第2节

用脱氧核糖核酸（DNA）编码信息

DNA具有高度复杂的结构，它所携带的信息决定了我们与所有生物体的设计，也决定了许多病毒的设计。从工程的角度来看，它的构造很简单。脱氧核糖和磷酸交替排列形成两条主链，它们之间连接着四个化学单元，我们将其标记为C、G、A和T。这些单元的一端在一条主链上，另一端通过共价键连接到另一条主链的化学单元上。它们的成对排列不是随机的，A连接到T，C连接到G。每条主链都呈螺旋结构，另一条主链与之反向平行，两者缠绕在一起。这样一来，复制就非常容易理解，实际上，DNA可以通过解开两条螺旋链来进行复制，然后母链的每个部分都可以通过与碱基的互补配对重新形成子链。图15.1是一幅简单的DNA结构示意图。说明文字解释了这些核苷酸的正式名称。需要注意的是，大多数DNA结构都参与了机械构造和支撑，而不是编码。复制链被称为RNA。在网站和各类文章中总能看到更加详细和复杂的图片。真正令人惊叹的是，只需确定四个结构单位的序列，我们就可以对动物和植物的所有特征和行为进行编码。不仅仅是外表，还有行为、疾病、智力以及使我们独一无二的一切。独特性令人惊叹，我们之所以彼此不同，仅仅是因为复制过程的不完美。

图15.1 DNA链部分示意图

注：主链之间是A-T或C-G配对形成的侧链。这些单元包括含氮碱基，腺嘌呤-胸腺嘧啶（A-T）或胞嘧啶-鸟嘌呤（C-G），它们通过氢键连接。主链向相反的方向解开。纳米（nm）是十亿分之一（10-9）米。

同样需要注意的是，复制过程近乎完美，这是生命的基础，但这一步骤可能会被化学反应、病毒或紫外线照射意外改变，从而导致化学键重组或细胞死亡。紫外线照射与皮肤癌的关系显而易见。不进行修护就意味着老化、腐烂和死亡。我们大多数人都忘记了来自太空的宇宙射线会导致电离和细胞损伤。每秒每平方厘米约有一个宇宙射线穿过。因此，我们无法避免细胞电离、死亡、畸变或突变。或者，它们可能产生与进化有关的新型细胞和DNA。有人曾估计，在正常情况下，细胞内每天会发生大约500个错误，因此如此复杂的机制能够进行修复并存活下来，着实令人惊讶。但修复有时会导致结构的改变。当我们认识到参与生殖、生长和发育的每个阶段的细胞数量后，就能发现一个事实，即分子结构的缺陷是不可避免的。不管我们喜欢与否，这就是进化。

代际变化

人类发展至今，对遗传性状的根本原因已有更加深入的了解，但当我们开始理解其中的细节以后，其复杂程度也必然会随之提升。这个学科已经发展出自己的语言和术语，它们令我这种生物学的外行心生畏惧。对成分的解码和理解非常复杂，因此研究人员会专注于特定的特征，我强烈怀疑，大多数人（甚至是那些具备相当丰富的专业知识的人）都无法对其进行全面的概述。为了便于非生物学家的普通读者理解，我在表15.2中将遗传学术语与我们所熟悉的写作特征进行类比。这张清单从图书馆到书籍，再到段落、句子、单词和字母。此外，我也将它们在内容、布局甚至字体、墨水和纸张上的差异作为类比对象，因为它们凸显了写作的复杂性。分子和结构单位的名称与化学结构着实令人发怵（即使对生物学家来说也是如此），所以我将它们省略。如果这种方法没有帮助，你也可以跳过。

表15.2 对基因编码相关术语的简化

现代研究发现，孟德尔成功提取了亲本基因的影响模式，他意识到每一代都有一对决定性因素，它们分别遗传自每一个亲本。我们通过实验分离并逐渐认识了染色体对的细节和基因沿DNA螺旋编码的方式。要想了解不同基因如何产生特定的性质，以及某些遗传特征如何联系，我们必须尝试确定DNA分子长片段上核苷酸A、T、G和C的模式。这是一项涉及化学、物理和生物的非凡成就，因为我们已经描述了许多情况下的近乎完整的基因组。其规模十分惊人，人类基因组约有30亿～34亿个DNA碱基对，分布在46条染色体内（即23对染色体）。目前已确定，人体约含2万～3万个基因。如果这是人类所有发育和机能的全部遗传密码，那么这个数量似乎并不算大，但我们认为每个基因都能独立发挥作用。基于这一设想，人类的某些特征需要通过基因组合产生，那么人类基因图谱的复杂程度将远远超出我们目前的想象。必须注意的是，大块DNA可能以我们无法理解的方式发挥作用，它包含过时的信息，对潜伏的信息进行编码，或为未来需求提供保障。令人惊讶的是，尽管我们自命不凡地认为自己是独一无二的，人类处于生物发展的顶端，但我们的基因多样性并无特别之处，而且很大程度上与其他生物非常相似。

复制需要将双螺旋结构解旋，由于A必须与T配对，G必须与C配对，因此从原则上来说，新形成的螺旋结构应该与原始的螺旋完全吻合。不同的染色体被限制在细胞的不同部分，从而最大限度地减少了复制阶段的错配和错误。如果一切顺利，新DNA中的ATGC编码序列应该完全相同。如果能实现这样的“完美”复制，那么每一代都将与上一代完全相同。幸运的是，事实并非如此，否则就不会有多样性、变异或进化。

即使是同卵双胞胎，即由单个卵子分裂而成，他们看起来极为相似，但他们的DNA模式也会有所不同。DNA的特征必定会显示出家庭性状，并能够在有争议的情况下确定亲子关系。对法医学来说，DNA相当于指纹，它的作用非常强大，现在已成为侦破案件的常规技术，能将罪犯与特定犯罪现场联系起来，或者排除一个人的作案嫌疑。

也许最令人惊讶的是，由于结构极其复杂，在半个世纪的时间里，我们对基因和编码系统功能的理解只达到了目前这个程度。人类的DNA与大量哺乳动物的DNA有许多相似之处（当然这表明我们都是从远古的共同祖先进化而来），这并不算出人意料。但是，哪怕物种间只有一个基因不同，也会表现出极为显著的差异。我有一个天真的想法，即人与猪有很多相似之处。两者都非常聪明，而且重要的是，猪可用于医学移植。但是，最初这种医学移植受到一种名为半乳糖基转移酶的单一基因的阻碍。它会导致人体对猪的器官产生排斥反应。这是一个有趣的例子，大约20000个基因中只有一个是关键基因。对医学移植来说，解决方案是改造猪，去除它们的半乳糖基转移酶。事实上，我们已经培育了一种用于医学移植的新品种猪。

为什么复制过程会出现缺陷？

认识到参与生殖、生长和发育的每个阶段的细胞数量，我们更加确定了一个事实，即分子结构的缺陷不可避免。人类生长发育的第一步可能需要2亿个精子参与。其中只有一个精子可以与卵子结合。虽然健康精子比受损精子更有可能与卵子结合，但并不能完全排除受损精子与卵子结合的可能性。这也并非意味着所有“健康”精子都是相同的。因此，即使在人类受孕的第一阶段，也存在偶然因素、缺陷和结果的多样性。一个精子的成功概率并不比中彩票的概率高（即非常小，但并非不可能），但候选者足有2亿个，因此很有可能成功。

精子竞赛（使卵子受精）的获胜者也可能导致不幸的后果，即这些优胜者并非最完美的精子。有关严重先天缺陷与轻微先天缺陷的统计数据可以体现这一点。真正严重的先天缺陷可能会导致孩子早夭，哪怕他们接受了最好的医疗护理。其他缺陷可能非常明显，并且在肉体上有显著的表现，但孩子能够长大成人，只是在某些方面明显或可检测到缺乏正常行为能力。对此类问题数量的估计因地理区域而异，但相关比例一般为5%至8%。相当多的儿童携带了某些遗传编码，使他们特别容易患上某些疾病（例如遗传性乳腺癌或青光眼）或具有精神或其他健康问题的遗传倾向。在这些领域，研究者很难做出准确的估计，但不幸的是，出生后就表现出严重遗传缺陷的儿童仍然很多。