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第12章 生物科学发现(2)

“克隆”技术还可用来大量繁殖许多有价值的基因。比如,在基因工程操作中,科学家们为了让细菌等微生物“生产”出名贵的药品,如治疗糖尿病的胰岛素、有希望使侏儒症患者重新长高的生长激素和能抗多种疾病感染的干扰素,等等,分别将一些相应的人体基因转移到不同的微生物细胞中,再设法使这些微生物细胞大量繁殖。与此同时,人体基因数目也随着微生物的繁殖而增加。在人体基因被大量“克隆”时,微生物将会大量地“生产”出人们所需要的各种名贵药品。

但是,克隆羊的出现却引发了舆论的争议。有人称赞,有人反对。反对的人认为万一复制出一个人来,岂不乱了伦理。他们普遍担心该技术一旦用于复制人,并培育出“克隆人”,会给人类社会带来料想不到的后果,这种担忧不是没有道理的。因此他们主张立法,禁止复制人。

也有人说,一旦真的“克隆”出人,也是从婴儿开始成长的,他的成长环境与原人成长环境是不同的,“克隆人”不可能完全继承原来人的思想。总之,作为一项科学技术上的突破,人们不必惧怕,也没有理由惧怕。

生物技术飞速发展,“克隆”已经成了一个新兴的流行词语,克隆技术也将越来越完善,应用也将越来越广泛。人们应该尽量避免它的负面效应,使科学更好地为人类服务。

生物进化论学说的建立

19世纪中期,英国生物学家达尔文发表了他的生物进化研究学说的著作《物种起源》,在世界范围内引起了巨大的反响,并被誉为19世纪自然科学的三大发现之一。

达尔文出生在英国,祖父和父亲都是当地有名的医生,他从小就活泼好动,喜欢采集昆虫。后来,他的父亲送他到爱丁堡大学学医。但他对医学并不感兴趣,却对生物学非常喜爱,经常到外面采集生物标本,解剖动物并进行分类观察。

22岁时,经朋友推荐,达尔文以博物学者的身份进行五年的远洋科学考察。每到一个地方,他都仔细考察当地的动物、植物资源,并且从一些远古动物的化石上,发现古今的不同,经过他严密的推理和研究,他推断,一切生物都是随着时间的推移而逐渐进化的。接着他用收集的资料和证据,成功地用自然选择学说解释生物进化的原因,提出生物进化的自然选择学说。

自然选择学说和神创论截然相反,完全对立。神创论认为无论是人或是动物都是上帝所创造的,而自然选择学说认为生物是通过自然的选择发展到今天的样子的。生物都有过度繁殖的现象,也就是说,每种生物所产生的后代的数量总比实际存活下来的后代的数量多得多。但是,生物赖以生存的生活条件是有限的,因此生物要生存下去,就必须进行生存斗争。生存斗争包括种族内部斗争、种族斗争以及生物跟无机环境之间的斗争三个方面。在生存斗争过程中,具有有利变异的个体容易存活下来,并且有更多的机会将有利变异传给后代;具有不利变异的个体就容易被淘汰,产生后代的机会也少得多。没有变异,就不可能出现新的生物类型。没有遗传,变异及其遗传基础就会随着个体的死亡而消失。不遗传的变异在进化上是没有意义的。

其学说的核心结论,认为自然界的一切生物都遵循“生存竞争,优胜劣败”的竞争原则。达尔文的生物进化论在他的那个时代是非常具有进步意义的,他把他的观点写进了《物种起源》,发表后造成了轰动,撼动了神创论的主导地位,表现了唯物主义的精神。达尔文的生物进化论,发表至今近150年,其在世界范围的影响是很大的,特别是在他的学说里,这种生物的进化也自然包括了万物之灵的人类。所以,我们现在的历史教科书里,也写上了人类是由猿猴进化来的。

人类在达尔文的这种“科学启示”下,激发了斗争精神,认为在人类社会里,只有“强者”和“适者”才能在竞争中生存下来,并且把人类所处的许多不同国家、不同民族、不同人种,划为优种、劣种,认为只有“优种”将来必然统治世界,“劣种”要淘汰要灭亡。

生物进化论学说是一项伟大的学说。它与神创论直接对立,它的建立体现了人类社会的进步,不但具有非常大的科学意义,也具有一定的社会意义和哲学意义。

抗生素的发现

提起抗生素,今天可能没有人不知道。有人估计,由于抗生素的发明,全人类的平均寿命增加了10岁。我们的生活中的的确确离不开也没有离开过抗生素。得了肺炎,用青霉素或者其他抗生素可以很快治疗好;伤口发炎,常常也要用抗生素。总之,人类战胜疾病,特别是与致病微生物的感染作斗争,抗生素起到了决定性的作用,并且目前仍在发挥着重要作用。那么,抗生素是怎样发现和变成造福人类的药品的呢?

20世纪20年代末,英国细菌学家弗莱明在培养皿中培养细菌时,发现从空气中偶然落在培养基上的青霉菌长出的菌落周围没有细菌生长。他认为是青霉菌产生了某种化学物质,分泌到培养基里抑制了细菌的生长。这种化学物质便是最先发现的抗生素——青霉素。在第二次世界大战期间弗莱明和另外两位科学家经过艰苦努力,终于把青霉素提取出来制成了制服细菌感染的特效药品,挽救了无数人的生命。因为在战争期间,防止战伤感染的药品是十分重要的战略物资,所以,美国把青霉素的研制放在同研制原子弹同等重要的地位。

20世纪40年代初,这个消息传到中国。我国微生物学朱既明在抗日后方从事科学研究工作时,也从长霉的皮鞋上分离出了青霉菌,并且用这种青霉菌制造出了青霉素。几年后,美国微生物学家瓦克曼又在放线菌中发现了近万种抗生素。不过它们之中的绝大多数毒性太大,只有不到百种适合作为治疗人类或牲畜传染病的药品。后来人们发现,抗生素并不是都能抑制细菌生长,有些是能够抑制寄生虫的,有的可以用来治疗心血管病,还有的可以抑制人体的免疫反应,还有些可以用在器官移植手术中。在20世纪90年代以后,科学家们把抗生素的范围扩大了,给了一个新的名称,叫做生物药物素。

半个多世纪,抗生素的确挽救了无数病人的生命,但是,任何好的东西使用起来都应该有个度,事物都是具有两面性的。抗生素的广泛使用,也带来了一些严重问题。例如不少孩子的牙齿又黄发育又不好,就称为“四环素牙”;有的病人因为长期使用抗生素,而抗生素在杀死有害细菌的同时,把人体中有益的细菌也消灭了,于是病人对疾病的抵抗力越来越弱,还有的患者因为长期使用链霉素而丧失了听力,变成了聋子。更为严重的随着抗生素的使用频繁,微生物对抗生素的抵抗力也越来越强,使得许多抗生素对微生物感染已经无能为力了。所以,现在的医生在开处方时,对是否要使用抗生素是越来越谨慎了。

抗生素的发现是人类生物学史和医疗史上一个伟大的转折点,对整个世界都有贡献意义。但事物都有其对立性,在今天,怎样让抗生素继续为人类服务,更好地为人类服务成了一个新的课题。

DNA的发现

20世纪50年代,在英国著名的《自然》杂志上发表了一篇题为《核酸的分子结构》的论文。论文的作者是两位年纪仅为25岁和37岁的年轻科学家——沃森和克里克。他们在论文中提出了DNA分子的双螺旋结构模型。DNA双螺旋结构的发现是生命科学史上的奇迹和里程碑,具有划时代的意义。它不仅揭开了基因遗传之谜,也是近代生物工程兴起的重要基石。

沃森是美国人,20世纪40年代末毕业于芝加哥大学动物学系,由于他对基因特别感兴趣,于是选择了遗传学作为自己的研究专业,随后获博士学位,又经导师介绍,沃森来到英国剑桥大学卡耳迫什实验室继续深造,正如沃森所言:我是为着DNA而来的。

就在这里,沃森遇见了他的研究伙伴克里克,这时的克里克正在研究蛋白质的晶体结构。20世纪30年代末,克里克毕业于英国伦敦大学,主修数学和物理,因战争需要,他还曾从事过武器研究。第二次世界大战结束后,他选择生物学作为自己的研究方向,目的是把物理、数学知识渗透于生命科学的研究。因此这两位年轻人可谓志趣相投,一见如故,他们相信只要搞清DNA的分子结构就能揭开基因遗传的奥秘。

1951年11月,沃森和克里克开始进行DNA空间结构的研究。当时人们已知DNA由核苷酸组成,美国细菌学家艾佛里已完成细菌转化实验,初步证实DNA是遗传物质。世界上已有几个实验室正在角逐看谁先发现DNA结构。例如,英国皇家学院的物理学家威尔金斯和弗兰克琳,美国加州理工学院的化学家鲍林,他们虽然都不是生物学家,但是在DNA结构的研究方面都取得了一些进展。X射线晶体衍射分析是威尔金斯领导小组的主要研究方法,并用此法获得了DNA衍射照片;弗兰克琳分析这些照片,她根据图中的阴影和标记部分推测DNA可能是一个螺旋体。

纯化的DNA是一种像鸡蛋清一样的粘稠的液体,但是一加热,DNA溶液的粘度就会下降,这是为什么呢?沃森和克里克经过研究,注意到这是由于DNA分子中一些弱的化学键被破坏的结果,而氢键就是一种通过适度加热可以被破坏的弱键,所以他们猜测DNA分子中可能会存在许多氢键,这些氢键对维持DNA的正常结构是十分必要的。

鲍林小姐发现多肽链是通过氢键扭成螺旋的,沃森和克里克特别注意到鲍林成功的关键不仅仅是研究X射线衍射图谱,更重要的是用一组模型来探讨分子中各原子间的联系。这启发了两位年轻人用剪裁的硬纸板和金属片构建DNA分子模型。他们首先制作单个核苷酸的模型,并计算原子大小、键长和键角等。因为至少有十几种方式可以让碱基、磷酸和糖环连接在一起,他们就建了拆,拆了建,不断尝试。这种工作实在是乏味,甚至让人产生中断研究的念头。幸运的是沃森对生物结构的独到见解加上克里克的物理数学知识,使他们从X射线衍射图上测量到DNA的两个周期性数据:034nm和34nm。沃森和克里克推测034nm可能是核苷酸的堆积距离,他们试探着在模型上把分子排成长34nm,直径20nm的螺旋体。然而DNA双螺旋结构的发现道路是坎坷的,他们从事这项工作不久,提出了DNA三螺旋结构,但因与X射线衍射照片的分析数据不合而失败了。成功的路上免不了失败,他们并没有因此丧失继续下去的信心和勇气,他们依旧不断地尝试和摸索。

他们的努力和辛苦终究没有白费,奇迹终于出现了!当他们突然从模型上看到腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶(T)相对,鸟粪嘌呤(G)与胞嘧啶(C)相对时,激动的心情难以言表,这正是查戈夫法则(现称碱基互补配对原则),碱基对堆积在双链内侧,它们排列方式就像梯子上的横木,糖环和磷酸基排列在外侧。他们的结论是,DNA分子不是三螺旋,而是由两条长链盘绕而成的双螺旋,双螺旋的螺距是34nm,直径为2nm,每个螺距包含10对碱基,相邻两碱基对之间的距离为034nm,而碱基对排列顺序的千变万化决定了DNA分子结构的多样性。

沃森和克里克的如此重大发现只用了一年多的时间,他们在《核酸的分子结构》一文中坦率地写道:我们主要是依靠别人已经发表的实验数据构建这个模型的。由于在研究DNA分子结构方面的伟大贡献,沃森、克里克和威尔金斯、弗兰克琳共同获得了20世纪60年代初的诺贝尔生理医学奖。

鲁迅先生曾说过:科学巨人是站在别人肩膀上的。看起来在科学试验中重视前人的经验是多么重要啊!所以核酸分子结构的发现并不只是沃森和克里克的成就,而是他们四人共同努力的成果。

血液循环的发现

在人体生理学中,血液的运动规律占有重要的地位,对它的正确认识有助于进一步了解人体的其他机能。血液循环的理论对于现在的人们来说是那么理所应当,可是在古代,血液循环理论的确立却是经过了极为漫长的岁月,其中涌现了不少科学家勇于向传统的理论挑战,捍卫真理。也有一些科学家为了揭示和推广这项科学事实付出了惊人的代价。可以说我们今天所熟知的血液循环理论是非常来之不易的。

古希腊的医生虽然知道心脏与血管的联系,但是他们认为动脉内充满了由肺进入的空气。因为他们解剖的尸体中动脉中的血液都已流到静脉。古罗马医生盖仑解剖活动物时,将一段动脉的上下两端结扎,然后剖开这段动脉,发现其中充满了血液,从而纠正了古希腊流传下来的错误看法。盖仑创立了一种血液运动理论,他认为,肝脏将人体吸收的食物转化为血液。血液由腔静脉进入右心,一部分通过纵中隔的小孔由右心室进入左心室。心脏舒张时,通过肺静脉将空气从肺吸入左心室,与血液混合,再经过心脏中由上帝赐给的热的作用,使左心室的血液充满着生命精气。这种血液沿着动脉涌向身体各部分,使各部分执行生命机能,然后又退回左心室,如同涨潮和退潮一样往复运动。右心室中的血液则经过静脉涌到身体各部分提供营养物质,再退回右心室,也像潮水一样运动。盖仑的血液运动理论是错误的,但是由于他的威望,他的学说在2到16世纪时期被信奉为圣经,不可逾越。

16世纪比利时医生、解剖学家维萨里在自己的解剖实验中发现盖仑关于左心室与右心室相通的观点是错误的。

西班牙医生塞尔维特经过实验研究发现血液从右心室经肺动脉进入肺,再由肺静脉返回左心室,这一发现称为肺循环。塞尔维特朝发现血液循环的道路上迈出了第一步。因为当时的学术氛围,人们对以往学说的盲目崇拜,使得这两位勇敢挑战传统学说的科学家遭到了极为不公和残忍的待遇,最后付出了生命的代价。

意大利解剖学家法布里修斯在16世纪70年代的著作中详细描述了静脉中瓣膜的结构、位置和分布。静脉瓣膜的发现在血液循环学说的建立上是一重大进步,但是法布里修斯没能认识到这些瓣膜的意义,他仍然信奉盖仑学说。科学的血液循环学说的建立还是留待他的一个学生在他逝世9年后来完成的,这位学生就是英国人哈维。

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