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生命信息之源——基因

 

       基因是指DNA分子中能用来编码的一条多肽链,它是具有一定长度的核苷酸链片段。在生命科学研究中,基因工程作为一项重要的技术,将向人类提供一把解开生命信息密码的钥匙。迄今为止,由包括中国在内的多国科学家联合攻关的人类基因组测序和绘图等工作已基本完成,这表明在不久的将来,人类有望揭开生命遗传物质的神秘面纱。

 

      科学现已证明,父母的特征是通过基因遗传给后代的,代表这些特征的基因位于DNA(脱氧核糖酸)的分子上。脱氧核糖核酸的分子有足够的空间记录详尽的遗传指令信息。现已知道,基因是DNA的大分子,是由脱氧核糖核酸(DNA),核糖核酸(RNA)和蛋白质这三种大分子协作形成的所谓遗传器。构成生命蛋白质的氨基酸一共有20种。就是这20种氨基酸按不同顺序、不同长度排列组合,构成了形形色色的蛋白质。每种蛋白质的结构都是由DNA来决定的。在核苷酸与蛋白质之间存在一种信息关系,DNA节段内的碱基顺序决定了蛋白质内氨基酸的顺序。因为核苷酸一共只有4种,而氨基酸有20种,依据信息论原理,必须以三个核苷酸的排列顺序来代表一个氨基酸,因此,我们称这种核苷酸—氨基酸—蛋白质的编码为三联密码子。用四种核苷酸中的三个来为氨基酸编码,就会产生“同义词”,即可出现几个密码子代表同一个氨基酸的现象。尽管现代分子生物学中还有很多亟待解决的问题,但三联密码子则是公认的。

 

      70年代,当分子生物学家掌握了如何分割和拼接脱氧核糖核酸的技术,即剪接技术后,其应用范围几乎无所限制。研究人员已将细菌改造为生产胰岛素、人类生长激素和提高牛乳产量的化学物质,并把能抗御病虫害的特殊基因注入了土豆、谷物和棉花等植物中。近几年来,医生们还成功地治愈了数种可能致人死命的酶缺乏症。科学家们在另一方面——转基因技术方面,已取得重大进展。转基因技术能使动植物具有它原来所没有的全新的特性,从而达到改良食品特性、扩充食品内容,使粮食更有利于人体健康的目的。科学家预言,未来的畜牧业工作者将用一个单一的胚胎无性繁殖大批牛、猪和羊,这些家畜的质量之优和水准之高都是空前的。这项通过基因信息对细胞进行控制的技术被称为“克隆技术”。从遗传学上讲,克隆体是一模一样的个体,通过把成熟体细胞的细胞核植入未受精的去核卵中进行复制。此外,它们也可以通过人工方法使早期胚胎发生分裂,使各个细胞发育成完整的成熟细胞,并模仿导致双胞胎的自然“克隆”过程来复制。80年代,自克隆羊“多莉”出生以来,许多种克隆动物都是采用前一种方法复制出来的。

  

      基因信息除了遗传复制外,也存在变异,这与环境有密切关系。在环境中,一些因素是生命体存在的必需条件,而另外更多的环境因素则对有机体是十分不利的,甚至是有害的。有机体在这种多变的因素中,要获得生存和发展,适应是不可缺少的因素。在原核生物和单细胞真核生物中,适应主要是通过改变基因表达和基因结构(突变)来实现的。在高等生物中,大多是通过基因的调节来实现。在机体的基因中,并非所有的基因都是结构基因,相当一部分仅起调节作用,我们称为调节基因。这些基因产生的调节蛋白质可以控制其它基因的表达能力转而又受环境因素和代谢因素影响。另外,DNA的结构并非一成不变。在一些化学、物理因素如磁场、核辐射等的影响下,核苷酸顺序会发生变化。这些变化对生物体的影响可能非常深远,一些突变可能使生物获得更适应特定环境的性状,但多数这类突变是致命性的,可导致有机体死亡。在自然状态下,遗传信息也会发生变异。借助计算机分析,人们发现平均每700万年改变一个氨基酸的残基,如果导致氨基酸样式改变的DNA链的突变只是由于随机因素引起的,那么可以假定进行的速率以大致均等的速度继续着。但最近我国学者提出在进化过程中,呈现减速进化现象,即在低等动物中进化快,在高等动物中进化慢,这是一个非常有理论价值的发现。

 

      由此可见,基因对生物信息有两个方面的意义:一方面,基因是贮存遗传信息的载体,是决定物种、个体差异的物质基础,在个体发育过程中指导机体各种组成成分的生物合成,并控制细胞集合成不同的组织、器官和系统;另一方面,生物信息在环境信号刺激下促进或抑制有关基因的表达,对信号分子、信号的受体、信号转导系统的组成成分进行调整,保证生物信息正常进行。基因有时也可能发生变异(或突变),以此来适应环境的变化和生存的必需。因此,基因既是生命信息的来源,又是信息过程中的一个环节。另外,基因水平的这种信息适应方式有两个显著特点:①时滞性:即适应不能和环境变化相同步,这种适应往往是以整代的个体作为代价,甚至以物种的毁灭为代价;②适应的局限性和被动性:由于基因水平的变化有很大局限,过多的变异往往导致机体死亡,少量变异又不足以适应变化激烈的环境。从遗传性和变异性上看,遗传性居主导地位。由于变异的时滞性,使得机体不可能具有“预见性”,而总是随环境的变化而被动变异,而且一个有效变异性往往需要在很长的时间内进行(可能数百年)。这样,基因水平的信息调节在单细胞外的生物中显然不适用。由于基因所载信息同环境变化情况相比,其信息量是较小的,因为细胞的空间等因素,限制了基因的无限增长,因此,要适应瞬息万变的环境条件,不能仅靠基因的信息调节,机体还应有更广泛的信息调控机制。



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