代代相传的生命蓝图
生命，不仅仅是某一个个体的出生、生长、成熟、衰老以及消亡的过程，生命的意义也不仅仅在于它的存在。生物体在一代一代的繁殖更替，生命也就由此而得以延续。在这里，生殖与遗传便成了生命现象中的非常重要的环节。很早很早以前，在人类的社会生产与生活中，人们便对生命的延续更替有了感性的认识。家禽家畜可以一代代繁衍，是因为人类饲养了它们，并从它们一代一代的生长与繁殖中获取了自己生命所需的营养；粮食、瓜果，甚至花草可以结出果实种子，或者可以用它们身体的一部分去繁衍后代，了解了这些，人们便有意识地种植它们，给自己提供了用以维持人类生存和发展所必需的物质基础。这些，是人类对生命延续的初步的认识与利用。由于认识水平的限制，人类也渐渐留下了不少关于这方面的深刻的疑问：
种瓜得瓜，种豆得豆，这是为什么？
一母生九子，九子各不同，这又是为什么？
生命，是因为什么而得以在一代代的繁衍中相互继承，又是因为什么而逐渐有所发展？
随着人类对生命本质问题的思考一步一步走向成熟，人们对生命遗传的思考也一步步聚焦。1838年，荷兰化学家米德尔第一次从生物体内提纯了蛋白质，并且通过一系列的对生命现象的研究，发现蛋白质是有机体不可缺少的物质，并在生命的机体内起着许多重要的作用。这一发现，不禁让人们联想到生命的延续，如此重要的蛋白质，它们就是生命代代相传的蓝图吗？你看，同一种类的生命，它们体内含有的蛋白质不仅形式、作用相近，就是微观的结构也极其相似，简直就是一个模子浇铸出来的啊！难道不是它们在生物体的代代相传中传递着生命的信息么？由于父代与子代的蛋白质的结构与功能的相似性，蛋白质遗传的生命蓝图一度极为流行。
到了1869年，年轻的瑞士生物化学家米歇尔在给德国化学家赛勒当助手时，注意到了实验室附近一家医院丢弃的绷带上的脓液。他把这些为了侵害身体和保卫身体而同归于尽的细菌和白细胞的“尸体”带回了实验，经过蛋白水解酶“消化”处理后，惊奇地发现脓细胞变小了，剩下了一个未被分解的细胞核！细胞核内的物质不是蛋白质！那又是什么呢？经过进一步的分析，他发现这是一种含磷的有机质，且磷的含量比当时已知的任何化学物质都高，性质也和蛋白质完全相异。由于这种有机质在细胞核中被发现，他就把它称之为“核素”。后来，他又从鲑鱼精子细胞中分离出了核素，而且发现精子细胞中核素的含量异常地高。几十年后，又从一些细菌和动物中分离出了不含蛋白质的核素，并且发现核素具有较强的酸性，于是就改称为“核酸”。核酸就这样被发现了。后来又发现一切的生物体、动物、植物、微生物及至病毒除了含有蛋白质外，还含有核酸，它要么是脱氧核糖核酸，简称DNA；要么是核糖核酸，简称RNA，分子结构极其复杂。在细胞中，DNA主要居住在细胞核里，线粒体、叶绿体等细胞器中也有少量的DNA存在；RNA则分散地居住在细胞的基质中。更奇怪的是，病毒不像别的生物体那样含有DNA和RNA，它们有的只含DNA，有的则只含有RNA，因而又被生物学家们分成了两大类。然而，这些研究成果并没有威胁到蛋白质的遗传物质的身份。
真正为核酸分子正名的，是生物学史上两个极为著名的实验——肺炎双球菌转化试验和噬菌体病毒侵染细菌试验。1928年，英国科学家格里菲斯找到了两种肺炎球菌作为实验材料，其中一种是体外包裹着荚膜的，毒性极强，很容易使动物感染发病，一种则是体外没有荚膜的，毒力极弱，几乎不使动物感染受损。在正常情况下，把有荚膜的肺炎球菌注射进入老鼠体内，老鼠很快就会被感染而死亡；而注入没有荚膜的肺炎球菌，老鼠则依然能活蹦乱跳。可是当格里菲斯将带有荚膜的肺炎球菌加热彻底杀死以后，同没有荚膜的活的肺炎球菌混合在一起，再注射入老鼠体内，结果，老鼠竟然一命呜呼！这个意外的结果引起了格里菲斯的极大关注。他又一次把杀死了的有荚膜的肺炎球菌同活的无荚膜的肺炎球菌混合在一起，经过培养，结果无荚膜的毒力极弱，肺炎球菌竟有的变成了有荚膜的致命的肺炎球菌。这是怎么回事呢？
原来，在这里起着奇妙作用的竟然是核酸。1944年，美国细菌学家解开了这个谜。他将有荚膜的肺炎球菌的核酸——脱氧核糖核酸（DNA）提取出来，加入到培养没有荚膜的肺炎球菌的容器里，结果发现肺炎球菌发生了转化，由无荚膜的变为了有荚膜的。由此看来，正是DNA携带着生长荚膜的蓝本，在它的控制下使无荚膜的肺炎球菌长出了荚膜。这个实验，有力地证明了DNA是遗传物质，正是核酸，携带着生命代代相传的蓝图。不过，由于DNA的结构当时尚未探明，人们对此依然是将信将疑。
后来，科学家们又进行了一个极为著名的实验。噬菌体病毒，其微观结构极为简单，就是DNA盘在中间呈螺旋状，外面则是一层蛋白质头盔和外套。科学家们观察了它侵染细菌的全部过程。只见它靠近细菌后便将基片——它的脚紧贴到细菌细胞外壁，然后释放出一种“腐蚀性”的化学物质将细菌的胞膜溶化出一个小孔来。然后，它脱掉了它的蛋白质外衣，只将核酸注射入小孔，而将蛋白质外衣丢弃在细菌体外。进入细菌中的DNA毫不客气地将细菌里的营养成分据为己有。一番忙碌之后，它先按DNA复制出一批DNA来，然后这一批DNA又用细菌的营养成分合成出一批蛋白质外衣来，从而DNA穿上蛋白质外衣，便形成了一代新的病毒。可怜的细菌被搜刮一空后还逃不脱最终的厄运。新病毒们释放出化学物质使细菌完全破裂而身心俱毁，它们便高唱凯歌一拥而出，又去寻辟新的乐土去了。这个过程，有力地显示了DNA的生命蓝图作用，DNA的遗传物质身份也丝毫不容置疑了。
DNA是遗传物质，这是生物学界基础理论的一次重大突破，从而引起了科学家们对核酸的极大关注。生命有简单的，像病毒和细菌等，但也有复杂的，最为显眼的莫过于人类自身了。人的器官结构、组织结构再加上细胞结构，这已经是一个天文数字的信息量，若再加上人体中分子层次的化学结构和体内复杂的变化过程，这许多信息，怎么贮藏在细胞里的小小细胞核中的呢？DNA又如何携带这如此重要的生命蓝图，又如何传递生命的信息呢？
科学家们都把目光集中到了分析DNA的物质构成以及微观结构上。经过长时间的不懈努力，科学家们渐渐知道了在核酸DNA分子里，含有三种类型的化学物质。一种是糖，一般由5个碳原子与许多氢、氧原子组成，形成一个环状。DNA与RNA的区别就在于它们所含的糖不同，DNA含脱氧核糖，RNA含的则是核糖。一种是磷酸根，另一种则是碱基。在生物体里一共含有五种碱基：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、咆嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）和尿嘧啶（U）。DNA中含有A、G、T、C四种碱基，RNA中则含有A、G、U、C四种碱基。有趣的是，在最初的DNA的分析结果里，人们总是发现碱基A和G的数量之和几乎总是与T和C的数量之和相等，这是为什么呢？原来，碱基在核酸里是可以两两配对的，嘌呤碱较长，总是通过氢键与另一个较短嘧啶碱配对；而由于A和T都只能形成两个氢键，G和C都可以形成三个氢键，所以A就和T、G就和C形成了一对一的固定搭档，这就难怪A+G=T+C总是成立了。这个规律称为碱基配对法则，它对于DNA结构的稳定平衡具有决定性的意义。
在剑桥大学的卡文迪许实验室里，为了了解DNA分子结构中核糖、磷酸根以及碱基对的相互关系，准确测定DNA的分子结构，四位科学家——英国人费朗西斯·克里克、美国人詹姆斯沃森以及威尔金斯和富兰克林正在进行着对奇异的DNA的探索。借助于一架放大倍数高达20～30万倍的高级显微镜和一台X衍射仪，他们对细胞中的DNA分子进行了观察，并拍摄了极具价值的DNA分子的X射线衍射照片，从中经过仔细深入的分析，终于确定了DNA分子的模型：“双螺旋结构模型。”
在这个DNA分子双螺旋结构模型中，脱氧核糖和磷酸根交替相连，构成了两条平行的“……糖——磷酸根——糖——磷酸根……”链条，每条链的脱氧核糖上都生长着一个碱基，每个碱基又都与另一条链上接的互补的碱基形成长短搭配的氢键，从而使两条链互相联系在一起，向上向右螺旋盘绕，形成一个向右旋转的双链螺旋体。在这里，最形象的比喻便是螺旋形的楼梯，支撑的就是磷酸根和核糖交替形成的两条平行的链，互相联结的碱基对则成了楼梯的梯级，而且由于碱基对的长与短的合量搭配，这些梯级恰如其分地布满了两条链之间的空间，形成了DNA分子的十分完整而又合理的天然结构。这个结构具有良好的平衡性，很牢固，是一个很好的螺旋体。
在庞大的DNA分子里，梯级的数目大约是数万个，人体的细胞里有46条染色体，便共约有数十万甚至上百万个“梯级”。而由于碱基对的不同，“梯级”就像具有4种不同的型号或色彩一样，数十万个不同顺序的“梯级”，便记录了人类遗传过程中近乎天文数字的信息量。7个简单的音符可以在作曲家手里谱成千千万万首动听的歌曲；26个简单的字母，可以组合成无数个英语单词；四种不同的碱基酸对再分排列几十万个位置上，同样代表着近乎无限的生命意义。这应该是不难理解的了。
无论哪一种生物，它们的生命的信息都在DNA分子中四种碱基对的不同的排列方式中体现着，在生命的延续过程中，生命的蓝图也由DNA的遗传而代代相传。细胞中染色体的数目和染色体上碱基数目的不同，决定了种的遗传，故而龙只生龙，凤只生凤，种瓜得瓜，种豆得豆；而同一种物种内，DNA分子中碱基对排列方式的不同，决定了个体的复杂特性和个体之间必然的差异，所以一母生九子，九子各不同，全世界65亿人中，也只有一个独特的你！
生命的基石
“生命是蛋白体的存在方式，这种存在方式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断的自我更新。”
这一段话，是恩格斯于1878年在《反杜林论》中作出的一个著名论断。这一光辉的论断，提出了蛋白体是生命的物质基础，生命是物质运动的特殊形式，是蛋白体的存在方式，而且还指出这种存在方式的本质就是蛋白体与其外部自然界不断地新陈代谢。
蛋白质？这是一种什么样的东西？它在生命中真的有那么重要吗？那它又是怎样存在于生命的过程之中呢？
让我们先来看看我们身边的生命世界吧！打破一个生鸡蛋，透明的黏稠的蛋清便流淌出来，滴到锅中的开水里，蛋清很快就煮熟了，变成了细嫩可口的白色的凝固体——蛋白，这便是最常见最显眼的生命的一种蛋白质。在我们人体身上，指甲、毛发、皮肤、肌肉、软骨等都是蛋白质构成的，动物的毛皮、犄角是由蛋白质堆砌而成的，就连讨厌的蛛网、柔软光亮的蚕丝都离不开蛋白质……一切的动物、植物、微生物病毒等等，一切的细胞内的原生质，蛋白质都是其中的重要成分。在一切的有机生命体里，和核酸一样，蛋白质都是不可缺少的物质，在活的机体的生命过程中，它构成了生命细胞的骨架，还起着许多重要的生理功能效用，难怪第一次于1838年从生物体内提纯了蛋白质的荷兰化学家米尔德，他给蛋白质取名为protein，在希腊文中原意为“最原初的，第一重要的。”
蛋白质在生命过程中的重要性是很容易证实的，德国著名的生物学家、化学家李比希的对照实验便极具说服力。他选了两组实验动物，一组用普通的饲料喂养，另一组则用除去蛋白质的饲料喂养，结果，前一组动物长得壮壮实实、欢蹦乱跳，而后一组动物却很快死去了。这是为什么呢？原来生命是离不开蛋白质的，饲料中没有蛋白质，动物又不能利用饲料中的糖、脂肪等营养成分，来有效地合成它们所必需的蛋白质，于是蛋白质在体内得不到补充，生命之花也就因此而枯萎了。这个实验，不仅说明了蛋白质在生命过程中的必要性和重要性，还指出食物中必须含有蛋白质这种营养成分来补充生命活动中蛋白质新陈代谢的需要。
李比希以及别的科学家们经过近10年的努力，对生物体和各种蛋白进行了化学成分的分析测定，结果发现与糖和脂肪不同，蛋白质除了含有约50％的碳元素，7％的氢元素，23％的氧元素外，还含有约16％的氮和少量的约23％的硫及少量磷，有的还含有铁、碘、铜、锌、钼等微量的元素成分。这一分析结果，也说明了蛋白质是糖和脂肪等所不能替代的生命物质，因为糖和脂肪等并不具备除了碳、氢、氧之外的别的必需元素。
这些元素的原子并不是随意地杂乱无章地堆砌起来的。主要的碳、氢、氧、氮、硫等元素，先按一定的方式组成了蛋白质的基本结构单元——氨基酸，其基本结构可表示为：
CCOO-RH3+NH
在生物体中发现的氨基酸，有20种常见的不同的R-基团，因而形成了20种常见的氨基酸。就人类而言，人们身体可以自己合成其中的12种常见氨基酸，另外8种则不能自行合成，必须由食物来补充，因而，摄取含有蛋白质的食物，特别是摄取含有多种必须氨基酸营养成分的食物，对身体的健康成长是极为重要的。
生命的蛋白质基石便是由各种氨基酸组合而成的。氨基酸中羧基（-COOH）为尾，氨基（-NH2）为头，一个氨基酸与另一个氨基酸头尾相接，形成了一串长长的链——肽链：
H2NCHCRONHCHCRONHCHC
RONHCHCOHRO
蛋白质就是由这些长长的一条或若干条链联结在一块儿组成，这些肽链通过氢键相互缠绕作用，形成了蛋白质独特的三维立体结构，从而赋予了蛋白质特定的生命活动功能。作为一种天然的高分子物质，蛋白质的分子量最小也有几万，大的则有几十、几百甚至几千万，如有些病毒的蛋白质分子量就达4000万。这么高的分子量，便是由为数众多的氨基酸首尾相接连成肽链，再堆砌成特定立体构象而形成的；蛋白质的氨基酸单元数，一般都在500个以上，多的则是成千上万个。
