自然科学杂志对dna

发布时间：2023-02-10 19:02

自然科学杂志对dna

1953年，英国《自然》杂志上的一篇论文在全世界引起了轰动，这篇文章对DNA的双螺旋结构、碱基配对方式进行了阐述，宣告了DNA结构的正式发现。

Watson和Crick建立的DNA双螺旋结构模型，不仅阐明了DNA分子的结构特征，而且揭示了DNA作为执行生物遗传功能的分子，从亲代到子代的DNA复制（replication）过程中，遗传信息的传递方式及高度保真性，为遗传学进入分子水平奠定了基础，成为现代分子生物学发展史上最为辉煌的里程碑。

遗传信息贮存

自然界绝大多数生物体的遗传信息贮存在DNA的核苷酸排列顺序中。DNA是巨大的生物高分子，一般将细胞内遗传信息的携带者枣染色体所包含的DNA总体称为基因组（genome）。

同一物种的基因组DNA含量总是恒定的，不同物种间基因组大小和复杂程度则差异极大，一般讲，进化程度越高的生物体其基因组构成越大、越复杂。

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双螺旋结构。

1953年，英国自然杂志上的一篇论文在全世界引起了轰动。这篇文章对DNA的双螺旋结构，碱基配对方式进行了阐述，宣告了DNA结构的正式发现。

DNA双螺旋（外文名DNA double helix）指的是一种核酸的构象，在该构象中，两条反向平行的多核苷酸链相互缠绕形成一个右手的双螺旋结构。

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双螺旋结构是比较稳定的结构，特别是在进行dna等遗传密码的复制时不容易破损，如果一定要理解可以用达尔文的自然选择来解释，就是说不适合保存遗传物质的结构被淘汰

DNA分子双螺旋结构，其意义使生物学研究进入到什么阶段？

山西临汾的施良飞越看自己的女儿越不像自己，也不像自己的妻子。2001年7月9日，他携妻带女一同到北京做DNA亲子关系鉴定。结果令他和妻子大吃一惊……

　　一只羊或牛不再像以前那样只是为人类提供肉类和皮革，通过克隆技术、转基因技术，这只羊或牛就会变成一个制药厂，生产着基因技术所需要的各种各样的药物……未来一个人的医院病历很简单，就是一张CD盘，其中含有病人的全部遗传信息……

　　小酒馆里宣称发现生命的秘密

　　1953年，年仅25岁的詹姆斯·沃森和37岁的弗朗西斯·克里克共同完成了一项伟业：他们从DNA（脱氧核糖核酸）的X光衍射图上解读了它的双螺旋结构。当时大多数人对于这一发现并没有予以关注，就连当时的媒体，也只有一家小报（现早已停刊）稍作报道。然而随着时光流转，DNA双螺旋结构的发现对人类社会产生的影响与日俱增，克隆技术、基因工程、生物芯片技术等都与之不可分割。

　　中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员莫鑫泉说，DNA双螺旋结构的发现开启了分子生物学时代。它使生物大分子的研究进入一个崭新的阶段，使遗传的研究深入到分子层次，“生命之谜”被打开，人们清楚地了解遗传信息的构成和传递的途径。50年来，分子遗传学、分子免疫学、细胞生物学等新学科如雨后春笋般出现，一个又一个生命的奥秘从分子角度得到了更清晰的阐明，DNA重组技术更是为利用生物工程手段的研究和应用开辟了广阔的前景。

　　有趣的是，在发现DNA双螺旋结构时，沃森是一个刚刚迈出校门不久的大学生，而克里克则是一个不懂遗传学的、一个不得志的物理学家。然而就是这两个人，改写了生物学的历史。他们的研究成果被誉为可与达尔文的进化论、孟德尔的遗传定律相媲美的重要科学发现。

　　关于DNA双螺旋结构的发现日期还有一段小“故事”。1953年2月28日，37岁的克里克走进英格兰剑桥大学的雄鹰酒馆，在那里他向一群困惑的听众宣布，他和一位朋友发现了“生命的秘密”。然而包括沃森在内的许多科学家却都认为，只有当沃森和克里克于1953年4月25日在《自然》杂志上首次发表关于DNA双螺旋结构的论文时，生命的秘密才算得上是真正展现在人类面前。正因此，中国遗传学会将在这一论文发表50周年之际，于4月20－24日在南京举行隆重的学术纪念研讨会，国家有关部门也将在4月24日举行相关纪念活动。

　　“发现DNA双螺旋结构的意义对生物学来说怎么估量都不为过。”莫鑫泉先生对记者说：“用双螺旋结构解释遗传是如何进行的，这是人类对自己、对生物学认识的巨大飞跃。发现双螺旋之前，科学家对生命现象进行了长期的思考与研究：是什么因素使人类能够一代一代地将遗传特性保持下去？”的确，就是一个桌子还有腐朽变坏的时候，为什么人类就能代代延续？什么决定了人生人，老鼠生老鼠？

　　在20世纪初，没有人能够想到DNA就是遗传物质。当时科学家们猜测，生命的遗传物质应该是蛋白质，因为20种氨基酸多种不同的组合，可以形成许多不同的蛋白质，蛋白质作为酶催化生物代谢反应，由此控制多种遗传性状的表达。然而在沃森和克里克发现DNA双螺旋结构后，科学家们终于明白了，DNA的4种核苷酸分子不同的组合或序列构成了成千上万种基因，这些“化学语言”编码着不同的遗传信息，指导和控制着生物体的生化、形态、生理和行为等多种性状的表达和变化。DNA是自然界惟一能够自我复制的分子，正是这种精细准确的复制，为生物将其特性传递给下一代提供了最基本的分子基础。

　　DNA双螺旋结构的发现及由此产生的生物技术革命正以前所未有的深度和广度影响着人类的生活，影响着自然科学，包括社会科学的发展。

　　 “为什么我的女儿不像我”

　　山西临汾的施良飞越看自己的女儿越不像自己，也不像自己的妻子。2001年7月9日，他携妻带女一同到北京做DNA亲子关系鉴定。结果令他和妻子大吃一惊：他们二人不是女儿的生物学父母。为此他们将妻子生产时的医院临汾铁路分局中心医院告上了法庭，要求返还亲生女儿并赔偿经济损失及精神损害。2001年8月，法院不公开开庭审理了此案。施良飞得到了一份医院提供的与其妻子同时住院者的名单，于是他便开始一家一户地悄悄寻找。

　　一天，施良飞按照名单找到了一家小卖部，一眼就看到了女主人段香翠居然和自己的“女儿”长得一模一样，并且段香翠的“女儿”长得又很像自己的妻子。2001年11月19日，施良飞夫妇及“女儿”、段香翠夫妇及“女儿”共6人在法院的监督下在临汾市医院抽取血样各1份并当场贴了封条。次日，两个家庭的血样送到公安部物证鉴定中心做DNA亲缘关系鉴定。22日，检验出来了：施良飞的女儿是段香翠夫妇之生女的相对机会为99.9999％；段香翠的女儿是施良飞夫妇之生女的相对机会为99.9999％，至此，案件的基本事实终于大白于天下。

　　撇开案件错综复杂的关系及结果不说，公安部物证鉴定中心为此案所作检验时利用了DNA的检测技术。其原理是，人身上的每个细胞有总数约为30亿个碱基对的DNA，每个人的DNA都不完全相同，人与人之间不同的碱基对数目达百万之多，因此通过分子生物学方法所显示出来的人的DNA模样就会因人而异，人们就可以像指纹那样分辨人与人的不同了；同时DNA还具有遗传性，是负责遗传特性的基本物质，人们可以利用这一特点来鉴别两个人之间的亲缘关系。施良飞虽认为段翠香的女儿长得很像自己的妻子，这并不能说明二人之间就有血缘关系。只有利用了DNA的检测技术才能确认这一关系。

　　这件事反映了DNA对我们现代生活的影响，然而鉴定血缘关系或者是警方利用DNA技术破案都仅仅是这种影响中的极小部分。中国科学院基因组信息学中心研究员、国家863科技攻关计划人类基因组单体型图构建项目课题组长曾长青博士对记者说，DNA双螺旋的发现对人类的影响实际上很难一样一样地数出来，就像电的发明对今天人类社会的影响一样。它本身属于一项非常基础性的科学发现。了解了DNA、RNA（核糖核酸）和蛋白质的结构与功能，就如同解读了从遗传信息到生命活动的三部曲，就可以使人类从分子水平上解释生命，认识生命，直到改造生命。发现了双螺旋，可以说带来了人类知识的大爆炸。

DNA是如何发现的？

自从孟德尔的遗传定律被重新发现以后，人们又提出了一个问题：遗传因子是不是一种物质实体？为了解决基因是什么的问题，人们开始了对核酸和蛋白质的研究。

早在1868年，人们就已经发现了核酸。在德国化学家霍佩·赛勒的实验室里，有一个瑞士籍的研究生名叫米歇尔（1844~1895），他对实验室附近的一家医院扔出的带脓血的绷带很感兴趣，因为他知道脓血是那些为了保卫人体健康，与病菌“作战”而战死的白细胞和被杀死的人体细胞的“遗体”。于是他细心地把绷带上的脓血收集起来，并用胃蛋白酶进行分解，结果发现细胞遗体的大部分被分解了，但对细胞核不起作用。他进一步对细胞核内物质进行分析，发现细胞核中含有一种富含磷和氮的物质。霍佩·赛勒用酵母做实验，证明米歇尔对细胞核内物质的发现是正确的。于是他便给这种从细胞核中分离出来的物质取名为“核素”，后来人们发现它呈酸性，因此改叫“核酸”。从此人们对核酸进行了一系列卓有成效的研究。

20世纪初，德国科赛尔（1853~1927）和他的两个学生琼斯（1865~1935）和列文（1869~1940）的研究，弄清了核酸的基本化学结构，认为它是由许多核苷酸组成的大分子。核苷酸是由碱基、核糖和磷酸构成的。其中碱基有4种（腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶），核糖有两种（核糖、脱氧核糖），因此把核酸分为核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。

列文急于发表他的研究成果，错误地认为4种碱基在核酸中的量是相等的，从而推导出核酸的基本结构是由4个含不同碱基的核苷酸连接成的四核苷酸，以此为基础聚合成核酸，提出了“四核苷酸假说”。这个错误的假说，对认识复杂的核酸结构起了相当大的阻碍作用，也在一定程度上影响了人们对核酸功能的认识。人们认为，虽然核酸存在于重要的结构——细胞核中，但它的结构太简单，很难设想它能在遗传过程中起什么作用。

蛋白质的发现比核酸早30年，发展迅速。进入20世纪时，组成蛋白质的20种氨基酸中已有12种被发现，到1940年则全部被发现。

1902年，德国化学家费歇尔提出氨基酸之间以肽链相连接而形成蛋白质的理论，1917年他合成了由15个甘氨酸和3个亮氨酸组成的18个肽的长链。于是，有的科学家设想，很可能是蛋白质在遗传中起主要作用。如果核酸参与遗传作用，也必然是与蛋白质连在一起的核蛋白在起作用。因此，那时生物界普遍倾向于认为蛋白质是遗传信息的载体。

1928年，美国科学家格里菲斯（1877~1941）用一种有荚膜、毒性强的和一种无荚膜、毒性弱的肺炎双球菌对老鼠做实验。他把有荚病菌用高温杀死后与无荚的活病菌一起注入老鼠体内，结果他发现老鼠很快发病死亡，同时他从老鼠的血液中分离出了活的有荚病菌。这说明无荚菌竟从死的有荚菌中获得了什么物质，使无荚菌转化为有荚菌。这种是假设是否正确呢？格里菲斯又在试管中做实验，发现把死了的有荚菌与活的无荚菌同时放在试管中培养，无荚菌全部变成了有荚菌，并发现使无荚菌长出蛋白质荚的就是已死的有荚菌壳中遗留的核酸（因为在加热中，荚中的核酸并没有被破坏）。格里菲斯称该核酸为“转化因子”。

1944年，美国细菌学家艾弗里（1877~1955）从有荚菌中分离得到活性的“转化因子”，并对这种物质做了检验蛋白质是否存在的试验，结果为阴性，并证明“转化因子”是DNA。但这个发现没有得到广泛的承认，人们怀疑当时的技术不能除净蛋白质，残留的蛋白质起到转化的作用。

美籍德国科学家德尔布吕克（1906~1981）的噬菌体小组对艾弗里的发现坚信不移。因为他们在电子显微镜下观察到了噬菌体的形态和进入大肠杆菌的生长过程。噬菌体是以细菌细胞为寄主的一种病毒，个体微小，只有用电子显微镜才能看到它。它像一个小蝌蚪，外部是由蛋白质组成的头膜和尾鞘，头的内部含有DNA，尾鞘上有尾丝、基片和小钩。当噬菌体侵染大肠杆菌时，先把尾部末端扎在细菌的细胞膜上，然后将它体内的DNA全部注入到细菌细胞中去，蛋白质空壳仍留在细菌细胞外面，再没有起什么作用了。进入细菌细胞后的噬菌体DNA，就利用细菌内的物质迅速合成噬菌体的DNA和蛋白质，从而复制出许多与原噬菌体大小形状一模一样的新噬菌体，直到细菌被彻底解体，这些噬菌体才离开死了的细菌，再去侵染其他的细菌。

1952年，噬菌体小组主要成员赫尔希和他的学生蔡斯用先进的同位素标记技术，做噬菌体侵染大肠杆菌的实验。他把大肠杆菌T2噬菌体的核酸标记上32P，蛋白质外壳标记上35S。先用标记了的T2噬菌体感染大肠杆菌，然后加以分离，结果噬菌体将带35S标记的空壳留在大肠杆菌外面，只有噬菌体内部带有32P标记的核酸全部注入大肠杆菌，并在大肠杆菌内成功地进行噬菌体的繁殖。这个实验证明DNA有传递遗传信息的功能，而蛋白质则是由DNA的指令合成的。这一结果立即为学术界所接受。

几乎与此同时，奥地利生物化学家查加夫对核酸中的4种碱基的含量的重新测定取得了成果。在艾弗里工作的影响下，他认为如果不同的生物种是由于DNA的不同，则DNA的结构必定十分复杂，否则难以适应生物界的多样性。因此，他对列文的“四核苷酸假说”产生了怀疑。在1948～1952年4年时间内，他利用了比列文时代更精确的纸层析法分离4种碱基，用紫外线吸收光谱做定量分析，经过多次反复实验，终于得出了不同于列文的结果。实验结果表明，在DNA大分子中嘌呤和嘧啶的总分子数量相等，其中腺嘌呤A与胸腺嘧啶T数量相等，鸟嘌呤G与胞嘧啶C数量相等。说明DNA分子中的碱基A与T、G与C是配对存在的，从而否定了“四核苷酸假说”，并为探索DNA分子结构提供了重要的线索和依据。

1953年4月25日，英国的《自然》杂志刊登了美国的沃森和英国的克里克在英国剑桥大学合作的研究成果：DNA双螺旋结构的分子模型，这一成果后来被誉为20世纪以来生物学方面最伟大的发现，标志着分子生物学的诞生。

沃森在中学时代是一个极其聪明的孩子，15岁时便进入芝加哥大学学习。当时，由于一个允许较早入学的实验性教育计划，使沃森有机会从各个方面完整地攻读生物科学课程。在大学期间，沃森在遗传学方面虽然很少有正规的训练，但自从阅读了薛定谔的《生命是什么？——活细胞的物理面貌》一书，促使他去“发现基因的秘密”。他善于集思广益，博取众长，善于用他人的思想来充实自己。只要有便利的条件，不必强迫自己学习整个新领域，也能得到所需要的知识。沃森22岁取得博士学位，然后被送往欧洲攻读博士后研究员。为了完全搞清楚一个病毒基因的化学结构，他到丹麦哥本哈根实验室学习化学。有一次他与导师一起到意大利那不勒斯参加一次生物大分子会议，有机会听英国物理生物学家威尔金斯（1916~？）的演讲，看到了威尔金斯的DNA X射线衍射照片。从此，寻找解开DNA结构的钥匙的念头在沃森的头脑中萦回。什么地方可以学习分析X射线衍射图呢？于是他又到英国剑桥大学卡文迪什实验室学习，在此期间沃森认识了克里克。

克里克上中学时对科学充满热情，1937年毕业于伦敦大学。1946年，他阅读了《生命是什么？——活细胞的物理面貌》一书，决心把物理学知识用于生物学的研究，从此对生物学产生了兴趣。1947年他重新开始了研究生的学习，1949年他同佩鲁兹一起使用X射线技术研究蛋白质分子结构，于是在此与沃森相遇了。当时克里克比沃森大12岁，还没有取得博士学位。但他们谈得很投机，沃森感到在这里居然能找到一位懂得DNA比蛋白质更重要的人，真是三生有幸。同时沃森感到在他所接触的人当中，克里克是最聪明的一个。他们每天交谈至少几个小时，讨论学术问题。两个人互相补充，互相批评以及相互激发出对方的灵感。他们认为解决DNA分子结构是打开遗传之谜的关键。只有借助于精确的X射线衍射资料，才能更快地弄清DNA的结构。为了搞到DNA X射线衍射资料，克里克请威尔金斯到剑桥来度周末。在交谈中威尔金斯接受了DNA结构是螺旋型的观点，还谈到他的合作者富兰克林（1920~1958，女）以及实验室的科学家们，也在苦苦思索着DNA结构模型的问题。从1951年11月～1953年4月的18个月中，沃森、克里克同威尔金斯、富兰克林之间有过几次重要的学术交往。

1951年11月，沃森听了富兰克林关于DNA结构的较详细的报告后，深受启发，具有一定晶体结构分析知识的沃森和克里克认识到，要想很快建立DNA结构模型，只能利用别人的分析数据。他们很快就提出了一个三股螺旋的DNA结构的设想。1951年底，他们请威尔金斯和富兰克林来讨论这个模型时，富兰克林指出他们把DNA的含水量少算了一半，于是第一次设立的模型宣告失败。

有一天，沃森又到国王学院威尔金斯实验室，威尔金斯拿出一张富兰克林最近拍制的“B型”DNA的X射线衍射的照片。沃森一看照片，立刻兴奋起来，心跳也加快了，因为这种图像比以前得到的“A型”简单得多，只要稍稍看一下“B型”的X射线衍射照片，再经简单计算，就能确定DNA分子内多核苷酸链的数目了。

克里克请数学家帮助计算，结果表明嘌呤有吸引嘧啶的趋势。他们根据这一结果和从查加夫处得到的核酸的两个嘌呤和两个嘧啶两两相等的结果，形成了碱基配对的概念。

他们苦苦地思索4种碱基的排列顺序，一次又一次地在纸上画碱基结构式，摆弄模型，一次次地提出假设，又一次次地推翻自己的假设。

有一次，沃森又在按着自己的设想摆弄模型，他把碱基移来移去寻找各种配对的可能性。突然，他发现由两个氢键连接的腺嘌呤—胸腺嘧啶对竟然和由3个氢键连接的鸟嘌呤—胞嘧啶对有着相同的形状，于是精神为之大振。因为嘌呤的数目为什么和嘧啶数目完全相同这个谜就要被解开了。查加夫规律也就一下子成了DNA双螺旋结构的必然结果。因此，一条链如何作为模板合成另一条互补碱基顺序的链也就不难想象了。那么，两条链的骨架一定是方向相反的。

经过沃森和克里克紧张连续的工作，很快就完成了DNA金属模型的组装。从这模型中看到，DNA由两条核苷酸链组成，它们沿着中心轴以相反方向相互缠绕在一起，很像一座螺旋形的楼梯，两侧扶手是两条多核苷酸链的糖—磷基团交替结合的骨架，而踏板就是碱基对。由于缺乏准确的X射线资料，他们还不敢断定模型是完全正确的。

下一步的科学方法就是把根据这个模型预测出的衍射图与X射线的实验数据作一番认真的比较。他们又一次打电话请来了威尔金斯。不到两天工夫，威尔金斯和富兰克林就用X射线数据分析证实了双螺旋结构模型是正确的，并写了两篇实验报告同时发表在英国《自然》杂志上。1962年，沃森、克里克和威尔金斯获得了诺贝尔医学和生理学奖，而富兰克林因患癌症于1958年病逝而未被授予该奖。

DNA双螺旋结构被发现后，极大地震动了学术界，启发了人们的思想。从此，人们立即以遗传学为中心开展了大量的分子生物学的研究。首先是围绕着4种碱基怎样排列组合进行编码才能表达出20种氨基酸为中心开展实验研究。1967年，遗传密码全部被破解，基因从而在DNA分子水平上得到新的概念。它表明：基因实际上就是DNA大分子中的一个片段，是控制生物性状的遗传物质的功能单位和结构单位。在这个单位片段上的许多核苷酸不是任意排列的，而是以有含意的密码顺序排列的。一定结构的DNA，可以控制合成相应结构的蛋白质。蛋白质是组成生物体的重要成分，生物体的性状主要是通过蛋白质来体现的。因此，基因对性状的控制是通过DNA控制蛋白质的合成来实现的。在此基础上相继产生了基因工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程等，这些生物技术的发展必将使人们利用生物规律造福于人类。现代生物学的发展，愈来愈显示出它将要上升为带头学科的趋势。

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