生物遗传之谜
俗话说，“龙生龙，凤生凤，老鼠的儿子会打洞”，“种瓜得瓜，种豆得豆”。其实，这些说法都与生物遗传学有着密切的关系。
生物为什么会遗传？拿人来说，最初仅仅是父亲的一个精细胞和母亲的一个卵细胞，结合在一起，一步一步就发育成了胚胎、婴孩，发育成了儿童、成人。下一代和上一代之间的物质联系仅仅是那么两个细胞。那么一丁点儿的物质联系就足以确定下一代在外貌、体质等方面酷肖父母。多少年来，人们一方面赞美大自然的神奇造化，一方面苦苦思索——生物遗传到底是怎样进行的呢？
进入二十世纪中叶，一批批在遗传学领域里辛勤耕耘的科学家有了收获，这个问题的答案开始清晰起来，生物的遗传物质是DNA。DNA的正式名称叫做脱氧核糖核酸，它隐藏在染色体内。染色体是细胞的主要成分(低等的原核细胞例外)，而DNA则是染色体的核心部分，是染色体的灵魂。
DNA直接控制着细胞内的蛋白质合成，细胞内的蛋白质合成与细胞的发育、分裂息息相关。细胞如何发育、如何分裂决定着生物的形态、结构、习性、寿命……这些统称为遗传性状。DNA就通过这样的途径来控制生物的遗传。当然，这是最简略的说法。
远在发现DNA之前，一些生物学家推测生物细胞内应该存在着控制遗传的微粒，并把它定名为基因。现在人们清楚了，基因确确实实存在着。一个基因就是DNA的一个片段，是DNA的一个特定部分。一个基因往往控制着生物的一个遗传性状，比如，头发是黄还是黑，眼睛是大还是小，等等。准确地说，一个遗传性状可以由多个基因共同控制，一个基因可以与多个遗传性状有关。
低等动物噬菌体的DNA总共才有3个基因，大肠杆菌大约有3000个基因，而人体一个细胞的DNA中有大约10万个基因。
DNA是由四种核苷酸联结而成的长链。这四种核苷酸相互之间如何联结，这条长链折叠成什么样的立体形状，这两个问题在本世纪40年代曾难倒了许许多多有志于此的研究者。终于，在1954年，两位美国科学家找到了正确的答案，建立了令人信服的模型——DNA是由两条核苷酸链平行地围绕同一轴盘曲而成的双螺旋结构，很像是一把扭曲的梯子。两条长链上的核苷酸彼此间——结成对子，紧紧联结。螺旋体每盘旋一周有10对核苷酸之多，而一个基因大约有3000对核苷酸。
DNA双螺旋结构的发现是生命科学史上一件划时代的大事。标志着现代分子生物学及分子遗传学的诞生，它对生物的遗传规律提供了准确、完善的解释，是人们揭开遗传之谜的钥匙。
那么，遗传信息又是怎样从DNA反映到象征性状表现的蛋白质上的呢？在DNA双螺旋结构的基础上，人们研究了DNA的复制、转录和翻译过程，提出了中心法则。指出DNA解开双链，通过自身复制实现遗传信息忠实的倍增复制；然后通过转录将遗传信息赋予一种信使——mRNA；mRNA在核糖体内通过一种转移核糖核酸分子(tRNA)将氨基酸搬运到身边，按遗传密码的要求组装成蛋白质。这样，遗传就实现了从DNA到蛋白质的“流动”。
日新月异的关于基因的研究终于使人们可以将基因从染色体上取出，然后再把它放到另外一个地方或转移到另外一种生物体内。这便是DNA体外重组技术，又称基因工程。
基因工程就是按照生物体遗传变异的规律，预先缜密地设计出改变生物遗传特性的方案，有目的地去改造生物。如果说DNA双螺旋模型开辟了分子生物学的新纪元，那么70年代末的基因工程技术的建立则将我们带入了一个认识基因、改造基因、利用基因的新世纪。如此，通过基因工程技术可以将人体内某些有药用价值的基因放到细菌体内，让细菌源源不断地产生大量的重组药物，细菌变成了“制药厂”。利用基因工程还可以改良农作物的性状，提高产量；生产更大、更甜、更易保存的水果。甚至基因工程食品也已写进了我们的食谱。基因工程使我们可以做到“种瓜得豆，种豆得瓜”，当然这里也必须遵循遗传和变异规律。
人类关于基因的研究成果预示着21世纪将是生物学世纪。生物学理解和操纵生命的能力正处在史无前例的爆炸边缘。随着我们进入新的世纪，生物技术将利用它自己的成就为人类历史开创锦绣前程。
棉铃虫与基因
我国是棉花生产大国，每年栽种面积在470万公顷以上。可是，每年棉田防治害虫的费用也是惊人的，高达70亿人民币。
过去控制棉花害虫主要施用化学杀虫剂。开始的时候，效果不错，但是由于长期使用，造成昆虫对杀虫剂产生了耐受性。现在常规的剂量甚至更大剂量的杀虫剂，已经不能有效地控制住虫害。不能再用化学农药，必须考虑其他的途径了。
科学家发现Bt毒蛋白对棉铃虫有毒杀作用。科学家设想，能否利用生物新技术即转移基因的技术，培育出能抗虫的棉花呢？
他们首先人工合成能杀虫的毒蛋白基因，叫Bt毒蛋白基因。然后把Bt毒蛋白基因转入到棉花植株的细胞里去。
这样棉花植株细胞就能产生杀虫的毒蛋白。当棉铃虫的幼虫吃了这些植物的叶子，便被毒死，从而起抗虫的作用，这种棉花叫做抗虫棉。
美国孟山都公司的转基因抗虫棉，已进行了10年的大田试验。我国这方面的工作，虽然刚刚起步，但也取得了显着的效果。我国是世界上获得抗虫棉的第二个国家。
1996年秋天，在河北省的衡水召开了抗虫棉现场会，来自五湖四海的100多名学者、专家汇集在一起进行现场考察。
自1992年以来，衡水的400万农民就开始和棉铃虫开展抗争。他们一次又一次地喷洒杀虫剂，一次又一次地赤膊上阵抓虫，但是他们一次又一次地失望了。
后来他们种植了抗虫棉，看到了种植棉花的曙光。
专家们在500多亩抗虫棉地里，看到棉花枝繁叶茂，结铃累累，棉桃竞相绽放，有的即将吐絮；而在与抗虫棉试验基地隔垄相望的一块方圆几百亩种植普通棉籽的棉田里，人们看到的却是另一番景象，植株叶片千疮百孔，空头棉竟占了半数以上。
“耳听为虚，眼见为实”，鲜明的对照使棉农们口服心服，他们认识到农业的发展要靠科技，今后一定要种抗虫棉。
抗虫棉不是无虫棉。目前，培育的抗虫棉对危害严重的第二代棉铃虫威力最大。如果到了第三、第四代棉铃虫严重发生期，还是须喷一些药的。其次，抗虫棉只抗棉铃虫，还不抗棉花蚜虫、红蜘蛛等害虫。
培育抗虫棉，推广抗虫棉，是我国棉花生产和科技发展的趋势。
抗盐植物的培养
前几年，联合国粮农组织的专家，发出了振奋人心的消息——用海水灌溉农田将不再是梦。
早在20世纪80年代，科学家们就从红树林及各种海洋植物中得到启示：它们之所以能在海水浸泡的“海地”中生长，主要原因是它们为喜盐、耐盐的天然盐生植物。
于是，科学家们“顺藤摸瓜”，运用基因工程技术，从种子基因到生态环境进行研究，结果发现它们的基因与陆地甜土植物不同，而正是这种独特的基因，使它们成为盐生植物，适应海水浸泡和滩涂的生态环境。
据此，科学家认为人类一定有办法找到或培育出适应海水灌溉的农作物。
抱着这一信念，科学家苦苦探索了十几年。
1991年，美国亚利嗓那大学的韦克斯博士，完成了一种耐寒内质盐生物——盐角草属的杂交试验。
紧接着，他又潜心研究高梁种子基因，使它适应咸土的生态环境。
韦克斯博士认为，在现有粮食作物中，高梁生产速度快、根须多、水分吸收快，只要解决耐盐问题，海水浇灌或咸土栽培均有可能。
无独有偶。美国农业部的土壤学家罗宾斯也在打高梁的主意。他将高梁与一种非洲沿海盛产的苏丹杂草杂交，结果成功地培植出一种独特的杂交种——“苏丹高梁”。这种粮食作物的根部会分泌出一种酸，可快速溶解咸土土壤中的盐分而吸收水分。种植这样的农作物，采用海水浇灌后，海水中的盐分会自然被溶解掉，而不至于影响高粱的“今日一片荒滩，明日一片绿洲”。当然，这一美好愿望的实现，仍是借助于植物基因工程的帮忙。
以色列的厄瓜多尔加拉帕斯海岸，生长着一种番茄，它个小味涩、口质很差。但以色列科学家从这种耐盐西红柿中提取出了耐盐基因，将它整合到普通西红柿的种子后，通过认真管理，竟培育出了味美、个大、品质优良的耐盐品种，为充分利用海边盐碱地开辟了广阔的前景。难怪有人说耐盐西红柿是“盐农业”的一颗明珠。
看来，将昔日的滩涂、盐碱地变为稳产、高产的沃土绿洲，已为期不远了。
超越基因组
生物学真正是21世纪的科学。科学家在2001年宣布，在花费了10年和24亿英镑之后，一项国际性的努力已经在产生一幅人类基因组草图方面获得成功。现在正在制订有关一项更大规模倡议的计划。已经创建了人类蛋白质组组织(HUPO)，以协调人类蛋白质组的破译——即充分认识人体每个蛋白质的结构和功能。
蛋白质领域中的这个与人类基因组计划相当的计划对在分子水平上认识疾病和加快药物的发现速度是至关重要的。
没有它，人类基因组计划所产生的一切数据就没有什么实际用途。虽然基因可能提供了生命的蓝图，但是根据这些信息产生行动并推动人体发挥功能的却是蛋白质。正如一位研究人员所说：“仅仅盯着脱氧核糖核酸，我们所了解的东西几乎为零。我们需要认识发动机本身，而不是发动机的蓝图。”
人类蛋白质组计划完成起来的复杂性将是人类基因组计划的1000倍。人类拥有大约3万个基因，但却被认为拥有起码是这一数字10倍的蛋白质。这些蛋白质能够以不同方式表达自己，具体情况要看它们是独自活动还是与其他蛋白质合作。此外，虽然人类基因组计划进行基因排序所依靠的不仅仅是一项基本技术，但是破译蛋白质组所要求的却将是许多项有待开发的新技术。
但破译人类蛋白质组所带来的实际应用将十分了不起，以致每个星期都有一家新的蛋白质组技术公司出现。HUPO的宗旨就是协调这一不断兴旺发展的产业，它注重合作的必要性，而不是自身利益。如果它获得成功，我们在今后20年内可能会看到生物学新的伟大科学突破的到来。
我们为什么需要认识蛋白质才能了解人类基因组计划的意义？我们距离做到这一点有多么接近？
生命的物质
什么在先是蛋白质还是基因？正如英格兰作家萨缪尔·巴特勒所说：“蛋白质就是基因制造另一个基因的方式；基因就是蛋白质制造另一个蛋白质的方式。”基因包含生命的原始资料，但没有蛋白质来提供这条生命的一个结构和发动机，基因怎么才能复制和生存？同样道理，如果没有基因供一种生命形式传宗接代，拥有一个从蛋白质中构筑的生命形式又有什么用处呢？
人们曾经以为，基因是由蛋白质构成的。但在1953年，剑桥卡文迪什实验所的克里克和沃森弄清了脱氧核糖核酸的双螺旋结构以及它如何携带遗传信息。同年在同一地方，佩鲁茨和肯德鲁在经过20年的研究后宣布了两种蛋白质的三维结构：一种是血液中携带氧气的血红蛋白，另一种是肌肉中储存氧气的肌红蛋白。他们是利用X射线晶体学技术做到这一点的。
由于这些突破性成果，克里克和沃森获得了1962年的诺贝尔医学奖，佩鲁茨和肯德鲁获得了同年的诺贝尔化学奖。
在从那时以来的半个世纪里，科学家们构筑了一个由大约8000个人类蛋白质结构组成的知识基础，其中每个都代表了几个月或者几年的研究成果。
仅仅是开始然而还有几十万个结构需要弄清。此外，了解蛋白质在三维上如何定向仅仅是这些生命攸关的化合物的部分情况。
我们要想充分利用人类基因组计划所产生的数据，就需要了解驱动我们身体的三维蛋白质结构如何从这些数据中产生。
只有到那时，我们才能真正把握疾病的分子基础和治疗所需的药物。
在与克里克一起发现双螺旋结构之后，沃森一心致力于认识基因如何转变成蛋白质，即他所说的“生命领域中像古埃及罗塞塔石碑的发现一样具有揭示意义的事件”。由于猜测一种与脱氧核糖核酸(DNA)关系密切的分子——核糖核酸(RNA)对这一过程具有核心重要性，他与同时代的其他几位着名科学家一起成立了一个俱乐部，称为“RNA领带俱乐部”，只吸收20名成员参加，每人负责构成蛋白质的氨基酸当中的一种。到1966年，多亏了俱乐部和另外一些科学家，尤其是克里克在知识上的孜孜以求，蛋白质如何从基因中制造得到了充分认识。
现在认为RNA的历史比基因和蛋白质还要悠久。它是参与蛋白质合成的关键材料。DNA由4个化学基——腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)——构成，而RNA则是由上述前3个化学基和称为尿嘧啶(U)的第4个构成。RNA的一种形式，称为信使核糖核酸(mR一NA)，能够进入细胞核(一种生命形式的DNA存在其中)并将自己制造成基因组任何部分的一个副本，然后离开细胞核并附着在一个核糖核蛋白体上。
在RNA中的4个化学字母当中的每3个字母的组合代表20个氨基酸之一。一个或更多的多肽包含组成一个蛋白体所需的所有氨基酸。但这些线性的排序仅仅标志着一个蛋白体的“初级结构”。蛋白体要想实现自己的功能和发挥作用，就必须采取其最终的三维形状。这种“折叠”可能会花费几微秒到几秒。这在生物化学世界里是很长时间。然后蛋白体被储存在内质网中供以后使用，被携带到戈尔吉体中以添加糖，或者被立即输送到其功能场所，不管是在细胞内部还是以外。
从表面上看，我们似乎知道有关基因如何被转变成蛋白质的一切。诚然，多亏了克里克和沃森等20世纪的伟大生物学家，我们对生命的罗塞塔石碑有了足够好的了解，以理解人类基因组数据。但不幸的是，这一过程中的一个成分所带来的蛋白质继续跟科学家们捉迷藏。这就是一个蛋白体折叠成其三维形状的方式。这一过程半个多世纪以来一直使生物学家们感到困惑。
生物学最大的问题