科學(xué)家成功將書(shū)本內(nèi)容寫(xiě)進(jìn)dna序列(用基因探索歷史的科學(xué)家)

據(jù)《新科學(xué)家》和《科學(xué)》雜志網(wǎng)站8月16日?qǐng)?bào)道，哈佛大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)將一本遺傳學(xué)課本的全部?jī)?nèi)容編碼進(jìn)一小段dna（脫氧核糖核酸）序列，確切來(lái)說(shuō)，是將53400個(gè)單詞、11張圖片和一個(gè)java程序共計(jì)527萬(wàn)比特的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在了不到1皮克（10－12克）的dna中。這項(xiàng)最新突破有可能徹底革新我們存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力。

dna是已知密度最高也最穩(wěn)定的信息存儲(chǔ)介質(zhì)。理論上而言，dna的每個(gè)核苷酸可以編碼兩個(gè)比特，每克單鏈dna的存儲(chǔ)容量可達(dá)455艾字節(jié)（1艾字節(jié)=10的18次方字節(jié)，1字節(jié)=8比特），大約相當(dāng)于1000億張dvd光盤(pán)的容量，存儲(chǔ)密度幾乎是閃存等現(xiàn)有數(shù)字媒體的五六百倍。而且，存儲(chǔ)在dna中的數(shù)據(jù)時(shí)隔幾千后年仍能夠被讀出。

此前曾有研究人員嘗試過(guò)將數(shù)據(jù)寫(xiě)進(jìn)活細(xì)胞的基因組內(nèi)，但這種方法存在很多問(wèn)題：首先，一旦細(xì)胞死亡，存儲(chǔ)的內(nèi)容將會(huì)丟失；其次，細(xì)胞會(huì)分裂復(fù)制，在這一過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生新的變異，從而更改存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。此外，利用dna長(zhǎng)序列讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)存在一定難度，而且成本很高，這使得利用dna進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不太現(xiàn)實(shí)。

為了解決這些問(wèn)題，哈佛醫(yī)學(xué)院合成生物學(xué)家喬治?丘吉爾帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)不使用細(xì)胞，而是用噴墨打印機(jī)將化學(xué)合成的dna短片段嵌入到一個(gè)微小的玻璃芯片表面。他們將一本由丘吉爾參與編寫(xiě)的遺傳學(xué)課本轉(zhuǎn)換成“0”和“1”的比特形式，并用dna的4個(gè)堿基中的a或c來(lái)編碼 “0”，g或t來(lái)編碼“1”，從而將課本內(nèi)容寫(xiě)入了dna中。這個(gè)dna芯片采用了類(lèi)似于計(jì)算機(jī)硬盤(pán)分區(qū)的方式，將課本內(nèi)容分散為數(shù)據(jù)塊來(lái)存儲(chǔ)。

讀取這些數(shù)據(jù)則需要一個(gè)dna測(cè)序儀和一臺(tái)計(jì)算機(jī)。由于每個(gè)dna片段中都包含著一個(gè)數(shù)字“條形碼”，記錄了其在原始文件中的位置，因此所有的片段可被重新組裝，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式。電腦還能幫助糾錯(cuò)：每個(gè)數(shù)據(jù)塊都被復(fù)制了數(shù)千次，通過(guò)與其他副本相比較，任何一個(gè)小錯(cuò)誤都可以被識(shí)別并修復(fù)。

研究人員將課本內(nèi)容存入dna，然后又重新轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式讀出，結(jié)果顯示，這個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的底層讀取錯(cuò)誤率為每百萬(wàn)比特只有兩個(gè)錯(cuò)誤，可與dvd比肩，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于磁性硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器。不過(guò)，由于數(shù)據(jù)編碼是與dna合成同步完成的，因此這種方式不支持可擦寫(xiě)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，但適用于長(zhǎng)期歸檔存儲(chǔ)。

研究人員表示，因受操作成本、速度（此次花了大約幾天時(shí)間）和測(cè)序儀大小的制約，將dna作為一種通用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)目前還不切實(shí)際，但這一領(lǐng)域正在快速發(fā)展，未來(lái)5年到10年內(nèi)有望開(kāi)發(fā)出比傳統(tǒng)數(shù)字存儲(chǔ)設(shè)備更快、更小、更便宜的dna存儲(chǔ)技術(shù)。

用基因探索歷史的科學(xué)家

北美洞穴里的收獲

在美國(guó)俄勒岡州古老的佩斯利洞穴里，考古學(xué)家們常常會(huì)有不錯(cuò)的收獲。在洞里的沉積物中，埋藏著大量的石器矛尖、動(dòng)物骨骼、植物纖維、繩索和獸皮。放射性碳年代測(cè)試法表明，它們的年代都非常久遠(yuǎn)了。2014年，一位名叫艾斯克·威勒斯列夫的丹麥科學(xué)家慕名而來(lái)，希望在佩斯利洞穴找到一些古駱駝或者古野馬的遺骸化石。他正在研究一個(gè)在“圈外人士”看來(lái)異常深?yuàn)W難懂的課題——測(cè)序遠(yuǎn)古生物的DNA，即，用科學(xué)的方法將遺傳物質(zhì)從有著成千上萬(wàn)年歷史的樣本中分離出來(lái)。

俄勒岡州立大學(xué)的丹尼斯·詹金斯教授就是一位“圈外人士”，他作為佩斯利洞穴考古項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人，起初并不太看好威勒斯列夫的工作。詹金斯說(shuō)道：“我覺(jué)得，他（威勒斯列夫）可以來(lái)這里考察并撰寫(xiě)論文，但如果他的研究讓我不爽，那么我不會(huì)允許他帶走任何樣品?！钡罱K，威勒斯列夫不僅為哥本哈根大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室?guī)Щ亓斯篷橊労凸乓榜R的骨頭，另外還帶回了14塊人類(lèi)糞便的化石。詹金斯后來(lái)承認(rèn)，威勒斯列夫的考古結(jié)果讓他驚掉了下巴，因?yàn)橥账沽蟹驈?塊糞便化石中提取出了線粒體DNA。這些線粒體DNA顯示出糞便的主人屬于單倍群A2和B2——本土印第安人的兩個(gè)主要遺傳譜系的起點(diǎn)，它們的年代甚至比北美已知最古老的克洛維斯人還要早1000多年。

很顯然，威勒斯列夫的發(fā)現(xiàn)會(huì)重新校準(zhǔn)人們對(duì)美洲大陸早期原住居民的認(rèn)識(shí)，這已經(jīng)不是威勒斯列夫第一次用古代基因重寫(xiě)人類(lèi)歷史了。他已經(jīng)測(cè)序過(guò)許多古人類(lèi)的基因，比如格林蘭島上一個(gè)4000歲的古愛(ài)斯基摩人、西伯利亞凍土的一個(gè)24000歲高齡的小孩以及美國(guó)蒙大拿州的一個(gè)12000多歲的嬰兒。在短短幾年里，威勒斯列夫的這些研究解開(kāi)了人類(lèi)早期歷史中的許多秘密。

探險(xiǎn)西伯利亞

威勒斯列夫并不是第一個(gè)試圖分析古生物遺傳物質(zhì)的人，早在20世紀(jì)80年代，這種開(kāi)創(chuàng)性的研究已經(jīng)應(yīng)用在尼安德特人和古埃及木乃伊身上了。但是，威勒斯列夫很小的時(shí)候就對(duì)遠(yuǎn)古歷史有著一種異常的癡迷，這使他能夠在這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈的研究領(lǐng)域長(zhǎng)期處在前沿的位置。

威勒斯列夫出生于哥本哈根附近的郊區(qū)，孩童時(shí)期，他常常隨著家人到古老森林中做家庭旅行。登山、滑雪、伐木等活動(dòng)使他對(duì)北極探險(xiǎn)養(yǎng)成了興趣，而古代狩獵者的傳說(shuō)又讓他迷上了生物學(xué)和歷史學(xué)。威勒斯列夫決定，等到差不多的年齡，自己一定要到更廣闊的凍土——西伯利亞探險(xiǎn)一番。

進(jìn)入大學(xué)后，威勒斯列夫覺(jué)得時(shí)機(jī)成熟了，他和雙胞胎弟弟一起劃著一葉扁舟，在西伯利亞的河網(wǎng)旅行，在河床的凍土地帶，他見(jiàn)到了一些遠(yuǎn)古巨型動(dòng)物的遺骸，比如猛犸象。威勒斯列夫聽(tīng)說(shuō)，在西伯利亞凍原的北部，生存著神秘的尤卡吉爾人。這些人是一群北極古代人的遺族，以捕獵麋鹿和駝鹿為生，由于他們長(zhǎng)期在世界上氣候最嚴(yán)酷的地區(qū)生活，貧困、侵略和疾病已經(jīng)將尤卡吉爾人帶至了滅絕的邊緣?！皼](méi)人知道他們?cè)谀睦铮蓖账沽蟹蛘f(shuō)道，“當(dāng)時(shí)在地圖上標(biāo)有一些村莊，然而我卻連他們的影子都沒(méi)找到。”此后的幾年里，威勒斯列夫沿著19世紀(jì)人類(lèi)學(xué)家的腳步在西伯利亞苦苦追尋，終于，一位渾身傷疤累累的老獵人將威勒斯列夫帶到了尤卡吉爾人的部落。然而，令威勒斯列夫感到有些意外的是，尤卡吉爾人并不是一個(gè)完全與世隔絕的孤立部落，事實(shí)上，他們幾乎所有人的祖先都有俄羅斯人和其他族群的血統(tǒng)，威勒斯列夫也只找到了一個(gè)講尤卡吉爾人當(dāng)?shù)卣Z(yǔ)言的老人。

復(fù)原古人類(lèi)基因

博士畢業(yè)后，威勒斯列夫開(kāi)始把尋找古人類(lèi)基因作為重要任務(wù)，他希望能夠理清諸如尤卡吉爾人祖先的古代人的歷史。

2006年，威勒斯列夫和同事來(lái)到格陵蘭島，試著從帶有被獵殺痕跡的動(dòng)物骸骨上尋找古代獵人殘留的DNA。在一個(gè)多月的時(shí)間里，威勒斯列夫潛入格陵蘭島的地下，穿上全套防護(hù)服，以免污染樣本。然而，當(dāng)他們回到哥本哈根大學(xué)并對(duì)骸骨進(jìn)行研究時(shí)，卻失望地發(fā)現(xiàn)其中沒(méi)有人類(lèi)的DNA。幸運(yùn)的是，威勒斯列夫卻從另一個(gè)意想不到的途徑獲得了古人類(lèi)的基因。早在1980年代，科學(xué)家已經(jīng)在格陵蘭島找到了一束4000多年前的毛發(fā)。它被完好儲(chǔ)存起來(lái)，卻忘在了地下室。威勒斯列夫隨即找到了毛發(fā)，從那束毛發(fā)中提取了人類(lèi)DNA，并以強(qiáng)大的新技術(shù)重建了古格陵蘭人的基因組。這是科學(xué)家首次復(fù)原出完整的古人類(lèi)基因組。

通過(guò)這束毛發(fā)的DNA，威勒斯列夫可以推斷出許多信息。比如，這簇頭發(fā)來(lái)自薩卡克文明（古愛(ài)斯基摩文明的一種），它的所有者極有可能是一個(gè)健壯的男性，擁有黑色的皮膚與褐色的雙眼。其中，最有趣的是這束毛發(fā)屬于一個(gè)古愛(ài)斯基摩人，而且他并非格陵蘭島現(xiàn)在的居民——因紐特人的直系祖先。分析完此人的基因組之后，威勒斯列夫認(rèn)為，古愛(ài)斯基摩人在大約5000多年前從西伯利亞離開(kāi)，來(lái)到加拿大和格陵蘭島，并在那里生活了幾個(gè)世紀(jì)后滅絕了。古愛(ài)斯基摩人并非如今因紐特人的祖先，他們只是被因紐特人取代了。

格陵蘭島古人類(lèi)基因組給了威勒斯列夫一些新的啟發(fā)。他原本認(rèn)為，世界上的主要人種分布在世界不同的地區(qū)并且有十分獨(dú)立的遺傳歷史。然而，現(xiàn)在他發(fā)現(xiàn)，這種想法也許過(guò)于簡(jiǎn)單化，早期人類(lèi)的遷移歷史還有許多秘密需要揭開(kāi)。

測(cè)序“瑪爾塔小孩”

和“蒙大拿嬰兒”

在首次成功復(fù)原出古人類(lèi)基因組之后，威勒斯列夫繼續(xù)發(fā)表了一系列研究，從很大程度上改變了我們對(duì)人類(lèi)歷史的認(rèn)識(shí)。人類(lèi)起源于20萬(wàn)年前的非洲，然后一批批遷移到世界的各個(gè)角落。格陵蘭島的毛發(fā)就證明，古人類(lèi)曾經(jīng)從西伯利亞來(lái)到了北美，然后又穿越北美大陸來(lái)到了格陵蘭島。為了進(jìn)一步理解美洲移民的歷史，威勒斯列夫研究了一具埋在西伯利亞?wèn)|部的古人類(lèi)骸骨。

這塊骸骨樣本來(lái)自西伯利亞一個(gè)名叫瑪爾塔的小村莊，被稱(chēng)作“瑪爾塔小孩”。威勒斯列夫從這具遺骸中獲得了高質(zhì)量的DNA樣本，他測(cè)出了小孩的DNA序列。分析結(jié)果表明，這個(gè)孩子生活在距今2.4萬(wàn)年之前，是個(gè)男孩，死時(shí)只有4歲。最令他吃驚的是，瑪爾塔小孩染色體上的DNA序列更加符合歐洲人的特點(diǎn)，卻完全沒(méi)有找到任何東亞人特有的遺傳標(biāo)記。換句話說(shuō)，他來(lái)自歐洲，同時(shí)并不是現(xiàn)代東亞人的祖先。而且，更奇怪的是，瑪爾塔小孩的基因組序列和美洲人非常相似，帶有大量只有美洲原住民才有的遺傳特征。這個(gè)結(jié)果讓威勒斯列夫大吃一驚，因?yàn)樗同F(xiàn)有的人類(lèi)學(xué)理論完全不同。

隨后，威勒斯列夫來(lái)到加拿大的蒙大拿州，開(kāi)始著手測(cè)序一個(gè)12600歲的嬰兒的DNA。這個(gè)嬰兒名叫Anzick-1，在蒙大拿的一個(gè)農(nóng)場(chǎng)中被發(fā)現(xiàn)，是北美大陸有史以來(lái)發(fā)現(xiàn)的最古老的人類(lèi)的遺骸，男嬰死時(shí)約12到18個(gè)月大，他與100多件古物同葬，包括魚(yú)叉及鹿角制的工具等，這些古物顯示出，男嬰遺骸屬于北美洲的克洛維斯文化時(shí)期。

幾十年來(lái)，考古學(xué)家曾假設(shè)北美洲的第一批原住民是克洛維斯人，他們?cè)诩s1.3萬(wàn)年前于北美洲中西部和西南部留下了大量帶有特色的古物。威勒斯列夫的DNA測(cè)序結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)，Anzick-1的基因與所有現(xiàn)代土著居民的基因組都顯示出密切的親戚關(guān)系，而且Anzick-1顯示出自己是屬于亞洲人的后裔，而非歐洲人后裔。威勒斯列夫推斷，這證明克洛維斯人至少是當(dāng)今80%甚至100%的本土印第安人的祖先，而且他們的祖先來(lái)自亞洲。

新的理論和新的問(wèn)題

結(jié)合了“瑪爾塔小孩”和“蒙大拿嬰兒”的基因組，威勒斯列夫提出一種新的理論，試圖解決北美洲長(zhǎng)期以來(lái)存在的關(guān)于土著居民血統(tǒng)的爭(zhēng)論。

此前已有的考古學(xué)證據(jù)表明，美洲原住民的祖先很可能是在1.5萬(wàn)年以前跨過(guò)白令海峽到達(dá)美洲大陸的。當(dāng)時(shí)地球正處于冰期，海平面下降導(dǎo)致白令海峽出現(xiàn)了一個(gè)陸橋，為遷徙的古人類(lèi)提供了一條臨時(shí)通道。此后地球回暖，海平面上升，路橋被淹沒(méi)，亞洲和美洲又被分開(kāi)了，直到哥倫布發(fā)現(xiàn)美洲大陸才又重新聯(lián)系上。但是，美國(guó)的一些考古學(xué)證據(jù)與這個(gè)理論不相符，比如，美國(guó)華盛頓州曾經(jīng)挖掘出具有歐洲人特征的古人類(lèi)頭蓋骨。于是，考古學(xué)界又有一個(gè)新的理論，認(rèn)為美洲原住民是歐洲和東亞人混血的結(jié)果，但該理論認(rèn)為歐洲人是跨過(guò)大西洋，從東邊進(jìn)入美洲大陸的。

威勒斯列夫的研究結(jié)果改進(jìn)了這個(gè)新理論?！艾敔査『ⅰ彼鶎俚淖迦弘m然來(lái)自歐洲，但卻為美洲原住民貢獻(xiàn)了基因組，同時(shí)，大多數(shù)印第安人的基因組源自亞洲，但和許多東亞的古老族群又不完全一樣。威勒斯列夫認(rèn)為最可能的解釋就是，這個(gè)瑪爾塔小孩所屬的族群最初從歐洲遷徙到西伯利亞，他們?cè)谶@里遇到了另一支東亞族群，兩者發(fā)生通婚，大量基因交流融合在一起。隨后，這支新的人類(lèi)族群在1.5萬(wàn)年之前跨過(guò)了白令海峽，他們才是美洲原住民的真正祖先。

然而，這里還是有一個(gè)問(wèn)題沒(méi)有解開(kāi)——克洛維斯人是最早的美洲土著居民么？威勒斯列夫?qū)ε逅估囱S便化石的分析結(jié)果表明，化石中包含著北美大陸最古老的人類(lèi)基因，距今已有14300年，其年代比克洛維斯人還早1000年。克勒斯列夫認(rèn)為，克洛維斯人和佩斯利山洞的居民可能都源于第一批從亞洲遷徙來(lái)的移民，但他們?cè)诤螘r(shí)與何地為何變成了兩個(gè)不同的族群，目前還是謎題。不過(guò)，威勒斯列夫?qū)Υ瞬⒉粨?dān)心，他表示，我們已經(jīng)有了探尋歷史和真相的新方法——測(cè)序遠(yuǎn)古DNA，這將為我們解答更多的古人類(lèi)謎題。

本文源自大科技*百科新說(shuō)2016年第9期雜志文章、歡迎廣大讀者關(guān)注我們大科技的微信號(hào)：hdkj1997

在科學(xué)史上是通過(guò)怎樣的實(shí)驗(yàn)如何證明的DNA是遺傳物質(zhì)？

1926年肺炎球菌被命名時(shí)，學(xué)名是Diplococcus pneumonia(肺炎雙球菌)，但1974年，它的學(xué)名被改為Streptococcus pneumoniae(肺炎鏈球菌)。(雙球菌的細(xì)胞沿一個(gè)平面分裂，新個(gè)體成對(duì)排列。鏈球菌的細(xì)胞沿一個(gè)平面分裂，新個(gè)體不但可保持成對(duì)的樣子，并可連成鏈狀。一定種的全部細(xì)胞，不一定都按照一種方式排列，占優(yōu)勢(shì)的排列方式才是重要的。)在抗菌素發(fā)明之前，它一直是人類(lèi)的主要?dú)⑹?，使人患肺炎而死亡。它?duì)小鼠的危害更嚴(yán)重，往小鼠體內(nèi)注入一個(gè)肺炎球菌，就能導(dǎo)致小鼠因敗血癥而死亡。
肺炎鏈球菌有具多糖莢膜的致病菌S型菌(Smooth,因菌落外觀光滑)和非致病菌R型菌(Rough,因菌落外觀粗糙)。莢膜有不同的構(gòu)造，根據(jù)免疫反應(yīng)可以分成I型、II型、III型等，細(xì)菌是否具有產(chǎn)生莢膜的能力，以及產(chǎn)生莢膜的類(lèi)型，為“遺傳特性”。S型菌經(jīng)過(guò)突變可以產(chǎn)生R突變體，反之亦然，但是突變總是涉及丟失或獲得產(chǎn)生一個(gè)特定類(lèi)型莢膜的能力(如II-S?6?2II-R；而不是III-S?6?2II-R)。
1928年，在英國(guó)衛(wèi)生部任職的醫(yī)生格里菲斯(Frederick Griffith, 1879-1941)對(duì)肺炎球菌的致病情況做了研究。當(dāng)他把熱處理的S細(xì)菌(III-S型)與活的R細(xì)菌(II-R型)的混合物注射到小鼠中時(shí)，盡管這兩種細(xì)菌本身都不是致死的，但是小鼠還是死亡了！更重要的是，從注射了這類(lèi)混合物而死亡的小鼠身上分離的到S型菌，而且是與加熱殺死的S細(xì)菌相同的S型(III-S)，因此這些S細(xì)菌不可能是通過(guò)這些特定的R細(xì)菌突變而來(lái)的。格里菲斯將這種引起轉(zhuǎn)化(transform)的未知物質(zhì)稱(chēng)為轉(zhuǎn)化因子(transforming principle)，他不知道轉(zhuǎn)化因子的本質(zhì)，但錯(cuò)誤地猜想它可能是一種涉及到莢膜合成的蛋白質(zhì)，或是一些作為細(xì)菌莢膜前體的物質(zhì)。
對(duì)此實(shí)驗(yàn)，不同的科學(xué)家分別做出三種解釋?zhuān)?br>1 R型菌以某種方式使加熱殺死的S型菌“復(fù)活”；
2 (新拉馬克主義理論)III-Ｓ品系死菌刺激小鼠體內(nèi)產(chǎn)生免疫物質(zhì)，后者刺激II-Ｒ品系突變成了III-Ｓ品系(直至1958年，仍有教科書(shū)把肺炎球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)當(dāng)作新拉馬克主義的定向誘導(dǎo)的例子)；
3 III-S型菌的遺傳物質(zhì)進(jìn)入II-R型菌，合成了III-S型菌的莢膜。
20世紀(jì)３０年代的遺傳學(xué)家主要在研究果蠅(Drosophila melanogaster)，而對(duì)細(xì)菌的遺傳不感興趣。對(duì)這個(gè)問(wèn)題感興趣的是免疫化學(xué)家。
1931年，道森(Martin Henry Dawson)和西亞(Richard H.P. Sia)成功地在體外進(jìn)行了轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn):只在培養(yǎng)皿中使II-R型菌轉(zhuǎn)化成III-S型菌，不需要以小鼠為媒介。——這否認(rèn)了新拉馬克主義的因小鼠體內(nèi)免疫物質(zhì)誘導(dǎo)的解釋。
1933年，阿洛維(Lionel J. Alloway)將II-R型菌和III-S型菌的無(wú)細(xì)胞提取液(所有完整細(xì)胞、細(xì)胞碎片、莢膜分子都通過(guò)離心和過(guò)濾從提取物中去掉)混合，培養(yǎng)皿上仍長(zhǎng)出了III-S型菌。——這否認(rèn)了R型菌以某種方式使加熱殺死的S型菌“復(fù)活”。
因此，結(jié)論是S型菌細(xì)胞提取物中含有轉(zhuǎn)化因子，而它的化學(xué)本質(zhì)還是未知的。
(格里菲斯是低調(diào)而又務(wù)實(shí)的人。唯一一次參加學(xué)術(shù)會(huì)議是1936年的微生物大會(huì)，還是被他的朋友硬拉去的。他在會(huì)上敷衍地做了一個(gè)報(bào)告。他的報(bào)告和他1928年著名的肺炎球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)毫不相關(guān)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)他自己都沒(méi)意識(shí)到他轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)的重要性。1941年，在一次納粹德國(guó)對(duì)倫敦的空襲中，格里菲斯和同事不幸犧牲在實(shí)驗(yàn)室中。)(1913年，艾弗里的母親不行死于肺炎，36歲的性格內(nèi)向的艾弗里從此立志稱(chēng)為一名細(xì)菌學(xué)家，研究肺炎。)
1935年至1944年，經(jīng)歷了10年的不斷研究，美國(guó)洛克菲勒學(xué)院的三位免疫化學(xué)家艾弗里(Oswald Theodore Avery, 1877.10.21-1955.2.2)、麥克勞德(Colin Munro MacLeod, 1909.1.28— 1972.2.11)、麥卡提(Maclyn McCarty 1911.7.9–2005.1.2)證明了DNA是肺炎球菌的遺傳物質(zhì)(The evidence presented supportsthe belief that a nucleic acid of thedesoxy-ribose typeis the fundamental unit of the transforming principle of Pneumococcus Type III)。
艾弗里的實(shí)驗(yàn)其實(shí)并不是如高中教材所說(shuō)的那樣，“將提純的DNA、蛋白質(zhì)和莢膜多糖等物質(zhì)分別加入到培養(yǎng)了R型細(xì)菌的培養(yǎng)基中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：只有加入DNA，R型細(xì)菌才能夠轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌”。
艾弗里等人的工作實(shí)際是：不斷地去除S型細(xì)菌中各種成分，然后得到純化的“轉(zhuǎn)化因子”；接著對(duì)純化的“轉(zhuǎn)化因子”進(jìn)行鑒定，確認(rèn)它就是DNA。并不是像人教版教材中說(shuō)的那樣：對(duì)S型細(xì)菌中的各種成分進(jìn)行提純，再用提純的各種成分去做轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)測(cè)試。
轉(zhuǎn)化因子中DNA純度越高，轉(zhuǎn)化效率越高；當(dāng)用DNA酶處理轉(zhuǎn)化因子后，則沒(méi)有轉(zhuǎn)化功能。但即使用蛋白質(zhì)酶處理轉(zhuǎn)換因子，轉(zhuǎn)化效率也不降低。
1944年，當(dāng)艾弗里等人提取的“最純”的DNA中，仍有1%的蛋白質(zhì)雜質(zhì)。到1949年，Rollin Hotchkiss提純的DNA中僅含0.02%的氨基酸雜質(zhì)(后來(lái)的研究表明，這些氨基酸是核酸降解后的核苷酸經(jīng)生化反應(yīng)生成的，不是之前組成蛋白質(zhì)的氨基酸)。仍具有轉(zhuǎn)化能力。 Rollin Hotchkiss還證實(shí)了和莢膜無(wú)關(guān)的細(xì)菌性狀也能轉(zhuǎn)化。
事實(shí)上，艾弗里的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)刈C明了DNA是遺傳物質(zhì)，只是受當(dāng)時(shí)科學(xué)界的環(huán)境所限，他的結(jié)果受到指責(zé)，不被接受。
當(dāng)時(shí)的反對(duì)者主要有一下三種觀點(diǎn)：
1 受“四核苷酸”假說(shuō)的局限，認(rèn)為四種堿基的含量是相同的，DNA是四核苷酸的簡(jiǎn)單的多聚體，就如淀粉是葡萄糖的多聚體那樣，因此DNA不太可能是含有復(fù)雜遺傳信息的遺傳物質(zhì)；
2 認(rèn)為轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中DNA并未能提得很純，還有蛋白質(zhì)雜志，可能正是這些少量的特殊蛋白在起轉(zhuǎn)化作用。當(dāng)時(shí)人們難以忘記二十年前著名的生化學(xué)家維爾施泰特(Richard Martin Willst?0?1tter, 1872.8.13-1942.8.3)由于不能將酶提純而錯(cuò)誤宣稱(chēng)酶不是蛋白的沉痛教訓(xùn)；
3 認(rèn)為即使轉(zhuǎn)化因子確實(shí)是DNA，但也可能DNA只是對(duì)莢膜形成起著直接的化學(xué)效應(yīng)，而不是充當(dāng)遺傳信息的載體。
1952年，赫爾希(Alfred Day Hershey, 1908.12.4–1997.5.22)和蔡斯(Martha Cowles Chase, 1927.8.8–2003.8.27)做了T2噬菌體侵染埃希氏大腸菌(簡(jiǎn)稱(chēng)大腸桿菌,Escherichia coli)實(shí)驗(yàn)。
在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，他們已知噬菌體的侵染開(kāi)始于噬菌體對(duì)細(xì)菌的附著，結(jié)束于被侵染細(xì)菌的裂解和子代噬菌體的釋放，中間發(fā)生的事情尚不明確。但噬菌體的遺傳物質(zhì)，無(wú)論它是什么，都必須進(jìn)入細(xì)菌中。
T2噬菌體由核酸和蛋白質(zhì)衣殼組成。核酸是唯一含磷元素的，蛋白質(zhì)衣殼是唯一含硫元素的。他們先分別用含P32的磷酸鹽培養(yǎng)基和含S35的硫酸鹽培養(yǎng)基培養(yǎng)大腸桿菌，接著用T2噬菌體侵染大腸桿菌，這樣就分別得到了帶P32標(biāo)記核酸和S35標(biāo)記蛋白質(zhì)衣殼的噬菌體。
用帶標(biāo)記的噬菌體分別侵染普通的大腸桿菌，一段時(shí)間后離心，再分別檢測(cè)離心后的上清和沉淀中的放射性。
該實(shí)驗(yàn)又被稱(chēng)為攪拌機(jī)實(shí)驗(yàn)(Blender Experiment)，因?yàn)閿嚢桦x心是實(shí)驗(yàn)中很關(guān)鍵的一步。通過(guò)離心能使噬菌體的進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞的部分和未進(jìn)入細(xì)胞的部分強(qiáng)行分開(kāi)。若不攪拌或很長(zhǎng)時(shí)間時(shí)候才攪拌，T2噬菌體就完成復(fù)制，裂解大腸桿菌而釋放了。這樣就沒(méi)有“沉淀”和“上清”的區(qū)別了，檢測(cè)放射性也失去了意義。
當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)75％的S35標(biāo)記在上清中，25％在沉淀中。(若干年后表明，25％仍然與細(xì)菌相關(guān)聯(lián)的S35，主要由與噬菌體相關(guān)的尾部碎片構(gòu)成，這些碎片與細(xì)菌表面黏附過(guò)于緊密，而不能通過(guò)攪拌去掉。)
當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)85％的P32仍然與攪拌后沉淀中的細(xì)菌細(xì)菌相關(guān)聯(lián)，只有15％的P32位于上清中。上清中放射性的大約1/3，被認(rèn)為是攪拌時(shí)細(xì)菌的破裂造成的。（若干年后表明，剩下的2/3是附著在細(xì)菌上有缺陷的噬菌體顆粒造成的，這些噬菌體顆粒不能注射它們的DNA。）
更重要的是，P32標(biāo)記噬菌體產(chǎn)生的子代噬菌體中，檢測(cè)到了P32；而S35標(biāo)記噬菌體產(chǎn)生的子代噬菌體中，(按實(shí)驗(yàn)論文的原文)放射性不到1%。
由于并不是組成蛋白質(zhì)的所有氨基酸都含硫(硫元素只能標(biāo)記甲硫氨酸和半胱氨酸)，因此該實(shí)驗(yàn)無(wú)法證實(shí)是否有不含硫而未被標(biāo)記的蛋白質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞并起到遺傳功能。所以從嚴(yán)謹(jǐn)和精確程度上，它不如艾弗里的實(shí)驗(yàn)。
(該實(shí)驗(yàn)啟發(fā)了病毒學(xué)家的思路，提出了病毒的繁殖過(guò)程，其遺傳物質(zhì)(DNA)和非遺傳物質(zhì)(蛋白質(zhì))可以先分開(kāi)，后組合。)
但由于當(dāng)時(shí)的科學(xué)界已經(jīng)普遍接受了蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)，并對(duì)DNA研究火熱，加上噬菌體小組在分子生物學(xué)領(lǐng)域的巨大影響力，使得赫爾希-蔡斯實(shí)驗(yàn)被廣泛接受，甚至作為DNA是遺傳物質(zhì)的最后證明。而艾弗里的實(shí)驗(yàn)則常常被人們故意忽略，以致某些教科書(shū)甚至把赫爾希-蔡斯的實(shí)驗(yàn)作為證明DNA是遺傳物質(zhì)的唯一實(shí)驗(yàn)。后來(lái)在艾弗里的同事的強(qiáng)烈主張下，才后加入的對(duì)艾弗里實(shí)驗(yàn)的介紹。
后來(lái)的Phi X 174噬菌體實(shí)驗(yàn)，將病毒分離成DNA和蛋白質(zhì)衣殼兩部分，僅有病毒的DNA就具有感染能力，而病毒的蛋白質(zhì)衣殼不具備感染能力。這才最終證實(shí)了DNA是遺傳物質(zhì)。
1969年，赫爾希和德?tīng)柌紖慰?Max Ludwig Henning Delbrück，1906.9.4–1981.3.9)、盧瑞亞(Salvador Edward Luria， 1912.8.13–1991.2.6)一起，獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。后兩者也是噬菌體小組的成員，他們于1943年做了經(jīng)典的“彷徨試驗(yàn)”，又稱(chēng)變量試驗(yàn)(fluctuation test)或波動(dòng)試驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)證明大腸桿菌對(duì)噬菌體的抗性是在接觸相應(yīng)的噬菌體前，在細(xì)胞分裂過(guò)程中隨機(jī)地自發(fā)地產(chǎn)生的,不是由噬菌體誘導(dǎo)出來(lái)的，噬菌體僅起著淘汰原始的未突變的敏感菌和甄別抗性突變型的作用。因此某一性狀的突變與環(huán)境因素是不相對(duì)應(yīng)的，這進(jìn)一步肯定了達(dá)爾文學(xué)說(shuō)，否定了新拉馬克主義主義。

是哪位科學(xué)家首次在世界上建立了蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)？是哪位科學(xué)家首次在世界上建立了DNA序列數(shù)據(jù)庫(kù)？

首次在世界上建立了蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的科學(xué)家是Margaret
Oakley
Dayhoff。
首次在世界上建立了DNA序列數(shù)據(jù)庫(kù)的科學(xué)家是Walter
Goad。

最初的DNA是怎樣形成/生命是如何產(chǎn)生的

發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的其中一位科學(xué)家弗朗西斯·克里克（Francis Crick）提到有關(guān)生命起源的種種理論說(shuō)“涉及太多臆測(cè)，只基于少量事實(shí)”。
事實(shí)表明，分子本身并不能自動(dòng)結(jié)合成復(fù)雜的生物，相反，在物理定律下，復(fù)雜如機(jī)器、房子甚至細(xì)胞這些東西，會(huì)隨著時(shí)間過(guò)去而損壞。這種現(xiàn)象就是科學(xué)家所說(shuō)的熱力學(xué)第二定律所產(chǎn)生的結(jié)果。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在這個(gè)定律下，物質(zhì)的自然傾向是從有秩序變?yōu)闊o(wú)秩序?！哆M(jìn)化入門(mén)》一書(shū)說(shuō)，進(jìn)化過(guò)程之所以出現(xiàn)，是因?yàn)榈厍颉皬奶?yáng)吸收大量的能量，這些能量促使生物分子形成并變得越來(lái)越復(fù)雜”。當(dāng)然，想要把無(wú)秩序的東西變得有秩序是需要能量的。比如說(shuō)，我們要運(yùn)用能量才能把一大堆磚塊、木頭和釘子組合成房子。不過(guò)，這樣的能量必須受到小心的控制，并運(yùn)用得恰到好處才行，因?yàn)椴皇芸刂频哪芰恐粫?huì)使物質(zhì)損壞得更快，正如一個(gè)房子長(zhǎng)期受到烈日曝曬、風(fēng)吹雨打也會(huì)很快損壞一樣。那么，促使生物分子形成所需的能量，為什么控制得恰到好處呢？
已知的最簡(jiǎn)單的有機(jī)體含有千億個(gè)原子，而且能夠有數(shù)以千計(jì)的化學(xué)反應(yīng)同時(shí)在體內(nèi)進(jìn)行。分子生物學(xué)家邁克爾·丹頓（Michael Denton）說(shuō)：“在一個(gè)活的細(xì)胞和秩序井然的非生物制度——例如晶體或雪花——之間有一道莫大的鴻溝存在，兩者之間的距離實(shí)在大到令人難以想象。甚至今日地球上最簡(jiǎn)單的生物組織——微生物細(xì)胞——也是異常復(fù)雜的東西。雖然最細(xì)小的微菌細(xì)胞小得令人難以置信，每個(gè)細(xì)胞實(shí)際上都是個(gè)十足的微型工廠，含有數(shù)以千計(jì)設(shè)計(jì)精巧的復(fù)雜分子機(jī)械，比任何人造的機(jī)械復(fù)雜得多。在無(wú)生物世界中，絕對(duì)沒(méi)有任何東西可與之比擬。在已知的細(xì)胞中，最簡(jiǎn)單的類(lèi)型也十分復(fù)雜。若聲稱(chēng)這樣的東西是由某種反常而極不可能發(fā)生的事件突然將其湊合而成的，就實(shí)在令人無(wú)法接受了?！?br>關(guān)于每個(gè)細(xì)胞內(nèi)所含的遺傳密碼，丹頓說(shuō)：“脫氧核糖核酸(DNA)所能貯存的資料數(shù)量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越一切已知的貯存系統(tǒng)。它的效能如此卓越，以致重量不及一克的數(shù)億分之一的DNA, 其中所含的資料已足以模鑄一個(gè)像人一般復(fù)雜的有機(jī)體。跟活的分子結(jié)構(gòu)所顯示的精巧和復(fù)雜程度比較起來(lái)，甚至我們最先進(jìn)的產(chǎn)品也相形見(jiàn)絀。這使我們感到十分卑微?！?br>許多科學(xué)家認(rèn)為生命有可能碰巧產(chǎn)生，是因?yàn)?953年首次進(jìn)行的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。那年，斯坦利·米勒（Stanley Miller）在他認(rèn)為能模擬原始大氣的混合氣體中放電，結(jié)果產(chǎn)生了一些氨基酸。后來(lái)，人們?cè)谝粔K隕石中也找到氨基酸。這些發(fā)現(xiàn)是不是意味著，所有構(gòu)成生命的基本成分都能輕易地碰巧產(chǎn)生呢？
美國(guó)紐約大學(xué)化學(xué)系榮譽(yù)教授羅伯特·夏皮羅（Robert Shapiro）說(shuō)：“有些學(xué)者假定，所有構(gòu)成生命的成分都能輕易地從類(lèi)似米勒所做的實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生，而且都在隕石里找得到。但事實(shí)并不是這樣?！?br>米勒教授在作了他的實(shí)驗(yàn)四十多年后告訴《科學(xué)美國(guó)人》說(shuō)：“生命起源的奧秘，原來(lái)比我和其他大部分人所估計(jì)的更難解開(kāi)。”米勒和其他科學(xué)家合成了氨基酸后，科學(xué)家著手制造蛋白質(zhì)和DNA；這兩種物質(zhì)都是地上生物維持生命所必需的?？茖W(xué)家在所謂生命起源以前的環(huán)境里進(jìn)行了數(shù)千次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果怎樣呢？《生命起源的奧秘：再評(píng)目前各家理論》指出：“我們?cè)诤铣砂被岱矫娴某删陀心抗捕?，但合成蛋白質(zhì)和DNA卻始終失敗；兩者形成了強(qiáng)烈的對(duì)照。”科學(xué)家在合成蛋白質(zhì)和DNA方面所作的努力，可以用“總是失敗”來(lái)形容。
科學(xué)家均從未能夠以沒(méi)有生命的物質(zhì)創(chuàng)造新的生命。斯坦利·米勒的化學(xué)混合物卻不是活著的。再者，它們并非碰巧產(chǎn)生出來(lái)的；反之它們是由訓(xùn)練有素的科學(xué)家在現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)室中受到嚴(yán)格控制的環(huán)境下產(chǎn)生出來(lái)的。這些試驗(yàn)非但沒(méi)有證明生命是偶然產(chǎn)生的，反之它表明生命所需的一切生物結(jié)構(gòu)均必須由業(yè)已存在的生命所提供。
“最微小的細(xì)菌比斯坦利·米勒的化學(xué)混合物更像人，因?yàn)檫@些細(xì)菌已經(jīng)具有生化體系的各種屬性。因此，細(xì)菌跟人的差距，其實(shí)比一組氨基酸跟細(xì)菌的差距更小?！薄飳W(xué)教授林恩·馬古利斯（Lynn Margulis）
生物學(xué)教授亞歷山大·邁納茨（Alexandre Meinesz）寫(xiě)道： “未能從觀察和實(shí)驗(yàn)找著證據(jù)，證明地球上的生命從分子湯自然產(chǎn)生。跟這個(gè)說(shuō)法有關(guān)的科學(xué)知識(shí)，也沒(méi)有重大進(jìn)展”。
老實(shí)說(shuō)，要解開(kāi)的謎并非僅限于第一個(gè)蛋白質(zhì)分子和第一個(gè)核酸分子（DNA或RNA）怎樣產(chǎn)生，同時(shí)也包括它們?cè)鯓庸餐l(fā)揮作用?！缎虏涣蓄嵃倏迫珪?shū)》說(shuō)：“惟獨(dú)這兩種分子共同發(fā)揮作用，生物才可能在地上生存?！笨墒沁@套百科全書(shū)指出，這兩種分子怎么會(huì)彼此緊密合作，“在生命起源方面”仍然“是個(gè)關(guān)鍵性的啞謎”。
微生物學(xué)家拉杜·波帕（Radu Popa）說(shuō)：“既然生命不能在實(shí)驗(yàn)室完全受控的情況下產(chǎn)生，又怎么可能是在大自然里衍生出來(lái)的呢？活細(xì)胞的功能所涉及的機(jī)制復(fù)雜無(wú)比，這些機(jī)制看來(lái)是不可能同時(shí)碰巧形成的?！?br>英國(guó)天文學(xué)家伯納德·洛維爾（Bernard Lovell）寫(xiě)道：“最細(xì)小的蛋白分子憑碰巧形成的機(jī)會(huì)微乎其微。
實(shí)際上等于零。”天文學(xué)家弗雷德·霍伊爾（Fred Hoyle）也有類(lèi)似的看法，他寫(xiě)道：“整個(gè)傳統(tǒng)生物學(xué)的架構(gòu)均認(rèn)為，生命是憑機(jī)遇產(chǎn)生的。可是，隨著生物化學(xué)家發(fā)現(xiàn)了更多有關(guān)生命令人懔然生畏的復(fù)雜事物，事情已很明顯，生命憑碰巧產(chǎn)生的機(jī)會(huì)如此渺茫，以至可以將其完全抹煞。生命不可能是憑機(jī)遇產(chǎn)生的?！?br>英國(guó)化學(xué)家伯納爾（J. D. Bernal）教授在《生命起源》里說(shuō)：“我們用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)方法去驗(yàn)證這個(gè)理論，就很可能在過(guò)程中不止一次證明生命根本是無(wú)法自行產(chǎn)生的；生命自行產(chǎn)生的可能性實(shí)在太低了，機(jī)會(huì)可說(shuō)是微乎其微。教人苦惱的是，地上的生物實(shí)在千姿百態(tài)，于是相信生命可以自然產(chǎn)生的人為了給生命的起源一個(gè)解釋?zhuān)缓们馑麄兊恼摀?jù)?！?br>遺傳學(xué)家馬切依·吉爾蒂克（Maciej Giertych）教授說(shuō)：“我們現(xiàn)在知道，基因含有巨量的信息。科學(xué)無(wú)法解釋這些信息怎樣可能自行產(chǎn)生。信息全憑智慧才能存在，絕不可能憑機(jī)遇產(chǎn)生。細(xì)胞里的DNA、RNA和蛋白質(zhì)復(fù)制系統(tǒng)都是非常復(fù)雜的，這一切必定從起頭就是完善無(wú)疵的。如果不是這樣，生物系統(tǒng)就無(wú)法存在了。惟一合理的解釋是，這些巨量的信息出于某個(gè)有智慧的根源?！?/p>

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