基因——“活的分子”
经过上文对生物体极其复杂的结构的逐步分析，现在，我们似乎触及了生命的基本单元。实际上，我们已经看出，生物体整个发育过程及几乎所有成熟后的特性都受到深藏于细胞内部的一套基因的掌控；可以说，每一种动物或植物都是围绕着基因生长的。如果允许进行高度简单化的类比，我们可以将基因与生物体的关系类比为原子核与大块非生命物质的关系。实际上，一种物质的所有物理性质和化学性质都能归结到其原子核的基本性质上去，而这一基本性质又能简单地用一个呼应其电荷的数字表示。例如，带有6个基本电量单元的原子核，外围的电子壳层中有6个电子，这样的原子往往会构成一个正六面体结构，它们形成的晶体具有超高硬度和极高的折射率，我们称之为金刚石。类似的，一组原子核中有29、16和8个电荷的原子会聚在一起，形成一种被称为硫酸铜的淡蓝色晶体物质。当然，即使最简单的生物，也比一切晶体复杂得多，但两者有一个典型的共通之处，即方方面面的宏观安排都是由微观的组织活性中心决定的。
这些决定生物一切特性（从玫瑰的香味到象鼻的形状）的组织中心到底有多大呢？这个问题很好回答，只需将一条正常染色体的体积除以其中包含的基因数量即可。根据显微镜观察，一条染色体的平均粗细约为千分之一毫米，这意味着其体积约为10-14立方厘米。然而，繁殖实验表明，一条染色体上携带的遗传信息高达数千种之多，这一点也可通过计数果蝇巨大绵长的染色体上的深色横纹（应该就是单独的基因）数量直接得出（图版Ⅴ）。[12]用染色体的总体积除以单独基因的数量可得出，一个基因的体积不会超过10-17立方厘米。由于原子的平均体积约为10-23立方厘米［≈（2×l0-8）3］，因此我们可以得出结论，每个单独的基因大约由一百万个原子构成。[13]
我们还可以估算出基因的总重量。以人为例，如前文所述，一个成年人大约由1014个细胞组成，而每个细胞内有46条染色体。因此人体所有染色体的体积约为1014×46×10-14≈50立方厘米，由于人体的平均密度与水接近，因此，人体染色体的总重量大约不到2盎司。[14]就这么点几乎能忽略不计的“组织物质”，却能在其周围构建出重量数千倍的复杂的动植物来，而且它们“从内部”掌控着动植物生长的每个环节，决定着身体结构的每一个特征，甚至很大一部分的行为。
但基因本身又是什么呢？它是否应被视为可以分割为更小生物单元的某种复杂“动物”呢？答案绝对是否定的。基因就是生命物质的最小单位。不过，我们虽然可以肯定基因拥有一切能将它们与非生命物质区分开来的生命物质的特性，但同时基因又无疑与一些复杂分子（如蛋白质分子）存在关联，而此类复杂分子受制于我们熟悉的所有化学法则。
换句话说，基因似乎填补了有机物与无机物之间缺失的那一环。基因正是本章开头提到的“活分子”。
一方面，基因显然具备某种永恒色彩，它们能将物种特性传承成千上万代，而不发生变化；另一方面，考虑形成一个基因的原子数量相对不多，我们只能把基因看作一种精心编排的结构，其中每个原子和原子群都有其预先确定的位置。各种基因的特性差异决定着不同生物之间的外部差异，但归根结底，这种差异可理解为基因结构内的原子编排方式的结果。
举一个简单的例子，TNT（三硝基甲苯）是一种爆炸性物质，它在两次世界大战中扮演了重要角色。TNT分子由7个碳原子、5个氢原子、3个氮原子和6个氧原子按以下方式之一排列而成（图9-12）：
图9-12
这三种编排方式的区别在于，
原子团与碳环的连接方式不同，三种方式对应的物质通常被称为α-TNT、β-TNT和γ-TNT。这三种物质都可在化学实验室中合成。它们都有爆炸性，但在密度、溶解度、熔点和爆炸力等方面有细微差别。通过标准的化学方法，我们可以轻松地将
原子团从分子内的一个连接点移植到另一个连接点上，从而可将一种TNT转换为另一种TNT。此类例子在化学中比比皆是，分子越大，可获得的变体（同分异构体）就越多。
如果将基因视为一个由一百万个原子组成的巨型分子，那么在这个分子内安排各种原子团的方式恐怕就会多到不可计数了。
我们可以把基因设想为一条长链，由一些周期性重复的原子团组成，并附着各种各样的其他原子团，就像漂亮手链上的坠饰。生物化学的最新进展已经能让我们画出遗传“手链”的清晰形态了。基因由碳、氮、磷、氧和氢原子组成，被称为核糖核酸。在图9-13中，我们画出了决定婴儿眼睛颜色的一段遗传“手链”，看上去有点超现实（省略了氮原子和氢原子）。那四个坠饰决定了婴儿的眼睛是灰色的。
图9-13 决定眼睛颜色的遗传“手链”（核酸分子）的一部分（严重简化了）
调整这些坠饰的位置，我们几乎能得到无数种组合方式。
例如，如果一个手链上有10件不同的坠饰，那么它们将有1×2×3×4×5×6×7×8×9×10= 3 628 800种不同的组合方式。
如果其中一些坠饰是相同的，可能的组合数量就会减少。如果10个坠饰中两两相同，即有5种不同类型，总共就会有113 400种组合方式。但随着坠饰总数的增加，可能的组合数量会迅速增加。例如，如果有25个坠饰，每种类型有5个，可能的组合方式就会高达62 330 000 000 000种！
如此，我们看到，在长长的有机分子上调整各种“坠饰”与各个“挂钩”的组合，不仅足以涵盖我们目前所知的一切生命形式，哪怕我们凭空想象出多么奇幻的不存在的动植物形态，这些组合也完全足够了。
关于这些分布在纤维状基因分子链上的决定生物特性的坠饰，非常重要的一点是，它们的分布会产生自发变化，并导致生物体发生相应的宏观变化。引起这种变化的最常见的原因是普通的热运动，热运动会使分子像强风中的柳条一样弯来扭去。当温度足够高时，分子的振动会变得足够剧烈，以至于碎裂成单独的碎片，这一过程被称为热解离（见第八章）。但即便在较低温度下，分子虽然能保持完整，热振动仍会导致一些分子内部结构发生变化。例如，可以想象，当分子扭动时，固定在某个挂钩上的坠饰可能会靠近另一个挂钩。此时，那个坠饰可能会轻松脱离原先的挂钩，挂到新的挂钩上去。
该现象被称为同分异构转化，[15]在普通化学中相对简单的分子结构中很常见。和所有其他化学反应一样，该现象也遵循化学动力学的基本定律：温度每上升10摄氏度，反应速率约增加一倍。
就基因分子而言，由于其结构过于复杂，未来很长一段时间，有机化学家们恐怕也难以攻克它。眼下，人类还无法通过化学分析方法直接验证基因的同分异构变化。但从某种角度看，有一种方法比费力的化学分析要好得多。如果这样的同分异构变化发生在雄配子或雌配子的一个基因中，配子的结合将产生一个新的生物体，而在随后的基因分离和细胞分裂的过程中，这一同分异构变化会被忠实地复制下来，进而会使相应的动植物后代产生一些容易观察到的宏观特征的变化。
遗传学研究最重要的成果之一就是，生物体中自发的遗传变化总是以跳跃的形式发生，这种变化被称为突变。[16]
让我们再来看看果蝇的繁殖实验。野生果蝇有灰色的身体和长长的翅膀（灰体、长翅），从花园里随便抓一只果蝇，几乎都符合这一描述。但在实验室条件下，这些果蝇经过一代又一代繁殖，总是隔一段时间就会出现一只“怪胎”，翅膀短短的，身体几乎全黑（短翅、黑体）（图9-14）。
图9-14 果蝇的自发变异[17]
重要的一点是，在这种极端例外（身体近乎全黑，翅膀非常短）与“正常”的前代之间，找不到身体颜色深浅不一或翅膀长短不一的过渡状态，也就是说不存在渐变。通常，在新一代的果蝇（可能有成百上千只！）中，几乎所有都具有同样的灰色，长着同样的长翅膀，但只有一只（或几只）完全不同。要么无甚变化，要么突然大变（突变）。其他千百项实验也都观察到了类似情况。例如，色盲就未必都是遗传的，总有那样的情况，孩子患有色盲，长辈却并非“罪魁祸首”。人的色盲和果蝇的短翅一样，要不就完全分辨不了两种颜色，要不就分辨得好好的，即从不是程度之别，而是性质之别。
但凡听过达尔文（Charles Darwin）名字的人应该都知道，后代的这种特征变化，与适者生存的原则一起，造就了物种的平稳进化过程。[18]正因如此，作为数十亿年前大自然王者的简单软体动物才能进化成像您这样的高度智能生物，并读起这样一本深奥晦涩的书来。
从前文所述的基因分子同分异构变化的角度，我们可以很好地理解遗传性状为何会出现跳跃式变化。实际上，如果基因分子中决定特性的坠饰改变了位置，它不能只改变一半。它要么留在旧地方，要么换到新地方，从而导致生物性状产生不连续的变化。
将“突变”归因于基因分子同分异构变化的观点得到了另一项发现的有力支撑，即突变率与动植物培育环境温度有关。季莫菲耶夫（Timofeeff）和齐默尔（Zimmer）就温度对突变率影响的实验工作表明（排除由周围介质和其他因素引起的并发变化），基因也遵循其他普通分子反应一样的基本物理化学法则。这项重要发现促使德尔布吕克（原是理论物理学家，后来成了实验遗传学家）提出了一个划时代观点，即生物突变现象与纯物理化学中的同分异构变化是等效的。
关于基因理论的物理基础，特别是关于X射线和其他辐射促成突变的研究带来的重要证据，我们可以无穷尽地讨论下去。但我们已经讨论过的内容大概足以让读者看清楚，科学正迈过那道用纯物理方法解释生命之谜的门槛。
结束本章前，我们不得不说一说被称为病毒的生物单元，它们似乎是一些没有细胞原生质环绕的自由基因。直到不久前，生物学家还认为最简单的生命形式是各种细菌，即在动植物的活组织中生长和繁殖的单细胞微生物，有时会引起各种疾病。例如，显微镜研究已经揭示出，伤寒是由一种大约3微米长、1/2微米粗细的长条形细菌引起的，猩红热是由直径约2微米的球状细菌引起的。但也有许多疾病，例如人的流感或烟草植物的花叶病，透过普通的显微镜观察均未发现任何正常尺寸的细菌。但由于这些特殊的“无细菌”疾病也和其他普通疾病一样，能通过患者“感染”健康者，而且“感染”会迅速传至全身，因此它一定与某种假想的生物载体有关，这种载体即病毒。
直到最近，超显微技术（使用紫外线）的发展，尤其是电子显微镜的发明（使用电子束代替普通光线，可增加放大倍数），才使微生物学家首次看到了扑朔迷离的病毒的结构。
人们发现，各种病毒都是大量单独粒子的集合，同一种病毒粒子的大小都一样，比普通细菌小得多（图9-15）。比如，流感病毒的粒子是直径0.1微米的球状物，烟草花叶病毒的粒子是长0.280微米、粗0.015微米的棒状物。
图版Ⅵ是一张很清楚的烟草花叶病毒粒子的电子显微镜照片，该粒子是已知最小的生命单元。我们知道原子的直径约为0.0003微米，由此可以算出，烟草花叶病毒粒子的横向上只有约50个原子，纵向上有约1 000个原子，一个烟草花叶病毒粒子中只有不超过200万个原子！[19]
图9-15 细菌、病毒和分子的比较
看到这个数字，我们会立刻想起，单个基因中的原子数也是类似的数字，由此来看，病毒粒子或许可被视为“自由基因”，它们没有聚集成被称为染色体的狭长群落，也没有为自身环绕一层相对繁重的细胞原生质。
而且，病毒粒子的繁殖过程似乎与细胞分裂时染色体倍增的过程完全相同：沿中心轴劈开，变成两个相同尺寸的新病毒粒子。显然，我们在此观察到的基本的繁殖过程是（如之前想象的酒精繁殖过程所示）：排列在长长的复杂分子上的各种原子团从周围介质中引来相似的原子团，然后将它们精确地编排为原始分子的样式。编排完成后，成熟的新分子会与原始分子脱离。事实上，这些原始生物似乎不存在通常所说的“生长”过程，新机体只是在旧机体旁简单“垒”出来的，这就好比人类的孩子附着在母亲体外，等发育为身形完整的男人或女人后，就自行与母亲脱离（作者很想画一幅示意图，但忍住了）。不用说，要促成这种繁殖过程，必须有一种特殊的、有所组织化的培养基；实际上，与自带原生质的细菌不同，病毒只能在其他生物的活的原生质中繁殖，可见病毒相当“挑食”。
病毒的另一个共同特征是，它们能发生突变，而且突变的个体会遵照我们熟悉的遗传定律，将新获得的性状传给后代。如今，生物学家已能区分同一病毒的几种遗传株，并追踪它们的“种族繁衍轨迹”。当一种新的流感席卷社区时，人们可以相当确定它们是由某些新突变的流感病毒引起的，这些突变具有新的危险特性，人类尚未发展出相应的免疫力。
如前文所述，我们提出了许多有力论据，表明应将病毒粒子视为有生命的个体。现在，我们也可以毫不犹豫地断言，这些粒子也应被视为遵从一切物理和化学定律的常规化学分子。实际上，对病毒的纯化学研究确定了这样一个事实，即特定的病毒可被视为明确的化合物，处理病毒可以和处理各种复杂的有机（但不是活的）化合物一样，它们可以发生各种各样的置换反应。实际上，用不了多久，生物化学家就能像写出酒精、甘油或糖的结构式一样，轻松写出每一种病毒的化学结构式。更令人惊讶的是，同一种病毒的每一个粒子都一模一样，一个原子都不差。
事实上，人们发现被剥夺了赖以生存的培养介质后，病毒会自行排列成规则的普通晶体。例如，所谓的“番茄丛矮病毒”就会结晶成大块漂亮的菱形十二面体！你可以把它和长石、岩盐一起保存在矿物标本柜中。但只要把它放回番茄地，它又会变成一群有生命的个体。
不久前，加州大学病毒研究所的亨氏·弗兰克尔-康拉特（Heinz Fraenkel-Conrat）和罗伯利·威廉姆斯（Robley Williams）迈出了用无机材料合成活生物体的第一步。他们想办法将烟草花叶病毒粒子分成了两部分，每一部分都是一个相当复杂的无生命的有机分子。人们早就知道，这种病毒是长条形的（图版Ⅵ），是由一束长而直的分子组织（称为核糖核酸）形成的，外面缠绕着长长的蛋白质分子，就像缠绕在电磁体铁芯外的线圈一样。通过各种化学试剂，弗兰克尔-康拉特和罗伯利·威廉姆斯成功地将这些病毒粒子分解为了核糖核酸和蛋白质分子，而没有破坏它们。他们在一个试管中获得了核糖核酸的水溶液，在另一个试管中获得了蛋白质分子的水溶液。电子显微镜照片显示，试管中只有这两种物质的分子，而没有任何生命痕迹。
但是，一旦将两种溶液倒在一起，核糖核酸分子就开始聚集，并以24个分子为一组，蛋白质分子则开始在它们周围缠绕，形成与分解前一模一样的病毒粒子。把它们放在烟草植物的叶子上后，这些被拆分又被组合起来的病毒粒子又会让植物生出花叶病来，仿佛它们从未被拆分过一样。当然，这里试管中的两种化学成分是通过分解活病毒获得的。不过，生物化学家已经掌握了用普通化学元素合成核糖核酸和蛋白质分子的方法。虽然目前（1960年）只能合成两种相对较短的分子，但毫无疑问，未来合成病毒中的长分子也都不在话下。届时，只要将这两种分子放在一起，人造的病毒粒子就诞生了。
【注释】
[1]大家应该记得关于原子结构的内容，镁原子（原子序数为12，原子量为24）由12个质子和12个中子构成，外面环绕着12个电子。将镁原子一分为二，将得到2个新原子，每个新原子有6个质子、6个中子和6个电子，也就是说，它变成了2个碳原子。
[2]有的单细胞个头很大，比如，鸡蛋黄就是一个细胞。但其中涉及生命的关键部分还是很小，要用显微镜才能看到，大部分黄色物质只是为小鸡胚胎发育提供的食物而已。
[3]过饱和盐水的制作方法是：将大量盐溶入热水中，再将水冷却至常温。由于盐在水中的溶解度会随温度的降低而降低，因此当水冷却后，其中的含盐量会超出水所能溶解的量。但除非我们在其中投入一小粒盐晶体，否则，在很长时间内，过量的盐分仍会溶解在水中，可以说，丢下的那粒盐按下了一个启动键，是帮助盐从溶液中出逃的中介。
[4]根据文中的假设，一个酒精分子促成另一个酒精分子的生成，化学反应式应表示如下：3H2O＋2CO2＋C2H5OH＝2（C2H5OH）＋3O2。
[5]有一个类似的例子：在纸上用白蜡写字，字是看不见的，如果用一根黑色的铅笔将纸涂黑，字迹就会浮现出来。因为石墨不会残留在有蜡的地方，所以字迹会在涂了色的背景上显现出来。
[6]需要指出，给活细胞染色的过程通常会杀死细胞，从而斩断其发育过程。因此，图9-3中那样的细胞分裂的连续图像并非来自单一细胞，而是用同样的方法为处于不同发展阶段的不同细胞进行染色（杀害）的结果。但大体上，这样做不会影响最终的结果。
[7]将该计算公式及结果与关于原子弹爆炸的类似计算（请见第七章）进行比较是很有趣的。要使一千克铀材料中的每个铀原子（共2.5×1024个原子）发生裂变（“受精”）所需的连续原子分裂次数可通过类似公式计算：2x=2.5×1024，求解后可得x=61。
[8]配子的形成（a、b、c）和卵细胞的受精（d、e、f）。在第一个过程（减数分裂），储备的生殖细胞的成对染色体未经预先分裂，就分成了两个“半细胞”；在第二个过程（配子配合），雄性精子细胞穿透雌性卵细胞，双方的染色体进行配对。随后，受精细胞开始如图9-3所示的常规分裂。
[9]这个说法适用于人类和所有哺乳动物。但鸟类的情况正相反。公鸡有两条相同的性染色体，母鸡有两条不同的性染色体。
[10]相比许多其他物种，果蝇的染色体异常大，因此更容易通过显微照相的方法进行研究。
[11]注：即“人类基因组计划”。1985年首次提出，完成于2003年。
[12]一般的染色体非常小，通过显微镜也看不到单独的基因。
[13]注：基因为携带遗传信息的DNA片段。基因与基因间存在大量不被表达的片段，单个基因的原子数不超过100万。
[14]一盎司等于28.35克。——译注
[15]如前文解释过的，“同分异构”指构成分子的原子相同，但编排方式不同。
[16]1902年由荷兰生物学家德弗里斯（de Vries）发现。
[17]a.正常种：灰色身体，长翅。b.变异种：黑色身体，短翅（退化翅）。
[18]突变的发现只为达尔文经典理论引入了一个变化，即进化是由不连续的跳跃式变化而非达尔文设想的连续小变化引起的。
[19]病毒粒子的原子数可能还要少很多，因为它们很可能是图9-15所示的螺旋形中空结构。如果烟草花叶病毒是这种结构的话，那么，原子团集中在圆柱体的表面上，如此每个病毒粒子的原子总数将减少到几十万。当然，这一推论也适用于单个基因的原子数。