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基因里的妖精(附松鼠朗读音频 ^_^)

2017-06-08  是真龙虎...

大家好。我是松鼠会的红猪,也是新书《九十九种垃圾加一记妙想》的译者。前几天科学松鼠会发出的《发明家产生之前的发明》和《除了想象力,发明家还需要九十九种垃圾》两篇文章,就是选自本书。

作者特雷弗·诺顿此前还有一部著作,《冒烟的耳朵和尖叫的牙齿》 ,译者是另一名松鼠朱木几。

今天,朱机尝试用朗读的方式和大家继续分享《九十九种垃圾加一记妙想》中的其他篇章。

轮值编辑说:音频内容和文字一致。或听或读,看大家方便,两位松鼠的这次尝试如果能让大家在更舒适的体验中品尝科学坚果的美味,以后我们就多录O(∩_∩)O,请千万不要客气,多多在留言给出意见呀!

基因里的妖精

来自科学松鼠会

22:50

这部分的故事主要包括孟德尔的豌豆实验啦,沃森、克里克解开DNA双螺旋结构之谜啦,穆利斯发明复制DNA的PCR技术啦,杰弗里斯发明遗传指纹分析用于破案啦,等等。


有些是从中学生物课本上就知道的耳熟能详的故事。然而,即使是在被无数人讲过的一段科学史里,作者特雷弗·诺顿还是能找出你没听过的八卦,佐以他最擅长的吐槽。(>^ω^<)喵(>^ω^<)喵(>^ω^<)喵(>^ω^<)喵

比如:孟德尔养了一只狐狸作为宠物。。。现在为确定杀人罪犯立下功劳的DNA技术,差点被投资用于查找尿湿了床单的租客。。。

欢迎你将读后感以留言的方式和大家分享。

人类早就知道婴儿是从哪里出来的,但婴儿是如何长成婴儿的,却是一个秘密。有一次事不凑巧,一个近视的哲学家遇到了一台显微镜,于是他就在男人的精子中看见了一个肢体俱全的微型小人――可见孩子都是男人单独创造的,女人只不过是育儿箱而已。 

孟德尔的美德
到19世纪,女性在生育中的贡献终于得到了承认,但是性状的遗传依旧令人困惑,有的性状会在第二代中消失,到了第三代身上又再度出现。第一个解释这些现象的人是一位喜爱园艺的修士。布鲁恩(现在捷克共和国境内的布尔诺)的修道院里有一块菜地,格里哥·孟德尔在里面种植了好几株豌豆。他的目的是将它们杂交,并观察那些明显特征的遗传情况。他挑选的都是性状对立的植株,花色有紫有白,豆荚有的光滑有的褶皱。

孟德尔先是禁止它们自花授粉,然后把紫花的花粉转移到白花上,把白花的花粉转移到紫花上,等它们结出的豌豆成熟后再埋进土里播种。结果出乎他的意料:下一代植株全都开出了紫花。他再将这些植株杂交,长出的后代有的开紫花,也有的开白花,比例是紫三白一。他还在其他七个性状上得出了相同的比例。

孟德尔从中得出了一个正确的结论,那就是对立的性状是分别遗传的,其中紫色是“显性”遗传,因而能够盖过“隐性”的白色。但是到了第三代,有的植株就会继承双份的白色遗传因子,所以有四分之一的植株会开出白色的花。他还推测,这些成对的因子势必要在繁殖细胞(花粉)中分离开,要等到授粉完成之后,才会在植株的胚珠里重新组合。

历经十年的实验之后,孟德尔在1865年发表了研究成果,他等候着世人的掌声,但掌声却始终不来。达尔文的《物种起源》震动了世界,孟德尔的发现激起的波澜却还不如豌豆花瓣掉进下水沟。这或许是因为他把文章投给了一家无名的杂志,又或许是当时的生物学研究注重定性、不重定量,他的那些数字和比例注定不受欢迎。

大失所望的孟德尔把精力都放到了宗教职责上,后来成为了修道院的院长。有时候,他也会带着他的宠物狐狸到菜园里散步,望着园子里的植物若有所思。他揭晓了遗传的机制,世人却漠不关心。若干年后,有人在布鲁恩图书馆的一只字纸篓里发现了那篇论文的原始手稿。1900年,孟德尔的论文重见天日,他的成就也得到了承认和纪念。人们给这位布鲁恩最杰出的儿子做了一尊雕像,并且不顾当地人的反对,把它竖在了修道院附近的广场上。 
一个叫sithdragon42的漫画作者画的孟德尔

1902年,研究者指出染色体是承载遗传信息的物质,接着又进一步指出基因才是遗传信息的载体,虽然基因的体积太小,根本无法用肉眼分辨。染色体是由蛋白质和核酸组成的,那么它们哪一种才是负责遗传的物质呢?美国生物学家奥斯瓦尔德·埃弗里经过十年的研究,发现了遗传物质是脱氧核糖核酸――也就是DNA。可是,DNA里只包含了4种称为“碱基”的化学物质,这样简单的一种分子,又怎么装得下生命的整幅蓝图呢?答案一定藏在它的结构里。解开这道谜题的任务落在了美国遗传学家詹姆士·沃森,以及他在剑桥大学认识的弗朗西斯·克里克的肩上。当时的沃森年轻气盛,认为多数科学家都眼光狭隘、头脑糊涂。而根据沃森的回忆,克里克的性子也毫不谦虚,总是在跟人辩论。他是一位聪明的理论家,但是手头太忙,连学位都来不及念完。就这样,这一位思想家和一位实干家决定破解DNA的秘密。

线索已经有了那么几条:对DNA中四种碱基的化学分析显示,腺嘌呤和胸腺嘧啶的含量等同,鸟嘌呤和胞嘧啶的含量也相当。看来它们都是配了对的。DNA是大分子,因此它们多半是晶体,可以用X射线衍射——一种揭示原子排列的技术来分析。这就好比是用一束光线照射一只水晶吊灯,然后根据吊灯映在天花板上的图案推断其中水晶的排列。

在伦敦,莫里斯·威尔金斯和罗莎琳·富兰克林已经着手研究DNA分子的结构。沃森和克里克的方针是反复讨论,然后建立模型,以观察碱基之间可能怎样组合。诡计多端的沃森偷偷溜进了伦敦的一次研讨会,会上富兰克林介绍了她的研究成果。沃森的导师认为这种行为“不守规矩”,于是禁止沃森和克里克对DNA再做研究。两个人自然把导师的命令当作了耳边风。

突破出现在两人再度前往伦敦的时候。这一次,威尔金斯天真地向沃森展示了富兰克林刚刚为DNA拍摄的X射线衍射图。克里克立刻意识到了这幅图像中包含一个螺旋结构,而且他们可以从图中估算出这个螺旋转动一周的距离,以及每一周的碱基对数目。这就给出了他们的模型必须符合的间距。唯一与数据吻合的结构就是双螺旋:它像一道楼梯般的向上延伸,一对对的碱基则仿佛一条条踏板。克里克的妻子奥黛尔绘制了一幅简单优雅的双螺旋图。根据克里克和沃森的设想,在复制生命的时候,双螺旋会展开,并像一条拉链一样分成两半,每一半都携带着各自的碱基。接着它们各自吸引匹配的碱基,并形成和原来的双螺旋相同的两条新的双螺旋。这真是20世纪最伟大的科学发现,然而,当两人的成果在1953年发表的时候,大众的注意却完全被人类征服珠峰和英女王加冕的新闻吸引住了。

沃森用辛辣的笔法记述了寻找双螺旋途中的种种秘闻,同行们看了大光其火,就连克里克都指责他破坏两人的友谊。沃森把他在剑桥的实验室主管劳伦斯·布拉格爵士说成是“一件过时的老古董”。可是为了书籍的宣传,他又去找这个“过时的老古董”帮忙,请他写一段前言。布拉格被沃森的无耻震惊了,但是在妻子的哄骗之下,他还是提笔从命。在这篇前言里,他劝书中提到名字的那些同仁要“宽宏大量”。罗莎琳·富兰克林的照片为沃森和克里克提供了关键的线索,沃森在书中把她塑造成了一个性格冷漠的人。然而富兰克林的一位同事却表示,富兰克林虽然容易动怒、难于相处,自己却可以为她赴汤蹈火。在2009年的一项调查中,富兰克林在最鼓舞人心的女科学家中名列第二,只比居里夫人低了一位。 

出版商对这样一本可能招来诽谤官司的著作退避三舍,只有温菲德和尼克森出版社接下了烫手山芋,勇于付梓。书上市后畅销了一百多万册。这是一本融合了科学、流言和寻找双螺旋之旅的趣味读物,和它相比,就连印第安纳·琼斯 都显得像个无聊的家伙。在探索DNA之余,沃森和克里克还常常追逐当地的“妹子”。有一次,百无聊赖的沃森甚至幻想罗莎琳脱下了眼镜会是怎样的一幅媚态。他倒是没提那些“妹子”对他这个高高瘦瘦的美国书呆子是什么看法。 
罗莎琳·富兰克林(Rosalind Franklin
http://franklin.imascientist.org.uk/franklin-zone

DNA的结构一旦揭晓,科学家就开始寻找特定基因的位置,并对它们开展实验了。但是直到1973年,美国生化学家斯坦利·科恩和赫伯特·博耶才首次在基因工程领域取得了成功。他们操纵了几种酶在细菌DNA的特定位置上切下了一段,然后再把它重新黏合起来。这种技术可以使正常基因取代故障基因,也能将细菌转化成数百万家微型工厂,使之生产出有用的化合物,比如抗疟疾药、糖尿病人使用的胰岛素、以及血友病人使用的凝血因子。

盘踞在每一个生物细胞内部的DNA都有约1米长,如果全部伸展开来,它们估计可以在地球和太阳之间走600个来回。然而DNA几乎没有体积,因为它存在于原子层面上。起初,分子生物学家都对它不知所措,因为他们能够得到的DNA实在是微乎其微。

后来,美国的凯利·穆利斯发明了一种在样本中增加DNA含量的方法。他利用酶来按需拆解和组装DNA双链。这个操作需要反复地加热和冷却。然而麻烦的是,基因扩增需要摄氏95度的高温,但是几乎所有的酶在受热之后都会变性。这就意味着每次冷却之后,穆利斯都必须打开装置,加入新的酶。由于加热和冷却的循环要重复多次,所以这个操作特别费时费力,何况酶又是一种昂贵的物质。

一天傍晚,穆利斯在开车回家的路上忽然想到了有些细菌可以在热泉中生存,也就是说,它们体内的酶也一定能在高温中运作。黄石国家公园里有一种“水生栖热菌”,体内正含有他所需要的那种酶。他后来发明了自动“聚合酶链式反应”(PCR),能够在几个小时内获得大量DNA。每轮反应过后,DNA都会倍增,经过了大约三十轮反应,一个单独的分子就可以复制出几百万份。

穆利斯购买那种酶花了35美元,五年之后又以3亿美元售出了自己的发明。

DNA的PCR扩增技术对于找出那些导致身体患病的基因至关重要。有了它,科学家甚至能用博物馆中的标本研究已经灭绝的动物基因。PCR最有名的应用是遗传指纹分析,正是它确认了传说中的沙皇尼古拉二世和他家人的遗骨真实不虚,也证明了安娜·安德森不是阿纳斯塔西娅公主。2013年,肯用王国换马匹的理查三世在莱斯特的一片停车场下被人发现,他已经在那里埋藏了528年。他的DNA和他生活在北美洲的后裔对比,确认了他的身份。

莱斯特也是遗传指纹分析诞生的地方。亚历克·杰弗里斯是莱斯特当地的大学里一位热情而富于灵感的科学家,他意识到我们虽然有许多基因为全人类所共有,但是有几个区域却呈现出了巨大的个体差异。那些区域中包含着不断重复的短片段。对这些区域加以观察,就会在其中发现个体独有的模式。两个不同的人(同卵双胞胎除外),他们具有相同模式的几率是微乎其微的。
亚历克·杰弗里斯(Alec Jeffreys)
http://www.telegraph.co.uk/

今天的警察已经可以凭借犯罪现场留下的一点血渍、指纹上的一滴汗珠,或者是一根头发的发根来确定罪犯。这些证物还可以为无辜的嫌疑人洗脱罪名。遗传指纹分析首次破案是在1987年。当时,莱斯特城外的纳伯勒曾先后发生了两宗命案,嫌疑落在了附近一家医院的厨房工人科林·皮奇福克头上。他承认了其中的一宗,却对另一宗矢口否认。当时的新闻里刚刚播报过杰弗里斯的发明,于是嫌疑人提供了一份血样,供警方和犯罪现场发现的体液对比。结果令人震惊:它证明两起案子都是一人所为,但那个人并不是皮奇福克。

警方决定对这片地区内每一个已经成年、但尚未老迈的男性做基因检测,但结果一无所获。一天夜里,那家医院厨房里的几个工人在酒吧聊天,其中的一个说漏了嘴,说皮奇福克的验血其实是他顶的包。原来,皮奇福克撕下了自己护照上的相片,换上了这名顶替者的,再让他拿着护照到警局去冒充自己、接受验血。厨房经理听了大惊,接着就向警察报了案。皮奇福克被捕,重新验血,并控以谋杀。他被判了两个终生监禁。

在今天的英国,每一个定了重罪的犯人的DNA都要采集到一个数据库里去。这个数据库每周能确认500名罪犯,其中的许多都是以前犯过案子,后来在重新勘察证据时被发现的。在美国,基因指纹分析指出,每8个等待死刑的犯人中间就有1个是冤枉的。

杰弗里斯当年也曾为研究经费犯过愁,不过当有自助式公寓的业主出钱要他找出是哪个租客尿湿了床单时,他还是拒绝了。纳伯勒案件之后,世界各地的人们都对他的发明有了需求,他们不全是为了侦破刑案,也有人是想确定父子关系,或者追溯家族的历史。到今天,我们已经可以把某个人的血脉一直追溯到繁衍了全人类的那个女性祖先身上。

一直到20世纪80年代,DNA中的化学编码才首次得到了解读。2001年,人类基因组草图发表。其中确认了两万多个基因和三十亿个碱基对的序列。有了它,研究者就能更加方便地确定导致某些疾病(比如囊性纤维化、肌肉萎缩症和血友病)的基因了。研究者最大的愿望是能够操纵基因,以治疗那些前人视为绝症的疾病。基因疗法已经在几种免疫系统疾病的治疗中取得了成功。在这件事上,病毒成为了科学家的盟友。虽然我们平常把病毒当作是疾病的马前卒,但它们经过了改造也可以变成无害的东西,并用来将疫苗和基因送入人类的身体。病毒的生存之道是侵入细胞、插入自己的基因,然后完全占领这个细胞。研究者利用病毒的这个行为,将一种酶注入了帕金森症患者的脑细胞,以提高这些病人的运动能力。他们还利用病毒运送了一个基因,它能刺激神经细胞制造一种天然的止痛剂,还能将止痛剂输送到特定的位置,而不是像传统的止痛药那样作用于整个身体。基因疗法眼下尚在襁褓,但是不久之后,它势必会在医药领域掀起翻天覆地的变化。


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