医史今日丨基因测序:人类有史以来最伟大的一项工程
历史上的今天,即2003年4月14日,人类基因组的测序工作完成,此项工作为美、英、日、法、德、中,六国科学家历经13年绘制完成。
大家可能会觉得很诧异,为什么越是重大的事件越是只有简简单单的一句话?好像很符合我们中国人低调的习惯。:)那么让我们来来看看这个事儿的意义有多大。
浩大而繁重的基因测序工作
很多人都见过下面的情形,同样是两只可爱的小狗,圆圆的小脑袋、萌萌的眼睛,几乎没法分辨。但是随着时间的推移,越长大越不同:腊肠犬宝宝身子越长越长、个头却长不高;杜宾犬宝宝却越长越高大。为什么幼年时几乎没法分辨的两个小狗宝宝,长大后却完全不同呢?这是因为它们身上带有不同的遗传密码,这个遗传密码就是基因。而人类的基因排序工作就是要弄懂这种遗传的密码排序,为进一步的破译工作打基础。
人类基因组的测序工作是人类有史以来最伟大的一项工程,要把这30亿碱基对、遗传图、物理图、排序图、转录图完成,是一个非常艰巨的任务。举个例子:用3,000位科学家,从北京步行出发到上海,要把从北京到上海的一草一木一山一水,一沟一壑用手分毫不差的绘制完成,其复杂程度可想而知。
人类基因组的测序计划由美国在1990年发起,共投资30亿美元,计划15年完成人体30亿碱基对的排序工作,这30亿碱基对相当于30亿阶楼梯,要按照正确的顺序把它排列完成,工程之浩大是难以想象的,被称为美国历史上的第三大工程。第一是1944年曼哈顿原子弹计划,第二是1969年阿波罗登月计划,但这次人体基因组计划的意义及复杂程度,远远超过了曼哈顿原子计划和阿波罗登月计划。
在全世界各国科学家的密切配合下,人体基因组计划终于提前了5年完成。人类基因组排序工程的完成就像我们拿到了罗赛达石碑的钥匙,进入基因领域去了解基因的奥秘,去了解基因表达的所有生命语言。自此,人类在了解自己、认识自己,探索基因奥秘的道路上迈出了空前的一步。而在这项工作中,我国集中了最优秀的生物学家,在1998年参与工作,并承担了其中3千万个碱基的排序工作。展现我们国家的科技水平与科技力量的同时,也标志着我国在基因领域的研究登上了世界舞台。
人类一直在探索万物的生长规律
亿万年来,自然界不断的演绎着一代繁衍一代的整个生命过程。无论是天空飞翔的小鸟,水中游弋的鱼,参天的大树和生机盎然的小草,都是这样延续着新一代的生命历程。人类出现的开始,是用眼睛来捕抓事物的本质,再用思维解决问题。他们发现当太阳升起的时候,大海的水蒸汽不断地飘向天空,在天空中聚成了云,又变成了雨和雪漂回大地。在水的滋润下,干旱的戈壁与沙漠变成了绿洲,使大地出现了一片生机。于是我们远古的祖先就发现是光和水决定了物质的生长,认为水是决定一切的,水是人类的生命的源泉。他们还发现,风可以带来远处的花香,可以摧毁房屋和树木,同时可以把各种种子和花粉吹来,使植物在各地生长繁衍,那么风也是传播生命的载体。祖先们还知道植物的生长离不开土壤,很多生命是依靠土壤才能生长起来,土壤也是决定生命的本质。后来又发现火在寒冬给他们带来温暖,也可以带来烤熟的美食,最后他们总结出光、水、风、土、火是决定自然世界的本质。在我们中国的古代,认为“道”是万物的初始,“道”决定万物的一切。老子说:道可道也,非常道也。西方圣经中约翰福音的第一句话说:太初有道。说的都是“道”。希伯来经典中说:万物籍着“道”受造。万物的起源是“道”。现代英国科学家霍金(Stephen William Hawking)博士发现了宇宙在大爆炸前只是一个看不见的点,是一个信息,说的也就是道。道生一,一生二,二生三,三生无穷,宇宙万物都是从这 “道”而发展出来的。后来古代的哲人们又总结金、木、水、火、土这五种物质,通过阴阳二性来决定事物的运转周期,进而发现事物发展是有规律的,是能够研究、能够了解的。随着探索发现,人们认识到任何生长的物体绝对不是由一种单一物质组成,而是由各种物质的组合决定了整个自然界的发展。
对基因的探索开启人类历史新纪元
1857年,奥地利的生物教师孟德尔(Gregor Johann Mende)通过研究豌豆发现了遗传的自由组合和自由分离规律。1907年,美国的科学家摩尔根(Morgan Thomas Hunt)在做果蝇实验中同样得到上述的结论。1953年,由美国的分子生物学家沃森(James Dewy Watson)和英国的生物化学家克里克(Crick Francis Harry Compton)在做全息摄影实验的时候,发现遗传因子(脱氧核糖核酸),也就是DNA,人们终于看见了DNA的真正样貌。
在我们目前的医学当中,有很多的疾病得不到解决,随着人们逐渐地探索,逐渐地发现并开始进入到基因领域,医学也开始了一个崭新的纪元。
基因(遗传因子)是产生一条多肽链或功能RNA所需的全部核苷酸序列。基因支持着生命的基本构造和性能。储存着生命的种族、血型、孕育、生长、凋亡等过程的全部信息。
那么基因到底起到什么作用呢?基因是DNA上有遗传功能的分子片段。它决定我们人体的性状;人的生老病死;人生命的过程全部。
随着科学技术的不断进步,人类为了更加进一步的了解和认识自己,在基因领域上做了更深入的研究探索。在研究基因的过程当中,看到了基因是有规律的排序着,发现基因是决定人体所有的信息中心,并决定蛋白质的生长。由此,也打破了过去人们所认为的蛋白质为中心的这一理论,也建立了以DNA为中心的科学结论。是基因决定蛋白质的生长,决定人体性状发展的理论。
因为DNA是双链结构,其中碱基相互配对:A-T,T-A,C-G,G-C。所以除成对的碱基外单一的碱基毫无意义,因此只有遵循碱基互补配对原则后的排列才有意义。而碱基对的排列顺序代表遗传信息。(A在左边和T在左边效果不一样,构成的DNA也不同)为了了解人体的奥秘,读懂人体这本天书,我们进行了篇头提到的计划。
试想,如果我们能够读懂每一个遗传的信息,“为什么有的人长得高、有的人长得矮?”“为什么黄种人皮肤黄、瞳孔黑,欧洲人皮肤白、瞳孔蓝?”“为什么有的人对某种疾病有抵抗力,对某种药物有耐药性?”......诸如此类问题,将迎刃而解。
孟德尔的故事
1857年,奥地利的生物教师孟德尔(Gregor Johann Mende)在教堂中发现有的豌豆长得高,有的豌豆长的低,有的是绿色的,有的是黄色的,这是什么原因呢?其中一定有一种规律。于是他开始进行豌豆的实验来探索这些规律。他在开始的第一代绿色的豌豆中进行杂交实验的时候,生成了第一代的豌豆,全部都是绿色的;他又把第一代的豌豆进行第二代的实验,当第二代实验完成后孟德尔看到了黄色和绿色两种颜色的豌豆,他把两种颜色的豌豆在数量上进行计算的时候,出现了一个神奇的数字3:1,这是偶然的吗?其中一定是有一种规律。他又进行了第二次、第三次、第四次种植,经过了8年的实验。终于在1865年发现了其中的秘密,他总结:自然界有一种遗传的因子,在不断的一代繁衍一代,这种遗传的因子是按照隔代3:1的比例出现。这就是孟德尔总结出的“自由组合和自由分离”——这个伟大的遗传的规律。当他把这个伟大的发现发表以后,并没有得到世人的认可,被搁置了35年。35年以后,很多科学家也发现了这个遗传的规律,他们越来越感到孟德尔的伟大。到了1907年,美国的科学家摩尔根(Morgan,Thomas Hunt)在做果蝇实验当中,发现瓶子里养的果蝇当中,有一个白眼果蝇,出现了遗传变异的现象。他抓住这个机会,马上进行了果蝇的遗传繁殖试验。在遗传繁殖当中,第一代果蝇全都是红眼果蝇,用第一代的果蝇再繁衍第二代果蝇,也出现了白眼果蝇和红眼果蝇,他们的比例也是3:1,正好和孟德尔的比例相符合,这是巧合吗?他进一步的进行果蝇的实验,逐渐总结出了除自由组合和自由分离的定律以外,又总结出连锁的定律。这个自由组合连锁的定律被人们称为当时最伟大的发现。
DNA和基因
在1953年之前人类不知道遗传的因子是什么,只是靠猜想、猜测。直到1953年,美国的分子生物学家沃森(James Dewy Watson)和英国的生物化学家克里克(Crick,Francis Harry Compton)在做全息摄影实验的时候,发现遗传因子(脱氧核糖核酸),也就是DNA,人们终于看见了DNA是什么形状。当DNA第一次被展现在世人的面前,人类终于能够知道这个遗传的因子是什么样的形状、什么样的现象。在这之前的1910年丹麦植物学家约翰逊(Johannsen Wilhelm Ludwig)建议用一个原意为“发生”的希腊词,把孟德尔发现的遗传因子定名为“基因” ——GENES,更加形象的表达了基因决定自然生物的性状、决定了人体的性状的作用。自1953年沃森和克里克看见DNA双螺旋状排列后,人类进入DNA领域的研究。从此人类在认识自己、了解自己漫长的历史过程当中,揭开了新的篇章。
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