基因的奥秘(DNA与遗传学的故事) (基因的起源,基因检测,基因的本质,基因的结构
1.基因的奥秘和书籍《基因传》简介提起基因我们都不陌生
比如转基因食品
转基因食品是到底如何改变基因的？
大多数人知道的是基因跟我们的遗传有关系
但是到底什么是基因呢？
2.科学家们最早是如何发现基因的
一，科学家们最早是如何发现基因的？
二，基因到底都有哪些功能？
三，基因学如何影响人类的未来？
我们回到基因研究最初的时期
看看基因之父孟德尔是如何发现基因的
基因的故事要从1864年说起
当年奥地利的植物学家孟德尔
他在繁殖豌豆苗的时候
发现亲代的植株会把某些性状完好无损的传给子代
什么叫完好无损呢？
比如说，如果把一颗高的豌豆苗跟一颗矮的豌豆苗杂交
这个后代呢只会出现高植株
不会出现不高不矮的情况
换句话说
遗传信息是以不可分割的单位一代一代往下传的
这些不可分割的单位实际上就是遗传过程的最小基因单位
几年之后
荷兰的植物学家雨果.德弗里斯在孟德尔的实验基础上
把遗传学跟达尔文的进化论结合起来
提出了一个观点
所有动物并非出自上帝之手
而是早期的动物经过缓慢而漫长的演化而来的
孟德尔的遗传学理论和达尔文的进化论可以说是结合的天衣无缝
假如物种真如达尔文所说的是演化而来
那么动物需要一定的载体把身体特征传给下一代
那么这个载体就是基因
德弗里斯把孟德尔的理论推进一步提出了基因突变的概念
也就是说在环境的作用之下
基因会随机产生突变
产生不同的突变体
把这三位科学家的理论结合起来
就形成了物种演化的完整蓝图
大自然产生随机的突变基因
由父母传给孩子
随着时间的推移
与个体生存相关的基因会被保留下来
代代相传
而不适应的基因就会慢慢的被淘汰
也就是说自然选择的对象并不是个体
而是基因
基因的发现回答了一个重要的问题
那就是物种的特征是如何遗传的
3.基因到底由什么组成
随着基因的发现
新的问题又来了
他们究竟长什么样呢
或者说他们在我们的身体里面又是如何起作用的呢
上世纪40年代
生物化学家们就开始研究细胞的运作方式
在细胞核里面
他们发现了DNA
也就是脱氧核糖核酸
以及它的近亲RNA也就是核糖核酸
这些分子在细胞核里面被发现
因此统称为核酸
形状呢就像是一条条的链子
随着DNA的发现
科学家们终于找到了基因的组成单位
当年的孟德尔观察到的各种豌豆的特征
实际上就是DNA链上的遗传信息
有意思的是生物体表现出来的特征并不是单一基因表现出来的结果
而是许多基因共同作用的产物
我们可以把基因的表达想象成手机屏幕上面的像素之间的相互作用
虽然说每一个像素都是独立的
但是它们在一起就组成了一幅完整的图像
同样的道理
每一个基因独立作用
但是这些效果综合到一起就形成了生物体的外部特征
也就是表现型
当然后天的外部因素也会影响这些特征
就拿拳击手的鼻子来说
它的形状并不单单是遗传所决定的
要知道这个脸一定是没少挨拳头
那这对鼻子的外观多少也有点影响
4.遗传学的黑历史
随着科学家们进一步研究遗传信息的运作机制
有人就声称这些方向可以用来改进人类
也就是所谓的优生学
1883年
达尔文的表弟弗朗西斯高尔顿就提出了优生学的概念
他提出通过选择性生育就能够提高诸如高智商高颜值这些特性的发生机率
可是以当时的科学水平
人们并不知道什么是所谓的优等基因
那更别说是哪些人的基因更加优秀了
然而这并没有阻止人们采取疯狂的措施
比如说美国弗吉尼亚州在1924年通过了第一个绝育法案
旨在清除所谓的劣等白人
第一个受害者是一位叫做凯瑞巴克的18岁白人女孩
她没有犯任何的法律
但是被法院判定为弱智
为了防止凯瑞再生出弱智的孩子
相关的机构决定对凯瑞实施强制性的绝育
没过多久
纳粹德国的当权者就把这个优生学推广到了令人发指的地步
纳粹曲解遗传学的理论
借此实施了大规模的绝育政策
更可笑的是犹太人和吉普赛人的身份也被说成了遗传的结果
尽管没有任何的科学理论的支持
到了1934年每个月都有将近5000名成年人被强制绝育
到了二战的末期
纳粹已经是消灭了大约1100万人口
而这段黑暗的历史成了几代人禁忌的话题
5.DNA是如何控制细胞和身体的
讲完了关于遗传学的黑历史
我们再回到DNA这个话题
大家有没有想过这个小小的DNA是如何控制整个细胞和身体的呢？
这时候就要介绍DNA重要的小伙伴
那就是蛋白质
蛋白质作为中间的载体
在DNA和其他身体系统之间传递信息
蛋白质是由氨基酸组成的
大分子在生物体内是负责从消化道免疫等各种各样的任务
而DNA链上的基因就负责指导细胞合成蛋白质
蛋白质的合成过程分为几步首先
DNA在细胞核内复制出一条跟自己十分接近的RNA这一步叫做转录
接着RNA从细胞核里面跑出来
它携带的信息被继续用来合成蛋白质
这一步叫做翻译
我们可以把DNA想象成古老珍贵的手稿
它们安全的储存在细胞和这个图书馆里
学生呢想要看手稿的内容就只能去图书馆里抄写一本带走
同样的道理
身体需要DNA里面的信息的时候
就会复制一条RNA超本
带出细胞核来合成蛋白质
不过单一一个碱基的信息并不足以合成蛋白质
必须要串联成一串才能够构成蛋白质合成的说明书
那么从这个角度来看的话
碱基是不是跟文字当中的字母有点像呢？
而且这个字母本身并没有什么意义
要组成单词和句子才能够表达出他想要的意思
除了这些
DNA还有其他什么作用？
首先DNA需要不断地自我复制
维持细胞的正常功能
大家都知道细胞是通过分裂来增殖的
当细胞一分为二的时候
新产生的细胞当中所含的遗传信息必须跟原来的细胞一模一样才行
要是没有了这些信息
细胞就不能执行正常的功能了
就跟没有了剧本的演员一样
因此为了让新细胞拿到剧本
DNA也要复制
不过DNA的复制是需要帮手的
为什么呢？
假设DNA靠自己就可以随意复制
呢。假设DNA靠自己就可以随意复制
那整个细胞就乱套了
所以说DNA的复制有一套调控机制
关键就在于一种叫做DNA聚合酶的蛋白
只有它的存在
DNA才能进行复制
还有一个更厉害的DNA它能通过重组产生新的基因
事实上
这个DNA重组恰恰就是物种演化的跳板
有了新的基因才有了突变的基础
自然选择的过程才能进行
就拿精子和卵子结合的过程来说
这中间就发生了冲突
在繁殖的过程当中
来自母亲和父亲的遗传物质在受精卵当中就发生了交换
父亲染色体上的一节基因会跟母亲染色体上同一位置的基因互换位置
由此产生一套新的基因
这就是为什么世界上的每一个人都是独一无二的
6.基因控制细胞的发育和行为
我们知道人体上有各种各样的细胞
比如说皮肤细胞、肌肉细胞、肝脏细胞等等
肌肉细胞、肝脏细胞等等
每一种细胞长的不一样
都有各自不同的功能
可是细胞怎么知道自己应该变成什么样呢答案
当然就是DNA了
除了我们刚才说的功能以外
DNA还有一项任务就是告诉每个细胞应该变成什么
控制他们的发育到底是怎么做到的呢
每个生物体都是从一个细胞而来的
这里面所包含着所有的遗传信息
当第一个细胞开始分裂的时候
DNA就会告诉每一个新产生的细胞要扮演什么样的角色
就这样细胞越来越多
各司其职
走上各自的工作岗位
其中一些就变成了干细胞
另外一些就变成了皮肤细胞
直到最初的一团细胞慢慢形成胚胎的雏形
那么接下来胚胎又分为三个阶段进行发育
首先身体的主体就形成了区分身体的上下左右和前后
接着一组绘图基因
指导细胞形成不同的身体部位
最后通过激活或者说抑制某些具体的基因
形成器官或者某些物种特殊的结构
DNA除了指导细胞在发育中的生物体上各司其职
还会告诉他们到岗的时间
上世纪70年代
剑桥大学的生物学家们就希望跟踪雄性线虫体内的细胞
不仅想看看他们分别是扮演什么样的角色
还想知道每一个细胞的到位实践
为什么要选择线虫呢？
因为他们体内的细胞数量是固定的
不多不少，刚好1031个
结果就发现其中的一个细胞会每隔12小时复制一次
60个小时之后它就会转移到线虫的神经系统上去
研究小组还发现了一个让人惊讶的现象
就是某些细胞甚至会在固定的发育阶段凋亡
换句话说
只要DNA一发令细胞就知道要自行了断了
7.DNA体外重组和基因测序的出现
DNA的复制转录和重组
这些过程都是无时无刻在我们的体内发生着
科学家们早就知道了
DNA是可以通过重组来发生改变
但是这种自然的过程太慢了
往往要经过好几代才能获得想要的结果
于是在上世纪70年代
遗传学家们就开始琢磨想办法来操纵DNA
看看是否能够加快自然的演化进程
事实证明答案是肯定的
1970年斯坦福大学的生物化学家保罗伯格以及戴维杰克逊
成功的把病毒sv40的整个基因组外加大肠杆菌的三个基因一起插入到了兰布达噬菌体当中
他们把这个新产物叫做重组DNA
而他们发现的这种操作就是后来的基因克隆
通过基因克隆
伯格和杰克逊就创造出了一种自然界不存在的新型生命
两人的克隆实验就证明利用科学是可以制造出新的DNA
创造新的生命体
不过新的问题又来了
我们知道DNA里面包含着各种信息
那如何才能阅读这些信息呢
Dna当中的碱基本身是并不包含遗传信息的
真正的信息体现于碱基不同的排列顺序组合
要读懂一个基因当中的信息
那就意味着要知道它里面的每个碱基的位置
这就是基因测序
第一个给基因测序的人是谁呢？
他就是两度获得诺贝尔的英国生物化学家弗雷德里克桑格
1977年桑格成功测出了病毒cx174的全部的5386对碱基
从那以后基因测序就继续发展
不断揭示DNA语言背后的奥秘
科学家们还发现在动物的DNA当中
不同基因之间有着大串大串的填充碱基
这些碱基当中似乎并不包含任何信息
更像是基因之间的缓冲和间隔
8.基因测序能帮助诊断遗传疾病
既然人们可以读取DNA里面的信息
那这些遗传信息到底有什么用呢
事实上DNA测序是可以帮助诊断某些疾病的
通过分析一个人的遗传信息
我们就能够找出功能异常的基因具体在哪里
从而推断他可能会患上哪些疾病
比如说上世纪60年代的时候
医生就能从未出世的胎儿身上诊断出某些遗传病
就拿唐氏综合症来说
患者比正常人要多出一条21号染色体
这个明显的特征在检测胎儿细胞的时候就很容易查出来
不过其他的一些遗传病检测起来就没那么容易了
因为原因可能并不是单个基因或者多出一条染色体这么简单
另外癌症也很难通过遗传分析来诊断
因为癌症不仅是很多问题基因共同作用的结果
还因为它们具有遗传多样性
举个例子
如果说我们比较两个乳腺癌患者的基因
可能就会发现引起癌症的具体基因突变是完全不同的
那么怎么利用基因来诊断癌症呢
首先我们要获得一个人完整的基因组
才能够分析不同基因之间的关系
正因为如此
人们在1990年就启动了人类基因组计划
这个计划的目标是绘制人类基因组的完整图谱
也就是给2万多个人类基因组
进行测序
2000年的时候
人类基因组计划公布了人类的基因组草图
2003年他们宣布完整的基因组图谱可以在网上免费获取
9.基因组计划证明了人类拥有共同祖先
有了完整的人类基因组图谱
我们能
用它来做什么呢
首先人类基因组可以让我们了解到人类的共同祖先
通过比较世界各地不同人群的基因组来追溯我们的祖先
这是怎么做到的呢？
亲缘关系越近的人
基因组当中相同的基因就越多
相反亲缘关系比较远的人相似的基因就没那么多了
而利用这个简单的原理
科学家比较了世界各地的人之间的亲缘关系
在这个过程当中
人们就发现了最早的人类群体是南非、纳米比亚和博茨瓦纳的桑人
以及刚果伊图里森林的姆巴提比格米人
科学家们甚至是追溯到了一位人类女性祖先
她跟当今的桑仁女性非常的相似
更重要的就是这些信息证明了种族歧视
没有任何的科学依据
研究人员发现在不到10万年前
所有人类是住在非洲大陆
从那以后人类就开始迁徙
最终的一些部落就成为了欧洲的白人
所以要是谁觉得欧洲人比非洲人更聪明
那一定就是胡说八道
因为这样的遗传差异
没个几百万年是不会出的
10.基因与性别
描述一个人身份的方式有很多种
其中就包括我们刚才说过的种族
当然人还有性别之分
那么基因对于性别有什么影响呢？
虽然说近些年来性别规范已经有了很大的变化
之前脸书甚至还增加了54种非传统性别选择
但大多数人还是会认为自己要么是男性
要么是女性
那么如何来区分性别呢
主要还是看遗传
更具体的说是其中的一个染色体
对于人类无论在生理表现上是男还是
女性别其实是由第23对染色体控制
也就是性染色体
对于女性来说这个染色体是xx
而男性是xy
在1989年科学家彼得古德费洛就发现这个雄性y染色体上的一个叫做
sry的基因是决定性别的关键
比如说如果雄性的小白鼠的这个 sry
基因出现了突变
影响了正常的功能
那么它就有可能出现雌性的特征
当然这个生理上的性别看似简单
但是性别的认同就是另外一回事了
什么是性别认同？
就是说觉得自己是什么性别
不一定跟生理性别一致
事实上不少人的这个性别认同都是介于男女之间的
或者说都不是
11.环境到底对基因有什么影响
还有人两种都是环境到底对基因有什么影响？
先问一个老生常谈的问题
你觉得人的性格是天生的还是后天的？
人出生的时候都带有一定的倾向
而这些倾向跟环境相互作用才最终形成了表现出来的特征
1979年行为心理学家托马斯宝查德就追踪了那些一出生就被分开在不同的环境当中长大的同卵双胞胎
理论上来说这些双胞胎有着近乎一模一样的先天条件
但是却有着完全不同的后天环境
研究发现这些双胞胎表现出来相同的行为倾向
但是具体的行为表现却不尽相同
比如说有一对双胞胎男孩
其中一个在纳粹德国长大
另一个在以色列的普吉斯生活
这两种信念体系差异很大
兄弟俩都非常坚定的维持着各自的信仰
同样道理
天性是需要跟环境相互作用
才会表现出来一个天生有暴力倾向的人
只有在耳濡目染的情况之下才会表现出暴力
比如说目睹了家庭暴力
不过环境不仅仅会巩固天生的倾向
它还会实实在在的影响我们的基因组
这就是表观遗传学的研究内容
当环境中的因素激活或者抑制了一个基因
比如说创伤性经历
这个基因就会被甲基化
这些甲基标签就像DNA上的这个注释一样
跟书本中这种标注作用相似
随着这个基因上的甲基标签越来越多
就会开始影响细胞的功能
如果说把这些标签都去掉
会有什么结果呢？
2006年日本的生物学家山中森尼把一只小鼠的皮肤细胞当中的表观遗传学标记全部去除
结果这些皮肤细胞竟然变回了干细胞
要知道
干细胞是没有分化的
多潜能细胞。相当于这个皮肤细胞坐着时间机器回到了最初的状态
12.基因疗法和基因操作在医疗方面的前景
可以看到人们掌握的遗传学知识越来越深入
研究手段也越来越厉害
那么科学家们是如何利用这些先进的成果来改善我们的生活呢？
其中一个大有前景的领域
利用基因疗法来治病
科学家们正在探索如何把基因转移至患者体内来缓解疾病的症状
医生们可以把功能正常的基因转入到患者体内
病也就治好了
除了基因疗法以外
干细胞也有很大的潜能
我们刚才说过氮细胞是没有分化的细胞
这些神奇的细胞是可以再生的
而且它可以转化为身体上任何类型的细胞
科学家们甚至可以通过操控干细胞的基因
从头造出一个生物体来
这怎么做呢？
先从生物体上提取干细胞
然后把干细胞的DNA分离出来
利用这种方法
科学家们就能制造转基因动物
比如他们把水母的荧光基因转移到老鼠的干细胞当中
接着把这些干细胞
跟老鼠胚胎细胞进行融合
再植入到母鼠的子宫里面
最后得到的是会发荧光的老鼠
此外还有荧光猪、荧光兔、荧光猴、荧光猫都是类似的原理
制造这些荧光动物
其实都是为了更好的研究基因器官和疾病等等
从疾病诊断到创造生命
遗传操作似乎无所不能
13.基因与人类的未来
既然人们已经掌握了这么多的遗传学知识了
那我们有没有可能改变人类的进程
有没有可能控制自己的未来呢？
首先遗传学的进展会让更多疾病的诊断成为可能
随着基因组测序的发展
即使是最复杂的疾病
有朝一日也能诊断甚至是可以治愈
比如说精神分裂症患者会分裂出不同的人格
至于患病的原因
科学家们已经发现他跟分散在基因组当中的一系列基因有关
因此随着测序技术的进步
医生将来可能会在胎儿还没有出生之前就做出了诊断
不过随着遗传病诊断的手段越来越强大
我们也要处理好道德与伦理问题
不少精神病患者都是有益于常人的创造力
事实上这两种特质通常是相伴出现的
比如梵高、莫扎特、吴尔夫这些大艺术家们
他们都表现出了精神病的症状
那么问题就来了
如果说母亲知道腹中的胎儿有可能会患上精神疾病
但同时有可能过上有创造力的人生
这将如何选择呢？
到底应不应该在出生前就医治好他的精神疾病呢？
其实这就是用基因来衡量生命的价值
跟当年的纳粹德国的优生学有什么区别呢？
另外创造生命的问题
这可不是科幻作品当中的故事
因为科学家们已经开始准备制造第一个转基因人类了
这个过程在技术上其实并不复杂
首先要拿到人体的干细胞
然后经过基因的修饰再分别转化成为精子和卵子
通过体外受精得到受精卵
这样制造出来的人可能不会得病
甚至更聪明
更加的强大
可是我们的社会能不能接受这样的转基因人呢？
这个问题就非常值得思考了
遗传学的起步并不是轰轰烈烈
但是到了今天它已经影响到了医学和生物学的各个领域的研究
让科学家们对于生命有了更好的理解
更重要的是遗传学影响了人们的自我认识
总之遗传学的探索似乎是漫无边际的，
但是基因一定是了解生命本身的关键！
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