第六章生命的本質(zhì)

1、第六章 生命的本質(zhì) 本 章 導(dǎo) 讀 什么是生命？生命的物質(zhì)基礎(chǔ)是什么？生命的本質(zhì)是什么？這是自然科學(xué)長期探索的重大基本問題。也是貫串本章內(nèi)容的一條主線。 生命是一種特殊的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式。生命的物質(zhì)基礎(chǔ)是蛋白質(zhì)和核酸，生命的本質(zhì)特征是具有自我更新、自我復(fù)制的遺傳機(jī)制。 20世紀(jì)50年代，沃森克里克發(fā)現(xiàn)了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)之后，人們陸續(xù)又發(fā)現(xiàn)了DNA的自我復(fù)制機(jī)制、基因與生命遺傳密碼、基因控制蛋白質(zhì)合成的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程等，使人們不僅對DNA有了更深刻的認(rèn)識(shí)，而且對生命現(xiàn)象有了更深刻的理解。為揭開生物遺傳的奧秘打開了大門。 生命科學(xué)以人為本，在21世紀(jì)將扮演重要的角色。人們期望通過生命科學(xué)理論來指

2、導(dǎo)生物技術(shù)，控制生命過程，由生物體去改變世界，同時(shí)完善人類本身。第一節(jié) 生命的物質(zhì)基礎(chǔ) 生物體是物質(zhì)的，物質(zhì)是由原子構(gòu)成的。原子的不同排列與組合形成了分子、大分子、大分子體系。生物大分子包括蛋白質(zhì)、核酸、糖、脂類、維生素和激素等。其中蛋白質(zhì)和核酸最重要，是任何生命不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)，是細(xì)胞的核心成分。復(fù)雜的大分子體系以水為介質(zhì)，以細(xì)胞為結(jié)構(gòu)單位，再組成我們所看到的組織、器官、生物個(gè)體乃至整個(gè)生物圈。一、生命的物質(zhì)基礎(chǔ)蛋白質(zhì)與核酸1、 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)是細(xì)胞和生物體的重要組成部分，它占細(xì)胞干重的一半，肌肉、皮膚、血液、毛發(fā)的主要成分都是蛋白質(zhì)，生物膜中蛋白質(zhì)的含量約占6070。植物體內(nèi)由于有豐富的纖

3、維素，蛋白質(zhì)含量相對較少。蛋白質(zhì)的主要組成成分是氨基酸。氨基酸由三種堿基構(gòu)成。A腺嘌呤、U尿嘧啶、C胞嘧啶、G鳥嘌呤這四種堿基中的每三種堿基構(gòu)成一種氨基酸。組成蛋白質(zhì)的氨基酸有20種。氨基酸的主要成分有碳、氫、氧、氮四種元素，其重量合占99，此外還有鐵、硫、鎂等微量元素。不同種類、不同數(shù)量的氨基酸，按不同的排列方式構(gòu)成不同的蛋白質(zhì)。僅在人體中的蛋白質(zhì)就有10多萬種，而生物界蛋白質(zhì)的種類估計(jì)在種。有些蛋白質(zhì)完全由氨基酸組成，稱為簡單蛋白質(zhì)。如：核糖核酸酶、胰島素等；有些蛋白質(zhì)除了蛋白質(zhì)部分外，還有非蛋白質(zhì)成分，稱為結(jié)合蛋白質(zhì)。如：血紅蛋白、核蛋白等。蛋白質(zhì)分子是由眾多的氨基酸通過肽鍵連接起來的多

4、肽鏈。其大小十分懸殊，組成蛋白質(zhì)分子的氨基酸，一般有3050萬個(gè)。每一種天然的蛋白質(zhì)都有自己特有的空間結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)中氨基酸的排列順序。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)的活性密切相關(guān)。蛋白質(zhì)可以結(jié)晶，但也容易變性，如遇冷、熱、酸、堿等都會(huì)使之變性。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)改變其活性也將隨之變化。蛋白質(zhì)在生物體的生命活動(dòng)中具有十分重要的作用。首先，蛋白質(zhì)是構(gòu)成生命體的基本材料，生物性狀都與蛋白質(zhì)有關(guān)。如：細(xì)胞中的氧化還原反應(yīng)，電子傳遞、神經(jīng)傳遞、學(xué)習(xí)、記憶等多種生命活動(dòng)中都需要有蛋白質(zhì)。胰島素、胸腺激素等許多重要的激素也都是蛋白質(zhì)。植物種子中的蛋白質(zhì)提供幼苗生長必需的營養(yǎng)。蛋白質(zhì)還具有儲(chǔ)存氨基酸的

5、功能。其二，在生命體中對各種生化反應(yīng)起催化作用的酶主要是蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)還參與基因表達(dá)的調(diào)節(jié)。其三，蛋白質(zhì)還具有運(yùn)載功能和調(diào)節(jié)功能。如：紅細(xì)胞中的血紅蛋白具有輸送氧氣的作用。其四，生命體中的免疫反應(yīng)主要是通過蛋白質(zhì)來實(shí)現(xiàn)的等等。 2、核酸核酸是最重要的一類生物大分子。它們最先是從細(xì)胞核中分離出的一類酸性物質(zhì)。核酸的主要組成成分是核苷酸。它是生物體遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。核酸又可分為脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）兩大類。DNA是遺傳信息的攜帶者，主要存在于細(xì)胞核內(nèi)的染色質(zhì)中。DNA在細(xì)胞核內(nèi)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生RNA，RNA進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中，主要指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。RNA主要存在于細(xì)胞質(zhì)中。核酸是一種龐大而復(fù)雜

6、的高分子有機(jī)化合物，是單核苷酸的聚合物。組成核酸的核苷酸分子有幾十到幾百萬個(gè)。每一個(gè)DNA和RNA分子各由4種核苷酸分子，按不同的排列順序組成。而每一個(gè)核苷酸分子含有一個(gè)戊糖（核糖或脫氧核糖）分子、一個(gè)磷酸分子和一個(gè)堿基組成。組成DNA的堿基是：A腺嘌呤、G鳥嘌呤、T胸腺嘧啶、C胞嘧啶四種；組成RNA的堿基中沒有A胸腺嘧啶而是U尿嘧啶。一個(gè)核酸大分子是由大量的核苷酸通過一個(gè)核苷酸的戊糖與另一個(gè)核苷酸的磷酸聚合串聯(lián)而成為長鏈。所以核酸的分子又稱為多核苷酸。核酸的一級結(jié)構(gòu)就是指線性長鏈中4種不同的核苷酸的排列順序。遺傳信息就在這些核苷酸序列之中。雖然核酸中只有4種核苷酸組成，但核酸的分子巨大。生物

7、體中DNA分子最短的約為4000個(gè)堿基對，最長的約有40億個(gè)堿基對。如：人的生殖細(xì)胞中DNA長度約為1.1米，其所攜帶的遺傳信息可達(dá)天文數(shù)字。核酸的主要作用有兩個(gè)：一是復(fù)制本身，二是指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，控制細(xì)胞的新陳代謝和生長發(fā)育方向。 二、生命的基本結(jié)構(gòu)單位細(xì)胞1665年英國學(xué)者胡克用顯微鏡觀察軟木片，發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞，打開了生命微觀世界的窗口。1838年，德國生物學(xué)家施萊登、施旺提出了細(xì)胞理論，說明：一切動(dòng)植物都由細(xì)胞組成。細(xì)胞是生命的結(jié)構(gòu)單元、繁殖單元和功能單元，細(xì)胞來自于細(xì)胞。較好地揭示了生命現(xiàn)象的統(tǒng)一性。細(xì)胞是生命體的基本結(jié)構(gòu)單位。生物個(gè)體絕大多數(shù)都是由細(xì)胞構(gòu)成的。生命開始于細(xì)胞，細(xì)胞是生命

8、的基石；細(xì)胞是生命體的基本繁殖單位。生命的新陳代謝是細(xì)胞中物質(zhì)的交換和能量的轉(zhuǎn)化構(gòu)成的，細(xì)胞的生長、繁殖和分化導(dǎo)致了生命體的生長和發(fā)育；細(xì)胞是生命體的基本功能單位。生命活動(dòng)只有在細(xì)胞結(jié)構(gòu)中才能實(shí)現(xiàn)，一旦細(xì)胞死亡，生命也就停止了。 細(xì)胞是由分子構(gòu)成的。核酸和蛋白質(zhì)是細(xì)胞中兩種重要的生物大分子，它們決定了細(xì)胞的基本特性。如果我們將細(xì)胞放大，再放大，就會(huì)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞是一個(gè)奇妙的大千世界。 1、細(xì)胞的結(jié)構(gòu) 細(xì)胞雖然小得肉眼看不見，但它內(nèi)部結(jié)構(gòu)精密，運(yùn)動(dòng)有序。細(xì)胞可分為原核細(xì)胞和真核細(xì)胞兩大類。 原核細(xì)胞沒有典型的核結(jié)構(gòu)，遺傳信息的載體僅為一個(gè)裸露在細(xì)胞中的環(huán)狀DNA。幾乎所有的原核生物都由單個(gè)原核細(xì)胞構(gòu)成

9、，包括支原體、衣原體、細(xì)菌、放線菌、藍(lán)藻等。它們結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)。能侵入到最不適宜一般生物生長的環(huán)境，如：高溫的溫泉和幾乎干枯的死海鹽地。原核細(xì)胞的增殖一般為無絲分裂方式。 真核細(xì)胞具有完整的細(xì)胞核。真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般在一個(gè)細(xì)胞中有一個(gè)細(xì)胞核、一到幾百個(gè)葉綠體、幾千幾萬個(gè)線粒體和高爾基體、幾十萬個(gè)核糖體、無數(shù)的溶酶體，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)布滿了整個(gè)細(xì)胞，使細(xì)胞具有高度的程序化與自控性。構(gòu)成植物王國和動(dòng)物王國的細(xì)胞絕大多數(shù)都是真核細(xì)胞。真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)分為三大系統(tǒng)：膜系統(tǒng)、顆粒系統(tǒng)和骨架系統(tǒng)。（1） 膜系統(tǒng)膜系統(tǒng)是指細(xì)胞質(zhì)膜以及細(xì)胞內(nèi)外的膜性結(jié)構(gòu)，又稱為生物膜。包括：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體、過氧化物體、

10、細(xì)胞核外膜等。細(xì)胞質(zhì)膜：細(xì)胞表面的一層薄膜。具有控制物質(zhì)通透、信息傳遞等多種功能。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：分布在細(xì)胞質(zhì)中，是由膜圍成的管狀或扁平囊狀的相互連通的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)常分布于細(xì)胞核周圍，呈同心園狀排列，參與蛋白質(zhì)的合成與運(yùn)輸。光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)多呈網(wǎng)狀分布的小管，在一定部位與粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相連接，參與脂肪、磷脂膽固醇、糖原的合成與分解。肝細(xì)胞內(nèi)的光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)還有解毒作用。高爾基體：是意大利醫(yī)生高爾基于1898年在神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)的。位于細(xì)胞核附近，是由膜圍成的扁平囊、大泡和小泡三種結(jié)構(gòu)組成。高爾基體的作用如同一座加工廠，加工、濃縮和運(yùn)輸?shù)鞍踪|(zhì)。此外，還能合成糖類等物質(zhì)。糖在高爾基體內(nèi)能與蛋白質(zhì)結(jié)合，形成各種糖蛋

11、白。溶酶體：是一種泡狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部含有各種水解酶，能分解各種生物大分子。如：蛋白質(zhì)、核酸、脂類和多糖等。主要功能為消化吞入細(xì)胞內(nèi)的大分子營養(yǎng)物質(zhì)，將消化后的營養(yǎng)物質(zhì)擴(kuò)散到細(xì)胞質(zhì)，供細(xì)胞生命活動(dòng)所需的能量，殘?jiān)倥懦黾?xì)胞外，起到營養(yǎng)和防御的作用。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是合成膜的主要部位，大多數(shù)磷脂和膽固醇都是在這里合成。它們通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)表面時(shí)，將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜包裹在自己身上，然后就像乘車旅行一樣，到高爾基體這輛車便成為高爾基體的一部分，在高爾基體內(nèi)蛋白質(zhì)進(jìn)行再加工，加工完的蛋白質(zhì)或者到溶酶體，或者到質(zhì)膜和其它結(jié)構(gòu)中。就這樣，通過膜的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的運(yùn)輸更新，膜也不斷得到再生、流轉(zhuǎn)?？梢姡瑑?nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體在執(zhí)行各自功

12、能時(shí)，互為聯(lián)系、互為補(bǔ)充，形成膜的流動(dòng)，組成生命活動(dòng)的統(tǒng)一體。（2）顆粒系統(tǒng)顆粒系統(tǒng)是細(xì)胞內(nèi)部相對獨(dú)立的顆粒狀細(xì)胞器。包括線粒體、質(zhì)體、核蛋白體、細(xì)胞核等。與膜系統(tǒng)不同的是，顆粒系統(tǒng)彼此之間在結(jié)構(gòu)和功能上聯(lián)系并不十分緊密。線粒體：是一種呈短線狀或顆粒狀的細(xì)胞器。是細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)氧化、釋放能量的場所。由于線粒體內(nèi)含有少量的DNA，因此，線粒體具有半遺傳自主性。質(zhì)體：是植物細(xì)胞內(nèi)特有的細(xì)胞器。分為白色體、有色體和葉綠體。葉綠體能吸收、固定太陽能，是生命的基礎(chǔ)，也是文明的基礎(chǔ)。光合作用就在葉綠體內(nèi)進(jìn)行。在光照條件下，白色體可轉(zhuǎn)變?yōu)槿~綠體，葉綠體在暗處也可退化為白色體。質(zhì)體中也可積累非光合作用色素而轉(zhuǎn)化為

13、有色體。核蛋白體：又稱為核糖體，是細(xì)胞最重要的細(xì)胞器之一。幾乎所有的細(xì)胞都含有核蛋白體。核蛋白體主要由蛋白質(zhì)和rRNA組成，是蛋白合成的場所。在真核生物中，核蛋白體是在細(xì)胞核核仁中裝配的，然后進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。細(xì)胞核：是真核細(xì)胞內(nèi)最大、最重要的細(xì)胞器。一般呈球形或卵圓形，約為細(xì)胞總體積的10左右。一般來說，真核細(xì)胞失去細(xì)胞核將導(dǎo)致細(xì)胞的死亡。細(xì)胞核主要是由核膜、核仁和染色質(zhì)構(gòu)成，細(xì)胞核內(nèi)的DNA和蛋白質(zhì)結(jié)合形成絲狀的染色質(zhì)，染色質(zhì)盤繞折疊形成染色體，是遺傳信息的載體。一個(gè)細(xì)胞核內(nèi)含有該物種的全套遺傳信息。人的基因組DNA由30億對堿基組成，大約3萬多個(gè)基因，可記錄50億比特的信息量，相當(dāng)于2000萬

14、冊圖書的信息量。DNA上的遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄、翻譯成蛋白質(zhì)來控制遺傳表形。DNA上數(shù)萬基因的有序表達(dá)組成生命的節(jié)奏。（3）骨架系統(tǒng)最初，人們認(rèn)為細(xì)胞質(zhì)內(nèi)是均勻無結(jié)構(gòu)的。隨著電子顯微鏡技術(shù)和蛋白質(zhì)化學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞內(nèi)充滿著由微絲、微管、中間纖維和微梁構(gòu)成的骨架系統(tǒng)。它們的功能是共同保持細(xì)胞的形狀、保障細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)和細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)輸?shù)取?、細(xì)胞的增殖細(xì)胞只能來源于細(xì)胞，細(xì)胞通過分裂來繁殖自己。而生命靠細(xì)胞的分裂延續(xù)。細(xì)胞增殖是生命的重要特征。細(xì)胞的分裂方式有：無絲分裂、有絲分裂和減數(shù)分裂等。其中最常見的是有絲分裂和減數(shù)分裂。無絲分裂是大多數(shù)原核細(xì)胞的增殖方式，即簡單地由一個(gè)分為兩個(gè)；有絲分

15、裂是高等生物細(xì)胞增殖的主要方式。目前，人們雖然對細(xì)胞有絲分裂的形態(tài)變化有所了解，但對變化機(jī)理等問題不甚明了，還有待于進(jìn)一步研究；減數(shù)分裂是高等生物在形成生殖細(xì)胞時(shí)發(fā)生的一種特殊的細(xì)胞分裂發(fā)生。高等生物體內(nèi)不同組織中細(xì)胞的增殖情況不完全相同，主要可分為三類：周期細(xì)胞、休眠細(xì)胞和分化細(xì)胞。周期細(xì)胞是指始終處于連續(xù)不斷分裂狀態(tài)的細(xì)胞。如：生殖細(xì)胞、上皮細(xì)胞和造血細(xì)胞等；休眠細(xì)胞是指暫時(shí)不再增殖，但在一定條件下會(huì)被激活而再發(fā)生分裂的細(xì)胞。如：大多數(shù)的骨髓干細(xì)胞、免疫淋巴細(xì)胞、肝、腎細(xì)胞等；分化細(xì)胞是終端分化的細(xì)胞，它們不再發(fā)生分裂直到死亡。分化細(xì)胞都具有特定的功能，因此又稱為成熟細(xì)胞。如：神經(jīng)細(xì)胞、肌

16、纖維細(xì)胞等。3、細(xì)胞社會(huì)學(xué)細(xì)胞是可以獨(dú)立生活的單位，但細(xì)胞大多是在群體中生活的。細(xì)胞在群體之間有分工、有聯(lián)系，并且相互協(xié)作、相互制約，組成細(xì)胞社會(huì)。 細(xì)胞具有識(shí)別功能。1907年，維爾森用海綿驗(yàn)證了細(xì)胞的識(shí)別功能。海綿是最簡單的多細(xì)胞動(dòng)物，僅由56種細(xì)胞構(gòu)成。用機(jī)械的方法可將海綿體游離成單個(gè)細(xì)胞。當(dāng)把顏色不同的兩種海綿細(xì)胞混合時(shí)，游離細(xì)胞迅速重聚成團(tuán)，每一個(gè)聚合體內(nèi)只含有一種顏色的細(xì)胞。這種相互識(shí)別功能還表現(xiàn)在：（1）不同的物種上，如將鳥和猴子的肝臟細(xì)胞分散重聚時(shí)，同物種的細(xì)胞相聚。（2）同一生物體的肝臟和腎臟細(xì)胞分散重聚時(shí)，同組織的細(xì)胞聚合。（3）植物花粉和柱頭的識(shí)別，只有同種花粉才會(huì)萌發(fā)。

17、（4）精子與卵子的識(shí)別，只有同物種才能受精等等。細(xì)胞間的識(shí)別是普遍的，且有物種、器官和發(fā)育過程的特異性。細(xì)胞之間的特異識(shí)別的分子基礎(chǔ)是細(xì)胞表面附著的跨膜糖蛋白分子。 生物體內(nèi)的大量細(xì)胞通過相互識(shí)別，會(huì)形成穩(wěn)定的細(xì)胞聚合，然后形成不同形式的固定連接。 生物體的每一個(gè)細(xì)胞都帶有該物種的全套遺傳信息。這似乎太浪費(fèi)了!其中是否蘊(yùn)含特殊的生物學(xué)意義？這是許多生物學(xué)家在思考的問題。多細(xì)胞生物體的每一個(gè)細(xì)胞都具有自己特殊的職能。并且，在工作中細(xì)胞能感知整個(gè)生物體的狀態(tài)，并接受指令完成各項(xiàng)任務(wù)。多細(xì)胞生物體內(nèi)各個(gè)細(xì)胞間的這種獨(dú)特的聯(lián)系是靠什么來維持的？現(xiàn)在多數(shù)研究認(rèn)為，是由生物體內(nèi)的生物電溝通的，生物電作用的

18、機(jī)理要比目前主要進(jìn)行的生物化學(xué)信號(hào)之間的聯(lián)系更為深入。 許多神奇的生物現(xiàn)象乃至生命本質(zhì)的探索，可能更多地依賴于細(xì)胞全息理論的生物物理的研究。細(xì)胞之間、細(xì)胞與個(gè)體之間的信息流通的關(guān)系是當(dāng)今生命科學(xué)研究的重點(diǎn)課題。第二節(jié) 生命的本質(zhì) 生命的本質(zhì)是什么？恩格斯早在反杜林論中就指出：“生命是蛋白體的存在方式。這種存在方式本質(zhì)上就在于這些蛋白體的化學(xué)組成成分的不斷自我更新。” 20世紀(jì)以來，生命科學(xué)的研究取得了驚人的進(jìn)展。一批優(yōu)秀的生物學(xué)家、生物化學(xué)家、生物物理學(xué)家以分析與綜合的研究方法，運(yùn)用精密的儀器，使生物學(xué)從描述階段進(jìn)入到精確的實(shí)驗(yàn)分析、數(shù)學(xué)建模和重現(xiàn)重建。使生命科學(xué)的研究從細(xì)胞層次進(jìn)入分子層次，

19、取得了一系列激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)。生物遺傳物質(zhì)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著分子生物學(xué)的誕生。隨著分子生物學(xué)研究的進(jìn)展，又發(fā)現(xiàn)了DNA分子的自我復(fù)制機(jī)制、基因控制蛋白質(zhì)合成的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程等等，使人類對生命的本質(zhì)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。 生命是由蛋白質(zhì)和核酸組成的具有自我更新、自我調(diào)節(jié)、自我復(fù)制能力的多分子體系。這是對生命本質(zhì)的最新闡述。一、生物遺傳的奧秘人們很早就發(fā)現(xiàn)，不管是動(dòng)物還是植物，是高級還是低級，復(fù)雜還是簡單的生物體，都表現(xiàn)出子代與親代之間的相似或雷同，這種現(xiàn)象就是遺傳。生物體為什么會(huì)具有遺傳性？遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)如何？遺傳又是怎樣實(shí)現(xiàn)的？ 1、遺傳物質(zhì)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)1953年，美國生物學(xué)家沃森

20、和英國生物物理學(xué)家克里克在前人研究的基礎(chǔ)上提出了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。雙螺旋模型是DNA大分子的二級結(jié)構(gòu)。 DNA雙螺旋模型的主要內(nèi)容：（1）DNA分子是由兩條反向平行的多核苷酸鏈組成，并圍繞同一中心“軸”形成右手螺旋。（2）雙螺旋的螺距為3.4納米，每個(gè)螺距包含10對堿基，雙螺旋的直徑為2.0納米。（3）兩條鏈中的堿基，在雙螺旋內(nèi)側(cè)通過氫鍵形成嚴(yán)格互補(bǔ)的堿基對：A=T、GC。而遺傳信息就在這些堿基的排列順序中。 圖6-1 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型DNA雙螺旋模型中，A腺嘌呤與T胸腺嘧啶配對，堿基之間可以形成2個(gè)氫鍵。G鳥嘌呤與C胞嘧啶配對，堿基之間形成3個(gè)氫鍵。因而分子很穩(wěn)定。但在一定的物

21、理、化學(xué)條件下，穩(wěn)定的核酸大分子結(jié)構(gòu)也會(huì)被破壞。DNA雙螺旋會(huì)被拆開，成為兩條單鏈，這就是核酸分子的變性。在變性因素除去后，DNA分子可以慢慢恢復(fù)雙螺旋結(jié)構(gòu)，稱為復(fù)性。在復(fù)性的過程中堿基嚴(yán)格配對。因此，在基因工程操作中，利用核酸分子的變性和復(fù)性，發(fā)展了一項(xiàng)新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)分子雜交，在個(gè)體識(shí)別、親子鑒定等研究中得到了廣泛應(yīng)用。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的提出，開創(chuàng)了生命科學(xué)新紀(jì)元。在雙螺旋基礎(chǔ)上，DNA大分子進(jìn)一步折疊盤旋形成染色質(zhì)和染色體，通過DNA分子復(fù)制，將遺傳信息準(zhǔn)確地由上代傳遞至下一代。20世紀(jì)40年代，一批優(yōu)秀的化學(xué)家、物理學(xué)家進(jìn)入生命科學(xué)的研究領(lǐng)域。為生命科學(xué)的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)，也為沃森、克

22、里克建立DNA雙螺旋模型鋪平了道路。其中英國的物理學(xué)家威爾金斯和富蘭克林由于拍攝到珍貴的DNA晶體的X衍射照片（照片是富蘭克林女士親自拍攝到的，她作為銀行家的女兒，獻(xiàn)身科學(xué)終身未婚，在1958年死于癌癥，年僅37歲。），對認(rèn)識(shí)DNA結(jié)構(gòu)起到了決定性的作用。沃森、克里克和威爾金斯共同獲得1962年諾貝爾獎(jiǎng)。沃森在完成DNA雙螺旋模型時(shí)，年僅25歲?，F(xiàn)在沃森仍然活躍在生命科學(xué)研究的前沿。2、DNA分子的自我復(fù)制生物大分子DNA的自我復(fù)制機(jī)制是20世紀(jì)生命科學(xué)最令人振奮的發(fā)現(xiàn)之一。 生物體在繁衍的過程中，將自己的性狀遺傳給下一代，依靠的是遺傳物質(zhì)DNA的準(zhǔn)確無誤的復(fù)制。即：以親代DNA為模板，在一定

23、條件下，按照堿基互補(bǔ)的原則合成子代DNA。 圖62 DNA的自我復(fù)制DNA的復(fù)制是一個(gè)復(fù)雜的過程。DNA是一條反向平行的互補(bǔ)雙螺旋鏈，如同一條拉鏈的兩條邊相互緊緊咬合在一起，復(fù)制的過程：首先，在解鏈酶的作用下，使雙螺旋鏈在局部形成兩條單鏈。第二，以每條單鏈為模板，按照堿基互補(bǔ)配對的原則，在聚合酶的作用下，復(fù)制出兩條新鏈。第三，為了加快速度，一般采用分段合成，最后再由連接酶連接而成為兩條完整的子鏈。由此可見，DNA的復(fù)制并不是產(chǎn)生一個(gè)新的DNA分子，在子代DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的兩條鏈中，一條是親代保留下來的舊鏈，一條是新復(fù)制的新鏈。因此，DNA的復(fù)制為半保留復(fù)制。正是這種“半保留復(fù)制”，使得DNA能

24、將親代含有遺傳信息的堿基的排列順序準(zhǔn)確無誤地傳遞給下一代。這就是生物遺傳的奧秘。3、DNA的轉(zhuǎn)錄和翻譯生物體的形態(tài)特征、生理特征等性狀，取決于細(xì)胞中蛋白質(zhì)的不同種類。蛋白質(zhì)存在于細(xì)胞質(zhì)中；而DNA的復(fù)制是在細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)行的。這兩者之間有什么聯(lián)系？細(xì)胞核中DNA的遺傳信息是如何傳到細(xì)胞質(zhì)中指導(dǎo)和控制蛋白質(zhì)的合成的？這個(gè)過程經(jīng)歷了“轉(zhuǎn)錄”和“翻譯”兩個(gè)重要的步驟。 （1）轉(zhuǎn)錄過程 轉(zhuǎn)錄過程是在細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)行的，與DNA的復(fù)制過程相類似：首先，將DNA分解成兩條單鏈。接著，以DNA的一條鏈為模板，按照堿基互補(bǔ)配對的原則，以U（尿嘧啶）代替T（胸腺嘧啶），合成RNA。DNA ATGC ： ： ： ：RNA

25、 UACG通過轉(zhuǎn)錄，DNA的遺傳信息就傳遞到了RNA上，這樣形成的RNA稱為信使RNA（mRNA），信使RNA形成后，就可以從細(xì)胞核中出來，進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，與核糖體結(jié)合起來。（2）翻譯過程 翻譯過程是在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行的。核糖體是細(xì)胞內(nèi)將氨基酸合成蛋白質(zhì)的場所。氨基酸又是怎樣被送到核糖體中信使RNA上的？這就需要一種運(yùn)載工具，即轉(zhuǎn)移RNA（tRNA）。 每一種tRNA的一端有三個(gè)堿基，與mRNA的堿基相配對，另一端攜帶氨基酸。當(dāng)tRNA運(yùn)載氨基酸進(jìn)入核糖體后，就以mRNA為模板，把氨基酸一個(gè)個(gè)連接起來，合成具有一定氨基酸順序的蛋白質(zhì)。 我們可以將mRNA分子比作一條磁帶，則核糖體就好像是磁頭，放出的音

26、樂就是根據(jù)DNA上所有的信息生成的、由氨基酸構(gòu)成的蛋白質(zhì)。 通常RNA分子是單鏈結(jié)構(gòu)，分子量較小，比較靈活，但壽命有限。因此可以從細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)入到細(xì)胞質(zhì)中，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)合成后，它傳遞遺傳信息的任務(wù)完成了，也就自行分解了。 4、中心法則 綜上所述，在細(xì)胞核內(nèi)，子代以DNA為模板合成mRNA，通過轉(zhuǎn)錄，DNA的遺傳信息就傳遞到了mRNA上，mRNA再由細(xì)胞核進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的核糖體中再以mRNA為模板，以tRNA為運(yùn)載工具，使氨基酸在核糖體中按照一定的順序排列起來，合成與親代相同的蛋白質(zhì)，從而顯示出與親代相同的性狀，完成了遺傳過程。這種將遺傳信息從DNA傳遞給RNA，再從RNA傳遞給蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄和

27、翻譯的過程；以及遺傳信息從親代DNA傳遞給子代DNA的復(fù)制過程，叫做“中心法則”。即中心法則包括：DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯。 中心法則體現(xiàn)了生物體構(gòu)造的精致巧妙。DNA是遺傳信息的攜帶者，存在于細(xì)胞核中，一般生物體都有兩套，每套又組成穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)，由多種蛋白質(zhì)層層保護(hù)。需要時(shí)就復(fù)印一份指令RNA，RNA肩負(fù)使命，直接來到細(xì)胞質(zhì)中，指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。若RNA受損也無礙，因珍本DNA仍保留在細(xì)胞核中。中心法則說明了遺傳性狀表達(dá)的穩(wěn)定性和流暢性，同時(shí)也說明了獲得性不遺傳的原理，例如：后天鍛煉獲得的肌肉發(fā)達(dá)，肌肉是由蛋白質(zhì)決定的，因此，它不能回到DNA上成為遺傳信息。 在后來的研究中發(fā)現(xiàn)，有些病毒

28、可以反過來，以RNA為模板，合成DNA。這種現(xiàn)象稱為“反轉(zhuǎn)錄”或“反中心法則”。例如：1970年在致癌病毒中發(fā)現(xiàn)一種反轉(zhuǎn)錄酶，在這種反轉(zhuǎn)錄酶的作用下，可以RNA為模板，合成DNA。反中心法則是對中心法則的重要補(bǔ)充。 圖6-3 中心法則由此可見，蛋白質(zhì)和核酸單獨(dú)都不表現(xiàn)生命活動(dòng)，當(dāng)兩者結(jié)合起來后就產(chǎn)生了生命現(xiàn)象。可以說，生命是一種特殊的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式。表現(xiàn)為核酸和蛋白質(zhì)中物質(zhì)的一系列復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。5、遺傳密碼遺傳密碼，又稱為遺傳信息，是指生物體內(nèi)合成蛋白質(zhì)的指令。在遺傳密碼中含有“生命機(jī)器”工作的重要原理，包含生命形成與演化的豐富信息。在DNA經(jīng)轉(zhuǎn)錄和翻譯，指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的過程中，我們知道，由DNA

29、轉(zhuǎn)錄成RNA，遺傳信息的傳遞是按照嚴(yán)格的堿基互補(bǔ)配對的原則實(shí)現(xiàn)的，那么，RNA又是任何將遺傳信息注入蛋白質(zhì)的合成之中？蛋白質(zhì)由20種氨基酸組成，氨基酸的不同排列順序決定了蛋白質(zhì)的種類。而RNA由四種核苷酸組成，可以四種堿基A（腺嘌呤）、G（鳥嘌呤）、C（胞嘧啶）、U（尿嘧啶）來代表，每三種堿基決定一種氨基酸。例如：GCU決定丙氨酸、GAG決定谷氨酸、UUU決定苯丙氨酸等，核苷酸的這種組合方式，就叫遺傳密碼，或稱為“密碼子”和“三聯(lián)體密碼”。1966年，科學(xué)家破譯了全部密碼子，并編制出“生命密碼字典”。如下表6-1。表6-1 氨基酸遺傳密碼氨基酸（20種） 遺傳密碼（64種）天冬酰氨 AAU、A

30、AC天冬氨酸 GAU、GAC丙氨酸 GCU、GCC、CCG、GCA精氨酸 AGG、AGA、CGU、CGC、CGG、CGA半胱氨酸 UGU、UGC谷氨酸 GAG、GAA谷酰氨 CAG、CAA甘氨酸 GGU、CGU、GGG、GGA組氨酸 CAU、CAC異亮氨酸 AUU、AUC、AUA亮氨酸 UUG、UUA、CUU、CUG、CUC、CUA賴氨酸 AAG、AAA甲硫氨酸 AUG苯丙氨酸 UUU、UUC脯氨酸 CCU、CCC、CCG、CCA絲氨酸 UCU、UCC、UCG、UCA、AGU、AGC蘇氨酸 ACU、ACC、ACG、ACA色氨酸 UGG酪氨酸 UAU、UAC纈氨酸 GUU、GUC、GUG、GUA

31、起始信號(hào) AUG終止信號(hào) UGA、UAG、UAA由表中可見，遺傳密碼有64種，其中61種用于編碼各種氨基酸，三種用于編碼終止信號(hào)。多數(shù)氨基酸有幾個(gè)密碼子。地球上所有生命體的遺傳密碼都是基本相同的。在生物體的生長、發(fā)育、繁衍的生命過程中，遺傳密碼起到極為重要的作用。但遺傳密碼有時(shí)是可變的。大量的實(shí)驗(yàn)顯示：由于mRNA中的有用密碼子并不總是依次排列的，為制造某種蛋白質(zhì)，核糖體必須跳過幾種堿基后尋找有用密碼子繼續(xù)翻譯，從而改變mRNA帶來的密碼子，發(fā)生“移碼”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱為“RNA再編碼”，是生物體自組織的一種表現(xiàn)。偶爾的“移碼”，不會(huì)使生物體的性狀產(chǎn)生大的改變。但如果生存環(huán)境變化帶來“移碼”的

32、長期積累，則會(huì)使物種發(fā)生變異。這正說明生物的進(jìn)化是自然選擇和自組織相結(jié)合的產(chǎn)物。二、基因與遺傳變異 生物的生長發(fā)育，繁衍變異組成了波瀾壯闊的生命現(xiàn)象，而主宰生命現(xiàn)象的是基因?；驔Q定生物的結(jié)構(gòu)，決定生命的過程?；虻倪z傳與變異決定了生物體與自然的和諧統(tǒng)一，決定生物的演化和發(fā)展，形成了進(jìn)化過程中生物的多樣性。 1、基因 基因的最初概念是來自遺傳學(xué)創(chuàng)始人、奧地利生物學(xué)家孟德爾的遺傳“因子”。在此基礎(chǔ)上，1909年丹麥學(xué)者約翰遜應(yīng)用了“gene”一詞，其英文含意是“開始”、“生育”的意思。我們?nèi)∑湟糇g為基因。一直沿用至今。1957年本澤爾分析了基因內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，認(rèn)為：基因是DNA分子上的一個(gè)特定的區(qū)段

33、，作為傳遞遺傳信息的功能單位?；蚴荄NA分子上一個(gè)含有生物體全部遺傳信息的片斷。是傳遞遺傳信息的功能單位和結(jié)構(gòu)單位。一個(gè)DNA分子由許多基因組成，每個(gè)基因只是DNA分子上堿基按一定順序排列的一個(gè)片斷，往往含有成百上千個(gè)核苷酸分子。并非DNA分子上任何一段區(qū)域都是一個(gè)基因。同一個(gè)DNA分子上的所有基因，其堿基排列順序都是相同的。而不同的基因，堿基的排列順序是不同的。一種生命體的全部基因叫做這種生命體的基因組。人基因組DNA（即編碼在螺旋型DNA里的全部遺傳信息）大約由30億個(gè)核苷酸組成?？梢跃幋a20萬種蛋白質(zhì)。2、遺傳變異不管是父母與子女，還是兄弟姐妹雖然容貌特征十分相似，但總有一些細(xì)微的差別

34、。這種子代與親代之間、子代個(gè)體之間的差異就是變異。沒有變異，生物就沒有進(jìn)化，遺傳只能是簡單的重復(fù)，就不能形成生物的多樣化。基因的自由組合和連鎖互換引起的基因重組，不涉及遺傳物質(zhì)的變化，可用來解釋父母與子女的差異。 若染色體的數(shù)目或結(jié)構(gòu)改變、基因分子結(jié)構(gòu)改變，稱為突變。突變是可遺傳的變異。正常的生物體內(nèi)染色體的數(shù)目是恒定的。例如：人有23對染色體、果蠅有4對染色體、洋蔥有8對染色體等。若生物體內(nèi)的染色體數(shù)目發(fā)生改變，或整套染色體中發(fā)生缺少、增加的現(xiàn)象，或染色體結(jié)構(gòu)發(fā)生缺失、重復(fù)、倒位、易位等變化，將會(huì)產(chǎn)生遺傳變異，導(dǎo)致生物的性狀發(fā)生變化，還會(huì)造成某些表形的改變。例如：多數(shù)生物是二倍體生物，即體細(xì)

35、胞含有兩套染色體，少數(shù)的有四倍體、六倍體。如果用二倍體和四倍體西瓜雜交，可獲得三倍體西瓜，即無籽西瓜；某些先天性疾病與染色體的數(shù)目有關(guān)。如：Klinefelter綜合癥，患者外貌是男性，卻出現(xiàn)女性的發(fā)育特征，智力較差。Turner綜合癥，患者外貌像女性但無生育能力，常伴有先天性心臟病，智力低下。等等。產(chǎn)生基因突變的原因主要有自發(fā)和誘發(fā)兩種。在自然情況下發(fā)生的突變稱為自發(fā)突變，一般是由復(fù)制錯(cuò)誤或自發(fā)損傷造成的；由誘變劑引起的突變稱為誘發(fā)突變，如：輻射、化學(xué)藥物等都可誘發(fā)突變。生命狀態(tài)的保持和延續(xù)要求DNA分子必須保持高度的精確性和完整性，在長期的進(jìn)化過程中，活細(xì)胞形成了各種酶系統(tǒng)來修復(fù)或糾正因偶

36、然因素引發(fā)的DNA復(fù)制錯(cuò)誤和DNA損傷，這種修復(fù)系統(tǒng)是DNA的一種安全體系，用來保證遺傳的穩(wěn)定性。 第三節(jié) 生命的起源與演化地球上的生命是從哪里來的？又是以怎樣的方式產(chǎn)生的？這是人類長期艱難探索而至今未能解決的難題。但科學(xué)家們的努力已經(jīng)可以使我們大致的了解到：約46億年前，飽經(jīng)彗星和隕石撞擊的地球上，開始了造就生命世界的漫長歷程。首先，生命的蘊(yùn)育經(jīng)歷了10億年的化學(xué)進(jìn)化過程，無生命的無機(jī)物，在化學(xué)作用下，由無機(jī)到有機(jī)、簡單到復(fù)雜，最終出現(xiàn)了具有生命的原始物質(zhì)；接著，生命的演化又經(jīng)歷了30多億年的生物進(jìn)化過程，由低級到高級，先后出現(xiàn)了1700萬種生物。造就了地球上豐富多彩的生命世界。生命的進(jìn)化經(jīng)

37、歷了一個(gè)螺旋式上升的過程。見圖6-3。 圖6-3 生命進(jìn)化過程示意圖一、生命的起源 關(guān)于生命的起源，恩格斯在反杜林論中論述：“生命的起源必然是通過化學(xué)的途徑實(shí)現(xiàn)的?！?1993年7月在巴塞羅那召開的第十次國際生命起源學(xué)術(shù)會(huì)議上，關(guān)于生命起源的討論存在兩大觀點(diǎn)：1、化學(xué)進(jìn)化學(xué)說。即生命起源于原始地球從無機(jī)到有機(jī)、從簡單到復(fù)雜的化學(xué)進(jìn)化過程。2、宇宙胚種說。即地球上的生命來源于地球以外的宇宙空間，后來在地球上發(fā)展起來的。根據(jù)目前科學(xué)研究的成果，化學(xué)進(jìn)化學(xué)說得到了學(xué)術(shù)界的肯定。即：地球上的生命應(yīng)該是從無生命的物質(zhì)開始的?；瘜W(xué)進(jìn)化過程的10億年，可分為4個(gè)階段：1、從無機(jī)小分子物質(zhì)生成有機(jī)小分子物質(zhì)1

38、922年，蘇聯(lián)生物化學(xué)家奧巴林根據(jù)原始地球的自然條件，提出：原始地球上的某些無機(jī)物質(zhì)在來自閃電、太陽輻射等能量的作用下，變成了第一批有機(jī)分子。這是因?yàn)樵缙诘厍蛏咸?、氫、氧、氮、磷五種元素的存在，為生命的形成準(zhǔn)備了物質(zhì)條件，而早期地球中溫度較高的海水“原始湯”和特殊的氣候條件太陽強(qiáng)輻射、電閃雷鳴、傾盆大雨提供了有機(jī)物生成所需的良好化學(xué)條件。最終產(chǎn)生出甲烷、甲醛、乙醛、乙醇，直至氨基酸、核苷酸、單糖等有機(jī)小分子。1953年，美國化學(xué)家米勒首次通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了奧巴林的觀點(diǎn)。他采用早期地球上普遍存在的氫、甲烷、氨和水蒸汽等，模擬早期地球的環(huán)境，通過加熱、火花放電，合成了氨基酸。之后，科學(xué)家們又通過模擬早

39、期地球條件的實(shí)驗(yàn)，合成出了嘌呤、嘧啶、核糖、脫氧核糖、核苷、核苷酸、脂肪酸、卟啉、脂質(zhì)等等，這些都是組成蛋白質(zhì)和核酸的重要原材料。這些實(shí)驗(yàn)表明，組成生命基本物質(zhì)的蛋白質(zhì)和核酸的原料，完全可以在35億年前早期地球的原始湯中，通過簡單的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生。2、從有機(jī)小分子物質(zhì)生成有機(jī)高分子物質(zhì) 在原始海洋中，氨基酸、核苷酸等有機(jī)小分子物質(zhì)，經(jīng)過長期積累，相互碰撞，吸附在粘土或巖石等物體上，通過縮合和聚合，就形成了原始的蛋白質(zhì)和核酸。目前，科學(xué)家已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中模擬原始地球的條件，制造出了類似于蛋白質(zhì)和核酸的物質(zhì)。雖然這些物質(zhì)與蛋白質(zhì)和核酸是有差別的，并且原始地球上的蛋白質(zhì)和核酸的形成過程還需要考察和進(jìn)一步

40、驗(yàn)證，但至少可以說明一點(diǎn)：在原始地球條件下，產(chǎn)生有機(jī)高分子物質(zhì)是可能的。3、從有機(jī)高分子物質(zhì)組成多分子體系在原始海洋里，類似于蛋白質(zhì)和核酸的有機(jī)高分子物質(zhì)越積越多，濃度不斷增加，遇上泥土吸附、水分蒸發(fā)等適合的條件，一些有機(jī)高分子物質(zhì)經(jīng)過濃縮而分離出來，聚集成小滴。這些小滴漂浮在原始海洋中，外面逐步形成一層原始界膜，把內(nèi)部的有機(jī)物質(zhì)與外部的原始海洋隔離開來，構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的體系，即多分子體系。這種有界膜的多分子體系能夠與外界進(jìn)行原始物質(zhì)的交換活動(dòng)，這離原始生命的產(chǎn)生已經(jīng)非常近了。4、從多分子體系演變?yōu)樵忌@是生命起源過程中具有決定性意義的一步。一些多分子體系經(jīng)過長期不斷的演變，特別是蛋白質(zhì)和核

41、酸這兩大類主要成分的相互磨合，終于形成具有原始新陳代謝功能和繁殖能力的原始生命。生命的進(jìn)化歷程由化學(xué)進(jìn)化階段進(jìn)入到了生物進(jìn)化階段。 蛋白質(zhì)和核酸是生命的兩大要素。在生物體內(nèi)，蛋白質(zhì)的合成是根據(jù)DNA中的遺傳指令生成的，也就是說，沒有DNA蛋白質(zhì)就不能形成；而DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄需要蛋白質(zhì)中的酶的幫助，即沒有蛋白質(zhì)也不能形成DNA。那么，在原始生命產(chǎn)生之時(shí)，究竟是先有蛋白質(zhì)，還是先有DNA？1971年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者艾根避開這一問題，提出了蛋白質(zhì)和RNA在一個(gè)超循環(huán)中共同進(jìn)化的動(dòng)力學(xué)模型。80年代初有科學(xué)家提出：RNA可能是最早出現(xiàn)的能自我復(fù)制的分子。他們在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，某些RNA自身可以起酶的作用

42、，把自己一分為二，并能把分開的部分再次結(jié)合起來。也就是說，RNA可以不需要蛋白質(zhì)的幫助而自我復(fù)制。它可以具有基因和酶的雙重作用。根據(jù)對古化石的研究發(fā)現(xiàn)，在原始地球形成的頭10億年內(nèi)，就已經(jīng)出現(xiàn)了這種物質(zhì)。因此，可以認(rèn)為，地球上第一批誕生的生命可能是由能夠簡單自我復(fù)制的RNA分子組成的生物體。隨著進(jìn)一步的進(jìn)化，它們變得能夠合成蛋白質(zhì)和脂類，蛋白質(zhì)可以幫助它們加快復(fù)制，脂類有助于形成細(xì)胞壁和細(xì)胞膜。最后，RNA生物體進(jìn)化產(chǎn)生出DNA，起到更可靠的遺傳作用。目前，科學(xué)家們在實(shí)驗(yàn)室中，已經(jīng)得到了能夠起酶作用的RNA分子，并且，在提供酶的條件下，它們能夠適應(yīng)環(huán)境和進(jìn)化。但RNA最初又是如何形成的？仍然是

43、未解之謎。在生命起源問題的重大課題中，還有相當(dāng)大的未知空間需要人類去探索。二、生物的進(jìn)化自從地球上原始生命誕生到現(xiàn)在，已有約38億年了。開始時(shí)，生物進(jìn)化極為緩慢，從生命出現(xiàn)到真核細(xì)胞的產(chǎn)生經(jīng)歷了約18億年的時(shí)間?；C據(jù)表明，38億年前地球上就已經(jīng)出現(xiàn)了原核生物，它們主要以藍(lán)藻的形式在海洋中生存了幾億年，吸收陽光、放出氧氣。20億年前，出現(xiàn)了真核單細(xì)胞生物。大約在5億年前，地球生物發(fā)生了大爆炸，在海洋中似乎是突然出現(xiàn)了和現(xiàn)在一樣多的生物種類。這些生物迅速登陸，為地球披上了綠裝，讓大地生機(jī)勃勃。2億年前的恐龍時(shí)代出現(xiàn)了原始哺乳動(dòng)物，而在近300萬年中，特別是人類出現(xiàn)以后，生物進(jìn)化呈加速發(fā)展的態(tài)勢

44、。見表6-2。 表6-2 生物演化年代表距今年代（百萬年）大氣演化生物演化動(dòng)物植物4600 3800無氧氣圈時(shí)代無生命時(shí)代 3800 2500少氧氣圈時(shí)代生命發(fā)生和最初分化時(shí)期 2500 600含氧氣圈時(shí)代海生無脊椎動(dòng)物時(shí)代藻類時(shí)代600 410富氧氣圈時(shí)代 410 350魚類時(shí)代蕨類植物時(shí)代 350 225兩棲動(dòng)物時(shí)代 225 65爬行動(dòng)物時(shí)代裸子植物時(shí)代 65 至今哺乳動(dòng)物時(shí)代被子植物時(shí)代整個(gè)生物進(jìn)化過程大致分為4個(gè)階段：1、從原始生命到細(xì)胞原始生命最初是以非細(xì)胞形態(tài)出現(xiàn)的。它外層包著的界膜還不能很好地控制內(nèi)外物質(zhì)的交換，自己不能產(chǎn)生有機(jī)物，所需養(yǎng)料直接從周圍環(huán)境中攝取。由于缺少氧氣，它們

45、只能過著厭氧的異養(yǎng)生活。 經(jīng)過漫長的進(jìn)化過程，原始生命的界膜逐步演變成精細(xì)的細(xì)胞膜，體內(nèi)的蛋白質(zhì)逐步演化成細(xì)胞器，原始細(xì)胞就誕生了。2、從原始細(xì)胞到真核細(xì)胞 剛誕生的原始細(xì)胞為原核細(xì)胞，結(jié)構(gòu)簡單，沒有明顯的細(xì)胞核。原核細(xì)胞在演化的過程中出現(xiàn)分化，一部分演變?yōu)榫?，一部分演變?yōu)樵孱?。藻類以藍(lán)藻的形式生活在海洋中，它們可以進(jìn)行光合作用，在陽光的照射下，一方面能夠?qū)o機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，變異養(yǎng)為自養(yǎng)。另一方面，能夠吸收二氧化碳并放出氧氣，使空氣中的含氧量逐步增加，加快了生物的新陳代謝。同時(shí)，隨著大氣中氧氣的增加，大氣層中出現(xiàn)了臭氧層，阻擋了紫外輻射，保護(hù)了生命。大約在20億年前，地球上出現(xiàn)了真核單細(xì)胞

46、生物。真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能比原核細(xì)胞要復(fù)雜的多。具有遺傳功能。真核細(xì)胞出現(xiàn)后，生物進(jìn)化的速度大大加快。生物為了適應(yīng)各種不同的環(huán)境，朝著不同的方向發(fā)展，促使了生物種類的多樣化和復(fù)雜化。3、從單細(xì)胞生物到多細(xì)胞生物單細(xì)胞的原始藻類，具有動(dòng)物和植物雙重性，它們既能在水中游動(dòng)，又因含有葉綠素，可進(jìn)行光合作用。在演化的過程中，一部分藻類運(yùn)動(dòng)功能逐步退化，變?yōu)閱渭?xì)胞綠藻，逐漸演化成植物的祖先；一部分藻類的運(yùn)動(dòng)功能加強(qiáng)，變?yōu)閱渭?xì)胞動(dòng)物，逐漸演化為動(dòng)物的祖先。 單細(xì)胞生物聚合在一起，在群體生活中逐步出現(xiàn)功能上自然分工的趨勢，從單細(xì)胞生物演變成多細(xì)胞生物。多細(xì)胞生物不僅體積增大，而且不同部位細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理

47、功能也各不相同，使生物體能夠更好地適應(yīng)環(huán)境地變化，同時(shí)也為生物在自然選擇下產(chǎn)生變異創(chuàng)造了條件。因此，多細(xì)胞生物的產(chǎn)生，是生物進(jìn)化過程中的一次飛躍。4、從低級生物到高級生物 原始生命、單細(xì)胞生物和多細(xì)胞生物最初都是在水環(huán)境中誕生和演化的。后來由于生存環(huán)境的變化，一部分水中生物登上陸地，成為陸地生物，由于陸地生存環(huán)境復(fù)雜，但發(fā)展空間廣闊，使生物演化的步伐大大加快。動(dòng)、植物開始沿著不同的方向，由低級生物向高級生物迅速發(fā)展起來。動(dòng)物的演化經(jīng)歷了五大階段：高等無脊椎動(dòng)物時(shí)代、魚類時(shí)代、兩棲類時(shí)代、爬行類時(shí)代和哺乳類時(shí)代。植物的演化經(jīng)歷了四大階段：藻類植物時(shí)代，如：紅藻、褐藻、綠藻等；蕨類植物時(shí)代，如：裸

48、蕨、高大的鱗木、蘆木、封印木等；裸子植物時(shí)代，如：脈羊齒、本內(nèi)蘇鐵、松柏、銀杏等；被子植物時(shí)代，現(xiàn)今所見的許多植物。 在生命演化的漫長歲月中，隨著生存條件和自然環(huán)境的變化，有些物種滅絕了，有些則保存下來，并且為了適應(yīng)環(huán)境的變化而不斷進(jìn)化。目前乃至今后，這種生物演化的過程仍然將不斷繼續(xù)下去。第四節(jié) 21世紀(jì)生命科學(xué)研究的進(jìn)展什么是生命科學(xué)？生命科學(xué)是以生物為研究和應(yīng)用對象，根據(jù)基因理論和分子生物學(xué)技術(shù)，通過對蛋白質(zhì)行為和細(xì)胞活動(dòng)的研究和分析，來解釋生命的過程、現(xiàn)象，揭示生命本質(zhì)為內(nèi)容的知識(shí)體系。生命科學(xué)以人為本，在21世紀(jì)將扮演重要的角色。人們期望通過生命科學(xué)理論來指導(dǎo)生物技術(shù)，控制生命過程，由

49、生物體去改變世界，同時(shí)完善人類本身。一、人類基因組計(jì)劃人類對基因的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了由個(gè)別到一般、從局部到整體、從簡單到復(fù)雜的認(rèn)識(shí)過程。科學(xué)技術(shù)的突破、知識(shí)的積累，促使人類的思維產(chǎn)生飛躍、科學(xué)家們認(rèn)識(shí)到生命過程的現(xiàn)象和本質(zhì)，不能孤立地從單個(gè)基因的結(jié)構(gòu)和功能上來認(rèn)識(shí)，必須把生命過程看成一個(gè)整體，把生物體的全部基因及其相互關(guān)系統(tǒng)一起來考慮。 1985年5月，美國加州大學(xué)的校長在一次會(huì)議上提出了希望在他們那里成立一個(gè)研究中心，來測定人類所有細(xì)胞染色體上DNA的序列。1988年2月，美國國家科學(xué)研究委員會(huì)的一個(gè)專家組，撰寫了題為人類基因組的作圖與測序的專題報(bào)告，這就是可與曼哈頓原子彈計(jì)劃和阿波羅登月計(jì)劃相比擬

50、的人類基因組計(jì)劃（Human Genome Project,簡稱HGP）。該計(jì)劃準(zhǔn)備用15年時(shí)間，耗資30億美元，完成人類基因組全序列的測定。即確定人類基因組的數(shù)萬個(gè)基因中，每一個(gè)基因在染色體DNA上的位置，即稱為“作圖”；進(jìn)而測出組成這些基因的核苷酸的排列順序，即稱為“測序”。 人類基因組是怎樣測定的？首先，科學(xué)家們從不同的人的細(xì)胞中提取染色體，獲取其DNA，切成小段，重組、擴(kuò)增，然后進(jìn)行測序，即確定每個(gè)DNA片斷的堿基順序。讀出的序列再經(jīng)處理，形成完整的序列。這一工程是龐大而復(fù)雜的，需要國際合作共同完成?？茖W(xué)家有了全部完整的序列后，再根據(jù)基因結(jié)構(gòu)編碼的規(guī)律，尋找基因，確定基因的功能，從而定

51、位哪些基因與引起疾病或保護(hù)人體健康的蛋白質(zhì)有關(guān)。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)者之一、美國國家衛(wèi)生研究院（NIH）人類基因組研究中心前負(fù)責(zé)人沃森，在1990年發(fā)表的文章中指出：“盡管比之于人類登月，HDP的投入資金要少很多，但HGP對人類生活的影響要深遠(yuǎn)得多。因?yàn)殡S著這個(gè)計(jì)劃的完成，DNA分子中編碼的遺傳信息將對人類存在的化學(xué)基礎(chǔ)做出最終的回答。它們將不僅幫助我們理解我們是如何作為健康的人發(fā)揮正常功能的，而且也將在化學(xué)水平上解釋遺傳因子在各種疾病，如：癌癥、早老癡呆癥、精神分裂癥等一些嚴(yán)重危害人類健康的疾病中的作用。畢竟對人類自身更深入的了解是人類活動(dòng)中最重要的一個(gè)部分?！?990年10月，國際人類基因

52、組計(jì)劃啟動(dòng)。1999年9月中國獲準(zhǔn)加入人類基因組計(jì)劃，負(fù)責(zé)測定人類基因組全部序列的百分之一，也就是三號(hào)染色體短臂上的三千萬個(gè)堿基對序列，中國是繼美、英、日、德、法之后，第六個(gè)國際人類基因組計(jì)劃的參與國，也是參與這一計(jì)劃唯一的發(fā)展中國家。2003年，科學(xué)家們經(jīng)過13年的共同努力，終于提前繪制完成了人類基因組序列圖，首次在分子層面上為人類提供了一份生命“說明書”，奠定了人類認(rèn)識(shí)自我的基石，推動(dòng)了生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)科學(xué)的進(jìn)展，為全人類的健康帶來了福音。2007年5月30日，79歲的沃森成為自己研究的受益者獲得了一張存儲(chǔ)著自己全部基因序列的DVD光盤，成為世界上第一份完全破譯的“個(gè)人版”基因組圖譜的擁有者

53、。人類基因組由30億對堿基組成，包含數(shù)萬個(gè)基因，分布于23條獨(dú)立的染色體之中。人類通常具有兩套這樣的染色體（46條），一套來自父親，一套來自母親，兩者間存在0.01的差異，所以人的全基因組實(shí)際上包括60億對堿基。美國“454生命科技公司”對沃森的兩套染色體的60億對堿基都進(jìn)行了測序，雖然工作量浩大，但只用了不到2年時(shí)間。從目前的發(fā)展來看，隨著耗時(shí)和成本的大幅度減少，未來“個(gè)人版”DNA圖譜將走向大眾。人們可以將自己完整的生命“說明書”與標(biāo)準(zhǔn)的人類基因圖譜進(jìn)行比較，不僅有助于提早預(yù)防癌癥、心臟病、阿爾茨海默氏癥等多種頑疾，同時(shí)，有助于科學(xué)家對與基因有關(guān)的疾病、智力、性格等問題的研究。人類基因組序

54、列圖將會(huì)給人類生活帶來哪些巨大的變化，目前還很難預(yù)料。在對人類基因組測序的同時(shí)，對其它生物體的測序工作也在進(jìn)行之中，例如：已經(jīng)完成了酵母、擬南芥等模式生物的測序和水稻、魚、小鼠的測序，一些與人類關(guān)系密切的生物基因組的測序正在進(jìn)行之中。由各國科學(xué)家測出的大量基因序列絕大部分直接放在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫內(nèi)供全人類使用。由此發(fā)展了生物信息學(xué)和生物芯片技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)來研究基因的結(jié)構(gòu)、基因的起源與演化、基因的功能、更重要的是研究基因之間的關(guān)系。對功能基因編碼的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能的研究，以及它與人類健康的關(guān)系，是當(dāng)前生命科學(xué)研究領(lǐng)域最重要、也是最熱門的前沿課題。無論是從事基礎(chǔ)研究的科學(xué)家，還是大制藥公司、風(fēng)險(xiǎn)投資

55、公司，都在高效率地開發(fā)研究，因?yàn)樵撗芯拷Y(jié)果將直接揭示人類疾病發(fā)生和治療疾病的秘密，其中蘊(yùn)藏著無限商機(jī)。人類基因組研究的不斷深入，在給人類帶來福音的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生一些負(fù)面的因素，如：基因武器等。因此，全人類都必須保持冷靜和謹(jǐn)慎，讓基因研究的成果帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展，造福于人類。 二、腦科學(xué)的發(fā)展探索人類智力的起源與進(jìn)化、揭示人類大腦的奧秘，是21世紀(jì)生命科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的重大科學(xué)研究課題。腦科學(xué)研究的進(jìn)展，不僅將引起生命科學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)理論的重大突破，同時(shí)，可以帶動(dòng)腦理論、信息加工及再創(chuàng)造、模式生成和模式識(shí)別、聯(lián)想記憶、腦的非線性動(dòng)力學(xué)以及思維的物理規(guī)律等方面的研究取得突破，并促進(jìn)人工智能領(lǐng)域的發(fā)展。1、人類智力的起源與進(jìn)化所謂智力，是指人認(rèn)識(shí)客觀事物并運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。它集中表現(xiàn)在反映客觀事物深刻、正確、完全的程度上，往往通過觀察、記憶、想象、思考和判斷等表現(xiàn)出來。而智能是人的內(nèi)在智力和由智力外化的行為的總和。人類智能的特點(diǎn)是主要是思想，而思想的核心則是思維。人類智力來源于人的健全的大腦。智力的起源與進(jìn)化是在人類的起源與進(jìn)化這一漫長的歷史過程中由低級到高級而逐步實(shí)現(xiàn)的。在生物進(jìn)化的過程中，機(jī)能決定結(jié)構(gòu)，機(jī)能的發(fā)展引起結(jié)構(gòu)的變化。在由猿進(jìn)化到人的過程中，