455 14其他代表性基因 114.1大肠杆菌基因组 1142醇母基因组 A59 11.43拟南芥基因组 460 114.4水稻基因组 11.45家蚕基因组 462 114.6鸡基因组 463 466 思考题 气 主要参考书目 名词解释 后记 索引 目录
第1章 绪论 14引言 12分子生物学简史 13分子生物学主要研究内容 14展望
1.1引言 现代分子生物学研究的终极目标是要在分子水平上阐明细胞活动的规律，揭示生命 的本质。从20世纪40年代开始，无数生命科学家用他们的智慧和汗水，赢得了20世纪 自然科学最伟大的革命—揭开生物遗传的谜底。随者DNA的结构与功能、RNA在蛋 白质合成中的作用、蛋白质的结构与功能、遗传密码及基因表达调控的本质等被相继阐 述，人类开始了从生物学的必然王国向自由王国的过渡。分子水平的生物学研究，正在越 来越多地影响各个传统生物科学领域，如组织学、细胞学、解剖学、胚胎学，遗传学及生理 学和进化论。我们将在本书中尽可能系统性地提供有关现代分子生物学各分支的基本理 论和主要实验依据，介绍导致最近20~30年来现代分子生物学高速发展的新技术、新方 法以及所衍生的新学科。本章首先介绍历史背景和主要人物，并简单讨论人类对遗传的 最基本单位一基因化学本质的认识过程。 1.1.1创世说与进化论 多少年来，人们常常会反复提出3个与生命和一切生物学现象有关的问题 (1)生命是怎样起源的？ (2)为什么“有其父必有其子”？ (3)动、植物个体是怎样从一个受精卵发育而来的？ 直到19世纪初叶，这些问题大都只能从宗教或迷信的角度进行回答。西方人一直相 信基督教的宜传，相信上帝先创造了花草树木、世间万物，后来又创造了男人亚当，再从亚 当身上抽出一根肋骨，这就成了女人夏娃。亚当、夏娃婚配繁衍产生了人类。1859年，伟 大的英国生物学家达尔文(Charles Darwin)发表了著名的《物种起源》一书，确立了进化论 的概念。正是达尔文的生物进化学说，打破了上帝造人的传统观念，改变了社会对人类在 整个世界中的地位的看法，极大地推动了人类思想的发展。 达尔文从小热爱大自然，喜欢采集动，植物标本。他16岁到爱丁堡大学学习，参加了 青年人组织的普林尼学术活动，共同研讨拉马克的进化学说。拉马克虽然不信“上帝创 造一切”的“创世说”，却又拿不出令人信服的证据来。这些讨论使达尔文的思想陷于矛 盾和斗争之中，他决心深入大自然去寻找答案。 9年后，达尔文以自然科学家的身份，参加了历时5年的“贝格尔号”军舰环球旅行， 历尽了千辛万苦，在晕船、饥渴，病痛和死亡的威胁下，仍坚持工作。他观察过火山，经历 过地震，见到了各种形形色色、稀奇古怪的动物和植物。达尔文采集了大量动，植物标本 和化石并细心地进行比较、鉴别和研究，提出并解答了一系列学术问题，如：相似的动物为 0 第1章缩论
什么居住在千里之外的不同地区？同一个小岛上为什么聚集着许多不同的动物？低等动 物与高等动物间有些什么样的联系？人是如何产生的？等等。他认为，大陆自古以来发 生过许多次巨变，如冰川时期等，所以不可能存在旦古不变的动、植物。 从“贝格尔号”回到英国以后，他发表了一系列论文，逐步阐述了生物进化的观点。 在《物种起源》这部划时代的科学巨著中，他用大量事实证明“物竞天择，适者生存”的 进化论思想。他认为世界上的一切生物都是可变的，并预言从低级到高级的变化过程中 必定有过渡物种存在。他指出物种的变异是由于大自然的环境和生物群体的生存竞争造 成的，彻底否定了上帝创造万物的旧思想，推翻了物种不变的神话，使生物学真正迈人实 证自然科学的行列。 通过记载不同动，植物的地理分布，研究近亲种族的解剖学、形态学的相似性和变异 率，达尔文第一个认识到生物世界的不连续性。他还发现，当记录研究跨越一个较长的历 史时期，主要存在物种会有很大的变化。他提出许多环境因素，如大地变迁、特定区域内 的温度、降水量变化及气候条件改变，都会以“自然选择压力”的形式，在生物体的世代遗 传中体现出来。正是在这种“自然选择压力”之下，新物种才不诞生，旧的、与环境不再 相容的物种也不断消亡。他在书中这样写道：“对于每一个动、植物种群来说，因为总是有 大大多于可能生存下来的个体出生，所以为生存而斗争是长期的、水久的。”如果某些个 体偶然获得了于自身有利的变异就会在生与死的斗争中占同类的上风，从而生存下来。 根据遗传学原理，任何生存下来的个体都倾向于扩增其经过修饰的新性状，以保持生存 优势。 达尔文关于生物进化的学说及其唯物主义的物种起源理论，是生物科学史上最伟大 的创举之一，具有不可磨灭的贡献。为了纪念这位生物科学大师，人们把进化论称为“达 尔文学说” 1.1.2细胞学说 早期生物科学家的另一大贡献是提出了“细胞学说”。 l7世纪末叶，荷兰籍显微镜专家Leeuwenhoek制作成功了世界上第一架光学显微镜。 通过这一装置，他看到了一系列肉眼看不到而又使人迷惑不解的微小生物，他将这些小生 命称为“微动物”(animalcule)。若干年后，人们才知道它们是单细胞生物 Leeuwenhoek出身贫寒，l6岁便失学当了学徒。在好奇心驱使下，他把工余时间都用 来研究、磨制、装配玻璃透镜。开始，他用自己磨制的透镜观察蜜蜂蜇人的“针”，看蚊子 叮人的嘴以及小甲虫的腿等。随者制镜手艺不断提高，他制成了能放大200倍的显微镜 他不断公布自己的观察结果，并将新发现报告给当时世界最权威的科学管理机构一英 国皇家学会。他第一个观察到狗和人的精子，发现了酵母菌，描述了红细胞等。为了表章 和鼓励Leeuwenhoek的研究工作，英国皇家学会吸收他为会员，自此一个小学徒终于成为 受人尊敬的科学家。 1702年，Leeuwenhoek在观察轮虫时，偶然发现雨水中有微生物。这些生物是怎么来 1.1引言 003
的呢？为了解开这个谜，他做了一个实验：收集开始下雨时的雨水来观察，里面并没有微 生物。到了第四天再观察，就有许多微生物出现在水中。Leeuwenhoek因此得出了一个结 论：“风能将空气灰尘中的微生物带入水中。”以后经过对昆虫、海贝和鳝鱼等的细心研究， 他进一步断定：“微生物不是由泥沙尘埃产生的，而是和动物一样，有完整的生活史”。这 一有趣的发现使Leeuwenhoek更为出名。 大约与Leeuwenhoek同时代的R.Hooke,第一次用“细胞”这个概念来形容组成软木 的最基本单元。虽然直到19世纪中叶，这一概念才正式被科学界所接受，但它对生物学 的贡献是不可估量的。随者显微技术、组织保存技术和超薄切片技术的不断发展，科学家 发现动、植物组织都是由细胞所组成，而且细胞是可以分裂的，每一个细胞都是或曾经是 一个单独的活的实体，包含有生命的全部特征。 动、植物的基本单元是细胞，这是19世纪三大发现之一的“细胞学说”的核心。建立 这一学说的是德国植物学家Schleiden和动物学家Schwann。Schleiden出生于汉堡，22岁 就获得了法学博士学位，但他并不喜欢当律师。28岁时，他到哥廷根和柏林学习植物学 和医学，35岁时获得医学和哲学博士学位。Schwann是首饰匠的儿子，16岁高中毕业后， 没有按照父母的意愿学神学，而毅然去柏林学医。24岁获得博士学位，在柏林解剖博物 馆工作时结识了Schleiden。.他俩虽然个性，经历迥然不同，但共同的志趣和真诚的情感促 成了他们多年的合作。Schleiden研究被子植物的胚囊，Schwann研究蛙类的胚胎组织，相 同的研究方向，相似的研究方法，使他们取得了一致见解，共同创立了生物科学的基础理 论一“细胞学说”。 1847年，Schwann在描述动物组织时这样写道：“所有组织的最基本单元是形状非常 相似而又高度分化的细胞”。可以认为，细胞的发生和形成是生物学界普遍和永久的规律 从此，“细胞学说”被广为传播。越来越多的科学家发现，每一个动、植物个体实际 上是千千万万个生命单元的总和，而这些微小单元一细跑，包含了所有的生命信息。细 胞学说对生物科学最重要的贡献在于：因为单个细胞生长分裂，组织，器宫和个体的生命 现象实际上是细胞活动的总和，所以细胞可以而且应该成为生物学研究的首要对象。今 天的细胞学和分子细胞学就是在这个基础上发展起来的。 1.13经典生物化学和遗传学 进化论和细胞学说相结合，产生了作为主要实验科学之一的现代生物学，而以研究 动，植物遗传变异规律为目标的遗传学和以分离纯化、鉴定细胞内含物质为目标的生物化 学则是这一学科的两大支柱。早在19世纪中叶，人们就发现动物和植物细胞的提取液中 主要是一些能受热或酸变性形成纤维状沉淀的物质。这些物质包含有大体相等浓度的碳、 氢，氧和氨，科学家将这些物质命名为蛋白质。生物化学家Buchner第一个实现了用酵母 无细胞提取液和葡萄糖进行氧化反应，生成乙醇，证明化学物质转换并不需要完整的细胞 而仅仅需要细胞中的某些成分。蛋白质是生活细胞中所有化学反应的执行者和催化剂。 生物化学从一开始就执行着双重使命。分析细胞的组成成分以及弄清楚这些物质与 004 第1章绪论