生命的特征——DNA
1665年，英国科学家罗伯特·胡克(1635 ~ 1703)用显微镜发现了细胞。经过科学家的不断探索，到了18年的30年代，生物是由细胞构成的，这已经成为科学界的知识。现在我们不仅知道细胞是生物体的基本单位，而且对它们的形状、大小甚至内部结构都有了了解。这些细胞一般都很小，肉眼很难观察到，直径为10 ~ 100 μ m，一个人的体内有几百亿个细胞。细胞也很大，鱼卵就是一个细胞。
仅仅知道细胞的存在，远远不能回答为什么物种会有自己的特征，并且能够代代相传。古生物化石的发现告诉我们，地球历史上已经有很多物种灭绝了，新的物种不断产生，所以今天的物种和古代有很大不同。
1858年，达尔文(1809 ~ 1882)和华莱士(1823 ~ 1913)提出了生物进化理论，被认为是被环境变化所淘汰。我国学者严复将这一理论翻译为“物竞天择，适者生存”。进化论合理地解释了物种的进化。但是，同样的环境变化，为什么有的物种能适应，有的不能？有些已经进化了，而有些则保持不变。比如人类和猿猴有同一个祖先，但是人类长大了，猿猴还是猿猴？还有很多物种早已灭绝。这说明物种本身的内在因素也在起作用。1865年，奥地利生物学家Gregor J . Mendel(1822 ~ 1884)提出了基因学说，认为生物体内存在着控制遗传的基因。但它是什么，它存在于生物的什么地方？一个都解决不了，只剩下一个想法。后来发现这种遗传物质就是存在于细胞核中的脱氧核糖核酸(DNA)，也就是今天著名的DNA。
在20世纪早期，人们已经认识到DNA在动物和植物的细胞中普遍存在。前苏联的生物化学家列文(1869 ~ 1940)在20世纪20年代发现，DNA是由脱氧核糖、磷酸和碱基组成的大分子，其二级单位是核苷酸。在核苷酸分子中，脱氧核糖在中心，磷酸在两端，碱基在侧边。多个核苷酸分子通过脱氧核糖和磷酸交替连接形成多核苷酸链，两条多核苷酸链通过侧边碱基配对连接形成双螺旋结构的DNA分子(图5-1)。DNA的这种结构形式就像一架螺旋式上升的“绳梯”，配对的碱基就像梯子上的“横板”。在DNA分子中，碱基只含有腺嘌呤(a)、胸腺嘧啶(t)、鸟嘌呤(g)和胞嘧啶(c)，它们有严格的配对关系，即腺嘌呤只能与胸腺嘧啶配对，鸟嘌呤只能与胞嘧啶配对。所以DNA分子中只有at，TA，GC，CG四种组合。它们在螺旋链上与糖(S)和磷酸分子(P)相连(图5-1)。人们梦寐以求的基因或遗传密码就藏在这个组合系统里。
图5-5-1 DNA的分子结构和染色体结构(根据黄玉泉等，1989)
一个DNA“绳梯”上三个相邻的碱基可以形成1个密码子，这就是基因。它们控制着天然蛋白质中20种氨基酸的形成，这些氨基酸是生命的物质基础。如果AT、TA、GC、CG相当于DNA这个语言中的四个字母，那么这20个氨基酸可以说相当于20个单词。虽然字母和单词不多，但是DNA的“绳梯”很长，句子还是可以无限多，可以写尽可能多的指令，从而形成各种生物。
可惜当时人们都无所适从，莱文的发现没有引起足够的重视。然而，与他同时代的遗传学家摩尔根(托马斯·亨特·摩尔根，1866 ~ 1945)因发现细胞核中的染色体可以控制遗传而轰动一时，并以1933获得了诺贝尔奖。其实染色体是DNA螺旋缠绕形成的圆柱形结构(图5-1)，使得DNA的长度压缩了近万倍，因此包含了特别丰富的遗传信息。人类一条染色体中的DNA最多可以有3亿对碱基，由它们组成的基因可以达到654.38+00000个。孟德尔的发现得到了准确的验证。
20世纪50年代，电子显微镜和X射线衍射仪等先进技术的使用，使后来者加快了探索生命奥秘的进程。1952年，美国遗传学家Hoercher (1908 ~)和他的同事Martha Chase发现了四种碱基组合的意义，并证实了长期寻找的基因就在DNA中。随后，另一种对生命活动有重要意义的核糖核酸——RNA也被发现。RNA和DNA的关键区别在于核糖取代了脱氧核糖，尿嘧啶取代了胸腺嘧啶(T)。就结构而言，RNA分子是单链结构。RNA包括信使核糖核酸(mRNA)、核糖体核糖核酸(rRNA)和转移核糖核酸(tRNA)三种类型，在生命活动中发挥着各自独特的作用。
在生物物质中，除了少数病毒类型外，RNA是遗传物质，99%以上是DNA作为遗传基因。归根结底，生命形式和活动的差异是由于它们拥有不同的DNA。为什么地球会变成五颜六色的世界，同一个家庭的人都很相似但又不完全一样？这一切都是因为有DNA在里面设计和指挥。DNA从来不会离开细胞核，但是RNA可以在细胞核内外移动，所以要靠RNA来传达它的指令，控制蛋白质的形成。储存在DNA中的遗传信息首先流入RNA分子，这一过程称为转录。第二步是根据带有遗传信息的mR-NA控制蛋白质的合成。这个过程叫做翻译(图5-2)。蛋白质的合成在rRNA所在的核糖体中进行。蛋白质的氨基酸是由tRNA合成的。这样我们可以看到，一个细胞就像一个工厂，DNA中的基因是总设计师和总指挥，mRNA复制并带来图纸，rRNA的核糖体是车间，tRNA是运输原料的工具。这个工厂在DNA的统一指挥下，按照图纸合成了蛋白质，让生命得以延续和发展。
图5-2遗传信息在DNA上的传递过程和蛋白质的合成
DNA的发现和对其功能的理解是20世纪分子生物学的突破，但这只是帷幕的一角。到了70年代，人们进一步发现，在DNA这个长长的绳梯上，具有遗传意义的部分，也就是所谓的基因，只是几个片段而已。95%以上的人类DNA是“不活跃”的。但是真的没用吗？事实上，这只能说明DNA中还有我们尚未知晓的广阔空间。探索生命的奥秘还有很长的路要走。