形态最清晰。华裔科学家徐道觉（T.C. Hsu）曾发现，如果把细胞放入盐浓度低于正常生存环境的溶液中，它们就会吸收水分并肿胀，挤压染色体，促使它们舒展和分散，这样更便于观察

把这些细胞涂抹在显微镜的载玻片上，置于镜下观察，就可以清楚地观察到它们的染色体组成，必要的时候还可以拍照（见图5-4[a]）。通过这种方式，我们可以看到不同染色体的长度和形状都不同：有的染色体长，有的染色体短，不同染色体着丝粒所在的位置也不尽相同。不仅如此，每一个物种都有自己确定的、特征性的染色体数量，如人类拥有46条染色体。对人类和绝大多数动物而言，染色体都是成对存在的。人类的 46 条染色体可以被分为23对（见图5-4[b]），我们把按编号次序整齐排列的染色体图像称为核型（karyotype），在诊断某些遗传疾病时，核型的价值无与伦比

形态相同的两条染色体被称为同源染色体（homologs），我们称这两条染色体是“同源的”（homologous）。在给人类染色体编号时，一般是从最长的一对开始，依次从长到短，直到最短的那一对时，我们会在男性和女性之间发现一个有趣的区别。女性有 23 对染色体，而男性身上成对的染色体仅为 22 对，还有两条染色体看上去比较奇怪，其中一条比另一条短了许多。这条格外短的染色体是 Y 染色体，另一条相对较长的则是 X 染色体。而我们在女性中看到的那两条相同的 23 号染色体，实际上是两条 X 染色体。显然，X 染色体和 Y 染色体与个体的性别有关。其他 22 对同源染色体是每个人都有的，不论男女，所以它们被称为常染色体（autosomes）。人类的染色体之所以成对存在，显然与每个人都有父亲和母亲有关。每个人的诞生都始于精卵的结合；每个配子都携带了 23 条染色体——每对染色体中的一条，故而由它们结合形成的合子就有了成对的染色体

减数分裂

正常体细胞中发生的有丝分裂，可以保证子细胞的染色体组与母细胞保持完全一致。然而，如果精子和卵子同样是有丝分裂的产物，那么合子的染色体组含量将变成亲本体细胞的两倍，并且这种代际的翻倍现象本应贯穿生物数百万年的繁殖史。显然，这和我们所见的事实不符。出于稳定染色体组数量的目的，生物繁殖过程中势必要借助一种不同的分裂方式，这种分裂方式可以把配子中的染色体数量减半，故我们称之为减数分裂（meiosis），减半的染色体随后通过配子受精而复原。综上所述，对有性生殖的理解可以通过将其置于一个更大的循环，即生殖周期（sexual cycle）中来看待

只有一半染色体的细胞被称为单倍体（haploid），而染色体数量正常的细胞被称为二倍体（diploid）。我们在人类的核型中可以看到两组相同的染色体，每组 23 条，可见人类是一种二倍体生物。在成年人的性腺——睾丸和卵巢中，有一些细胞就会采用减数分裂的方式产生精子和卵子，这些细胞也就是生殖周期里的单倍体时期。人类产生的配子都含有23条染色体。受精的结果是产生二倍体的合子，合子内的染色体又恢复到了46条，随后合子发育为成年个体，并开始新一轮的生殖周期

作为人类的我们很容易理所当然地认为，二倍体时期才是生物生殖周期中的主要阶段。实际上，许多物种的二倍体阶段在生殖周期中所占的比例很小，占据优势地位的恰恰是单倍体时期。比如，在藓类植物中，枝繁叶茂的绿色植株是它的单倍体阶段，这比它瘦小的二倍体阶段——通常是从绿色的单倍体植株中长出的一小段棕色茎秆要显眼得多。我们不是说单倍体或双倍体更像“活物”，之所以提及生殖周期，多少是为了给“人类是如何起源的”这个经常被人提及的问题抛砖引玉、拓宽思路。数百万年前，原始人类成为灵长类的新分支，自从有人类出现以来，这种单倍体、双倍体交替的生殖周期就在不断地循环。作为个体而言，精子和卵子与胚胎的意义大同小异。而在每一天，我们在对二倍体个体死亡怀有无限感伤的同时，却对单倍体细胞被挥霍浪费的行为视而不见

参与减数分裂的中心粒、纺锤体以及其他结构和参与有丝分裂的结构并无二致，区别仅仅是分裂过程中染色体的移动行为（见图5-6）。由于正常细胞是二倍体，所以进入减数分裂阶段的细胞含有每条染色体的四个拷贝——正常二倍体的两个拷贝在分裂开始前的S期进行过复制，因而数量翻倍。细胞随后发生两次分裂，并产生四个单倍体子细胞，每一个都含有每条染色体的一个拷贝

如今，基因位于染色体上已是生物学界的共识，我们会在稍后对这个共识的起源再做探讨。现在，我们来看看减数分裂何以能够解释孟德尔的遗传定律。孟德尔的第一条遗传定律——分离定律假设个体的每种性状都由两个因子控制，而配子只含有两个因子中的一个。这显然与减数分裂的过程不谋而合。每个人，或者说每株豌豆都是拥有同源染色体的二倍体，它们或许是彼此相同的纯合子，又或许是由不同等位基因构成的杂合子。以前文提到过的对化合物苯硫脲有无味觉的性状为例，决定该性状的基因势必位于23对染色体上的某处，而该位置有两种可能的等位基因——T和t。对杂合子Tt而言，同源染色体在减数分裂的初期配对，并在第一次分裂的后期分离，这导致每个配子细胞中只会携带T或t中的一个等位基因

孟德尔的第二条遗传定律——自由组合定律，同时涉及两对相互独立的遗传因子。事实上，只有当两个基因位于不同的染色体上时，它们才会发生自由组合。我们会在第8章探讨如何处理和解决与连锁基因——那些位于相同染色体上的不同基因相关的遗传问题。在此，我们强调的关键区别是在发生分离时，染色体相互之间的行为独立性。假设某种生物只有两对染色体，其中一对同源染色体上分别有等位基因A和a，而另一对同源染色体上有等位基因B和b。对于这个AaBb的双杂合个体，在减数第一次分裂的中期，它的染色体将以图5-8所示的方式排布在细胞的中央

遗传因子在哪里

早在19世纪晚期，减数分裂和有丝分裂过程中发生的基本事件就已被阐明。时至今日，我们已经很清楚这些现象和行为是为了保证染色体在子细胞中的精确分配，但是在20世纪之前，没有人真正理解它们的生物学意义。随着孟德尔的研究在1900年重见天日，西奥多·博韦里（Theodor Boveri）与沃尔特·萨顿（Walter Sutton）分别通过独立的研究，意识到了孟德尔在两条遗传定律中提到的基因的行为，与染色体在减数分裂中的移动现象有诸多吻合之处。1902年，两人提出了萨顿-博韦里假说（也称遗传的染色体学说，chromosome theory of heredity），认为孟德尔定义的遗传因子应当位于染色体上，他们还逐条列出了两者之间的平行关联

基因	染色体
1. 成对存在，分别来自父亲和母亲	1. 来自父母的单倍体配子结合形成的二倍体后代，个体中以成对的同源染色体的形式存在
2. 成对的基因会相互分离，分别进入不同的配子	2. 同源染色体在减数分裂中分离为不同的配子
3. 不同的基因对之间能够自由组合	3. 不同的同源染色体之间似乎可以发生组合

性染色体

即便是古人也早就注意到，某些性状的拥有者绝大部分，甚至只能是男性，但这些性状却往往是经由男性的母亲遗传给他们的。无法正常凝血的症状被称为血友病（hemophilia），这就是个家喻户晓的例子。血友病患者也被称为“易流血患者”，对他们来说，一个小小的切口或者淤青就可能导致一场无法控制的失血。《希伯来书》中就反映了人们对这种疾病具有可遗传性的认识，书中规定：婴儿接受割礼乃必经的社会仪式，但若男婴的前两个兄弟均因手术导致流血不止而死，他就可以被豁免。不仅如此，希伯来学者们在12世纪就已经意识到，虽然血友病的患者几乎全部都是男性，但是他们的疾患却都遗传自母亲，而不是父亲。类似的、不寻常的遗传方式也曾引起过达尔文的注意，他在1875年记录过一个印度家庭，这户人家里横跨四代人的10名男性成员，每个人都牙齿细小、体毛稀疏、头发早脱且皮肤异常干燥。这个家族中的女性没有一人表现出这些特征，却将这些遗传给了自己的儿子，而带有这些性状的男人却从来不会遗传给自己的儿子

解释这种遗传现象的关键在于核型中反映出的、不同性别的染色体之间的区别：女性有两条 X 染色体，而男性只有一条 X 染色体，外加一条体积上要小得多的Y染色体——它在减数分裂的过程中作为X的同源染色体。女性产生的所有卵细胞中都含有一条X染色体，而男性则能产生数量相当的两种精子，一半含有X染色体，而另一半含有Y染色体。这也是男女性别比无限接近1︰1的原因：每个卵子要么与含有X染色体的精子结合，得到XX的雌性合子；要么与含有Y染色体的精子结合，得到XY的雄性合子。这也就是说，孩子的性别其实是由精子，而非母亲的卵子决定的，而现实中，女性因为生不出某种性别的孩子而受到责备的例子依然随处可见，许多君主还会因为没有子嗣而休妻。不过，在某些别的动物中，包括两栖动物、鸟类、蝴蝶和蛾，决定后代性别的反而是卵子。这些动物的雄性含有两条相同的染色体Z，而雌性的两条染色体分别为W和Z

就目前已知的而言，人类的Y染色体上没有多少基因。有一段名为SRY的区域，它的存在能够让性腺向睾丸，而非卵巢的方向发育，因而它是决定雄性性别的区段；只要合子中包含Y染色体，就能发育成雄性，而没有Y染色体的合子则会发育为雌性。任何由Y染色体上的基因决定的性状都会表现出独特的遗传规律，它们只会由父亲遗传给儿子。唯一已知且记录完备的这类性状包括一种被称为“耳郭多毛症”的表现型。它往往在个体的晚年出现，毛发覆盖的程度因人而异，这让它的遗传方式显得不够直观，但是只能由父亲遗传给儿子这一点则确切无疑

相比之下，许多性状都是与X染色体相关的——决定这些性状的基因位于X染色体上。由于遗传规律独特，所以这些基因往往非常容易被定位。红绿色盲是一种广为人知的性状，也是一个很好的例子。我们将带有变异基因的X染色体标记为Xc，把带有正常基因的染色体标记为X+ 。由于决定色盲的等位基因为隐性，所以该基因的杂合子女性（X+Xc ）拥有正常的色觉。但是，如果是带有色盲基因的男性（Xc Y），由于缺少第二条X染色体上正常基因的弥补作用，就会表现为色盲。一名男性色盲会把Xc 染色体传给他所有的女儿，（一般情况下）使她们全部成为色盲性状的杂合携带者。他的儿子则全都不会是色盲，因为儿子从父亲那里遗传到的是染色体Y。杂合女性的儿子有50%的概率会获得正常的X+ 染色体，另有一半有50%的概率会获得致病的Xc 染色体。罹患色盲的女性非常少见，因为她们必须是色盲父亲和杂合母亲的孩子，即便如此，她们也只有50%的概率能获得母亲的Xc 染色体

X 连锁的性状可以通过对家族谱系图的分析而确认，因为它们会以一半的概率从母亲遗传给儿子，或者从父亲经由女儿隔代遗传给孙子。人类有数百种符合这种遗传规律的性状，包括某些类型的秃顶和杜兴氏肌肉萎缩症（Duchenne's muscular dystrophy）。与 X 连锁遗传有关的最知名的例子，恐怕要数欧洲皇室的血友病流行了

染色体不分离与疾病

常的男性和女性的许多表现型都是由XY或XX染色体决定的。某些人中偶尔会出现性染色体数量紊乱，导致一类名为“性腺发育不全”（gonadal dysgenesis）的异常病变和其他两性特征的畸形。性腺发育异常的病症有两种，分别以最初对其做出诊断的医生的名字命名。第一种是克氏综合征（Klinefelter syndrome），患者通常是身材颀长的男孩，还有男性乳房发育、智力低下和睾丸偏小等表现。1959年，雅各布斯（Jacobs）与斯特朗（Strong）发现，克氏综合征与XXY的染色体组成有关，也就是患者多了一条X染色体

第二种性腺发育不全的病症名叫特纳氏综合征（Turnersyndrome），患者为女性。罹患该综合征的女性没有卵巢，身材矮小，第二性征发育不良，有颈蹼。特纳氏综合征女患者的染色体组成为XO，她们只有一条X染色体，“O”在这里代表染色体缺失。由于患者女性为X染色体的半合子（hemizygous），所以她们能够表现出X染色体上携带的隐性表现型，例如色盲，而这些X连锁的隐性性状通常只能在男性身上看到。大约每700名新生儿中就有一例XXY，而大约每2500名新生儿中会出现一例XO。此外，大约每1 000名新生儿中就会出现一例染色体组成为XXX（称为三X染色体综合征）的女性，她们除了智力稍有缺陷之外，其他方面往往表现正常

为什么会出现XXY和XO这样的染色体组成？确切的原因犹未可知，我们只知道在减数分裂的过程中，配对的染色体偶尔不会分开，或者说不会发生正确的“分离”

这种现象在遗传学里有一个专门的叫法：不分离（nondisjunction）。不分离可以发生在任何性别的个体体内，发生在减数分裂I期或者减数分裂II期，又或者在两个阶段都发生。它的结果是产生含有两条性染色体（XX、YY或XY），或者不含任何性染色体的配子，在某些罕见的情况下，也会有包含更多条性染色体的配子细胞出现（常染色体的不分离也会导致严重的疾病，我们会在第14章探讨相关的内容）。异常的减数分裂发生之后，XY的精子与X的卵子结合便有了XXY的后代；空的精子与X的卵子结合便有了XO的后代。含有X染色体的卵子与含有XX染色体的精子发生受精之后，便产生了罹患三X染色体综合征的女性后代，而如果前者与含有YY的精子结合，则会得到XYY的结果

这些由性染色体数量异常引起的疾病不禁让人疑惑，同样由X染色体数目不同的XX和XY染色体组成，为何却能够成为表型正常的两性个体呢？想必是有某种机制在弥补X染色体的缺失和维持基因的平衡。1961年，玛丽·莱昂（Mary Lyon）与利亚纳·拉塞尔（LianeRussell）分别通过自己独立的研究，同时提出了X连锁基因的补偿理论。他们的理论指出，杂合雌性常常具有嵌合的表现型：以杂色的猫咪为例，小花猫通常都是杂合的小母猫，黑色和黄色的毛发色块也都是随机分布的结果

莱昂和拉塞尔提出，在发育的过程中，雌性胚胎中的每一个细胞内会随机选定一条X染色体使之失活，就算把这个细胞从胚胎中分离出来，已经失活的X染色体也不会恢复。在杂合的猫体内，某些细胞的X染色体上决定黑色毛发的等位基因被关闭，于是在这些皮肤的区域就长出了黄毛；而在另外一些皮肤细胞内，则是决定黄色毛发的基因被关闭，因而那些区域就长出了黑毛。尽管这种现象在母猫和母鼠中最明显，但是基本上所有的雌性哺乳动物都可以被看作是由体内两种细胞镶嵌组成的马赛克，X染色体上两个等位基因之间的任何区别都可以被转化为表现型上的变异维度

X染色体浓缩形成致密的条束，借此被关闭。这些浓缩的染色体被称为性染色质（sex chromatin），或者也叫巴氏小体（Barrbodies），这一名字源于它的发现者默里·巴尔（Murray Barr）。正常情况下，巴氏小体可见于雌性个体的细胞内。除了一条具有正常功能的X染色体之外，其余的X染色体都会发生固缩和失活，因此，通常情况下，女性体内巴氏小体的数量总是比X染色体的总数少一个。一名正常女性的每个体细胞内都有一个巴氏小体，罹患特纳氏综合征的女性则没有巴氏小体，而拥有额外X染色体的女性则可能有两个、三个，甚至四个巴氏小体。男性通常没有巴氏小体，但是克氏综合征患者视细胞中X染色体的实际数量可能会有一个、两个或者更多

DNA

从遗传学研究诞生伊始，就一直有一个疑问萦绕在研究者的头脑中：遗传的物质基础是什么？早在20世纪初，认为基因位于染色体上的萨顿-博韦里假说就已经被提出。那么，到底是染色体中的哪种化学成分承载了生物的遗传信息呢？哪怕是在生物化学这门学科还非常年轻的时代，研究者就已经知道细胞中至少有两种复杂的物质可以作为这个问题的备选答案——蛋白质和核酸。虽然当时的人们对这两种物质的结构都一无所知，但是蛋白质分子看上去更复杂，所以人们通常会认为基因是由蛋白质构成的。不过，也有证据显示核酸同样参与了基因的组成。埃德蒙·比彻·威尔逊（E. B. Wilson）有一本经典的书：《细胞：遗传与发育》（The Cell in Heredity and Development ）。这本书有两个不同的版本，威尔逊在其中一版里认定蛋白质是遗传中的关键物质，而在另一本中却认为核酸才是。虽然他如此摇摆不定必有蹊跷，但当时的确没有人能够弄清孰是孰非

最终的答案来自对细菌和以细菌为食的病毒的研究。在1952—1953年，有关遗传物质本质的问题就得到了完美的解答：遗传的物质基础是DNA，它的分子构型可以解释所有遗传过程中的关键现象。对DNA作为遗传物质的确认以及对其特性的阐明是20世纪的重大科学突破之一。人类细胞的DNA分子结构与许多现实中的特征有关，其中甚至包括人类神经系统的结构，所以你也可以认为，我们的个性和行为在相当程度上是由遗传性的硬件条件决定的。对DNA的研究是我们窥探人类本质的一个重要角度。至于我们之前是如何把那些支离破碎的线索拼凑到一起，又是如何取得了如今的认知水平，这可是个激动人心的科学侦探故事

细菌

如果你回忆一下，大概会记得细菌与一般的生物体不同，因为它们是细胞核外没有核膜包被的原核生物，与之相对，真核生物——包括动物和植物，都拥有真正意义上的“细胞核”结构。不仅如此，细菌的体积还非常小，性能优良的光学显微镜需要放大1 000倍才能让你看清它们，而要看清它们的内部结构就只能借助电子显微镜了。图7-1中展示了几种常见细菌的相对尺寸，同时进行比较的还有几种病毒。和细菌一样，病毒在遗传学的发展史上也不可忽视，它们的体积甚至比细菌还要小

虽然我们经常会把细菌和疾病联系在一起，不过事实上绝大多数的细菌都是无害生物，它们生活在天然的水体、土壤或者其他生物体内。人类研究最透彻的细菌是大肠杆菌（Escherichia coli），它是生活在人类结肠里的数种细菌之一，粪便的质量中就有相当部分来自大肠杆菌

这些细菌可以帮助我们的消化系统保持健康，还能给我们提供一些维生素。科学家研究细菌，部分是为了理解和控制那些会致病的细菌。不过，除了作为研究对象之外，细菌也是非常理想的实验工具，因为它们是结构相对简单的单细胞生物，只需要基本的培养基就能快速生长。像大肠杆菌这样的细菌，只要在溶液中加入作为能量以及碳原子来源的糖，外加几种为菌体提供特定必需元素的盐，比如硫酸镁、氯化铵，它们就能够生长。在烧瓶里加入上述营养液，经过加热消毒，随后把几种细菌置入其中，这样就算是完成了接种

接种完成后，每个细胞都会从培养液中吸收营养物质，并用胞内储存的大量酶蛋白把它们同化为更多的自身成分，通过这种方式增大自身的体积，完成生长。需要强调的是，细胞在生长过程中合成的主要成分，也就是构成其大部分质量的物质仍然是这些酶本身。通常经过30分钟，培养液中的细菌就能一分为二。分裂所得的两个子细胞会继续生长，随后从两个变为四个，四个变为八个，八个变成十六个……这种增殖的方式被称为指数型增长（exponential growth），有点像用于投资的本金按照复利率增长的过程，因为每个细胞都会持续生成更多的细胞，这同投资利润中的每一分钱都会自动变为本金并继续产生利息如出一辙。不同的地方仅仅在于，细菌增长的“利率”每30分钟高达100%。只要几个细菌就能在极短的时间内繁殖出大量的后代，而能让它们停止生长的因素只有培养基的营养枯竭、氧气耗尽或是它们排泄的废物过度堆积

含有琼脂胶 (8) 的培养基会呈现一种半固体的凝胶状，这种性质类似固体的培养基不仅能够用于培养细菌，也适用于鉴定细菌。将高温消毒后的液态琼脂胶倒入培养皿中，随着培养皿冷却，琼脂逐渐凝固。我们可以用移液管或消过毒的接种针在琼脂上接种少量的细菌样本，再用消毒的玻璃棒将其均匀地涂抹开，这步操作被称为细菌的平板接种（plating）。每个细菌都会在与平板接触的落点上生长增殖，因此，来源于同一个细菌的所有子代细胞都会在同一点上聚集分布。这种增殖方式的结果是当某一点上聚集了足够数量的细菌时，就会形成肉眼可见的菌落（colony，见图7-2）

菌落有自己独特的颜色和外形，我们可以根据这两个特征来区分并研究它们的特性。每个菌落其实就是一个克隆。克隆的意思是指由细胞无性分裂产生的个体或者细胞群，不过它在现代分子遗传学中另有一些特别的含义。比如草莓，它的繁殖方式是先长出匍匐茎，下根之后由这一段茎长出新的植株，我们就称这些新植株是原植株的克隆。与此类似，许多从生物体内分离出的植物或者动物细胞，都能在含有营养物质的培养皿中进行无性繁殖，只要培养条件得当，这些细胞就可以长期保持分裂状态。由单个细胞在培养基内通过分裂获得的子代细胞群，也可以被称为最初细胞的一个克隆

1928年，弗雷德里克·格里菲斯（Frederick Griffith）证实，从死亡细菌内提取到的某种物质，能够将该菌株生前的某些特征传递给另一种活着的菌株。格里菲斯当时知道有一种品系编号为IIIS的肺炎链球菌（Diplococcus pneumoniae）会让小鼠患上致死的肺炎，而另一种品系编号为IIR的细菌则相对无害。于是，他通过加热杀死了一些IIIS品系的链球菌，随后将细胞的残骸物质与IIR品系的活细菌搅匀，并把混合物注射进小鼠体内。结果，接受注射的小鼠还是死了。这说明活细菌从死细菌的遗留物中摄取了某些成分，这些成分“转变”了它们，并赋予了它们IIIS品系的特征。1944年，纽约洛克菲勒中心的奥斯瓦尔德·埃弗里（Oswald T. Avery）和他的同事证实，促成这种性状转变的物质是DNA。埃弗里和同事发现，破坏细胞中的蛋白质或其他成分都不会阻碍性状转变的发生，但是破坏DNA则不然

这是证明“遗传信息具有物质实体”的第一个可靠证据，不仅如此，科学家还知道了这种物质就是核酸。不过，这个研究成果并没有引起太多人的兴趣。当时的主流观点依然认为，DNA的分子结构太过简单，承担不起作为遗传物质的重担。绝大多数生物学家都翘首以盼，希望能把蛋白质推上遗传物质的宝座，这种先入为主反而妨碍了他们看待实验数据的眼光。更具说服力的证据出现在1952年，它源于一个经典的实验

病毒

普通的生物通常由一个或者多个细胞构成，但是凡事皆有例外，除了单细胞和多细胞生物之外，还有一种没有细胞结构的亚细胞有机体，它们只能通过侵入活细胞进行自我增殖，我们称之为“病毒”

古罗马人曾意识到，某些疾病似乎是由动物传染给人类的，于是他们把这种害人生病的“巫毒”叫作病毒，罗马人相信由病毒引起的疾病是致命的。罗马人当然看不到所谓的巫毒，所以依照他们制定的标准来看，化学物质中毒（肉毒毒素中毒）、细菌感染（伤寒）和病毒感染（小儿麻痹症）三者之间的区别并不大。文艺复兴时期，疾病被分为两大类——传染性疾病和非传染性疾病，而“病毒”这个词被沿用下来，用以描述前一类疾病的病因。19世纪，在巴斯德研究的基础上，显微镜的出现终于让微生物学家们真正看到了细菌，人们随即把“致病病毒”的帽子扣到了细菌头上。到了20世纪，人们发现许多疾病的病原体无法培养，而且它们的体积非常小，小到本应当能阻挡所有已知细菌的滤网都拦不住，于是，“病毒”的概念又被用于形容这些能够穿过滤网的致病成分。在电子显微镜出现后，我们终于可以亲眼看到病毒的完整结构了

1915年，弗雷德里克·特沃特（Frederick Twort）在实验报告中称，他发现培养皿中的细菌经常变得非常潮湿而透明。在这些质地发生改变的区域内，所有的细菌都无一幸免。此外，细菌里面还有某种致死因子，能把这种情况传染给别的细菌。特沃特的研究报告几乎无人问津，但在1917年，费利克斯·德赫雷尔（Felix d'Herelle）报告称发现了“一种隐形的痢疾杆菌杀手”。德赫雷尔在后来发表的研究报告中提出，自己在1910年就开始怀疑细菌也会染上某种“疾病”的可能了。他曾在细菌密集分布的地方看到过一些清亮的区域，而那些区域里的细菌全部都死了。这些观察结果让他非常确信，使细菌患病的病毒可以成为对抗细菌的有力武器。1915年，德赫雷尔开始寻找能够杀死志贺氏菌（引起痢疾的罪魁祸首）的病毒。最后，他找到了理想中的病毒，并对其做了以下这番描述

第二天早上，在我打开保温箱的那一刻，我体验到了一种非常罕有的感受，那是一种强烈的情绪，一种科研工作者在艰苦付出之后终于获得回报的喜悦。我看到昨天晚上还浑浊不堪的肉汤培养基，此刻却清亮如水地摆在我面前：培养基里的所有细菌都消失了，就像糖化在了水中。至于琼脂培养基的实验，琼脂板上一个活细菌也没有，我在那一瞬间意识到：这些细菌的“死亡区域”实际上是由某种看不见的微生物造成的，一种可以穿过滤网的微生物，一种滤网拦不住的“病毒”，但这不是感染人类的病毒，而是感染细菌的。另外还有一个想法也出现在我的脑海里：“如果我的想法是对的，那么同样的现象很可能也于昨晚发生在了生病的患者体内，那个人昨天还病得很重。在他的肠道里，痢疾杆菌会在病原体的攻击下溶化消解，如同在试管中那样。倘若如此，那么他现在很可能已经痊愈了。”事实是，经过那一晚，病人的病情有了显著的改善，顺利进入了康复期

德赫雷尔把细菌的病毒命名为噬菌体（bacteriophage）。为了寻找一种对抗细菌疾病的有效手段，德赫雷尔先后分离出了特异性针对炭疽、支气管炎、腹泻、猩红热、斑疹伤寒、霍乱、白喉、淋病、黑死病和骨髓炎病原细菌的噬菌体。在全民对噬菌体疗法的殷切期盼中，作家辛克莱·刘易斯（Sinclair Lewis）创作了一个医学科学家角色——马丁·阿罗史密斯（Martin Arrowsmith），小说中的马丁发现了一种“X元素”，其实就是以德赫雷尔的噬菌体为原型的

由于抗生素的普及，噬菌体疗法作为一种潜在的治疗手段在很长一段时间里被绝大多数国家束之高阁。抗生素是在第二次世界大战期间登上历史舞台的，它简单易用，对由细菌引起的疾病有奇效。不过，噬菌体疗法在东欧国家非常重要，尤其是在格鲁吉亚和波兰。在过去的几年里，特别是考虑到许多常见疾病的病原菌开始对所有现役的抗生素产生抵抗，噬菌体疗法逐渐开始回暖。不过这又是一个很长的故事，我们恐怕没法在这里具体展开了

噬菌体

大约在1915年。英国人弗雷德里克·特沃特和加拿大人菲力克斯·德赫雷尔通过各自独立的研究，分别发现了细菌之间也会有瘟疫流行的事实，这种导致细菌害病的因素被命名为“噬菌体”。这句话听上去可能有些别扭，因为我们通常会觉得细菌本身才是导致瘟疫流行的罪魁祸首，但寄生虫学里有一句老话：“人被大虱子咬，大虱子被小虱子咬。”再小的生物也会被更小的生物寄生。噬菌体是一种在细菌体内繁殖的病毒，它们的本质与其他寄生在动植物体内的病毒并没有什么不同，它们具备病毒具有的所有典型特征。首先，病毒不是生物。所有生物都由单细胞或者多细胞构成，而病毒仅仅是一种微小的颗粒结构，我们称之为“病毒体”（virion），它们比最小的细胞还要小许多，病毒的本体几乎就是一段赤条条的核酸片段（有的是DNA，也有的是RNA），只不过外面多包了一层保护性的蛋白质外壳（见图7-3）。绝大多数的病毒体呈微小的球形或者杆形。动物病毒侵入宿主细胞的方式通常是先黏附到细胞表面，然后再被细胞内吞，就像细胞在捕食一样；而植物病毒通常会利用昆虫或蠕虫造成的伤口侵入宿主细胞。许多噬菌体都通过尾部附着在细菌的表面。在电子显微镜刚被发明出来的1945年，人们就观察到了这种吸附行为。另外，我们也已经知道噬菌体的组成成分大致为蛋白质与DNA各占一半。尽管当时的人们还不那么了解噬菌体，但是这并不妨碍它们成为遗传学实验里的关键工具

噬菌体是理想的研究材料，因为它们增殖迅速，能在极短的时间里产生数量巨大的复制体——一个噬菌体可以在半个小时内分裂出100～200个。它们也很容易在培养皿上增殖：只要将少许噬菌体与温暖的液态琼脂以及细菌混合，倒在含有营养物质的琼脂层上冷却成板。细菌会在琼脂表面长成纤薄而又均一的一层“菌苔”（lawn），而每个噬菌体都会在菌苔上形成一个清亮的点，或者也称“噬菌斑”（plaque），噬菌斑是噬菌体感染并杀死细菌的位置，成片死亡的细菌在菌苔上表现为清亮的空缺区域（见图7-4）。我们只要清点样本在培养皿上造成的噬菌斑个数，就可以估算出原材料中噬菌体的数量。不仅如此，不同噬菌体形成的噬菌斑在尺寸和外形上都不同，我们可以据此分辨噬菌体的类型

有关噬菌体增殖的详细研究开始于20世纪40年代，由麦克斯·德尔布鲁克（Max Delbr ück）、萨尔瓦多·卢里亚（SalvadorLuria）和阿尔弗雷德·赫尔希（Alfred D. Hershey）发起，他们三人联手组建了一个非正式协会，名叫“美国噬菌体小组”（AmericanPhage Group）。通过这三人的学生以及其他追随者的努力，他们基本阐明了噬菌体增殖的细节。研究人员还把在研究过程中用到的大肠杆菌噬菌体依次命名为T1、T2、T3、T4、T5、T6及T7。我们今天对基因结构和功能的基本认识大部分来源于当时那些针对噬菌体和细菌的研究

赫尔希-蔡斯实验

在得知噬菌体的主要成分是质量相当的DNA和蛋白质之后，1952年，阿尔弗雷德·赫尔希和玛莎·蔡斯（Martha Chase）着手以“标记”的方式确定了这两种成分在T2噬菌体中的功能。所谓的“标记”是指在这两种成分的分子中混入具有放射性的原子，然后依次对其进行定向追踪。赫尔希和蔡斯当时知道的是，蛋白质中有硫元素但没有磷元素，而DNA富含磷元素但没有硫元素。于是，他们先是培育了一批含有放射性硫元素（35 S）的噬菌体，标记硫元素相当于标记蛋白质；而后他们培养了另一批含有放射性磷元素（32 P）的噬菌体，这相当于标记了它们的DNA。随后，两批噬菌体都被用于感染细菌。电子显微镜成像显示，噬菌体在感染细菌后总是多少会有一部分棒棒糖样的病毒粒挂在被感染的细菌表面。赫尔希和蔡斯把受感染的细胞放入搅拌机内，通过搅打脱去其表面黏附的病毒粒，随后，他们把混合物离心分离，分别对上层的清液和下层的细菌进行了放射性的测量。受到32 P标记噬菌体侵染的细菌含有极高的放射性，而受到35 S标记噬菌体侵染的细菌则不然，不仅如此，在离心分离后，硫元素的放射性也主要集中在上层清液中。这种现象意味着DNA在噬菌体侵染细菌的过程中进入了细菌内，所以难以通过搅拌移除，而病毒体内剩余的成分则被留在了细菌表面，并在搅拌离心后脱离细菌，这些脱离的成分正是蛋白质

赫尔希和蔡斯随后证实，从感染细菌中释放的子代噬菌体含有大量经过标记的DNA，但是却很少，甚至没有携带经过标记的蛋白质。作为指导后代噬菌体增殖的遗传物质，进入细菌内部是必要的前提条件，由此看来，结论只有一个：DNA正是遗传物质本身。回顾前文，我们曾经介绍过细菌的转化，活细胞在这个改变性状的过程里必须从环境中获取来自其他细菌的DNA片段，并以这些外源性片段替换自己的基因

赫尔希-蔡斯实验有一个我们不能遗漏的重要推论。噬菌体完全由 DNA 和蛋白质构成，而只要DNA进入细胞内就可以启动感染过程。不消半小时，由DNA和蛋白质组成的新噬菌体就会破菌而出。因此，携带指导自身蛋白质合成的遗传信息肯定是 DNA 的功能之一。随后的一系列实验详细阐明了噬菌体的增殖过程，具体的步骤如图7-5所示。一旦有一个 T2 或 T4 噬菌体用尾部附着到细胞表面，噬菌体内的DNA就会被注射进宿主细胞。不出几分钟，噬菌体的DNA就开始在细菌内指挥噬菌体蛋白的合成。数种干扰和关停宿主细胞功能的蛋白质被合成，它们中有的会阻止宿主蛋白质的合成，还有一些是可以破坏宿主DNA的酶，另有一些酶则开始复制噬菌体的DNA。这些酶的合成不会持续太久，不出一会儿，新的基因就会被启动，这些基因的功能是指导许多结构蛋白的合成，这些结构蛋白就是病毒衣壳（capsid），也就是噬菌体蝌蚪形的蛋白外壳的原料。衣壳蛋白会自发地组装成新的病毒衣壳，包括尾管、头部及尾丝。还有一些酶的功能是将新合成的噬菌体DNA装入病毒体的头部。大约在感染发生30分钟后，细菌内就会满满地塞着数百个新的病毒粒，接下来，细菌通常会在某些噬菌体酶的作用下裂开，或者也被称为细胞溶解（lyse）

双螺旋模型假设

生物体的主要成分是各种聚合物，核酸就是一种与蛋白质截然不同的多聚物。由于核酸的单体名为核苷酸（nucleotide），所以它们的另一种叫法是多聚核苷酸（polynucleotide）。一个核苷酸分子由三个部分组成：一个碱基（base）、一个磷酸基团（PO4 ）以及一个与这两者相连的糖分子。核酸的分类以其糖分子作为区别的依据：含有核糖的是核糖核酸（RNA），而含有脱氧核糖（少了一个氧原子的核糖）的则是脱氧核糖核酸（DNA）。碱基是一种巨大的、环状的含氮分子，每个脱氧核糖核苷酸都含有四种碱基中的一种：腺嘌呤（adenine，缩写为A）、鸟嘌呤（guanine缩写为G）、胞嘧啶（cytosine，缩写为C）或胸腺嘧啶（thymine，缩写为T）。在RNA里，尿嘧啶替代了胸腺嘧啶，其缩写为U（见图7-6）

胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶都是单环分子，这类物质被统称为嘧啶；腺嘌呤和鸟嘌呤则是双环分子，这类物质被统称为嘌呤。图7-7中环状分子中的碳原子和氮原子都被按序编了号，糖分子骨架上的原子的编号为1’、2’、3’、4’、5’

多聚核苷酸单体之间的连接依靠的是前一个分子的磷酸基团与后一个分子的糖分子。具体来说，核苷酸之间的连接是通过前一个单体的3’碳原子与后一个单体的5’碳原子实现的。这让每个DNA分子有了一种从3’指向5’的分子极性，犹如蛋白链也有从氨基端指向羧基端的分子极性那样。在这条由糖分子和磷酸基团组成的分子骨架上，碱基都堆叠和聚集在分子的同一侧。直到1952年，人们还普遍认为DNA不过是由四种核苷酸按固定顺序不断重复而成的，所有DNA分子应该都差不多，自然也就无法作为遗传信息的载体。但欧文·查加夫（Erwin Chargaff）在仔细分析了不同生物体的DNA构成后发现，不同生物体内的核苷酸含量并不相同，其他的发现还包括：

嘌呤（A+G）的含量总是和嘧啶（C+T）的含量相当； ● A的总量和T的总量相当，G的总量也与C的总量相当（A=T,G=C）； ● 对于不同的生物体而言，（A+T）︰（G+C）的比例有着显著的差别

1953年，剑桥大学的弗朗西斯·克里克（Francis Crick）及其同事奠定了如今的DNA结构理论。克里克的同事是卢里亚的学生，也是噬菌体小组的成员，因此当时他就对赫尔希和蔡斯的工作有所耳闻。而克里克则是一名物理学家，他知道一种强大的分析技术和这种技术在这个问题中所具有的巨大潜力——X射线衍射。X射线衍射可以用于分子结构成像，虽然这个过程和我们在光学显微镜中汇聚可见光的方式略有些不同——因为我们无法汇聚X射线。当把X射线对准某种晶体物质时，晶体的原子就会以特定的规律把X射线散射到提前准备好的胶卷底片上，随后我们只要分析底片上所成的像，就能推断出晶体中的原子排布方式

借助这种技术，英国伦敦大学的莫里斯·威尔金斯（MauriceWilkins）和罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin）发现，DNA衍射图就像红酒的开瓶器，具有一种明显的螺旋结构。沃森和克里克试图构建一种能够描述DNA结构的理论模型，它必须与核苷酸的原子排布相契合。两人最终取得了成功，因为他们极富洞见，综合考虑了威尔金斯与富兰克林的研究、查加夫的数据以及当时他们仅有的对DNA遗传功能的认识。克里克及其同事的中心论点在于碱基的序列非常重要，而查加夫法则中“A=T，C=G”的规律则意味着碱基必然以这种方式发生了配对。沃森和克里克提出，DNA分子由两条多聚核苷酸链组成，两条链以相反的3’～5’极性呈反向螺旋盘绕（见图7-8）。链与链之间的结合力来自分子的中央，由一条链上的碱基与另一条链上的碱基相互吸引形成，不过，腺嘌呤只能与胸腺嘧啶结合，而鸟嘌呤只能与胞嘧啶结合

维系碱基之间连接的是一种微弱的吸引力，被称为氢键（hydrogen bonds）。氢键的形成需要一个带有些许负电荷的原子（如O或N）和一个带有些许正电荷的氢原子，两者之间因为微弱的电荷吸引而被连接在一起。我们把能以这种方式结合在一起的碱基对称为“互补配对”（complementary），它的含义同手掌与手套，或是拼图碎片之间的“互补配对”没有区别。碱基的互补配对现象几乎可以作为遗传学中一切问题的解释，甚至为解决生物学中的许多问题提供思路：它解释了查加夫法则，还解释了两条链为何能够结合在一起。另外，我们将看到，它还可以解释一些DNA具有的本质特性以及它何以能够作为生物的遗传物质。1953年，克里克及其同事在《自然》杂志上发表了一篇阐述DNA结构模型（见图7-9）的文章，只是当时谁也没有想到，这篇篇幅短小的文章将在日后引发一场翻天覆地的革命

与孟德尔研究的命运不同，克里克及其同事的论文一经发表就在科学家团体内引起了巨大的反响，被奉为里程碑，因为它让遗传学研究有了一个清晰、坚实的根据。很多人都会立刻想到：DNA分子中的碱基序列能够作为传递遗传信息的载体，也就是某种形式的“遗传编码”。排列顺序本身正是一种良好的信息载体，比如人们日常写作的文章，本质就是文字和标点的有序组合；又比如所谓的摩斯电码，也不过是点和线的规律性排布。除此之外，由于每一代生物体都能复制自身的遗传信息并将其传递给下一代，所以遗传信息还必须能被从一个DNA分子传递给它的后代分子。将一个原始DNA分子扩增为一模一样的两份拷贝的过程被称为“复制”，而DNA的螺旋模型正好可以解释复制是如何实现的

在一个DNA分子中，每个核苷酸都与另一个核苷酸对应并互补。总体而言，DNA双链中的一条链是另一条的互补链。控制复制过程的是一种结构非常复杂的酶：DNA聚合酶。复制开始之初，DNA聚合酶会首先让双螺旋分子发生解旋，使碱基对分离、单链上产生游离碱基，这个过程非常像拉开一条微小的拉链（见图7-10）。接下去，由于核酸复制的生化过程极度复杂，尤其是DNA新链延伸的方向只能是从5’向3’进行，所以我们将用尽可能简单的语言对其进行阐述

复制的基本过程大致是DNA聚合酶沿着其中一条单链向前移动，在移动的过程中合成与之互补的单链，由此把游离的单链重新变成双链。每个游离的碱基都能和与之互补的碱基配对，落单的C可以吸引与之互补的G进行配对；而另一条链上原本与它互补的G也会吸引一个新的C；A和T的道理与此相同。细胞内往往含有大量游离的核苷酸，这些游离的核苷酸是活细胞不断代谢的产物，它们从合成的位置离开之后，就会被聚合酶一个一个地添加到不断延伸的DNA单链上。因此，每条DNA单链本身都是合成新单链的指令，而由它指导合成的单链与之前互补链的碱基序列完全相同。碱基互补原则是这种准确性的保证，它让通过复制过程获得的两个双螺旋分子拥有完全相同的序列，不仅如此，这两个新分子与最初DNA母分子的序列也完全相同。DNA的核苷酸序列必须具有储存遗传信息的能力，这正是双螺旋模型的最后一个意义，它可以说明遗传变异的本质是碱基序列的改变，这种改变可能是一对碱基对被替换成了另一对，或是序列被中断和打乱。序列改变的情况很少发生，即使出现，细胞也有应对和修复这些错误的机制。尽管如此，由于每种生物惊人的DNA基数，哪怕插入一个错误核苷酸的发生率是百万分之一，就平均而言，这就意味着细胞每合成1 000万个碱基会有10个碱基配对错误，所以变异是一个生物体不得不设法应对的问题

验证 DNA 结构

模型和理论真正的科学价值在于，它能够做出可被验证的推论。DNA双螺旋模型包含了我们所有与DNA有关的已知事实，也能够从理论上解释遗传学中的各种现象，不过这并不是它的全部价值，至少还应当包括由它所做出的一系列预测

让我们从更宏观的角度来看一下DNA的复制。复制中每条单链都保持了自身的完整，复制的过程实际上只是原本互补的两条单链相互分离后，又分别合成了与自己互补的新单链。这种方式被称为DNA的半保留复制（semiconservative replication），之所以叫半保留，是因为DNA复制后原本的双螺旋分子不复存在，但是原本的单链都完好无损。假设我们给最初的双螺旋分子涂上红色，而把新合成的多聚核苷酸都涂上绿色，那么，经过一轮的复制之后，每条新获得的双螺旋分子都将是一半红一半绿。如果新获得的两个双螺旋分子再经历一轮复制，在新获得的四个分子中，有两个依旧是半红半绿，而另外两个则会是完全绿色的分子。如果用实线代表最初的单链，用虚线代表新合成的单链，那么我们可以得到图7-11

1957年，加州理工大学的马修·梅塞尔森（MatthewMeselson）和富兰克林·斯塔尔（Franklin Stahl）发现了一种验证上述预测的实验手段。他们两人与杰尔姆·维诺格勒（JeromeVinograd）合作，一起发现了氯化铯（CsCl）的浓溶液在高速离心时会自发形成浓度梯度的现象。有一种名叫超速离心机的设备，它在离心实验材料时最高能达到每分钟近60 000转的旋转速度，这也就是说每秒的转速可以达到1 000转

如果你去过游乐园，在那里体验过转速相对较慢的旋转木马，就肯定不会对在旋转中体会到的离心力感到陌生，而超速离心机能够产生巨大的离心力，以至于氯化铯溶液中相对质量较大的铯原子会被甩向容器的底部（远离旋转中心的方向）。经过数小时的旋转，氯化铯溶液将自发地形成浓度梯度，离旋转中心越远的位置浓度相对越高，而离旋转中心越近的位置浓度则相对越低。如果把DNA分子放入这种溶液中，它们最终会悬停在与之密度相同的液层里

半保留复制与叉状结构

梅塞尔森和斯塔尔用含有重氮原子（15 N，普通的氮原子为14 N）的培养基培养细菌。细菌摄入这些原子之后会将其用于新DNA的合成，所以培养皿中细菌的DNA分子的密度比正常情况下更大（这在效果上就相当于把DNA染成了“红色”）。随后，他们把这些细菌移入只含有普通氮原子的培养皿中，如此一来，细菌合成的所有新DNA链就都是相对较轻的单链了（这也就相当于前面说的“绿色”）。他们在培养的不同时间点取样，并以在氯化铯溶液中离心分离的方式确定样本的密度。他们还在超速离心机上配备了光学系统和摄像头，以便定位DNA在离心管中的位置。开始的时候，样本中的DNA都是重链分子。经过一轮复制之后，所有的DNA都成了一半重链。而经过两轮复制之后，一半的DNA还是一半重链，而另一半的DNA则全部都是轻链。这正是梅塞尔森和斯塔尔最终的实验结果，与DNA双螺旋模型的预测如出一辙

DNA双螺旋模型的另一个预测是我们可以在复制的DNA中找到叉状结构。DNA的两条单链无法立刻完成全链的解旋，分离首先发生在它们的一端，新的单链随即在解旋的局部单链内开始合成。DNA分子的结构可以通过放射自显影技术（autoradiography）呈现，前提是需要以放射性同位素（radioisotope）原子标记要成像的目标分子。氚（3 H）是氢元素的一种同位素，也是常用的同位素原子之一，原因是它在衰变中会产生低能的电子，这些电子的穿透性很差，容易被某些特殊的材料捕获。如果这些电子被黑胶底片捕获，它们就会在底片上留下一个黑点，黑点的位置就指示和反映了氚原子的位置。如果有很多原子同时衰变，它们共同显影形成图片的技术就被称作放射自显影，顾名思义，也就是物质通过自身的放射性形成照片的过程

DNA的放射自显影需要事先在含有放射性元素标记的培养皿中培养活细胞，比如细菌或是同样能够快速生长的植物根细胞，标记的方式通常是在培养基内加入以氚原子标记的胸腺嘧啶。随后，含有放射性的胸腺嘧啶就会被加入所有新合成的DNA中。实验的材料会被以某种合适的方式摊放在载玻片上——以植物的根尖细胞为例，研究人员会将其在载玻片上小心翼翼地压平。在洗去未被细胞吸收和利用的胸腺嘧啶之后，载玻片被转移到一个含有感光乳剂的密闭黑匣子里，有时候这个封存的过程长达数月之久。感光乳剂和电影胶片的原理类似，黑色的银颗粒会出现在与发生衰变的氚原子相对应的位置上。为了能在光学显微镜下用肉眼观察这些细胞，可以视情况对它们进行染色

通过给大肠杆菌染色体贴上标签，随后小心地将它们从菌体内提取出来，浮置于水面上，任其分散开来，就可得到其放射自显影照片。放射自显影技术显示，大肠杆菌的染色体是一种环状结构，总周长超过一毫米，这大约相当于菌体本身长度的1 000倍。在这个实验中，染色体的提取时间常常选在复制的中途，通过对各个实验结果的拼凑对比，我们发现大肠杆菌的DNA在复制时有两个叉状结构，这是因为它同时结合了两个DNA聚合酶，它们会同时沿着相反的方向移动，而这是DNA双螺旋模型无法预测的内容。由此看来，虽然实验本身是为了验证理论的预测，不过它们也不会受限于理论，有时甚至能为后者添砖加瓦

大肠杆菌仅有的染色体就是这种生物全部的基因组。放在生物界，大肠杆菌的基因组并不算大，但是它已然包含了3.8×106 个核苷酸对。分子生物学家常常在描述DNA分子的尺寸方面表现得粗枝大叶、不修边幅，描述核苷酸数的正确单位应当是“核苷酸对数”，但我们总是倾向于把核苷酸数等同于碱基对数，然后以碱基的“对数”（bases），或以碱基“千对数”（kilobases，kb），也就是1000对碱基或1 000对核苷酸来描述DNA的分子长度

基因的排列

基因位于染色体上的认知引发了我们的一个疑问：人类只有23对染色体，但是人类可遗传的性状何止数千个，由此可以推测人类的基因也不止数千个，单是与X染色体连锁的性状就多达上百个。另外，即使是最短的常染色体上也有数百个基因，这个事实与孟德尔提出的“不同的基因之间可以发生自由组合”的说法是否矛盾？对此我的回答是：不矛盾。我们只能说，孟德尔的自由组合定律只适用于位于不同染色体上的基因。在前面的章节中，出于介绍孟德尔遗传定律的需要，我们把它放在了最简单的情况里加以说明。事实上，一个染色体上可以同时有许多个基因，它们的遗传行为表现为共进退，我们把基因间的这种关系称为“连锁”（linked）。现代遗传学的成就之一，就是能够为许多生物绘制基因连锁图（linkage map），连锁图可以指示基因在染色体上的相对位置。我们在后面会看到，这种图兼具理论和实践双重价值

基因在染色体上占据的位置被称为基因座（locus）。除了某些导致染色体发生基因重排的罕见情况，同一物种所有个体的基因座都相同。我们已经说过，一个基因只有发生突变，科学家才能真正意识到它的存在和作用。绝大多数性状都是在出现明显缺陷之后才为人所知，比如血友病、色盲以及苯丙酮尿症。正常性状对应的等位基因被称作野生型（wild-type），而这个术语通常只用于形容某些专门的实验生物。对于常见的人类性状，比如眼睛的颜色或者血型，很难说哪个等位基因才是人类的野生型基因。许多基因在普通人群中有着各种各样表型正常的等位基因。突变的等位基因可以作为帮助我们定位基因位置的标记（marker），因此，如果我们想寻找与合成人类血红蛋白有关的基因座，就可以从相关的疾病入手，比如镰刀型贫血症。要不是基因的这种可变性，可能我们也就没有研究它的有效途径了

我们在染色体上以相对距离——单位为图距（map units），依次标出不同基因座的位置，所得的结果被称为染色体的遗传图（geneticmap）。虽然借助某些显微技术，我们能够直接用肉眼确定基因在染色体上的确切位置，但是通常，科学家会用相对距离来表示基因座之间的位置关系。为了测绘遗传图，我们需要借助一些杂合个体作为测量对象，杂合个体的两个染色体会发生接触和互动。个体体内染色体上的基因排布被称为亲本组合（parental combination），我们用在两条线段上标注字母的方式代表染色体，通常情况下，两条线段也可以被简化成一条，如下所示

线段上方的两个字母代表同一条染色体上的两个基因，而下方的字母则代表另一条同源染色体上的基因。为了印刷排版方便，我们有时候也会用斜线代替线段，故上图也可以写作：A B/a b

为了说明遗传图的绘制过程，我们来看一下两个已知在X染色体上连锁的基因：色盲与血友病，其中以c代表导致色盲的等位基因，C为色觉正常的等位基因；h代表导致血友病的等位基因，H为凝血功能正常的基因。由于我们不能随随便便让两个指定基因型的人婚配，所以只能另辟蹊径，通过收集大量已有的案例进行研究。我们需要筛选出女方这两对基因皆为杂合的情况，这两个标记基因在染色体上的分布有两种可能的情况：第一种是耦合（coupling），即其中一条染色体的两个基因座上都是显性基因，而同源染色体上都是隐性基因；第二种情况是互斥（repulsion），即每条同源染色体的两个基因座上分别含有一个显性的等位基因和一个隐性的等位基因

接下来，我们需要考虑女性互斥的情况：C h/c H。也就是说，其中一条X染色体的两个基因座上分别是C和h，而另一条X染色体上两个等位基因分别是c和H。由于男性后代的X染色体均遗传自母亲，所以对这种女性而言，男性后代的表现型可以直接反映出他获得了哪条X染色体。这种情况下，我们通常会认为有一半的男性后代会表现为色盲和没有血友病（H c/Y），还有一半的男性后代则表现出血友病和没有色盲（h C/ Y）。但是事实上，我们发现最终的比例却是：9 Ch/Y︰1CH/Y︰1 ch/Y︰9 cH/Y

从中可以看出，有10%的男性后代拥有与母亲不同的等位基因组合型，我们把这些男性后代称为重组体（recombinants），那么为什么会出现这样的情况呢？

在减数分裂前期，同源染色体会发生配对，染色单体相互缠绕在一起形成交叉（chiasmata）。在交叉的位置上，有时相互缠绕的染色单体会发生物理断裂，并由此产生片段的交换，我们把染色体的这种行为称作交叉互换（crossing over，见图8-1）。如果这种互换恰好发生在我们研究的两个基因座之间，那么对应染色单体上等位基因的组合方式就有可能发生改变

交叉互换会导致基因重组，我们以R代表重组发生的频率，它的计算方式是以重组体的数量除以所有后代的总数。上文中的两个基因之间发生重组的概率为10%（在总计20个后代中，有两个是重组体），也可以说R=0.1

交叉互换是完全随机的，R的大小取决于两个基因座在染色体上的相对远近，通常这个距离不会太远。你可以把基因座之间的距离想成是一种名为“交叉互换”的炮弹打击的目标：如果两个基因座相距很近，那么两者之间被交叉互换击中的概率就不会很大，R值也会相对较小；但是如果距离扩大，交叉发生在两者之间的概率也就会相应变大，导致重组体数量增加，因此，R相当于一种在染色体上度量距离的相对尺度。我们人为地把1%的重组率定义为1个图距，那么上文中的C与H“10%的重组率”就意味着它们的基因座之间相距10个图距。通过对另一种连锁方式（耦合）的研究，我们可以发现重组的发生率只与基因座的相对距离有关，而与基因本身无关

这个结果正是我们所预测的：90%的后代为亲本体，而10%的为重组体

在以人类为对象的研究中，我们研究和绘制遗传图谱的方式并不具有代表性。对绝大多数其他生物而言，我们可以在实验中自由选择交配的组合，通常这可以分为两个阶段：第一步，让两个目标基因均为纯合的个体进行交配，获得两对基因皆为杂合的后代，以便其能够发生基因重组；第二步，以杂合个体的后代检验重组的发生情况。在以人类为研究对象时，第一步往往不是由我们主动控制，而是通过从已经婚配的夫妇中进行筛选实现的。我们能做的就只剩下在第二步中对后代进行检验而已

在确定两个基因座的相对位置之后，我们可以在这个基础上考量其他基因，一次增加一个。比如，我们考虑另一个与C连锁的基因，假定以A和a表示它的等位基因，如果是基因型为A c/a C的女性，我们发现她们的男性后代的表型为：43 A c/Y，7 AC/Y，8a c/Y，42aC/Y

根据实验结果，我们在总计100个后代里发现了15个重组体（7+8），也就是15%的重组率，所以我们要把基因A的位置放在距离基因C 15个图距的地方。不过，三个基因座的位置可能是H C A，在这种情况下，基因A和基因H的相对距离为25（10+15）个图距；或者它们的顺序也可以是H A C，于是基因A和基因H的相对位置就只有5（15-10）个图距了。要确定具体是哪种排序，就需要参考第三种交叉互换的情况，也就是确定基因A和基因H的位置关系。由于女性两条X染色体中的一条可以通过她的父亲确定，而其男性后代的表现型又可以直接反映其中一条X染色体上的基因排布，所以性染色体连锁的基因相对容易识别和定位，可是要绘制人类常染色体的遗传图谱就没有那么容易了。目前，制作精良的遗传图谱只限于在实验室内的应用，而应用的对象也往往是颇具研究价值或农业应用价值的动植物（见图8-2）。对人类来说，个体的表现型难以被精确描述和定义，因此连锁基因到底是耦合还是互斥也很难加以区别

人类染色体连锁图对遗传咨询师的预测工作来说具有非常直接的价值。举个例子，有一种常染色体的显性突变Ht会导致亨廷顿舞蹈症。亨廷顿舞蹈症是一种神经退行性疾病，发病的时间通常在中年以后。亨廷顿舞蹈症患者的孩子有50%的概率会携带等位基因Ht，而我们可以通过某种方式缩小猜测的范围。假设还有一对等位基因A和a，它的基因座与基因Ht相距5个图距，而确定这对等位基因的手段并不复杂。我们再假设双亲中亨廷顿舞蹈症患者的基因型为A Ht/a ht，而另一名正常双亲的基因型为ht a/ht a。只要知道了这些，我们就可以进行一些相关的预测了。比如，在罹患亨廷顿舞蹈症的双亲体内，等位基因a与Ht在不同的染色体上，两者通过交叉互换成为连锁的概率为5%，所以一个纯合aa的孩子没有携带Ht的概率为95%。同理，携带等位基因A的孩子会有95%的概率携带Ht。对于希望生育孩子的人而言，能在表现型未显现的时候知道自己是否属于Ht基因的携带者将让她或他受益良多。当然，这也不可避免地引发了一个疑问，即知道自己携带了某种致病基因（它会导致当事人不可避免地罹患身体或精神疾病，无法医治，甚至终将致人死亡）的事实，到底能有多大意义？一方面，许多人会选择宁愿不知道，而一个尊重自由意志的社会应当赋予他们做鸵鸟的权利。公民拥有不知情权是一个新的议题，这种权利是现代科学知识发展和积累的产物。另一方面，也有人会对这种提前知晓表示欢迎，通过获得更确切的概率，达摩克利斯之剑带来的焦虑或许能够得到缓解，人们也可以据此制订更实际的生育计划。不仅如此，随着医学知识的积累，针对延迟发病疾患的早期治疗技术会越来越多，如此一来，致病基因的早期发现和疾病的早期诊断将越来越有价值

我们在这里假定的等位基因a既可以是任何功能和表现型已知的基因，也可以是没有功能的DNA中性突变片段，例如限制性片段长度多态性。这两者在预测致病基因携带率方面的作用相同，但是因为中性位点更常见，所以在实践中通常更有用

基因内交叉互换

直到20世纪40年代中期，人们都还相信染色体等同于基因，染色体上一个个的小突起让它看起来就像成串的念珠，每个小突起就是一个基因，交叉互换只会发生在基因之间。但是，有一些以果蝇为对象的实验却显示，交叉互换不仅会发生在基因之间，也会发生在某个基因内。假设有两个在染色体上位于相同基因座且跨度很长的等位基因同时发生了突变，且每个基因的突变都分别发生在两条同源染色体的其中一条上，在这种情况下，果蝇相当于变成了这对等位基因的杂合子（两个突变不同的等位基因）

由于两个等位基因都发生了突变，所以果蝇将表现为与原本的野生型不同的突变型性状。而它们的后代中却会出现罕见的野生型——这些野生型后代只可能是基因重组的产物。实验中出现的这种现象表明，与其说基因是一粒粒不可分割的珠子，倒不如说它更像是染色体上的一个个线性片段。不同的等位基因可能是同基因内诸多线性位点突变的结果，而基因重组则可以发生在任意的突变位点之间。我们以“1”和“2”代表基因内发生突变的位置，同时以“+”表示基因内正常的部分，后者也是表示野生型基因的标准符号，不过它在这里仅限于表达“与突变片段相对”的含义。由此，我们可以把一对等位基因分别发生突变的情况表示为：在突变和非突变位点之间，我们留出一小段区域作为交叉互换发生的区间——虽然交叉互换是非常罕见的情况，可是一旦发生，它将形成两个新的等位基因：其中一个是完全正常的野生型基因，另一个是含有两处突变位点的突变基因。基因内交叉互换是后代个体中诞生罕见的野生型表型的必要条件

通过对这类罕见事件的研究，我们可以绘制出单个基因内的遗传图谱。但是发生在基因内的交叉互换非常罕有，每5 000～10 000次减数分裂中才会出现一次，所以绘制这类基因图谱需要基数非常大的果蝇个体。不仅如此，如果要剖析单个基因，我们还需要一种能够对大量个体进行操作的研究手段

如今我们已经拥有了针对这种基因的制图手段，并将其应用于许多生物和病毒的研究。如果再辅以我们将在后文中介绍的其他生物化学技术，这些技术的综合将让我们跨入一个新的技术阶段：对于某些病毒的基因组，虽然我们可能不知道每个基因的具体功能，但是对它们的结构却一清二楚。接下来，我们来看看噬菌体是如何在人类深入理解基因结构的过程中助科学家一臂之力的

噬菌体

促使马克斯·德尔布鲁克着手研究噬菌体的，是他预见到了噬菌体作为一种简洁的生物实验体系的潜力：它们的本质是一种渺小的、能够自我增殖的颗粒，而自我增殖不可避免地包含了向子代传递基因的过程。第一个用到噬菌体的严肃遗传学实验正是由赫尔希完成的，他的工作证实，不同品系的T2噬菌体能够发生重组。为了进行这个课题研究，赫尔希要做的第一件事是寻找不同噬菌体在遗传学方面的性状差异，而他找到的第一个差别正是基于噬菌斑的外形。举个例子，科学家发现含有突变基因r（代表它能导致细菌的快速溶解）的噬菌体能够形成比野生型噬菌体更大的噬菌斑，且噬菌斑的边缘锐利清晰；含有突变基因tu（代表浑浊噬菌斑）的噬菌体会形成比野生型噬菌体更浑浊的噬菌斑；而含有突变基因mi（代表微小噬菌斑）的噬菌体形成的噬菌斑则比野生型噬菌体的小。由此可见，只要是在外形上具有明显表型差异的噬菌斑，其中的噬菌体就可以被提纯而后培养增殖，噬菌斑明显的形态区别是一种可遗传的性状，也是这里划分噬菌体类型的依据

一个细菌细胞能够同时受到多种噬菌体的感染。在一次杂交实验中，赫尔希同时以r突变和tu突变的噬菌体侵染细菌。其实只要保证噬菌体的数量充足，几乎每个细菌都能同时被多种噬菌体感染。绝大多数从细菌中喷涌而出的子代噬菌体都是与亲代噬菌体相同的r型或者tu型突变体，但也有一些是同时包含r突变和tu突变的双重突变体，另外还有一些是野生型。这也就是说，即便是病毒的基因组，不同的DNA分子之间也会发生交叉互换，形成重组体。赫尔希研究了数种不同的独立突变，跟经典遗传学的研究一样，他计算了不同基因之间的重组率，作为衡量基因座之间相对距离的指标，这让他得以线性地标注出各个突变发生的相对位置，绘制相应的连锁图。时至今日，赫尔希的连锁图已经经历了后人大幅的改良和扩展

基因的线性结构

西摩·本泽（Seymour Benzer）曾探究过基因的精细结构，他在实验中以T4噬菌体为研究对象，筛选了其后代中的重组体。本泽把注意力放在了一类r突变的噬菌体上，这类品系的名称为rII。rII品系的噬菌体能在B品系的大肠杆菌中生长并形成巨大的噬菌斑，而在K品系的大肠杆菌中则不行。相比之下，rII^⁺^ 的野生型噬菌体能同时在B品系和K品系的大肠杆菌中形成噬菌斑。本泽先后发现了数百种新的rII突变品系，这些新的突变品系不仅在绘制遗传图谱中非常有用，而且也为确定相关基因的功能提供了突破口

在一轮典型的绘图实验中，B品系的大肠杆菌将受到两种不同的rII突变噬菌体的感染，感染产生的大部分子代噬菌体都与亲本的性状相同，要么是亲本的其中一种品系，要么是另一种。除此之外，也会出现一些经过重组的子代噬菌体。重组噬菌体的总数可以通过如下方法得到：首先把噬菌体接种到B型大肠杆菌中，随后再把获得的子代噬菌体转移接种到只有野生型噬菌体才能正常生长的K型大肠杆菌里，由于大部分的子代噬菌体都无法生长，最后仅有数量极少的重组体能被肉眼看到并计数

本泽认为，对于重组噬菌体而言，不同等位基因之间的交叉重组通常发生在rII的基因座内部，他根据不同突变位点的相对距离，绘制了等位基因内不同突变位点的线性位置图。这幅图的其中一小部分如图8-3所示。每个小方块代表一种互不相同的等位基因与它的突变位点，方块在同一点上的堆叠代表无法进一步区分的位点——相当于发生在同一位点上的不同突变。可见，本泽的实验手段具有相当高的分辨率，可以精确到基因内的各个位点，而这里的每个“位点”很可能代表实际DNA分子中的单个碱基对

本泽的绘图数据解释了有关基因结构的一个重要事实。在得知基因的本质是DNA之后，几乎所有人都理所当然地认为基因的线性序列就直接代表了相应蛋白质的氨基酸序列。但基因看上去更像是一个珠子或者绳结，它似乎有一套指导蛋白质合成的更复杂的机制。本泽的实验结果否定了这种说法。他的实验结果表明，基因具有一种简单的线性结构，人们最初对于DNA功能的假设实际上是正确的

基因的最新定义与互补测定

我们可以从本泽的制图实验中看出，基因rII是由许多能够发生突变的小区域构成的。不过这个实验无法体现基因的实际功能，最多只能让人们对基因的结构有个大概的印象。我们甚至不知道rII所在的区域内到底是有一个、两个还是多个基因。我们需要一种基于其他原理的实验来识别单个的基因，确定每个基因在染色体上的起止位置和跨度范围，这种实验是与研究交叉互换以及绘制遗传图谱完全不同的，虽然它可能看上去与后者很像。这种实验被称为互补测定（complementationtest），为了解释这种实验的原理，最好的办法是画出实验的示意图（见图8-4）

我们姑且把基因抽象为核酸上一个能够指导多肽链合成的区域，假设rII突变影响的恰好是两个首尾相连的基因，而这两个基因的变异又恰好会让噬菌体拥有相同的表现型，那么，这两个基因就对应了两条不同的多肽链，我们分别称之为A和B。正常情况下，这两个基因均为噬菌体侵染K型大肠杆菌所必需的（这么看来，侵染B型大肠杆菌似乎难度要小一些），那么只要观察K型细菌是否受到感染，我们就可以判断这两条肽链究竟有没有被正常合成

图8-4展示了这两个基因可能的突变方式，假设两个突变的位点均在A基因内，由于无法合成功能正常的A蛋白，所以噬菌体无法生长；我们再假设两个突变位点中的一个在A基因内，而另一个在B基因内，倘若如此，其中一种噬菌体就有一个功能正常的B基因，而另一种则有一个功能正常的A基因。如果细菌同时受到这两种噬菌体的感染，它们就可以通过功能基因的互补实现增殖：两种噬菌体的缺陷基因组可以分别为对方提供缺少的多肽链，因而两者都可以在K型大肠杆菌内生长。当本泽把两种不同的rII突变体混合，并用其感染K型大肠杆菌之后，实验的结果印证了他的假设。突变的位点呈线性散布，线性区域的中间有一处分隔，把不同的突变位点分成了左右两组。左侧突变区域内的所有突变之间都不能互补，右侧区域内也一样。但是，任何位于左侧区域内的突变都能与任何位于右侧区域内的突变互补，这个结果意味着rII区域内的确包含了两个基因。当时的本泽没有用到“基因”这个称呼，他把这两个功能性区域命名为顺反子（cistron），不过实际上就是指基因。如今，类似的互补测试几乎被应用到了针对所有生物的实验中，它是鉴定两个突变是否位于同一个基因内的标准手段，通过互补测定，我们就可以划定一个基因座的区域和界限

现在，是时候回过头来看看“基因到底是什么”的问题了。根据经典定义，基因可以从三个方面加以界定：功能、突变和重组。首先，从功能的角度来讲，基因首先应当是一个功能单位，它的功能是决定生物的某些性状。“功能”从来都是“基因”这个概念中的主体成分，不过，如今我们已经知道，许多不同的基因都可以影响同一个性状，且能通过变异形成相同的表现型。其次，基因还是一个突变单位。本泽的实验给人一种基因只是一段线性区域的印象，基因中包含了许多可能发生独立突变的位点，从我们在上文中介绍的界定单个基因的实验可以看出，突变位点正是实验（实践）中界定基因的有效工具。以实验手段划定基因边界的互补测定遵循的基本前提是：基因是编码多肽链的基本单位。这个定义可以追溯到比德尔和塔特姆，他们提出的定义一直影响着众多后来跟进的分子实验与思考。最后，基因还是重组单位。时至今日，我们早已知道基因不是一个个不可分割的念珠，而且重组也可以发生在基因的内部。如果基因的本质单纯就是一段线性的DNA，那这正好与我们对它的预期相符：在线性的DNA序列上，突变可以改变任何核苷酸对，而交叉互换则可以让不同的DNA分子发生重组

随着现代研究的推进，尤其是DNA测序技术的出现，科学家不得不修改对基因的定义。因为他们发现，在真核生物编码蛋白质的遗传序列中间隔分布着非编码的序列，我们把基因内这些没有编码功能的序列称为内含子（intron），在蛋白质合成之前，内含子序列上的信息必须被移除。在某些情况下，被内含子序列分隔的编码序列能够通过不同方式进行组合，这样DNA的序列不需要发生实际的改变，就可以指导功能不同的蛋白质合成。对于这种情况，如果仍然以“能够指导一种蛋白质的合成”来定义一个基因，那么我们就不得不说同一段DNA序列里包含了数个不同的基因。这样一来，基因的定义就变得不够直观了

还有一个让问题变得复杂的地方在于，一个基因的表达会受到邻近区域内非编码DNA的调控。调控区域内的突变和编码序列的突变一样会导致基因功能的丧失，所以，如果要从突变的角度来定义基因，那就必须把类似的调控序列也归入到基因的范畴里。对基因组内的全部DNA进行详细的测序（包括近几年对人类全基因组的测序）可以帮助我们识别基因，至少是可以识别那些非常有可能是基因的序列——识别的根据在于它们的序列特征，而不是突变。具有类似功能的蛋白质，哪怕是由亲缘关系非常疏远的生物合成的，分子结构上也会有诸多相似之处

如今，各个规模庞大的数据库都在不断积累与DNA和蛋白质序列有关的大量数据，研究者开发出不同的计算机程序，用于扫描新发现的DNA序列，寻找潜在的基因以及可能和该基因对应的功能蛋白。就算一段新序列在数据库中没有任何匹配的对象，我们仍然可以根据它是否具有大多数基因都有的标志性片段，来辨别它是否为基因。在测序的基础上，对人类基因组的初步分析显示，人类有30 000～50 000个基因，不过考虑到同一段序列可能包含了多个基因的功能，实际的基因数目应该要比这个估算的数字更高

本泽等人的研究对于我们刻画基因的结构非常重要。科学的一大特点就在于不断地进步，一个领域中新技术的出现往往会导致概念的更替，哪怕是最基础的概念也不例外。为了对基因的功能有清楚的认识，我们将在第9章介绍更多生物化学方面的研究，这些研究可以直观地展现DNA上编码的信息是如何逐步变成蛋白质的。在此之前，我们得先把注意力放在早先出现的另一种制图手段上，它的基础是某种处理DNA分子的现代生物化学技术

DNA 测序

突变

传染病和免疫

外来分子总是会通过破损的伤口或是介入性的医疗措施，阴差阳错地进入我们的身体，比如为了获得对某种疾病的免疫力而注射疫苗。免疫系统会将这些进入体内的分子视作外来物，至此，这些分子就成了名副其实的“抗原”（antigen）。所谓抗原，顾名思义，就是能够引起免疫系统排异反应的物质。某种特定的抗原一旦进入身体，就会诱发与之对应的某种免疫细胞（淋巴细胞）合成名为“抗体”（antibody）的特异性蛋白质，抗体继而识别并消灭上述抗原。每种抗体都拥有与诱发其合成的抗原互补的分子结构，故而两种分子可以互相结合

三维分子
RNA 分析
蛋白质分析
引物分析
序列综合分析
进化树分析
质粒绘图
基因芯片

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术语

显性：该因子代表的性状在杂合个体中可见
隐性：该因子代表的性状在杂合个体中不可见

参考资料

普通生物学-陈阅增
人人都要懂遗传学