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第九章 生 命 之 谜

一、我们是由细胞组成的

在讨论物质结构时,我们有意漏掉了相对数量很少、然而却

极为重要的一类物体。这类物体由于是活的而和宇宙间其他一切

物体不同。生物和非生物间有什么重要区别呢?曾经成功地解释

了非生物的各种性质的物理学基本定律,现在用以解释生命现象

时有多大的可信程度呢?

当谈到生命现象时,我们往往想到一些很大很复杂的活体,

如一株树、一匹马、一个人。但是,如果从这样复杂的机体着手研

究生物的基本性质,那就无异于在分析无机物的结构时以汽车之

类的复杂机器为对象,结果必然是无益的。

这样做所会遇到的困难是很明显的。一部汽车是由材料、形

状和物理状态各不相同的成千个部件组成的。有一些是固体(如

钢制底盘、铜制导线、玻璃风挡等),还有一些是液体(如散热器

中的水,油箱中的汽油、气缸中的机油),还有一些是气体(如由

汽化器送入气缸的混合气)。因此,在分析这个叫做汽车的复杂物

体时,第一步是把它分解成物理性质一致的分离部件。这样,我们

就会发现,汽车是由各种金属(如钢、铜、铬等)、各种非晶体

(如玻璃、塑料等)和各种均匀的液体(如水、汽油等)所组成。

然后,我们可进一步凭借各种物理研究手段进行分析,从而

发现,铜制部件是由小粒晶体组成的,每粒晶体又是由一层层铜

原子有规则的刚性连接叠成的;散热器内的水是由大量松散聚集

在一起的水分子组成,每一个水分子又由一个氧原子和两个氢原

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子组成;通过汽化器阀门进入气缸的混合气则是由一大群高速运

动的氧分子、氮分子和汽油蒸气分子搀杂在一起组成的;而汽油

分子又是碳原子和氢原子的结合体。

同样,在分析像人体那样复杂的活机体时,我们也先得把它

分成单独的器官,如脑、心、胃等等。然后再把它们分开成各种生

物学上的单质,即通常所说的“组织”。

这各种各样的组织,可以说是构成复杂生物体的材料,正如

各种在物理上的单质组成了机械装置一样。从这种意义上来说,根

据各种组织的性质来研究生物体作用的解剖学和生物学,是和根

据各种物质的力学、磁学、电学等性质来研究这些物质所组成的

各种机器的作用的工程学相类似的。

因此,单靠弄清各组织如何组成复杂的机体,还不能够解答

生命之谜,我们必须搞清楚各机体中的组织在根本上是如何由一

个个不可分的单位组成的。

如果你认为。可以将活的单一生物组织比做普通物理单质,

那可是个大错误。事实上,随意选取一种组织(皮肤组织、肌肉

组织、脑组织等)在低倍显微镜下观察一下,就会发现这些组织

里包含有许多小单位。这些小单位的本性或多或少地决定了整个

组织的性质(图 90)。生物的这些基本组成单元一般称为“细

胞”,也可以叫做“生物原子”(也就是“不可再分者”),这是因

为各种组织的生物学性质至少要在有一个单个细胞时才能保持下去。


图 90 各种类型的细胞

例如,要是把肌肉组织切成半个细胞那么大,它就会完全失

去肌肉所具有的收缩性和其他性质,正如半个镁原子就不再是镁

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第九章 生 命 之 谜


一样&①。

构成组织的细胞是很小的(平均粗细只有百分之一毫米&②)。

一般的植物和动物都由极多个细胞组成,例如,一个成年人就是

由几百万亿个细胞组成的!

小一些的生物体,细胞总数当然要少些。如一只苍蝇,一头蚂

蚁,至多不过有几亿个细胞。还有一大类单细胞生物,如阿米巴、

真菌(能引起“金钱癣”的那一种)和各种细菌,它们都是由单

独一个细胞构成的,只有在高倍显微镜下才能看到。对于这些在

复杂机体中泰然担当其“社会职能”的单个活细胞所进行的研究,

是生物学上最激动人心的篇章之一。

为了对生命问题有个概括的了解,我们必须对活细胞的结构

和性质作出解答来。

活细胞凭什么性质而和一般无机物或死细胞——如做书桌的

木头、制鞋子的皮革中的细胞——不同呢?

活细胞有如下几个特殊的基本性质:①能从周围物质中攫取

自己需要的成分;②能把这些成分变为供自己生长所用的物质;

③当它的体积变得足够大时,能够分成两个与原来相同但小一倍

的细胞(每个新细胞仍然能再长大)。由单个细胞组成的复杂机

体,不用说也都具有“吃”、“长”、“生”这三种能力。

好挑剔的读者可能会反对说,这三个性质也存在于普通的无

机物质之中。例如,在过饱和的食盐水&③中扔进一小粒食盐,在它

的表面上就会“长”出一层层来自溶液(更确切地说,是从溶液


① 大家想必还记得原子结构那一章的内容:一个镁原子(原子序数 12,原子量 24)

的原子核有 12 个质子和 12 个中子,核外环绕着 12 个电子。把镁原子核对半分开,就会得

到两个新原子,每个原子有 6 个质子、6 个中子和 6 个电子——这正是两个碳原子。

② 有的细胞是很大的。例如,整个鸡蛋黄就是一个细胞。不过,即便在这种情况下,

细胞中有生命的部分仍然是只有显微尺寸的,其余大部分黄色物质只是些为鸡的胚胎发育

所储存的养料。

③ 过饱和食盐水可按下法制得。在热水中溶解多量的盐,熟后冷却到室温。由于溶解

度随温度的降低而减小,水中就会含有比水能够溶解的数量还要多的食盐分子。然而,这

些多余的分子能在溶液中保持很长时间,直到扔进一小粒盐为止。可以说,这粒盐提供了

起动力,是将食盐分子从溶液中“迁徙”出来的组织者。

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中被赶出来)的食盐分子。我们还能进一步设想,当这粒晶体达

到一定的大小后,会因某种机械效应——如重量的增加——而裂

成两半;这样形成的“子晶”还可以接着长下去。为什么不把这

个过程看作“生命现象”呢?

在回答这一类问题时,首先要指出,如果只把生命现象看成

较为复杂的普通物理及化学现象,那么,生物和非生物之间是不

会有什么明确的界线的。这正如在以统计定律描述大量气体分子

的运动伏况时,我们不能确定统计定律的适用界限一样(见第八

章)。事实上,我们知道,充满一个大房间的气体不会突然自行聚

集在一个角落里,至少这种可能性是小到几乎不存在的;但我们

也知道,如果在整个房间里只有两个,三个,或者四个分子,那

么,这种集中的情况就会经常发生了。

但是,我们能找到这两种不同情况在数量上的分界线吗?那

是 1000 个分子,是 100 万个分子,还是 10 亿个分子呢?

同样,在涉及食盐在水溶液中的结晶之类现象和活细胞的生

长分裂现象时,也不能期望存在一个明确的界线。生命现象虽然

比结晶这种简单分子现象复杂得多。但从根本上来讲,却并没有

什么不同。

不过,对于刚才那个例子,我们倒是可以这样说:晶体在溶液

中生长的过程,只不过是把“食物”不加变化地集中在一起,只

是原来和水混在一起的盐分子简单地聚集到晶体表面上来,这只

是物质的单纯机械增减,而不是生物化学上的吸收;晶粒的偶然

裂开也不过是由重力造成的,而且各裂块的大小也不成比例。这

与活细胞由于内部作用力的结果而不断准确分成两个细胞实在没

有什么相似之处,因此,不能将它看成生命现象。

再来看看下面这个例子,它与生物学过程更为相似。如果在

二氧化碳水溶液中加入一个酒精分子(C2H5OH)后,这个酒精

分子能够自行把水分子和二氧化碳分子一个个合成新的酒精分


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子&①,那么,我们只要往苏打水中滴入一滴威士忌,就会把全部苏

打水变成纯威士忌酒。这下子,酒精就真的可算是个活物了!


图 91 假如一个酒精分子能够把水分子和二氧化碳分子组合成一个个

新的酒精分子的话,就会是这个样子。如果这种“自我合成”真能

实现的活,那就真该把酒精看作活物了

这个例子并非纯属虚构,后面我们可以看到,确实存在一种

叫做病毒的复杂化学物质,它的复杂分子(由几十万个原子组成)

就能够从周围环境中取得分子,把它们构成与自己相同的分子。

这些病毒既应被看作是普通的化学分子,又应被看作是活的机体,

因而正是连接生物与非生物的那一个“丢失的环节”。

但是现在,我们还是回到普通细胞的生长和繁殖的问题上来,

因为尽管细胞很复杂,但它毕竟还是最简单的活机体。

在一架良好的显微镜下可以看到,一个有代表性的细胞是一

种具有相当复杂的化学结构的半透明胶状物质,这种物质一般称

为原生质。原生质外面有一层细胞壁包着,在动物细胞中这是一

层薄而柔软的膜,在各种植物细胞中则是一层使植物获得一定强

度的厚而硬的壁(参看图 90)。每一个细胞内都有一个小小的球状


① 这个想象的化学反应的方程式如下:

3H2O+2CO2+C2H5OH=2[C2H5OH]+3O2

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物,称为细胞核,它是由外形像一张细网的叫做染色质的东西构

成的(图 92)。要注意,细胞中原生质的各部分在正常情况下对于

光的透射率都是相同的,因此不能直接在显微镜下看到活细胞的

结构。为了看到细胞的结构我们必须给细胞染色,这是利用原生

质各部分吸收染料的能力不同这一现象。原子核的细网特别能吸

收加入的染料,因此就能在浅色背景上突出地显露出来&①。“染色

质”(即“吸收颜色的物质”)的名称就是这样得来的。

当细胞即将进行分裂时,细胞核的网状组织会变得大大不同

于往常,成了一组丝状或棒状的东西(图 92b和c),它们叫做

“染色体”(即“吸收颜色的物体”)。请看后面图版Ⅴ的a和b②。

任意选定一个物种,它体-内的所有细胞(生殖细胞除外)都

含有相同数目的染色体;而且一般说来,生物越是高级,染色体的

数目也就越多。

小小的果蝇曾大大帮助生物学家了解过生命之谜,它的每个

细胞里有 8 条染色体。豌豆有 14 条。玉米有 20 条。物学家自己

以及所有的人,细胞里都有 46 条染色体。看来人们可以自豪一下

了,因为这从数学上证明了人比苍蝇优越 6 倍;可是蛤蜊的细胞里

却有 200 条染色体,又是人的 4 倍多,所以,看来还是不能一概而

论啊!

重要的是,一切物种细胞内染色体的数目都是偶数,而且构

成几乎完全相同的两套(见图版Ⅴa,例外的情况要在本章中另行

讨论),一套来自父体,一套来自母体。来自双亲的这两套染色体

决定了一切生物的复杂的遗传性质,而且代代相传下去。

细胞的分裂是由染色体发端的:每一条染色体先沿长度方向


① 在一张纸上用白腊写字,字迹也是显露不出来的。如果此后用铅笔将纸涂黑,由于

被蜡覆盖的纸面不会沾上石墨,字迹就清楚地在黑色背景上显现出来了。这两者是同一个

道理。

② 应该注意,给细胞染色往往会把它们杀死,从而观察不到细胞的活动。因此 ,

图 92 所示的细胞分裂并不是观察一个细胞,而是给处于不同发展阶段的不同细胞染 色

的结果。从原理上说,这两者是没有什么不同的。

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第九章 生 命 之 谜



图 92 细胞分裂的各个阶段(有丝分裂)

整 齐 地 分 成 较 细 的 两 条 。 这 时 , 细 胞 体 仍 作 为 一 个 整 体存 在

(图 92d)。

当这团纠结的染色体开始变整齐些,并要进行分裂的时候,

有两个位于细胞核外缘、相互离得很近的中心体逐渐离开,移向

细胞的两端(图 92a,b 和 c)。这时,在分开的中心体和细胞核

中的染色体间有细线相连。当染色体分开后,每一半都因细线的

收缩被拉向相邻的中心体(图 92e 和 f)。当分裂过程将近尾声时

(图 92g),细胞膜(壁)沿中心线凹陷进去(图 92h),每一半细

胞都长出一层薄膜(壁),这两个只有一半大的细胞互相离开,于

是出现了两个分开的新细胞。

如果这两个子细胞从外界获得充足的养分,它们就会长得和

上一代细胞一样大(即长大一倍),并且再经过一段时间后,又会

照同样方式进行进一步的分裂。

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对于细胞的分裂,我们只能给出如上的各个步骤,这是来自

直接观察的结果。至于对这些步骤进行科学的解释,则由于对相

应各个物理化学作用力的确切本质知道得太少,至今还不能作出。

要对细胞整体作物理分析,细胞似乎还是太复杂了些,因此,在攻

克细胞问题之前,最好先弄清染色体的本质。这比较简单一些,我

们要在下一节讲它。

不过,如果先把由大量细胞组成的复杂生物的繁殖过程弄清

楚,还是比较有用的。这里可以提出这么一个问题:是先有蛋呢,

还是先有鸡?其实,在这类反复循环的过程中,无论先从会生蛋的

鸡开始,还是先从能孵出小鸡的蛋开始,情况都是一样的(其他

动物也是一样)。

我们就从刚出壳的小鸡开始吧。一只正在孵化的小鸡,是经

历了一系列连续分裂而迅速长成的。大家记得,一只长成的动物

体是由上万亿个细胞组成的,而它们统统由一个受精卵细胞不断

分裂而成。乍一看来,恐怕自然会以为这个过程一定需要好多好

多代的分裂才能成功。不过,如果大家还记得我们在第一章所讨

论过的问题,即西萨·班向打算赏赐他的那位马大哈国王索取构

成几何级数的 64 堆麦粒,或是重新安置决定世界末日的 64 叶金片

所需的时间,便能看出,只需为数不多的分裂次数,就能产生出极

多的细胞来。如果用&x&表示从一个细胞变为成年人所有细胞所需的

分裂次数,根据每一次分裂都使细胞数目加倍(因为每一个细胞

变为两个),便可以列出下式:

2&x=1014

求解后得&x=47。

因此,我们身\_体里的每一个细胞,都是决定我们的存在的那

个卵细胞的大约第五十代后裔&①。


① 将这个计算式和结果同决定原子弹爆炸的公式(见第七章)比较一下是很有趣的。

使一公斤铀的每一个原子(共 2.5×1024 个)都进行裂变所需次数是由类似的式子 2&x=2.5

×1024 决定的。求解后,得&x=61。

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第九章 生 命 之 谜


动物在小时候,细胞分裂进行得很快,但在成熟的生物体-内,

大多数细胞在正常情况下处于“休眠状态”,只是偶而分裂一下,

以补偿由于外损内耗所造成的数量减少,作到“收支平衡”。

现在,我们来讨论一类特殊的细胞分裂。即负责生殖的“配

子”(又叫“婚姻细胞”)的分裂过程。

各种具有两个性别的生物体,在它们的早期阶段,都有一批

细胞被放到一边“储备起来”,以供将来生殖时使用。这些位于专

门生殖器官内的细胞,只在器官本身成长时进行几次一般分裂,

分裂次数大大少于其他器官中细胞的分裂次数,因此,到了该用

这些细胞来产生下一代时,它们仍然还是生命力旺盛的。这时,

这些生殖细胞开始进行分裂,不过是以另一种方式、一种比上述一

般分裂大为简单的方式进行:构成细胞核的染色体不像一般细胞

那样劈成两平,而是简单地互相分开(图 93a,b 和 c),从而使每

个子细胞得到原来染色体的一半。


图 93 配子的生成(a,b,c)和卵细胞的受精(d,e,f)。在

第一阶段(减数分裂),所储备的生殖细胞未经劈裂就分成两个

“半细胞”;在第二阶段(配合),精子细胞钻入卵细胞。它们的

染色体配合起来,这个受精卵从此开始进行图 92 那样的正常分裂

细胞的一般分裂被称为“有丝分裂”,而这种产生“部分染色

体”细胞的分裂方式被称为“减数分裂”。由这种分裂所产生的子

细胞叫做“精子细胞”和“卵细胞”,或者叫雄配子和雌配子。

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细心的读者可能会产生一个疑问:生殖细胞是分裂成两个相

同的部分的,那怎么能产生雄、雌两种配子呢?情况是这样的:在

我们前面已提到过的那两套几乎完全相同的染色体中,有一对特

殊的染色体,它们在雌性生物体-内是相同的,而在雄性生物体-内

是不同的。这对特殊的染色体叫做性染色体,用 X 和 Y 这两个符

号来区别。雌性生物体-内的细胞只有两条 X 染色体,而雄性生物

体-内则有X,Y染色体各一条&①。把一条X染色体换成Y染色体,

就意味着性别的根本不同(图 94)。


图 94 男子和女-子“票面值”的不同。女-子的所有细胞都含有

23 对两两相同的染色体,男人却有一对不相同。这一对中有一条

X 染色体和一条 Y 染色体。在女-子的细胞中,两条都是 X 染色体

由于雌性生物的生殖器官中,所有细胞都有一对 X 染色体,

当它们作减数分裂时,每个配子得到一条 X 染色体。但是每个雄

性生殖细胞有 X 染色体和 Y 染色体各一条,在它所分裂成的两个

配子中,一个含有 X 染色体,一个含有 Y 染色体。

在受精过程中,一个雄配子(精子细胞)和一个雌配子(卵

细胞)进行结合,这时,可能产生含有一对 X 染色体的细胞,也

可能产生含有 X 染色体和 Y 染色体各一条的细胞,这两者的机会

是均等的。前者发育成女孩,后者发育成男孩。


① 这种说法对人类和所有哺乳动物都是适用的。鸟类的情况恰恰相反,如公鸡有两条

相同的性染色体,而母鸡却有不同的两条。

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第九章 生 命 之 谜


这个重要的问题,我们在下一节还要讲到。现在还是接着讲

生殖过程。

精子细胞和卵细胞结合,这叫“配子纪合”,这时得到了一个

完整的细胞,它开始以图 92 所示的“有丝分裂”方式一分而二。

这两个新细胞在经过一个短暂的休止后,又各自一分为二,这四

个细胞又各行分裂。这样进行下去,每一个子细胞都得到原来那

个受精卵中染色体的一份精确的复制品。所有的染色体有一半来

自父体,另一半来自母体。受精卵逐步发育成为成熟个体的过程

由图 95 简略地表示出来。

在图 95a 中,我们看到的是精子进入休眠的卵细胞体中。这两个

配子的结合促发这个完整的细胞开始进行新的活动。它先分裂成

两个,然后是 4 个、8 个、16 个……(图 95b,c,d,e)。当细胞

数目变得相当大时,它们就会排列成肥皂泡状,每个细胞都分布

在表面上,以利于更方便地从周围的营养介质中得到食物(f)。再

往后,细胞会向内部空腔里凹陷进去(g),进入“原肠胚”阶段。

这时,它像是一个小荷包,荷包的开口兼供进食和排泄之用。珊瑚

虫之类动物的发育就到此为止,而更为进化的物种则继续生长和

变形。一部分细胞发展成为骨骼,另一些细胞则变为消化、呼吸和

神经系统。在经历了胚胎的各个阶段后(i),最终成为可辨认出其

所属物种的生物(k)。

我们已提到过,在发育的机体中,有一些细胞从早期发展阶段

起就可以说是被放到一旁保存起来以供将来繁殖之用。当机体成

熟后,这些细胞又经历了减数分裂,产生出配子,再从头开始上述

整个过程。生命就是这样延续下来的。

二、遗传和基因

在生殖过程中,最值得注意的是,来自双亲的两个配子发育

成的新生命,不会长成任何一种别的生物,它一定会成为自己父

母以及父母的父母的复制品,虽然不完全一样,却也相当忠实。

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图 95 从卵细胞到人

事实上,我们确信,一对爱尔兰塞-特猎犬生出的小狗崽,长

不出一头大象或一只兔子的模样,也不会长成大象那么大,或长到

兔子那么大就不再长;它就是生就一付狗相:它有四条腿、一条

长尾巴,头部两侧各有一只耳朵和一只眼睛。我们同时还可以颇有

把握地预言,它的耳朵会是软软地下垂着的,它的毛会是长长的、

金棕色的,它大概一定很喜欢出猎。此外,它身上一定还在许多细

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第九章 生 命 之 谜


微的部分保留着它的父母、甚至它的老祖先的特点;与此同时,它

一定也有若干自己的独特之处。

所有这各种各样被赋与良种塞-特猎犬的特性,是怎样被放进

用显微镜才能看到的配子中去呢?

我们已经知道,每一个新生命都从自己的父母那里各自得到

正好半数的染色体。很明显,作为整个物种的大同之处,一定是在

父母双方的染色体中都具备的,而单独个体的小异之处,一定是

从单方面得来的。而且,尽管我们可以相当肯定地认为,在长期的

发展过程中,在许多世代之后,各种动、植物的大多数基本性质都

可能发生变化(物种的进化就是个明证),但在有限的时间内,人

们只能观察到很微小的次要特性的变化。

研究这些特性及其世代延续,是新兴的基因学的主要课题。

这门学科虽然尚处于萌芽时期,但已能给我们讲许多关于生命的

最深层的隐秘而激动人心的故事。例如我们已经知道,遗传是以

数学定律那样简洁的方式进行的,这就与绝大部分生物学现象截

然不同,因而也就说明,我们所研究的正是生命的基本现象。

下面就以大家熟知的色盲这种人眼的缺陷为例来探讨一下。

最常见的色盲是不能区别红、绿二色。要想弄清色盲是怎么回事,

先得明白为什么我们能看到颜色,又得研究一下视网膜的复杂构

造和性质,还得了解不同光波所能引起的光化学反应,等等。

如果再问及关于色盲的遗传这个间题,乍一看来似乎会比解

释色盲现象本身还要复杂。可是,答案却是意想不到的简单明了。

由直接统计可以得出:①色盲中男性远多于女性;②色盲父亲和

“正常”母亲不会有色盲孩子;③“正常”父亲和色盲母亲的儿

子是色盲,女儿则不是。由这几点可以清楚地看出,色盲的遗传必然

与性别有一定关系。只需假定产生色盲的原因是由于一条染色体

出了毛病,并且这条染色体代代相传。我们就可以用逻辑判断得

到进一步的假设:色盲是由 X 染色体中的缺陷造成的。

从这一假设出发,从经验得来的色盲规律就像白天那么清楚

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20&世纪科普经典特藏 从一到无穷大


了。大家还记得,雌性细胞中有两条 X 染色体,而雄性只有一条

(另一条为 Y 染色体)。如果男性中这唯一的一条 X 染色体有色盲

缺陷,他就是色盲;而女性只在两条 X 染色体都有这种毛病时才

会成为色盲,因为一条染色体已足以使她获得感觉颜色的能力。

如果 X 染色体中带有色盲缺陷的概率为千分之一,那么,在 1000

个男人中就会有 1 个色盲。同样推算的结果,女性中两条 X 染色

体都有缺陷的可能性则应按概率乘法定理计算(见第八章),即

1

1

1

×

=

1000 1000 1 000 000

所以,一百万个妇女中,才有发现一名先天色盲的希望。

我们来考虑色盲丈夫和“正常”妻子(图 96a)的情况。他

们的儿子只从母亲那里接受了 1 条“好的”X 染色体,而没有从

父亲那里接受 X 染色体,因此,他不会成为色盲。


图 96 色盲的遗传

另一方面,他们的女儿会从母亲那儿得来 1 条“好的”X 染

色体,而从父亲那里得到的则是“坏的”。这样,她不会是色盲,

但她将来的孩子(儿子)可能是色盲。

在“正常”丈夫和色盲妻子(图 96b)这种相反情况下,他

们儿子的唯一 X 染色体一定来自母体,因而一定是色盲;而女儿

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第九章 生 命 之 谜


则从父亲那里得来一条“好的”,从母亲那里得来一条“坏的”,

因而不会是色盲。但也和前面的情况一样,她的儿子可能是色盲。

这不是再简单不过了吗?!

像色盲这样需要一对染色体全部有了改变才能表现出某种后

果来的遗传性质,叫做“隐性遗传”。它们能以隐蔽的形式,从祖

父、外祖父一辈传给孙子、外孙一辈。在偶然情况下,两条漂亮的

德国牧羊犬会生出一条与德国牧羊犬完全不同的小崽来,这个悲

惨事件就是上述原因造成的。

与此相对的“显性遗传”也是有的,这就是在一对染色体中

只要有一条起了变化就会表现出来的方式。我们在这里离开了基

因学的实例,用一种想像的怪兔来说明这类遗传。这种怪兔生来

就长着一对米老鼠&*那样的耳朵。如果假设这种“米式耳朵”是一

种显性遗传特性,即只消一条染色体的变化就能使兔子耳朵长成

这种丢脸相(对兔子来说),我们就能预言后代兔子的样子会如图

97 所示(假定那只怪兔及其后代都与正常兔子交-配)。造成“米

式耳朵”的那条不正常的染色体在图中用一小块黑斑标出。

除了显性和隐性这两种非此即彼的遗传特性之外,还有可称

作“中间型”的一种。如果我们在花园里种上一些开红花和开白

花的草茉莉,那么,当红花的花粉(植物的精子细胞)被风或昆

虫送到另一朵红花的雌蕊上时,它们就与雌蕊基部的胚珠(植物

的卵细胞)结合。并发育成种子。这些种子将来还开红花。同样,

白花与白花的种子,也还会开出白花来。但是,如果白花的花粉落

到红花的雌蕊上,或者红花的花粉落到白花的雌蕊上,这样得到

的种子将会开出粉红色的花朵来。然而不难看出,粉红色花朵并

不代表一种稳定的生物学品种。如果在它们之间授粉,将会有 50%

的下一代开粉红花朵,25%开红色花朵,25%开白色花朵。

对于这种情况,只需假设花朵的红色或白色的性质是附在这


* 米老鼠是美国迪斯尼乐园中的一个重要角色。它是一只老鼠,但耳朵长成半圆

形。——译者

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图 97

种植物细胞的一条染色体之中,就很容易得到解释。如果两条染

色体相同,花的颜色就会是纯红或纯白;如果一条是红的,另一条

是白的,这两条染色体争执的结果,是开出粉色的花朵来。请看图

98,这张图绘出了“颜色染色体”在下代茉莉花中的分布,我们

可以从中看出前面提到的那种数值关系。照图 98 的式样,我们可

以毫不费力地画出,在白色和粉色茉莉的下一代中,含有 50%的

粉花和白花,但不会有红花;同样,从红花和粉花可育出一半的红

花和一半的粉花来,但是不会出现白花。这些就是遗传定律,是 19

世纪的一位塞-拉维亚教派僧侣、谦和的孟德尔(Gregor Mendel)*在

布鲁恩的寺院里栽种豌豆时发现的。

到目前为止,我们已经把新生生物承继来的各种性质与它们

双亲的不同染色体联系起来了。不过,生物的各种性质多得几乎

数不清,而染色体的数目相对来说又为数不多(苍蝇 8 条、人类


* 孟德尔(1822~1884),奥地利植物学家。——校者

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第九章 生 命 之 谜



图 98

46 条),我们必须假设每一条染色体都携有一长串特性才行。因

此,可以想像这些特性是沿着染色体的丝状形状分布着。事实上,

只要看一看图版Ⅴa所摄的果蝇唾液腺体的染色体&①,就很难不把

那些沿横向一层层分布的许多暗黑条纹看成载有各种性质的处所;

其中有一些横道控制着果蝇的颜色,另一些决定了它翅膀的形状,

还有一些分别注定它要有 6 条腿、身长 1/4 英寸左右,并且看得出

是一只果蝇,而决不是一条蜈蚣或一只小鸡。

事实上,基因学告诉我们,这种印象是正确的。我们不但可以

证明染色体上的这些小小的组成单元——即所谓“基因”——本


① 大多数生物的染色体都极小,而果蝇的染色体相对说来要大得多,因此进行显微摄

影比较容易。

211

20&世纪科普经典特藏 从一到无穷大


身载有各种遗传性质,还常常能指出其中的哪些基因决定了什么

具体特性。

不过,即使用最大倍率的显微镜来观察,所有的基因也都有

几乎同样的外表,它们的不同作用一定是深深地隐藏在分子结构

内部的某个地方。

因此,想要了解每个基因的“生活目的”,就得细心研究动植

物在一代代繁衍中各个遗传性质的传递方式

我们已经知道,每一个新生命从自己父母那里各得到一半数

目的染色体。既然父母的染色体又都是它们自己父母染色体的一

半组成的,我们可能会想到,这个新生命从祖父或祖母、外祖父或

外祖母方面,只能分别得到一个人的遗传信息。但事实不一定如

此,有时祖父、祖母、外祖父、外祖母都把自己的某些特性传给自

己的孙辈。

这是否推翻了上述染色体的传递规律呢?不,这个规律没有

错,只是过于简单了。我们必须考虑到这样一种情况:当被储备起

来的生殖细胞准备进行减数分裂而变成两个配子时,成对的染色

体往往会发生缠结,交换其组成部分。图 99a 和 b 简示了这类导致

来自父母的基因混杂化的交换过程,这就是混合遗传的原因。还

有这样一种情况:一条染色体本身也可能弯成一个圈子,然后再

从别的地方断开,从而改变了基因的顺序(图 99c,图版Ⅴb)。

显然,两条染色体的部分交换及一条染色体的变更顺序非常

可能使原来相距很远的基因接近,而使原来的近邻分开。这就如

同给一副扑克牌错一下牌,这时虽然只分开一对相邻的牌,却会

改变这一副牌上下两部分的相对位置(还会把首尾两张牌凑到一

起)。

因此,如果某两项遗传性质在染色体发生改变的情况下,仍

然总是一起发生或消失,我们就可以判断说,它们所对应的基因

在染色体中一定是近邻;相反,经常分开出现的性质,它们所对应

的基因一定处在染色体中相距很远的两个位置上。

212

第九章 生 命 之 谜



图 99

美国基因学家摩尔根(Thomas Hunt Morgan)和他的学派沿着

这个方向进行研究,并为他们的研究对象果蝇确定了染色体中各

基因的固定次序。图 100 就是通过这种研究工作给果蝇的四条染色体

列出的基因位置表。

像 图 100 这 样 的 图 表 , 当 然 也 能 以 更 复 杂 的 动 物 和 人

作对象编制出来,只不过这种研究需要更加仔细、更加小心谨慎

就是了&*。

三、

“活的分子”——基因

对活机体的极为复杂的结构逐步进行分析之后,我们现在似

乎巳经接触到生命的基本单元了。事实上我们已经看出,活机体

的整个发展过程和生物发育成熟后的几乎所有的性质,都是由深

深藏在细胞内部的一套基因控制着的。简直可以这样说,每一个


* 目前这样的图表已由包括我国科学家在内的多国科学家合作编制出来了。——校者

213

20&世纪科普经典特藏 从一到无穷大



图 100

动物和每一株植物,都是“围绕”其基因生长的。如果打一个极

其粗略的比方,可以说,活机体和基因之间的关系,正类似于大块

无机物质的原子核之间的关系。任何一种物质的一切物理性质和

化学性质,都可归结到以一个数字表示其电荷数的原子核的基本

性质上去。例如,有 6 个基本电量单位的原子核,周围会聚拢来 6

个电子;具有这种结构的原子倾向于排成正六面体,成为有极高

硬度和高折射率的物质,即所谓金刚石。再如一些分别带有 29 个、

16 个和 8 个电荷的原子核,会形成一些紧紧连在一起的原子,它

们组成那种称为硫酸铜的浅蓝色物质。当然,活的机体,即使是最

简单的种类,也远比任何晶体复杂得多,但是,它的各个宏观部

分,都是由微观上进行组织的活性中心完全决定的。就这个典型

的特点来说,两者是相同的。

这些决定生物一切性质(从玫瑰的香味到大象鼻子的模样)

的组织中心有多大呢?这个问题很容易回答:把染色体的体积,除

以它所包含的基因数目。根据显微观测,一条染色体的平均粗细

214

第九章 生 命 之 谜


有千分之一毫米,也就是说,它的体积为 10-14 立方厘米。实验表

明,一条染色体所决定的遗传性质竟有几千种之多,这可通过计

数果蝇那条大染色体上横列的暗道(单个基因)的个数而直接得

出&①(图版Ⅴ)。用染色体总体积除以单个基因的个数,得出一个

基因的体积不会大于 10-17 立方厘米。原子的平均体积约为 10-23 立

方厘米

[≈(2×l0-8)3],

因此,结论是:每个单个的基因一定是由约 100 万个原子组成

的。*

我们还可以计算出基因的重量。以人为例,大家知道,成年

人有 1014 个细胞,每个细胞有 46 条染色体,因此,人体-内染色体的

总体积约为 1014×46×10-14≈50 立方厘米,也就是不到两盎司&**重

(人体密度与水相近)。就是这点微不足道的“组织物质”,能够在

它的周围建立起比自己重几千倍的动植物体的复杂“包装”来。

正是它们“从内部”决定着生物生长的每一步和结构的每一处,

甚至决定着生物的绝大部分行为。

不过,基因本身又是什么呢?它是不是也应被看作能够再细

分下去,成为更小的生物学单位的复杂“动物”呢?答案是一个

斩钉截铁的“不”字。基因是生命物质的最小单位。进一步说,

我们除了肯定基因具有生命的一切特性,因而和非生物不同之外,

我们现在也不怀疑它们同时还和遵从一般化学定律的分子(如蛋

白质)有关。

换句话说,有机物质和无机物质之间那个过渡的环节(即本

章开头时所考虑到的“活分子”),看来就存在于基因之中。

基因一方面具有明显的稳定性,可以把物种的性质传递几千


① 一般的染色体都太小了,显微镜不能分辨出单个基因来。

* 后来发现基因与基因之间有大量的“垃圾片断”,因此实际组成单个基因的原子数应

不超过 100 万。——译者

** 盎司,英制重量单位。一盎司约为 28.35 克。——译者

215

20&世纪科普经典特藏 从一到无穷大


代而不发生任何变化;另一方面,构成一个基因的原子数目相对

说来并不很大,因此,确实可以把它看作设计得很好的、每个原

子或原子团都按预定位置排列的一种结构。不同的基因有不同的

性质,这反映到外部来,就产生了各种不同的器官。这种倩况可以

认为是基因结构中原子分布的变化所引起的。

我们来看一个简单的例子。TNT(三硝基甲苯)是在两次世界

大战中起了重要作用的爆炸性物质,它的分子是由 7 个碳原子、5

个氢原子、3 个氮原子和 6 个氧原子按下列方式之一排列成的:


H

H

H

H C H

H C H

H C H

C

C

C

O

O O

O

O

N C

C N

N C

C N

H C

C N

O

O O

O

O

O

O

H C

C H

H C

C N

H C

C N

O

O

C

C

C

N

H

N

O

O

O

O

α

β

γ



O

这三种方式的不同之处,在于

N 原子团与碳环的连接方式不

O

同。由此得到的三种物质一般叫做&α&TNT,&β&TNT 和&γ&TNT。这三种

物质都能在实验室中合成,而且都有爆炸性。但在密度、溶解度、

熔点和爆炸力等方面,三者稍有差别。使用标准的化学方法,人们

O

可以不大费力地把

N 原子团从一个连接点上移到同一分子的

O

其他点上去,从而把一种 TNT 换成另外一种。这类例子在化学中

是很普遍的,分子越大,可以得到的变型(同分异构体)就越多。


216

第九章 生 命 之 谜


如果把基因看做由一百万个原子组成的巨大分子,那么,在

这个分子的各个位置上安排各个原子团的可能情况,可就多得不得

了啊!

我们可以把基因设想成由周期性重复的原子团组成的长链,

上面附着各种其他原子团,像手镯上面挂有坠饰那样。近年来,生

物化学巳进展到能确切地画出遗传“手镯”的式样了。它是由碳、

氮、磷、氧和氢等原子组成的,叫做核糖核酸。在图 101 中,我们

把决定新生婴儿眼睛颜色的遗传“手镯”,以超现实主义的手法画

出了一部分(省去了氮原子和氢原子)。图中的四个坠饰表明婴儿

的眼晴是灰色的。把这些坠饰换来换去,可以得到几乎是无限多

的不同分布。


图 101 决定眼睛颜色的遗传“手镯”(核酸分子)的

一部分(已被大大简化了)

例如,如果一个遗传“手镯”有十个不同的坠饰,它们就会

有 1×2×3×4×5×6×7×8×9×10=3 628 800 种不同的分布。

如果有一些坠饰是相同的,不同排列的总数就会少一些。上

述那 10 个坠饰如果两两相同(共 5 种),就只会产生 113 400 种不

同的排列。然而,当坠饰的总数增多时,排列的可能数目就会迅速

增加。例如,当坠饰为 5 种、每种 5 个(即共 25 个)时,可产生

约 62 330 000 000 000 种分布!

217

20&世纪科普经典特藏 从一到无穷大


因此,可以看出,既然在大的有机分子里,各种不同的“坠

饰”在各个“悬钩”上可以产生如此众多的分布,这就不但可以

满足一切实际生物变化的需要,而且哪怕是我们用想像力发明出

最荒诞的生物来,这个数目字也是应付得了的。

对于这些沿丝状基因分子排列的、起决定生物性质作用的坠

饰来说,有一点很重要,这就是它们的分布有可能自发地改变,

从而使整个生物体在宏观上发生相应改变。造成这种改变的最常见

的原因是热运动。热运动会使整个分子的形体像大风中的树枝一

样弯来扭去,在温度足够高时,分子体的这种振摆会强烈到足以

把自己撕裂开来——这就是热离解过程(见第八章)。但是,即使

在温度较低、分子能够保持完整时,热振动也可能造成分子内部

结构的某些变化。例如,可以设想,连接在分子某处的坠饰在分子

扭-动时会与另外一个“悬钩”接近,这时,它有可能相当容易地

脱离自己原来的位置,而连接到新的钩子上去。

这种同分异构&①转变现象会在普通化学中那些较为简单的分子

中发生,这是大家都知道的。这种转变也和一切其他化学反应一

样,遵从这样一条基本的化学动力学定律:每当温度升高 10℃,

反应速率大约加快一倍。

对于基因分子这种情况,由于它们的结构太复杂,恐怕在今

后一段相当长的时间内,有机化学家们也未必能把它搞清楚。因

此,目前还没有一种化学分析方法能直接验证基因分子的同分异

构变化。不过,有一种现象,从某种角度来说,可以说比费力的化

学分析要好得多。这就是:如果在雄配子或雌配子的基因中有一

个发生了同分异构变化,它们结合成的细胞将会把这种变化在基

因劈分和细胞分裂的一系列过程中忠实地保留下来,并使所产生

的后代在宏观特征上表现出明显的改变。

事实上,基因研究所取得的一个最重要的成果,就是发现了


① “同分异构”一词是指构成分子的原子都相同,但相对位置不同的现象。

218

第九章 生 命 之 谜


生物体中遗传性质的自发改变总是以不连续的跳跃形式发生,这

就叫做突变。这一点是荷兰生物学家德弗里斯(Hugo de Vries)在 1902

年发现的。

为举例说明,我们来看看前面提到过的果蝇。野生的果蝇是

灰身长翅。随便从野外抓来一只,几乎没有例外地都是这个样子。

但是,在实验室条件下,一代一代地培育果蝇,突然会有一次得

到一种“畸形”果蝇,它有不正常的短翅,身\_体差不多是黑色的

(图 102)。


图 102 果蝇的自发变异

a. 正常种:灰色身\_体,长翅。

b. 变异种:黑色身\_体,短翅(退化翅)

重要的是,在果蝇的“正常”先辈和黑身短翅这种走极端的

例外情况之间不会找到呈现各种灰色,翅膀长短不一的果蝇,就

是说不会找到介于祖先和新种之间、外观逐渐改变的类型。所有

的新的一代(有上百个)几乎都是同样的灰色,同样的长翅,只

有一只(或几只)截然不同。要么不变,要么大变(突变),这是

个规律。同样的情况已发现上百例。例如,色盲就不是完全来自遗

传。一定有这样的情况,祖先都是“无辜”的,但孩子却是色盲。

人出现色盲,就如同果蝇长短翅一样,都遵照“全有或全无”的

原则进行;这里要考虑的并不是一个人辨色本领的强弱,而是他

是否能把颜色分辨出来。


219

20&世纪科普经典特藏 从一到无穷大


凡是听说过达尔文&*(Charles Darwin)的人都知道,生物新的

一代在性质上的这种改变,再加上生存竞争、适者生存,就使物种

的进化不断地进行下去&①。正是由于这个原因,几十亿年前大自然

的骄子——简单的软体动物——才能发展成像诸君这样具有高度

智慧、连本书这样诘屈聱牙的东西都读得出、看得懂的生物啊!

遗传性质的这种跳跃式的改变,如果从前面所说过的那种基

因分子同分异构变化的角度来进行解释,是完全行得通的。事实

上,如果决定性质的坠饰改变了它在基因分子中的位置,它是不

能只改变一半的,它要么留在原处,要么连到新位上,造成生物体

性质的不连续的变化。

“突变”是由基因分子的同分异构变化造成的这个观点,又从

生物的突变率与周围培养环境有关这一事实得到了有力的支持。

梯莫菲耶夫(Timofeeff)和齐默(Zimmer)就温度对突变率的影

响所做的实验工作表明,

(在不考虑周围介质和其他因素所引起的

复杂变化时)一般分子反应所遵从的基本物理化学定律,在这里

也同样适用。这项重大的发现促使德布瑞克(Max Delbrück,他原

来是个理论物理学家,后来成为实验基因学家)得出了一个具有

划时代意义的观点,即认为生物突变现象和分子同分异构变化这

个纯物理化学过程等效。

关于基因理论的物理基础,特别是 X 射线和其他辐射造成的

突变所提供的重要证据,我们是可以无休止地谈下去的。但仅就

已经谈到的情况来看,读者们已经能够相信,科学现在正在跨越

对“神秘的”生命现象进行纯物理解释的门槛。

在结束这一章之前,我们还得谈谈一种叫做病毒的生物学单

元,它很可能是不在细胞内的自由基因。就在不久以前,生物学


* 达尔文(1809~1882 年),著名英国博物学家,进化论的创立者。他所著的《物种

起源》一书是进化论的经典著作。——译者

① 突变现象的发现,对达尔文的经典理论只作了一点修改,即物种进化是由不连续的

跳跃式变化造成的,而不是由于连续的小变化所致。

220

第九章 生 命 之 谜


家们还认为生命的最简单形式是各种细菌——在动植物组织内生

长繁殖,有时还引起疾病的单细胞微生物。例如,人们已用显微

镜查明,伤寒病是由一种 3 微米长、1/2 微米粗的杆状细菌引起的;

猩红热是由直径 2 微米左右的球状细菌引起的。可是,有一些疾

病,如人类的流行性感冒和烟草植株的花叶病,用普通显微镜却

怎么也看不到细菌。但是,由于这些特别的“无菌”疾病从得病

机体转移到健康机体上去的方式和所有一般传染病一样,又由于

这样受到的“感染”会迅速地传遍受害个体的全身,人们自然会

假设,这些疾病是由一些假想的生物载体携带着的,于是便给它

们起名叫病毒。

直到最近,由于使用了紫外线显微技术(用紫外光),特别是

由于发明了电子显徽镜(用电子束代替可见光线可获得更大的放大

率),微生物学家们才第一次见到了一直没露过面的病毒的结构。

人们发现,病毒是大量小微粒的集合体。同一种病毒的大小

完全一样,而且都远比细菌为小(图 103)。流感病毒的微粒是些

直径为 0.1 微米的小球,烟草花叶病毒则是些长 0.280 微米、粗

0.015 微米的细棒。

图版Ⅵ是用电子显微镜给已知的最小生命单元烟草花叶病毒

拍摄的照片。它给人以深刻的印象。大家还记得,单个原子的直径

是 0.0003 微米,因此,我们推断花叶病毒的横向大约只有 50 个原

子,而纵向则约有 1000 个原子,总共不超过 200 万个原子&①!

这个数字好熟悉啊:它不正好是单个基因中的原子数吗!因

此,病毒微粒可能是既没有在染色体中占据一席领地、也没有被

一大堆细胞质所包围的“自由基因”。

此外,病毒的繁殖过程看来也确实和染色体在细胞分裂过程

中的倍增现象完全相同:整个病毒体沿轴线劈裂成两个同样大小


① 病毒微粒中的原子总数可能还要少些,因为它们很可能象图 103 所画的那样,具有

螺旋状的分子结构,内部是空的。如果真的如此,烟草花叶病毒中的原子就只会呆在圆柱

形的表而上,每个病毒里的原子数就会减少到几十万个。基因里的情况也可能是如此。

221

20&世纪科普经典特藏 从一到无穷大



图 103 细菌、病毒和分子的比较

的新病毒微粒。很明显,在这个基本的繁殖过程中(如同图 91 那

个虚构的酒精增加过程),整个复杂分子的各个原子团都从周围介

质中引来相同的原子团,并把它们按自己原来的式样精确地排列

在一起。当这种安排进行完毕,已经成熟的新分子就从原来的分

子上脱离下来。事实上,在这种原始的生物中,看来并不发生

“长”的过程,新的机体只是在旧机体周围“拼凑”出来。这种

情况如果发生在人类身上,那就是孩子在外边和母体相连,当他

(她)长大成人后,就离开母体跑开了。不消说,要使这个繁殖过

程成为可能,它必须在特殊的、具备各种必要成分的介质中进行;

事实上,和自备细胞质的细菌不同,病毒只能在生物组织的活细

胞质中才能繁殖,也就是说,它们是很“挑食”的。

病毒的另一种共同特点,就是它们能发生突变,并且突变后

的个体能把新特性传给自己的后代。这也和基因学定律相符。事

实上,生物学家们已经能区分出同一病毒的几个遗传植株,并能

对它的“种族繁衍”进行监视。当一场流行性感冒在村镇上蔓延

222

第九章 生 命 之 谜


开来时,人们就知道,这是由某一种新的突变型流感病毒引起的,

因为它们经突变后获得了一些新的险恶性质,而人体却还没有来

得及发展自己相应的免疫能力。

在前面几页里,我发表了大量的热烈议论,证明病毒应被看

作生命体。我同时也要以同样的热情,宣传病毒也应被看作正规

的化学分子,它们遵从一切物理定律和化学定律和法则。事实上,

对病毒体所进行的化学分析已经表明:病毒可以看作有确定组成

的化合物,它们可以被当成各种复杂的有机(但又是无生命的)

化合物对待,并且它们可以参与各种类型的置换反应。因此,把各

种病毒的化学结构式像酒精、甘油、糖等物质的结构式一样写出

来,看来只是个时间问题。更令人惊奇的是:同一种病毒的大小是

完全一样的。

事实证明,脱离了营养介质的病毒体会自行排列成普通正规

晶体的样子。例如,

“番茄停育症”病毒就会结晶成漂亮的大块斜

十二面体!你可以把它和长石、岩盐一样放在矿物标本拒里;不

过,一旦把它放回番茄地里,它就会变成一大堆活的个体。

由无机物合成活机体的第一大步是加利福尼亚大学病毒研究

所的弗兰克尔-康拉特(Heinz Frenkel-Conrat)和威廉斯(Robley

Williams)迈出的。他们把烟草花叶病毒分离成两个部分,每一部

分都是一种很复杂的、但没有生命的有机物。人们早就知道,这种

病毒具有长棒的形状(图版Ⅵ),是由一束长而直的分子(叫做核

糖核酸)作为组织物质,外面像电磁铁的导线那样环绕着蛋白质

的长分子。弗兰克尔-康拉特和威廉斯使用了许多种化学试剂,成

功地把这些病毒体分成核糖核酸分子和蛋白质分子,而没有破坏

它们。这样,他们在一个试管里得到核糖核酸的水溶液,另一个试

管中得到蛋白质的水溶液。用电子显微镜进行检查后,证明试管

里只有这两种物质,但没有一丝一毫的生命迹象。

但是,一旦把两种液体倒在一起,核糖核酸的分子就开始以

每 24 个组成一束,蛋白质分子就开始把核酸分子环绕起来,形成

223

20&世纪科普经典特藏 从一到无穷大


与实验开始时完全一样的病毒微粒。把它们施在烟草植株上,这

些分而复合的病毒就会造成花叶病,好像它们压根儿就没有被分

开过似的。当然,在这里,试管里的两种化学成分是靠分离病毒

得来的。不过,生物化学家们已经掌握了由普通化学物质合成核糖

核酸和蛋白质的方法。尽管目前(1960 年)还只能合成一些较短

小的分子,但没有疑问,将来一定能用简单成分合成病毒里的那

两种分子,把它们放在一起,就会出现人造病毒微粒。


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