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作者:[英] 彼得·阿特金斯

 

作品简介:

 

虽然,科学已渗透到社会的各个领域和层面,科学的价值和地位也更高了,但是,毋庸讳言,在一定的范围内或某些特定时候,人们只是承认“科学是有用的”,只停留在对科学所带来的结果的接受和承认,而不是对科学的原动力——科学的精神的接受和承认。此种现象的存在也是不能忽视的。

 

科学,特别是自然科学,最重要的目标之一,就是追寻科学本身的原动力,或曰追寻其第一推动。同时,科学的这种追求精神本身,又成为社会发展和人类进步的一种最基本的推动。

 

为什么是《伽利略的手指呢》?因为伽利略标志着科学史上的一个转折点,即从那时起科学探索开始朝着一个新的方向转变,而“科学家们”——当然,这个词用来指代当时的研究者其实并不恰当——则从先前的“摇椅式”空想中解脱出来,并对先前囿于权威的各种探求世界本质的方法的有效性提出质疑,从而在通往现代科学的道路上迈出了蹒跚的第一步。

 

在这本杰出的阐释当代科学核心思想的著作中,彼得·阿特金斯盛赞了伽利略极具象征意义的手指在揭示宇宙、地球及人的本质时所具有的强大力量。作者通过深入浅出的讲解,带领我们逐步领略科学的全貌与本质,深入了解当今十个核心科学思想。无论是你身处其中而不自知的能量,还是一切变化之源——熵,从宇宙学到时空,从DNA到对称,你能接触或想到的相关知识。

 

彼得·阿特金斯(Peter Atkins),英国牛津大学化学系教授,并且也是该校林肯学院的特别会员。他是世界著名的多产科普作家,已撰写了20多部书,其中包括影响甚广、知名度颇高的Moiecules和在世界范围内广被采用的教科书Physlcal Chemistry。

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下面我们将总结一下上述所有过程。这些过程可以表述为遗传的中心法则,即遗传信息的流向是DNA→RNA→蛋白质。只有在极少数情况下遗传信息的流动方向是由RNA到DNA的(我们将在后面讨论)。而遗传信息不可能由蛋白质流向DNA这个结论,则进一步证明了拉马克的所谓获得性状(即蛋白质执行功能)是可遗传的猜想是不正确的。
因此,理解DNA结构的重要性在现在看来就显而易见了。但是我们还得接触许多零散的东西,虽然说是“零散”的东西,但实际上它们却是现今科学研究的重点与热点,并且永无止境。
首先是它与进化的联系,这一主题的分子基础我们在第1章中已经作了探讨。我们知道,DNA的复制和转录并非完美无缺:核苷酸和氨基酸分子在不停地“摸索”,以期加入各自对应的长链(如DNA,mRNA和蛋白质)的过程也会出错。这些分子根据其要加入的长链的形状和所带电荷作出相应的反应,尽管其尽其所能去“契合”整个长链,但是在有些情况下还是会进入错误的位置,并且不能在错误发生前及时收住脚步。DNA也许会在复制过程中发生错误,mRNA在翻译过程中也可能发生错误,tRNA分子也有可能结合到错误的密码子上,或者即便其结合到了正确的密码子上,但是它也可能会携带一个错误的氨基酸。但是纵观上面讨论的各种可能性就会发现,除了第一种可能性,即DNA复制发生错误,其他几种都是暂时现象,他们只会影响一个细胞,而不是整个个体。DNA复制发生错误即意味着突变的发生,往往称之为体细胞突变,它会影响整个机体的正常功能。因为在有机体发育早期发生的一个错误将会被不停地复制再复制,并会充斥整个机体。而在减数分裂发生即形成配子的过程中,突变的DNA将会随着种系的延续进入到下一代中,这种类型的突变叫作生殖细胞突变
DNA复制很明显是一个存在着危险的过程,因为总有出错的机会。但是我们应该有起码的自信去认为这个过程还是比较稳定的,不然的话(即突变频繁发生),我们也就不会立于天地之间了。当然,随着时间的推移,总有一天我们(物种)会离开这个世界。至于DNA为什么能够“长寿”,其中一个原因就是我们机体中的每一个细胞中都有一个精密的监控和修复系统,它能够识别突变的基因并及时将其修正;另一个原因就是DNA包含大量的垃圾片断,这些区域称为内含子,它们不编码任何遗传信息(即不“表达”),充其量只不过来凑凑热闹而已[24]。DNA中的重要部分,即真正编码遗传信息的区域称为外显子。如果突变发生在内含子中,那么对机体将不产生任何影响,因为内含子中的碱基序列并不表达产生蛋白质。人体内大多数DNA序列都是内含子,因为在大自然所谓的精巧与经济但实际上却是可悲的法则中,它并没有费心去把这些毫无用处的“垃圾”DNA清除掉,反而却不厌其烦地将其“拖”到一代又一代中。这种现象很令人不可思议,因为这意味着大量宝贵的资源——能量,将会消耗在垃圾DNA的复制过程中。或许这些垃圾DNA即内含子具有我们尚未认识的功能,或许它们的存在是保证遗传信息顺利延续下去的最优方案,因为内含子从不暴露于那种因活动频繁而带来的危险中。它们也许就是纯粹的、永恒的、但不表达的信息,除了无目的地存在以外,没有其他任何想法。这种无目的的DNA是极其成功的,因为如果按照是否编码蛋白质来说的话,我们携带的DNA中有98%就是这种垃圾DNA,只有剩余的2%是有用的。
我们很容易就联想到了DNA中的许多种类的突变。碱基替换就是指DNA序列中一个碱基被另一个碱基所替代。有些碱基替换是“沉默”的,意即含有突变碱基的密码子与原来的密码子编码的是同一种氨基酸,因此最终合成的蛋白质功能并不受影响。但是其他类型的碱基替换则有可能会改变遗传信息,而且这种改变所产生的负面效应的严重程度,将取决于突变的氨基酸与正常情况下(没有发生突变)的氨基酸在分子结构方面的差异程度。插入突变缺失突变分别指的是原来的DNA序列中插入或缺失完整的碱基对。这两种突变将会扰乱DNA上遗传信息的正确解读,比如一段序列……ATGGTCT……应该读为……(ATG)(GTC)(T……,如果这段序列中的第二个T缺失的话,那么将会读为……(ATG)(GCT)(……,由此翻译而成的蛋白质可能会面目全非,并且没有功能。但是反过来说,也许这种突变也可能会对生物的进化产生积极意义(另一种方式的进化),比如会增强猎豹爪子的锋利程度,或者增强鹿类的嗅觉敏感性。
突变可以自发产生,也可以经诱导产生。自发突变往往是以一个恒定的频率发生,并且构成了生物圈内部那个以恒定速度运行的分子遗传钟。对于一个给定的基因来说,其突变发生的频率大体是恒定的,因此通过考察比较两个物种中存在差异的氨基酸的数量,就可以推断出它们是何时从一个共同的祖先分化开来的。我们在第1章中就了解了这样的信息,我们也注意到进化(趋势)是可预知的,因为没有哪个事例表明这种氨基酸的差异信息是与物种出现的先后顺序相冲突的。通过赋予分子遗传钟以时间刻度,可以使得生物世系的遗传图谱(就像图1-2中的世系片断)具有明确的时间性。另外,突变也可由环境因素诱导发生,比如生物体暴露于核辐射或紫外线照射,摄入化学品和有毒的含氧物质,比如超氧化物(其中一个氧原子带有单电子)的氧化作用等,这也是我们利用氧气并争取长寿所必须付出的代价。
尽管中心法则确定遗传信息是由DNA流向RNA,再流向蛋白质的,但是我们也发现了一些与这个中心法则相悖的事例,比如逆转录病毒。逆转录病毒含有一条单链RNA分子,它借助宿主细胞(即这种病毒在其中寄生的细胞)中的双链DNA分子进行自我复制。例如能够导致艾滋病的人类免疫缺陷病毒(HIV)就是一种逆转录病毒。它能够破坏人体免疫系统,相当于为细菌感染机体打开了方便之门。HIV是在1983年由法国巴黎的巴斯德研究所的卢克·蒙塔尼埃、美国国立肿瘤研究院的罗伯特·伽罗以及加州大学旧金山分校的杰·兰维首次分离出来的。HIV结合到人体内的一种白细胞——T淋巴细胞上(即HIV的宿主细胞),并将其自身的RNA和逆转录酶转移进T细胞内部。在这里,HIV的RNA分子移动到T淋巴细胞染色体上的DNA分子附近,随后在逆转录酶的催化作用下,以RNA分子为模板合成了一条与之互补的DNA链(RNA-DNA杂合双链)。之后这个杂合双链解开,又以其中新生的DNA链为模板合成了与之互补的新DNA链。至此,原来的单链RNA分子就“变”出了一个双链DNA分子。随后,这个病毒DNA分子整合进入宿主细胞的DNA中,并且借宿主DNA转录之便,病毒DNA分子也顺势转录出了自己的mRNA。接下来病毒mRNA将会被翻译成蛋白质,以构建出更多的病毒分子颗粒(这个过程也称为病毒的扩增)。随后这些病毒颗粒在宿主细胞中成长起来,并形成细胞壁来保护自己。这个过程会把淋巴细胞表面的膜溶解掉,并进而导致其死亡,因此降低了机体对感染的免疫耐受性。有的观点认为,逆转录病毒是多种癌症(包括在人类中发现的一些癌症)的诱发因素。
限制性内切酶是多种细菌都可产生的一类酶,它能够识别DNA分子中特定的碱基序列,并且在特定的位点进行切割而将原来完整的DNA分子切成片段。此过程中形成的片段能够被另一种称为连接酶的酶类拼接起来。宿主细胞内还存在一种叫作载体的微观生命,它们的DNA能够独立于宿主DNA而进行自我复制(注意与病毒不同),其中常见的载体就是质粒,它是一类在细菌中发现的环状DNA分子。含有插入的外源DNA片段(即非自身的)的载体分子叫作重组DNA。载体分子能够构建出一个特定序列的DNA片段的大量拷贝,原来的DNA经过扩增后会产生大量的DNA克隆。由此产生的菌落(细菌的集群)中可能会有目标物质的产生,就像通过基因工程来生产胰岛素一样,或者在基因治疗中,可以将这种重组DNA片段重新插入到原来的有机体中。
用于改造DNA的新方法包括如下几种:直接的显微注射法是将包含外源基因的遗传材料,经由一个带有精细尖端的毛细管,注射进受体细胞内。受体细胞将会“照料”这种注射进入其中的外源基因,并且启动一个机制,“亲切地”将外源基因带入宿主细胞的细胞核内,并将其整合到宿主细胞的DNA中。另一种则通过在宿主细胞膜上穿孔而使外来的基因进入到宿主细胞,并整合到宿主的DNA中。这种方法分为化学穿孔法和电穿孔法。前者是将宿主细胞孵育在含有特定化学物质的溶液中,而在细胞膜上进行打孔的方法;后者是将宿主细胞置于弱电流环境下而在细胞膜上打孔的方法。如果你认为以上的方法过于精密繁杂的话,那么你可以诉诸于生物弹道学,这种方法是将表面吸附有遗传物质(外源基因)的金属颗粒直接射入宿主细胞中,从而使得外源基因有机会整合进宿主的DNA中。说到这里,我又回忆起了系列电影《印第安纳·琼斯》(又译《夺宝奇兵》)中的一个场景:在其对手完成一组令人惊叹的精彩的传统剑术“表演”后,琼斯轻巧地射杀了他。
说到枪杀,相关DNA理论的另一个主要应用就是法医学鉴定,一般采取DNA图谱分析方法,或者更准确地讲,就是DNA指纹鉴定。真正的指纹鉴定法是由曾在东京工作的苏格兰医师亨利·福尔兹于1880年首次提出的。当时用这种方法作为一种鉴别嫌疑犯的手段,随后利用这种鉴定的结果,作为赦免无罪的嫌疑犯和鉴别当地曾进行盗窃的罪犯证据。一百多年过去了,伴随着莱瑟斯特大学的阿莱克·杰里菲斯于1984年发明的“DNA指纹鉴定法”,我们用于鉴别某个人的手段已经发生了质的变化,检测对象也从他(她)的指尖(即指纹)深入到了他(她)身体内部的每个细胞中。在这里,我们需要了解这个技术所具有的两个特征:其一就是微量DNA需先进行扩增;其二就是真正的指纹鉴定过程。DNA图谱分析技术(即指纹鉴定法)在法医学鉴定,亲子(尤其是父子)关系确认以及生物进化的研究方面是如此重要,以至于在过去20年间有着极其巨大的发展,并且针对不同的情况又有许多改进。在这里我们将概述一下最典型的鉴定方法。
卡瑞·穆里斯(1944—)是聚合酶链式反应(PCR)技术的发明者。他曾说道,在1983年的某个晚上,当他伴着月光驾车行驶在加利福尼亚山岭之间时,灵感突然跃入了他的脑海,并促成了这项伟大技术的诞生。若干年后,凭借这一创造性成果,穆里斯最终获得了诺贝尔奖。聚合酶是一种能够催化解链(即DNA双链解开,成为两条单链)后的单链DNA进行复制的酶,它也可用于体外实验。为了能够发挥作用,聚合酶需要丰富的核苷酸碱基作为底物(即作用对象),除此之外,还需要有两个引物。引物就是指包含大约20个碱基的DNA短序列,它的作用就是“引发”DNA复制。扩增步骤如下:首先,通过加热使得DNA两条链分开(即DNA的“熔化”),随后降温(即“退火”)过程使得引物结合(根据碱基互补原则)到DNA链的合适部位。在这个过程中,引物左冲右撞直到正好找到与其碱基互补的位置并结合上去,并作为DNA链复制区与非复制区(即与引物相结合的DNA序列)的分界点。最后,温度再一次升高直到聚合酶能够发挥高效作用,这时与DNA模板链互补的链就开始合成了(即“延伸”)。纵观上述过程我们可以发现,其中的聚合酶必须能够经受得住“熔化”阶段高温的考验,因此它不是一般的聚合酶,而是从生活在高温温泉的细菌中,比如嗜热水生菌中提取出来的。一个循环过程(既“熔化”—“退火”—“延伸”过程)大约需要3分钟。然后这种循环过程不断重复,大约经过30或40轮这样的循环就会扩增出介于两个引物之间的海量的DNA拷贝(图2-16)。这意味着即便是极其微量的DNA样品也能够通过扩增而达到可以用于检测的量。

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