第九章 生命之谜 (1/2)

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    一、我们是由细胞构成的

    迄今为止，在讨论物质结构时，我们有意没有提及数量较少但极为重要的一类物体。这类物体因为是活的而和宇宙间其他一切物体不同。生命物质与非生命物质之间的重要区别是什么呢？我们有多大的把握相信，成功地解释了非生命物质之属性的基本物理定律也能理解生命现象呢？

    谈到生命现象时，我们通常会想到一棵树、一匹马、一个人这样巨大而复杂的活的生物体。但尝试通过考察如此复杂的有机体系统来研究生命物质的基本性质，就像通过考察汽车之类的复杂机器来研究无机物的结构一样徒劳无益。

    这样做显然会面临一些困难。我们意识到，汽车是由数千个形状、材料、物理状态各异的部件组成的。其中一些是固态的（比如钢制底盘、铜制导线、挡风玻璃），另一些是液态的（比如散热器中的水，油箱中的汽油、气缸油），还有一些是气态的（比如从汽化器送入气缸的混合气）。于是，在分析这个被称为汽车的物质复合体时，第一步是把它分解成物理上同质的各个部件。这样一来我们就发现，汽车是由各种金属物质（如钢、铜、铬等）、玻璃状物质（如玻璃、塑料）和同质液体（如水、汽油）所组成的。

    现在，我们可以继续进行分析，用各种物理研究方法发现，铜制部件是由一个个小晶体组成的，每个小晶体又是由一层层铜原子彼此规则而刚性地叠合而成的；散热器中的水是由较为松散地堆在一起的大量水分子构成的，每个水分子又由1个氧原子和2个氢原子所构成；从汽化器阀门进入气缸的混合气是由大量自由移动的氧气分子、氮气分子和汽油蒸汽分子混合而成的，而汽油蒸汽分子又是由碳原子和氢原子结合而成的。

    同样，在分析像人体那样复杂的生命有机体时，我们也必须先把它分解成脑、心、胃等各个器官，再把这些器官分解成生物上同质的各种所谓“组织”。

    在某种意义上，各种类型的组织都是构成复杂生命有机体的材料，就像机械装置是由各种物理上同质的东西构成的一样。在这个意义上，通过不同组织的性质来分析生物体运作的解剖学和生理学，就类似于通过物质的力学、磁学、电学等已知性质来分析机器运作的工程学。

    因此，要想解答生命之谜，不能只看各个组织是如何构成复杂机体的，还要看构成机体的这些组织最终是如何由一个个原子构成的。

    如果认为生物上同质的活组织就类似于物理上同质的普通物质，那就大错特错了。事实上，只要对任一组织（无论是皮肤组织、肌肉组织还是脑组织）做出初步的显微镜分析，就会发现它是由大量个体单元构成的，这些单元的性质或多或少决定了整个组织的性质（图90）。生命物质的这些基本结构单元通常被称为“细胞”，亦可被称为“生物原子”（即“不可再分者”），因为某种组织只要包含至少一个细胞，其生物学性质就能保持下去。

    图90　各种类型的细胞

    例如，若把肌肉组织切成只有半个细胞那么大，它就会彻底丧失肌肉的收缩性等性质，一如只包含半个镁原子的镁不再是金属镁，而是一小块煤！70

    组织所由以构成的细胞非常小（平均尺寸只有百分之一毫米71）。通常的植物或动物势必由极多个细胞所构成。例如，一个成年人是由数百万亿个细胞构成的！

    较小的生物体当然是由较少的细胞构成的，比如一只苍蝇或蚂蚁所包含的细胞不会超过几亿个。还有一大类单细胞生物，比如阿米巴、真菌（比如能引起“癣”的那些真菌）和各种细菌，都是由一个细胞构成的，只有透过高倍的显微镜才能看到。研究在复杂生物体中承担各种“社会功能”的这些活细胞，是最激动人心的生物学篇章之一。

    为了对生命问题有一个总体的理解，我们必须到活细胞的结构和性质中寻求解答。

    是什么性质使得活细胞如此不同于一般的无机物质，或者就此而言不同于死细胞————比如做写字台的木头、制鞋子的皮革所由以构成的死细胞————呢？

    活细胞独特的基本性质在于：（1）它能从周围环境中摄取自己所需的成分；（2）它能将这些成分变为自己生长所用的物质；（3）当其几何尺寸变得足够大时，它能分裂成两个尺寸只有一半（且能生长）的相似细胞。当然，由单个细胞构成的所有更复杂的生物体都具有“吃”、“生长”、“增殖”的能力。

    慎思明辨的读者也许会反驳说，这三种性质亦可见于普通的无机物质。例如，若把一小粒食盐晶体丢进过饱和的食盐溶液，72晶体表面就会长出一层层从食盐溶液中摄取（或者更确切地说是“遣出”）的食盐分子。我们甚至可以设想，达到某一尺寸之后，这粒晶体会因重量的增加等力学效应而裂成两半，这样形成的“子晶体”会继续生长下去。那么，我们为何不把这种过程看成“生命现象”呢？

    在回答这类问题时，必须首先申明，如果仅把生命看成更为复杂的普通物理化学现象，就不能指望生命与非生命之间有什么清晰的界线。同样，在用统计定律描述大量气体分子的行为时（见第八章），我们也不能确定这种描述的有效性的界限究竟在哪里。事实上我们知道，充满房间的空气不会突然自行聚集在一个角落，至少这种可能性小到微乎其微。但我们也知道，如果整个房间只有两三个分子，这种情况就经常会发生了。

    那么，这两种情况在分子数量上的界线究竟在哪里？1 000个分子？100万个？10亿个？

    同样，在处理基本的生命过程时，我们也不能指望能在食盐在水溶液中的结晶等简单的分子现象与活细胞的生长分裂现象之间找到一条清晰的界线。后者虽然复杂得多，但与前者并无根本不同。

    不过对于这个例子，我们可以说，不能把晶体在溶液中的生长看成生命现象，因为晶体生长所使用的“食物”未经形态改变就被吸收到了身体中。原先与水混在一起的食盐分子径直聚集在晶体表面上，这只是普通的物质机械增加，而不是典型的生物化学吸收。晶体通过偶然裂成没有固定比例的不规则部分也是缘于纯粹的重力，而与活细胞主要因内部作用力而在生物学上持续地精确分裂成两半几乎没有什么相似之处。

    我们再来看一个与生物学过程相似得多的例子：往二氧化碳水溶液中加入一个酒精分子（C2H5OH），将会开始一个能自我维持的合成过程，它将把水分子与二氧化碳分子一一结合成新的酒精分子。73事实上，倘若往苏打水中加入一滴威士忌，就能开始把这些苏打水变成纯威士忌，我们就不得不认为酒精是活物质！

    图91一个酒精分子将水分子和二氧化碳分子结合成另一个酒精分子的示意图。倘若酒精的这种“自动合成”过程是可能的，我们就必须把酒精看成活物质

    这个例子并非像它看起来那样不切实际，后面我们将会看到，的确存在一种被称为病毒的复杂化学物质，其相当复杂的分子（由数十万个原子所构成）能将周围的其他分子组织成与自己类似的结构单元。这些病毒既应被看成普通的化学分子，又应被看成生物体，因此代表着生命物质与非生命物质之间的“缺失环节”。

    但我们现在必须回到普通细胞的生长和繁殖问题，细胞虽然很复杂，但仍然是最简单的生命体。

    如果透过一架优良的显微镜看一个典型的细胞，会发现它是一种半透明的胶状物质，有着非常复杂的化学结构。这种物质一般被称为原生质。原生质外面是细胞壁，动物细胞的细胞壁薄而柔软，植物细胞的细胞壁则厚而硬，使植物获得很大的硬度（参见图90）。每一个细胞内部都包含一个小小的球体，即所谓的细胞核，它是由染色质这种精细的网状结构而形成的（图92）。需要注意的是，在正常情况下，形成细胞的原生质的各个部分有着相同的光透明性，因此不能直接透过显微镜来观看活细胞的结构。为了看清楚细胞的结构，我们必须给细胞物质染色，因为原生质的不同部分会以不同程度吸收染色物质。形成原子核网状结构的物质特别容易被染色，因此会在浅色背景下清晰可见。74“染色质”的名称便由此得来。

    图92　细胞分裂的各个阶段（有丝分裂）

    细胞即将分裂时，细胞核的网状结构会变得迥异于往常，通常会成为一组丝状或棒状的东西（图92b和92c），它们被称为“染色体”。参见插图5的a和b。75

    一个物种体内的所有细胞（除了所谓的生殖细胞）都含有相同数目的染色体。一般来说，生物体越是高级，染色体的数目就越多。

    小小的果蝇拥有一个荣耀的拉丁名：Drosophila melanogaster，并曾帮助生物学家理解了关于生命之谜的许多事情。每一个果蝇细胞都有8条染色体。豌豆细胞有14条染色体，玉米细胞有20条。生物学家自己以及所有其他人的每一个细胞都含有46条染色体。也许有人认为，这从纯粹算术上证明了人比苍蝇优越6倍；然而小龙虾的细胞却含有200条染色体，是人的4倍多，所以这种推理并不成立！

    重要的是，一切物种细胞内染色体的数目都永远是偶数；事实上，任何活细胞内（除了本章稍后要讨论的例外情况）都有两套几乎完全相同的染色体（见插图5a）：一套来自父体，一套来自母体。这两套来自双亲的染色体携带着复杂的遗传性状，并由生命体一代代传递下去。

    细胞的分裂发端于染色体，每条染色体沿其整个长度整齐地分裂成两条相同但较细的丝，此时整个细胞仍然保持为一个整体（图92d）。

    大约在这束原本纠缠的染色体开始有所组织、准备分裂的时候，细胞核外边界附近的两个临近的中心体逐渐彼此远离，移向细胞的两端（图92a，b和c）。此时，分开的中心体与细胞核内的染色体之间似乎也有细线相连。染色体分裂成两段之后，每一半都因细线的收缩而被拉向邻近的中心体，从而彼此远离（图92e和f）。当这一过程临近结束时（图92g），细胞壁开始沿中心线凹陷进去（图92h），每一半细胞周围都会长出一层薄壁，这两个只有一半大的部分彼此放开，出现了两个分开的新产生的细胞。

    这两个子细胞若是从外界获得充足的养分，就会长成上一代细胞的尺寸（即长大一倍），一段时间之后又会以同样的方式继续分裂。

    这种对细胞分裂各个步骤的描述乃是源于直接观察。在试图解释现象的过程中，科学差不多也只能做到这些了，因为关于引发这种过程的物理化学力的确切本性，我们仍然知之甚少。整个细胞似乎还是太复杂了，无法做出直接的物理分析，在处理这个问题之前，必须弄清楚染色体的本性。相比之下，这个问题要简单一些，我们将在下一节讨论它。

    不过，首先应当思考一下，由大量细胞构成的复杂生命体的繁殖过程是如何由细胞分裂引发的。这里也许可以问：是先有蛋，还是先有鸡呢？但事实上，在描述这类循环过程的时候，无论是从即将孵化出小鸡（或其他动物）的蛋开始，还是从会生蛋的鸡开始，都是一样的。

    让我们从刚出壳的“小鸡”开始。一只处于孵化阶段的小鸡身体中的细胞正在经历一个连续分裂过程，从而使机体迅速长大。大家还记得，成熟动物的身体包含上万亿个细胞，所有这些细胞都是由同一个受精卵细胞不断分裂而成的。因此初看起来，大家可能自然会以为，一定要经过大量的分裂过程才能实现这个结果。但只要还记得我们在第一章讨论的施宾达诱使国王不情愿地赏赐给他构成几何级数的64堆麦粒，或者重新排列决定世界末日的64个金片需要多少年，我们就能看出，只需不多的几次细胞分裂就能产生大量细胞。如果用x表示从一个细胞变为成年人所需的细胞分裂次数，那么由于每一次分裂都会使身体中的细胞数目加倍（因为每一个细胞都会变成两个），我们可以用以下方程来求解从单个卵细胞形成到长大成人，细胞分裂的总次数：

    2x＝1014，

    即

    x＝47。

    于是我们看到，成人身体中的每一个细胞都是最初那个卵细胞的大约第五十代后裔。76

    动物幼年时，细胞分裂得很快，而在正常情况下，成熟生物体内的细胞则大都处于“休眠伏态”，只是偶尔分裂一下以“保养”身体，补偿耗损。

    现在我们来谈一种非常重要的特殊类型的细胞分裂，由这种分裂形成了引发生殖现象的所谓“配子”或“婚姻细胞”。

    任何雌雄同体的生物体在其最初阶段，都有一些细胞被专门“储存起来”以供将来的生殖活动所用。这些细胞位于专门的生殖器官之中，在机体生长过程中发生的普通分裂的次数远远少于其他细胞，等到用它们来产生下一代时，它们仍然富有活力、尚未耗尽。此外，这些生殖细胞的分裂方式不同于普通体细胞的上述分裂方式，而是要简单得多。构成这些细胞核的染色体不是像普通细胞那样裂成两半，而是径直彼此分开（图93a，b 和c），因此每一个子细胞只得到原先那套染色体的一半。

    图93　配子的形成（a，b，c）和卵细胞的受精（d，e，f）

    在第一阶段（减数分裂），所储存的生殖细胞的配对染色体未经预备性的裂开就分成了两个“半细胞”；在第二阶段（配子配合），雄性的精子细胞钻入雌性的卵细胞，其染色体得到配对。这个受精的卵细胞由此开始准备图92所示的那种正常分裂。

    形成这些“染色体缺失”细胞的过程被称为“减数分裂”，而普通的分裂过程被称为“有丝分裂”。由这种分裂所产生的细胞被称为“精细胞”和“卵细胞”，或者雄配子和雌配子。

    细心的读者也许想知道，最初的生殖细胞既然分成了两个相同的部分，又怎么能产生雌雄两种配子呢？原因在于我们之前提到的例外情况：在两套几乎完全相同的染色体中有一对特殊的染色体，它们在雌性体内是相同的，而在雄性体内却是不同的。这对特殊的染色体被称为性染色体，用X和Y这两个符号来加以区分。雌性体内的细胞总是有两条X染色体，而雄性体内则有一条X染色体和一条Y染色体。77将一条X染色体替换成Y染色体，代表着两性之间的根本差异（图94）。

    图94　男人和女人的“面值”差异。女人的所有细胞都包含23对两两相同的染色体，男人的细胞中却有一对不对称的染色体，即一条X染色体和一条Y染色体，而女人的细胞中则是两条X染色体

    由于雌性生物的所有生殖细胞都有一套完整的X染色体，所以当它们在减数分裂过程中一分为二时，每一个“半细胞”或配子都会得到一条X染色体。但由于雄性生殖细胞各有一条X染色体和一条Y染色体，所以在它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（精细胞）与一个雌配子（卵细胞）结合，此时有相等的机会产生含有两条X染色体的细胞和产生含有X染色体和Y染色体各一条的细胞。前者会发育成女孩，后者会发育成男孩。

    我们将在下一节讨论这个重要问题，现在还是继续描述生殖过程。

    精细胞与卵细胞结合的过程被称为“配子配合”，这时会形成一个完整的细胞，它开始在图92所示的“有丝分裂”过程中一分而二。经过短暂的休眠之后，这样形成的两个新细胞又各自一分为二，如此形成的四个细胞再分别重复这个过程。这样一直下去，每一个子细胞都精确地复制了原来那个受精卵中的所有染色体，其中的一半来自母体，另一半来自父体。图95是受精卵逐渐发育成成熟个体的示意图。

    图95a显示的是精子正在进入一个正在休眠的卵细胞。这两个配子的结合在完整的细胞中激发了新的活动。该细胞先是分裂成两个，然后分裂成4个，再分裂成8个、16个，如此下去（图95b，c，d，e）。当细胞的数目变得很大时，它们往往会作这样一种排列：所有细胞都位于表面，因此更能从周围的营养介质中得到养料。这个发育阶段被称为“囊胚”阶段，此时的生物体就像一个有着内部空腔的小泡泡（f）。再后来，腔壁开始向内凹陷（g），生物体进入了所谓的“原肠胚”阶段（h）。此时它就像一个小袋子，袋口既可用来进食亦可用来排泄。像珊瑚虫这样的简单动物永远也不会超过这个发育阶段，而更高等的物种则会继续生长变化。一些细胞发展成为骨骼，另一些细胞则发展成为消化、呼吸和神经系统。经历了各个胚胎阶段以后（i），生物体终于成了一个可分辨其物种的幼仔（k）。

    图95　从卵细胞到人

    如上所述，在正在生长的机体中，有一些细胞可以说在发育的早期阶段就被储存起来，以用于将来的繁殖。机体成熟后，这些细胞经历了减数分裂过程，产生出配子，这些配子再从头开始整个过程。生命就是这样一步步延续下来的。

    二、遗传和基因

    生殖过程中最引人注目的特性是，来自双亲的两个配子结合所产生的新生命不会长成其他任何一种生物，而必定会非常忠实（尽管未必非常精确）地长成其父母以及父母之父母的复制品。

    事实上，我们可以确信，一对爱尔兰塞特猎犬生出的小狗长不成大象或兔子的样子，也长不成大象那么大或兔子那么小，而是会有四条腿、一条长尾巴，头的两侧有双耳和双眼。我们还可以较为肯定地说，它的耳朵会软软地下垂，长着金棕色的长毛，很可能喜欢捕猎。此外，它有一些细节可以追溯到它的父母或更早的祖先，还会拥有一些自己的性状。

    一只良种塞特猎犬所拥有的种种这些性状，配子所由以构成的微观物质是如何载有的呢？

    如前所述，每一个子代都是从父母那里分别得到了正好半数的染色体。显然，某一物种的主要性状一定包含在父母双方的染色体中，因个体而异的次要性状则可能只来自于父母中的某一方。虽然经过漫长的时间和许多个世代，各种动植物的基本性状大都可能发生变化（物种的演化便是证据），但在有限的时间里，人类只能注意到次要性状的较小变化。

    研究这些性状及其世代延续是新遗传学的主要课题。这门学科虽然尚处幼年，但已能讲述关于生命最深层奥秘的激动人心的故事。比如我们已经知道，与大多数生物学现象不同，遗传法则拥有近乎数学式的简单性，这暗示我们正在研究一种基本的生命现象。

    举例来说，大家都知道色盲是人的视力的一种缺陷。最常见的色盲是无法区别红和绿。为了解释色盲是怎么回事，必须先知道我们为什么能看到颜色，为此就必须研究视网膜的复杂结构和属性，不同波长的光所引起的光化学反应，等等。

    如果继续追问色盲的遗传，这个问题乍看起来似乎要比解释色盲现象本身更为复杂。然而，答案却出乎预料地简单。由观察事实可知：（1）男性色盲远多于女性色盲；（2）色盲父亲和“正常”母亲的孩子不会是色盲；（3）“正常”父亲和色盲母亲的儿子是色盲，女儿则不是。这些事实清楚地表明，色盲的遗传与性有某种关系。我们只需假设，产生色盲是因为一条染色体有了缺陷，这种缺陷随着这条染色体代代相传，这样便能根据逻辑推理进一步假设：色盲缘于X性染色体中的缺陷。

    有了这一假设，关于色盲的经验规则就真相大白了。大家还记得，雌性细胞有两条X染色体，雄性细胞则只有一条X染色体（另一条是Y染色体）。如果男人的这条X染色体有色盲缺陷，则他就是色盲；而女人只有当两条X染色体都有色盲缺陷时才会成为色盲，因为只需一条染色体便足以保证她的颜色知觉。如果X染色体有这种色盲缺陷的概率为1/1000，那么1000个男人当中就会有1个是色盲。同样，根据概率乘法定理（见第八章），女人的两条X染色体都有色盲缺陷的先天概率为：

    ，

    因此大约1 000 000个女人当中才可能发现一名色盲。

    现在我们来考虑色盲丈夫和“正常”妻子的情况（图96a）。他们的儿子不会从父亲那里得到X染色体，而只会从母亲那里得到一条“好的”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里得到一条“好的”X染色体，而从父亲那里得到一条“坏的”X染色体。因此她不会是色盲，但她的孩子（儿子）可能是。

    在“正常”丈夫和色盲妻子这种相反情况下（图96b），他们的儿子一定是色盲，因为他唯一的X染色体来自母亲；而他们的女儿将从父亲那里得到一条“好的”X染色体，从母亲那里得到一条“坏的”X染色体，因此不会是色盲。但和之前的情况一样，她的儿子可能是色盲。是不是再简单不过呢？！
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