生命的起源和边界

生命的起源和边界

正当克里克和沃森及其同事们深入研究生命建造过程的结构时，其他生命科学家也在围绕生命的本质、生命是怎样开始以及怎样运作等一大堆问题进行日益深入的探讨。研究者运用分子生物学和微生物学等新工具，在这些领域提出了许多新颖和富有启发性的观点。

多头并进带来硕果累累——最突出的是对医学和人体的认识，它如何运作以及如何与周围的环境相适应。过去的半个世纪见证了交叉学科的非凡进展，它们使医学领域焕然一新，其中包括CT（计算机体层成像）和MRI（磁共振成像）、心内直视外科和器官移植——这些大多超出了本书的范围。病毒、细菌和人体免疫系统的研究，使得20世纪50年代成功地防治了小儿麻痹症，并且有可能对20世纪80年代开始流行的艾滋病展开越来越有成效的治疗，尽管尚未完全成功。

遗传工程中的突破开始为下述领域提供工具：农产品的改造，更有效地进行遗传育种，通过克隆控制有机体特定性状的遗传——与此同时，也提出了许多具有挑战性的伦理和公共政策问题。

“原始汤”

当宇宙学家和粒子物理学家正在为解答关于宇宙诞生及其早期阶段的一些问题而日夜奋战时，生命科学家也抓住了关于生物的类似问题。也许最根本的问题是：什么是生命？生命是从哪里来的？有史以来，这些问题一直困扰着人类。要给出答案并不容易——实际上今天仍有一些科学家在怀疑，这些问题是不是能够回答。

正如美国宇航局的生命科学家张（Sherwood Chang）曾经说过的：问题在于“记录是无声的。地质学家和大气化学家将告诉你，绝无可能找到证据表明生命最初出现时地球是什么样子，或者生命是怎样开始的。”这一奥秘构成了有史以来最大的科学侦探案例之一——迄今为止，这个奥秘还没有得到解决。很难有过硬的证据做依据，数十个基本问题需要回答，其中包括：在生命开始之前，地球上的环境如何？有哪些元素存在？什么过程曾作用于这些元素？什么是生命的原始构件？

数百年来科学家都在试图判断，生命体有没有可能从无机物中自发产生。亚里士多德确定那是有可能的，接下来的世纪里，科学家试图证明通过何种方式能够或者不能够有生命体自然发生。到了19世纪，巴斯德似乎终于提供了明确的答案：不可能。通过修正前人实验中的错误，巴斯德表明，完全无菌的无机溶液不会产生任何生命迹象，即使生命所需的所有条件都能满足（如温度合适、氧的存在等）。他的技巧是利用一个特殊的曲颈烧瓶以阻止植物或霉菌孢子等污染物的进入，但却保证了正常的大气条件。不过，巴斯德的结果也许并不适合于所有的时期。

20世纪50年代初有一位年轻的研究生，名叫米勒（Stanley Lloyd Miller， 1930—2007），首次通过实验取得了突破性进展，得到了生命起源所需要的某些化合物，当时米勒正在芝加哥大学尤里（Harold Clayton Urey， 1893—1981）的指导下做博士论文。尤里是美国著名化学家，1934年由于发现重氢（氘）荣获诺贝尔化学奖。这些年来，尤里对地质化学、行星的形成和地球早期的大气条件发生了兴趣。他还开始对巴斯德关于“自然发生”不可能的明确断定表示怀疑。尤里和米勒考虑，巴斯德如果不是等待四天，而是等上数十亿年，正如地球当初等待生命的起源那样，结果又会怎样呢？如果不是在现代氮气和氧气共同存在的条件下，而是在原始大气的情况下，它在最初的地球上曾经存在了数十亿年之久，情况又会是怎样呢？如果不是盛满溶液的烧瓶，而是充满无机分子的海洋，情况又会如何呢？

米勒正在检验他在1953年的实验里所用的装置。

首先，尤里有理由相信，地球的原始大气与今天的大气有显著不同。他估计原始大气很可能由甲烷（CH4 ）、氨（NH3）和水蒸气（H2O）之类的含氢气体组成。于是，在尤里的指导下，正当克里克和沃森为双螺旋的结构而奋斗时，米勒也在从事生物学历史上的里程碑实验，其目标是要模拟想象中的早期地球情景。他假设某个时间，巨大的气体云团曾扫过动荡不安的行星表面，天空中闪电不断——甲烷、氢、氨和水的气体分子在来自太阳的紫外辐射（因为还没有形成臭氧层）的作用下发生化学反应，这段时期大量无机分子随着雨水降落在地球的浅海中。尤里和米勒想象，在这样的情况下，这些前生命基本分子互相碰撞，最终形成更长、更复杂的有机分子，如氨基酸、蛋白质和核苷酸等。在这一系列想象的事件中，这些分子最终变得越来越复杂，直到出现能够自我复制的核酸。

在这一设想的小规模模拟场景中，米勒得到了一个含氢的“大气”，其中部分是氨和甲烷，它们飘浮在盛水的烧瓶里，其中的水经过仔细消毒和纯化。在这锅含有气体和液体的“原始汤”里，他又引入电荷以模拟紫外辐射。在地球历史的稍后阶段，植物开始进行光合作用，并且产生氧，氧又反过来形成了上层同温层的臭氧层，而臭氧层保护覆盖的区域免受太阳的紫外线照射。但是，在开始时，米勒和尤里推理说，必须要有大量的紫外辐射才能启动这一生物学过程。还有，到那段时期为止，没有自由氧，却有大量的氢。米勒的实验进行了一个星期，最后检测水溶液，他惊奇地发现，除了简单的物质之外，他还生产出了两种最简单的氨基酸，还有迹象表明少数更复杂的氨基酸正在形成的过程中。

当他投入更长的实验时间后，更多的氨基酸形成了；别的研究者也做这一实验，发现结果能够重复。令人惊奇的是，米勒装置中形成的有机分子，与生物体内的分子是同一类型。米勒没有创造生物体，但是他所启动的这一过程似乎正朝着这个方向迈进。也许生命的演化并不是什么不平常的事情，而是宇宙演化过程的一个自然结果。20世纪60年代末，当越来越复杂的分子在外层空间的气体云中被发现时，这一思路变得更加可靠。

米勒1953年在芝加哥大学做的实验示意图。米勒希望检验，如果他模拟很久以前在地球上可能存在的大气条件，然后模拟会形成闪电的带电气体，看看是否会形成有济化合物。在右边充有水的烧瓶里，他得到含有氢（H2）、甲烷（CH4）和氨 （NH3）的大气，然后对他的“汤”进行放电。实验进行了一个星期之后，米勒注意到，烧瓶和它下面的陷阱里的水变成了橘红色。实脸证明水中含有高浓度的氨基酸。这一实验重复了许多次，生产出了形成蛋白质的所有20种氨基酸。

1970年，生于斯里兰卡的生物化学家彭南佩鲁马（Cyril Ponnamperuma， 1923—1994）在1969年9月28日降落于澳大利亚的陨石中发现了5种氨基酸的踪迹，更是为上述观点带来了更多有利的证据。经过仔细分析，他和他的研究小组找到了甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、缬氨酸和脯氨酸——这是迄今为止发现的首批地外生命成分。彭南佩鲁马证明，陨石并不是在与地球接触的过程中因为污染而获得这些氨基酸的。显然，它们是在类似于米勒实验里所发生的非化学过程中合成的。

开始时……是黏土？

并不是每个人都完全同意米勒的“原始汤”实验就是对这一古老问题的解答。有一类科学家提出了一个有趣的概念，认为生命也许是直接从黏土里产生的。

黏土显然是惰性和没有生命的，它似乎与我们通常想到的生命物质截然相反。但是黏土的物理特性却为生命起源提供了某种合适条件，我们大多数人容易忽视这一点。首先，正如生物学家张在一次访谈中指出的，在地球历史的早期阶段（15亿年前左右或更早），环境显然以无机物质为主。海水肯定最为丰富，但黏土也大量存在。

根据“黏土-生命”设想，开始可能是这样：在早期形成阶段，基本元素氢、氮和碳大量存在。在有机生命所需的成分中，独缺氧。岩石被风化、转移、碾碎，形成土壤，并且成为新的沉积层，形成新的岩石和矿物黏土。在分子水平上，这些黏土具有（而且一直具有）某些特殊性质。它们拥有高度有组织的分子结构，内部充满孔隙，从而为化学反应预留了位置，还可以用做储存、转移信息和能量的途径。

每当环境变迁时，潮湿和干燥交替出现、冰冻和解融相间，风、水和大地不断运动，那些久经考验且特性日益改善的黏土“生存”了下来。苏格兰格拉斯哥大学的史密斯（Graham Cairns-Smith， 1931—　）1982年在他的《遗传接收和生命的矿物起源》（Genetic Takeover and the Mineral Origins of Life）一书中最先提出这一理论。他假设，这些黏土也许通过适应性的结构演化或者某种原始“自然选择”的形式逐渐演变。黏土-生命理论主张，这些黏土本身也许就存在着原始生命形式，同时，也为生命出现之前的有机体演化提供了一种模板。史密斯认为，晶体形成过程中所出现的缺损结构就像是一种矿物遗传系统，它为模板的复制提供了一种途径。他还假设，模板能够以经典的进化形式把这些缺损（某种程度的突变）传递给后代。

用黏土作为脚手架，在矿物分子的基础上渐渐形成有机分子。有机分子演变成有机遗传系统，它要比其矿物祖先更有效，最终以“遗传接收”的形式取代了原始的矿物形成体系。就像大教堂一旦建成，脚手架也就不再需要；就像电子计算机中不可能找到木质算盘珠一样，我们在今天的“高技术”有机系统中看不到这一“低技术”生命方式存在过的证据。

围绕着生命起源还有其他理论。有一种理论颇为流行，也受到生物学家萨根的支持。这个理论主张，形成有机分子所需的碳来自地外含有碳的小行星对地球的撞击。正如彭南佩鲁马以及不少人所发现的那样，许多陨石里存在含碳分子——这就使生命的种子遍及整个宇宙的思想更为可信。这一理论就叫胚种论。

但是无论哪个设想更接近真实，在这个领域里做的工作都是既令人激动，又发人深省，它们向许多习以为常的假设发起了挑战：有机物和无机物的截然区分；生命及其进化的本质。

生命过程：生长因子

正当米勒、尤里、史密斯等人就生命起源问题进行研究时，对自然及其基本组成，细胞以及人体的其他方面及其机制问题的研究也在继续进行。20世纪上半叶终于有了巨大的进展，由于改进了着色技术和显微镜技术，细胞的许多精细结构已经得到辨认。关于生命过程的许多基本问题已经开始取得进展。一个事例是列维-蒙塔尔西尼对生长因子所做的研究，她因此获诺贝尔奖，她和其他人发现生长因子对胚胎细胞的生长有重要作用。

教学改革

关于生命的起源，科学仍停留在高度假设阶段，但是关于地球上生命多样性起源的过程，已不再是一种假设。19世纪达尔文提出的进化论现在已经有了充分的证据。但是宗教上的原教旨主义者针对科学进化论发起的攻击却持续到20世纪后半叶。到了20世纪末，随着千禧年的临近，“反进化论者”提出了一种新的策略，他们称之为“智能设计”。它基于一种常见的论据，简单地说， 自然界中发现的许多复杂结构，例如人眼，是不可能像进化论所描述的那样通过偶然堆砌而成。这样的奇迹一定是由无所不能的上帝设计出来的。最好的比喻就是钟表，这样复杂的一个器件意味着钟表匠的智慧和技能，所以自然界的许多复杂性意味着创世主的存在和参与。

尽管智能设计论的现代支持者一般都根据分子生物学和信息理论的复杂性作出更精致的辩护，但是对于大多数科学家来说，这不过是老调重弹，进化论早已对此有过反驳和回答。许多科学家还指出，大量自然界的产物，与其说像是智能设计的证据，不如说是以相当随意的方式凑合在一起的。例如，为什么智能设计者会在男人的胸前放两个奶头？为什么要给穴居鱼安装两个没有视力的眼睛？还有千百种显然十分愚蠢、浪费和构想拙劣的“设计”。尽管许多自然界的产物都是美丽的，却往往显得没有经过设计，而是拼凑成的，满足于“有用就行”，而不论是否简洁和优美。

与此同时，“智能设计论”的支持者设法要让自己走进课堂。他们要求在科学课上与进化论的教学平起平坐，然而智能设计显然不是一门科学，而是对早已确立的进化论的反驳。虽然智能设计论的支持者在他们的辩词中仔细地剔除了“上帝”一词——这样就避免了宪法和法律上的隐患——但他们闪烁其词提到的智能设计者或创世者却仍然保留着超自然结构，而不是科学结构，在我们现在的科学知识看来，它还是一个多余和不必要的结构。再有，智能设计论的支持者对这样的“设计者”的存在，或者这样的设计者或创世者实际上如何完成从设计到现实的具体转变，并没有提供科学解释。

对于大多数的科学家来说，他们要为自然界的神奇现象寻求自然的解释，而“智能设计”和以前所谓的创造科学一样，在哲学或神学的课堂上，也许有一个位置，但是在科学上却没有它的位置，而且，在教授科学的教室里也没有它的位置。

列维-蒙塔尔西尼从小就着迷于生理学。她和她的孪生妹妹泡拉1909年4月22日出生于意大利的都灵市。她不顾父亲的反对，进入医学院学习，她的妹妹成了著名艺术家，两人终生保持亲密友谊。（列维-蒙塔尔西尼终生未嫁——她的双姓是对母亲的赞颂，她母亲姓蒙塔尔西尼）。

列维-蒙塔尔西尼在第二次世界大战中完成医学学习，但是在获得学位后却不得不立即隐居起来，以避免被德国纳粹送到集中营里。尽管战争时期很难读到专业杂志，但她还是有机会读到了生理学家汉伯格尔的论文，文中描述的研究激起了她的兴趣，她因此而设计了一个实验方案，只要把鸡蛋藏在自己的卧室里就能进行。她的兄弟吉诺帮助她准备了所需设备，用于考察胚胎发育的最早阶段。这时细胞开始分化，她特别关注的是神经细胞。后来证明，这些正是最终通往诺贝尔奖之路的第一步。“二战”之后，列维-蒙塔尔西尼来到密苏里州的圣路易斯，汉伯格尔正在这里从事研究工作。多年来她都是轮流在圣路易斯和罗马居住。她经常旅游，又在她的研究领域里享有名气，她对神经生长因子（NGF）的实验研究备受推崇，NGF是一种能够促进神经细胞在周围神经系统中生长的物质。1986年与她的学生柯恩一起分享诺贝尔生理学或医学奖。柯恩得奖是因为发现了表皮生长因子，而她是因为发现了神经生长因子。

正当列维-蒙塔尔西尼、柯恩及其他生命科学家继续探索生命过程、化学和生理学时，另有一些生物学家转向处于生命边界的一种令人惊奇并且威胁健康的类生命研究，因为许多理由，它带来了挑战，从而激起研究者的兴趣。

列维-蒙塔尔西尼正在圣路易斯华盛顿大学她的实验室里工作。

病毒：位于生命的门槛上

在生物和非生物之间的交界处，无处不在、介乎其中的就是病毒，它是一束分子，很像生物，能够自我复制，却又不像生物，只能寄居于活细胞内才能繁殖，必须从宿主细胞获得基本要素。最小的病毒叫做类病毒，在它们的染色体上仅仅携带240比特的信息，相比之下，人体携带有30亿比特。尽管类病毒简单到如此程度，却能在其生命周期里在植物细胞内自我复制，并致植物于严重疾病状态。病毒的种类繁多，不同的病毒对其宿主产生不同的影响，并强迫宿主付出各种代价。

病毒及其在人类中引起的疾病在人类历史的长河中扮演了重要的角色，有许多由病毒引起的疾病，例如天花，可以追溯到2000年前。但仅仅在19世纪八九十年代，我们才知道病毒是一种特殊的实体。今天我们可以有把握地说，我们已经根除了天花，自从1977年以来从未有过该病例报告（除了实验室的偶然事故以外）。但是人体免疫缺陷病毒（ HIV）——现在流行的艾滋病的病源——又是另一回事。至今我们还没有能力控制或者理解这种病毒。显然，医学关怀为研究这些处于生命边界上的微小生物提供了迫切的动力。

例如，病毒可以给我们对癌症及其起因和（未来的）防治带来新的认识。病毒有时会通过搅乱宿主细胞，歪曲它的功能和信号，引起癌症。通过辨认这些被歪曲的功能和信号，我们从分子的角度对癌症有了新的认识，并且为新的治疗方法提供了途径。在台湾进行的一项崭新的计划中，给　63 500名新生婴儿接种疫苗，以防治乙型肝炎病毒，根据　1996年9月出版的《10年追踪调查》，这一接种疫苗的结果，使85%的潜在患者得到了防治。

但是病毒也提供了一种样品，让我们了解有机体在最简单水平上的运作机理，于是它们给研究者提供了一扇理解更复杂的生物的窗口。

正如微生物学家德尔布吕克在1949年所写：“任何活细胞都携带有它的祖先数十亿年摸索所取得的经验。”［德尔布吕克和微生物学家赫尔希（Alfred Day Hershey， 1908—1997）及卢里亚由于在病毒遗传结构方面的工作而荣获1969年诺贝尔生理学或医学奖。］如德尔布吕克暗示，从这些水平上进行观察，我们了解到了许多东西，我们还将继续询问并且探索这些问题：什么是病毒？它们是活的吗？它们看起来像什么？是不是有许多种不同的病毒？是不是每一种病毒都引起一种特定的疾病？病毒是怎样引起疾病的？病毒是怎样自我复制的？我们从病毒中学习到哪些知识可以运用于人类？

20世纪30年代时，科学家同意用“病毒”一词表示能够穿过细菌过滤器的任何媒介，今天这一定义仅仅局限于亚微观的媒介（小于0. 3微米）。所有病毒都需要宿主细胞，以便自我复制，这一寄生行为往往引起宿主细胞的死亡或变化，这就是为什么大多数病毒会引起疾病的原因。

这张照片里显示的是微生物学家赫尔希，他与卢里亚及德尔布吕克由于在病毒的复制机制和遗传结构方面的工作而分享诺贝尔生理学或医学奖。

20世纪30年代还有两大事件推动了对病毒及其特性的认识。第一件，1935年斯坦利（Wendell Meredith Stanley， 1904—1971）表明病毒可以采取结晶形式。第二件，德国电气工程师鲁斯卡（Ernst August Friedrich Ruska， 1906—1988）引进了新的工具——电子显微镜。它利用的是电子束，而不是可见光。仪器的强大聚焦能力使分辨率一下子增大了400倍，后来很快又得到了改进。（鲁斯卡由于这一工作获得了1986年诺贝尔物理学奖，这一奖励晚了点。）到了20世纪40年代末和50年代，放大倍数增加到了100 000倍，可以分辨小到0. 001微米直径的物体。从1959年到1961年，芬兰细胞学家威尔士卡（Alvar P. Wilska）和法国细菌学家杜波依（Gaston Dupouy， 1900—1985）设计了一种方法，使得病毒的各个部分可以立体展示，随后用电子显微镜对活病毒进行观察。现在电子显微照片可以使科学家看到病毒的微观世界，而在以前他们只能依靠猜测。

研究者发现，病毒的核心是包含遗传信息的核酸，围在外面的蛋白质则提供保护机制。有的外壳的形状有点像网格球顶，由20个等边三角形的面组成。有些病毒利用DNA作为遗传密码的载体（正如非病毒的生物体那样），有些则利用RNA。

至于病毒是否具有生命力的问题，争议仍在进行之中。它们具有活细胞的许多特性，而且可以和生物体一样运用同样的遗传密码——如果不是这样，它们就无法成功地依赖细胞生活。它们按照计划发挥功能，并且能够在一个细胞的范围内安排自己的复制。和其他生物体一样，病毒会演变，并且能够适应周围环境的变化。这些特性描述的难道不是最简单的生物吗？或者，它们描述的难道不是一个极其复杂的分子系统——一群化合物吗？

逆转录病毒

逆转录病毒最早大约是1908年在小鸡身上遇到的，它们使鸡患上白血病，但是最初没有人想到它们会有如此不可思议的生命周期。后来证明，逆转录病毒遗传信息的载体原来是由RNA，而不是由DNA组成的。逆转录病毒起先被称为RNA病毒，它产生DNA复本，或者叫前病毒，而前病毒又转录为RNA病毒。（这是逆转，因此叫做逆转录病毒。）1970年梯明（Howard Martin Temin， 1934—1994）和巴尔的摩（David Baltimore， 1938—　）分别宣布在病毒粒子内部发现一种酶　——逆转录酶——使得遗传信息的流动方向是从RNA到DNA（与大多数细胞中发生的转录正好相反）。这一过程对于某些病毒复制至为关键。它还提供了一种新的工具，允许分子生物学家把任何RNA样品复制为DNA。对于20世纪70年代基因克隆和遗传工程的革命来说，这也是关键的一步。研究逆转录病毒所获得的知识构成了对癌症的现代理解的重要基石。

逆转录病毒附着在宿主细胞表面的特殊接收器上，然后钻进宿主细胞的细胞质。在那里，这个鬼鬼祟祟的入侵者脱掉自己的保护外壳，通过逆转录，把它的RNA转为DNA双链。双链的DNA又转移到核内，整合到宿主细胞的染色体（或基因组）中。整合后的DNA产生一个DNA复本（叫做前病毒），它又转录成病毒RNA。现在病毒已经被宿主细胞的后代继承。在细胞的正常复制过程中，当RNA来到核外，进入细胞质中的核糖体，翻译成为蛋白质时，某些酶与细胞质中的病毒RNA相结合，并且转移到细胞周围的质膜上。这就启动了增殖过程：病毒颗粒从被感染细胞的质膜那里借来外壳，把自己团团围住，离开细胞表面，寻找新的宿主细胞，于是开始了下一次循环。

有些逆转录病毒并不杀死宿主细胞，这些宿主细胞在它的DNA结构中携带前病毒，不断复制和繁殖。其他的逆转录病毒则引起宿主细胞发生变化，产生肿瘤。第三类包括艾滋病病毒，它们杀死宿主细胞，而其作用机制和采用的手段至今仍不完全清楚。

尽管其他逆转录病毒通常都不是不能控制，但艾滋病病毒却是过去二三十年里研究者面临的最大挑战。事实证明它是一个诡秘、顽强和险恶的对手。

逆转录病毒运用宿主细胞复制的复杂过程

鬼祟而阴险：艾滋病的故事

20世纪70年代末，纽约和旧金山的医生们开始遭遇到一些不同寻常的真菌感染病例以及一种被称为卡波西（Kaposi）肉瘤的罕见癌症。80年代初，佐治亚州亚特兰大的疾病控制中心（CDC）有一位名叫福特（Sandra Ford）的技术人员注意到，大量的卡氏肺囊虫肺炎病例突然出现，这是一种罕见的肺炎，通常只是袭击免疫系统衰竭的病人，以前大多数是癌症化疗后的副作用，但是现在却出现在健康人的身上。

于是疾病控制中心开始进一步关注，结果找到了大约500个曾经报道过的神秘疾病的事例——一种致命的折磨摧毁了受害人的免疫系统。最早知道的病例中，五分之四是同性恋男子和双性恋男子，于是起初这种疾病叫做与同性恋有关的免疫失调，但是这一名称很快改为获得性免疫缺陷综合征（Acquired Immune Deficiency Syndrome），或者简称艾滋病（AIDS）。在20世纪80年代初，这一现在已经广泛知晓的疾病相对还是比较隐蔽。但是到了1982年底，美国30个州已经报告了800个以上这样的病例。

后来在　1985年　8月，据新闻透露，著名的电影明星哈德森（Rock Hudson， 1925— 1985）也得了艾滋病，不久他就死于这种疾病。现在艾滋病突然成了公众谈虎变色的话题，随着受害人数的迅速增加，成了极其严重的问题。不久就澄清，这种病不只限于男性同性恋者。 自从20世纪70年代末以来，它一直在非洲和亚洲的人　口中蔓延，研究表明，1992年非洲的一些地区估计有5%～20%的有性行为的成年居民受到感染。再有，到了　1992年，艾滋病成了南北美洲、西欧和撒哈拉大沙漠以南非洲地区主要城市中育龄期妇女（在20至40岁之间）死亡的第一原因。更有甚者，研究表明感染了艾滋病病毒的妇女所生婴儿中，24%～33%会得艾滋病。

问题的紧迫性最终得到了公认。是什么引起了艾滋病？它是怎样传播的？怎样才能治愈，或者得到控制？此时人们已经清楚，艾滋病是一种传染病，并很快就认识到有一种叫做艾滋病1型的病毒很可能是罪魁祸首［1983年分别由法国巴斯德研究所的蒙塔尼亚（Luc Montagnier， 1932—　）和美国健康研究中心的研究员伽罗（Robert Gallo， 1937—　）发现］。这种病毒事实上完全依赖血液或精液传播，尽管研究者在其他一些体液中也发现了艾滋病病毒。这些体液包括唾液、眼泪、尿、母乳、脑脊髓液以及某些子宫颈和阴道的分泌液。起初，艾滋病病毒有时经输血传播，并且在某些情况下，通过治疗血友病所用的凝血剂传播。最早的一种防治措施就是测试血液供应和凝血剂供应，以防止艾滋病1 型 （HIV-1）病毒，结果，这种感染源在1985年终于被切断了。

人类艾滋病病毒（HIV）的电子显微照片，这种病毒能够传染，引起获得性免疫缺陷综合征（艾滋病）。

1983年1月，美国出现了异性恋受害者的首例报告，他们共用静脉注射器注射毒品。疾病可以通过微量的被感染血液传播，事实上，当吸毒者把用过的针从一人转到另一个人时，针上的一滴血就足以传播艾滋病。静脉毒品使用者很快就被公认为是这种疾病的主要危险人群。

艾滋病病毒攻击宿主的免疫系统，从而导致宿主死亡。免疫系统是身体的一部分，专门用于对付病毒、细菌和其他入侵者，以抵御疾病和感染。艾滋病病毒附着在宿主细胞表面的特殊接受器上，钻进细胞内部，在里面复制，再杀死细胞。艾滋病病毒最喜爱的接受器，是人体免疫系统中的重要成员，叫做CD4 T细胞。CD4 T细胞识别血液中外来的攻击者，帮助系统中其他细胞制造抗体。它们还帮助第三种类型的细胞发展成为效应T细胞。所以，CD4 T细胞的损失对免疫系统的另两个部分具有破坏性作用，既影响抗体对付进攻的病毒，又影响效应　T细胞的产生。

死亡并不即刻到来，事实上从感染病毒到发展成艾滋病，可能要经过数年或者更长时间。在此期间，感染者可能是一个不为人知的病毒携带者。在20世纪90年代初，有一个估计数字是美国感染艾滋病病毒的人在100万至150万之间。一旦艾滋病发作，疾病的进程有可能缓慢变化，但最终结果总是一样的：由于免疫系统虚弱，人很容易得病，在与偶得的疾病反复较量之后终于死亡。据报道，1981年到1991年之间美国有19万例艾滋病患者，其中12万人死亡。到2000年，全世界感染艾滋病病毒的人数达到3470万。世界卫生组织报告，在1981年到2000年底之间，死于艾滋病的人数达2180万。

是什么使得艾滋病1型病毒如此不寻常地具有致死效应？因为它把自己伪装成身体的一部分，然后使免疫系统的关键组成部分T细胞无法识别。要找寻一种治疗方法特别难，因为HIV病毒轻易就会“变脸”，从而产生抗药性。然后，变异的新病毒继续兴风作浪，并以新的形式复制，不受药物影响，也不被人体免疫系统识别。

有好几种药剂已经被发现，对疾病可以起到延缓进程的作用，其中包括迭氮胸腺嘧啶核苷（AZT）和双脱氧肌苷（ddI），尽管它们具有许多毒副作用。人们迫切想要攻克这一顽症，但是工作极为艰巨。艾滋病病毒比起大多数流感病毒来，变异要快1000多倍，要研制一种战胜它的疫苗或者药剂，正如有些科学家说的，“就像试图击中活动靶子一样”。再有，大多数疾病的治疗都试图激励人体本身的免疫系统来取得胜利。但是在艾滋病中，免疫系统正是受到攻击的系统。然而，1993年2月，在实验室里研究艾滋病的研究者发现，某些药剂的组合，特别是一种特殊的三重组合，对病毒产生了有希望的效应。尽管病毒还能够像往常那样变异，以便产生抗药性，但是新型病毒有时却不能复制。这就意味着，一旦特定的病毒寿终正寝，它将绝后。如果这一过程不断重复，经过较长的时间并且一直持续下去，病毒最终有可能在它的宿主体内死亡，战争就会胜利。但是到了10月就发现，这一三重组合策略并不总是有效。有时病毒会抵制复合药剂，从而继续生存和复制。事实上，在其他研究者所做的实验中，这一策略并不奏效；变异的病毒看来还能够生存，继续它的正常生命周期。所以，三重组合的药剂并非病毒失效的必要条件。没有找到任何可用疫苗，尽管做出了种种努力，但前景不容乐观。正如一位研究者所警告的，由于这一病毒的特性　，疫苗可能事与愿违，把免疫系统本身误认为有待攻克的病毒。因此至今还没有治疗艾滋病的魔弹。

迄今为止，艾滋病依然是人类抵御疾病的一场巨大失败。在医学领域，由于一个世纪来科学的杰出成果，我们盼来了磺胺类药物、青霉素和各种免疫接种，从而享受到历史上从未有过的高寿和多育的人生。我们能否找到一种方法来战胜这一微小而有非凡变异能力的致命杀手？只有时间可以做出回答。

与此同时，我们抵御艾滋病的最好方法就是通过教育。如果我们能够成功地避免艾滋病毒从一个宿主传到另一个宿主，最终它将不再流行。这一计划的关键是要让每个人都知道，没有保护的性关系（“不安全的性行为”）和静脉注射吸毒（特别是共用针头）是极其危险的行为。这是三种最容易传播艾滋病病毒途径中的两种。（第三种途径是分娩时从母亲传给婴儿。）研究已经表明，一旦传染上了艾滋病病毒，宿主最终将会发展成艾滋病，因此而死亡。但是，只要避免危险行为，每一个人（除了受感染的母亲出生的孩子）都可以保护自己。

对于无数饱受折磨的个体来说，他们依然怀有治愈的渴望。还有更多的人可能在未来的岁月里遭遇这种疾病，因此对于有效的疫苗接种和治疗方法的祈求从未终止。研究仍在进行中。

遗传工程的诞生

尽管艾滋病研究领域进展缓慢，但其他领域的重大成果却是层出不穷。20世纪中叶，克里克和沃森在分子水平上做出的突破，大体上与其他生物学家的研究齐头并进，这类研究针对的是一类有趣的特殊病毒，它们专门攻击细菌。这类病毒的名字叫做噬菌体（“细菌的食客”），它们有着非同寻常的特性，最终导致发现把遗传物质从一种生物体转移到另一种生物体的途径。这些机制的揭秘和新技术的结合，导致出现了这一世纪最令人称奇的一项科学进展——遗传工程。

不过研究起始于细菌而不是它们的寄生物。莱德伯格（Joshua Lederberg， 1925—2008）在1952年开创了这条途径。他注意到细菌通过配对结合，过程类似于复杂有机体的性交，来交换遗传物质。莱德伯格还观测到有两种不同的类型，他称之为M和F。 F菌株都含有他称为质粒的一种物体，会把质粒传递给M细菌。后来证明，质粒含有遗传物质，这是海斯（William Hayes， 1918—1994）第二年发现的。几年前刚刚搞清楚遗传密码是由DNA携带的；质粒似乎是一种环状DNA，从细菌染色体的DNA中游离出来。

这一发现为解决医药领域中正在面临的问题提供了立竿见影的帮助。20世纪30年代和40年代发展起来的磺胺药物和抗生素已经运用多年，许多细菌对它们产生了抗药性——难以遏制的流行病又开始卷土重来，特别是在医院里。1959年，有一组日本科学家发现，抗药性的基因是由质粒携带的，一个细菌可以有数个质粒复制件，然后从一个细菌传递给另一个。如果把少量具抗药性的细菌引进一个群体，就会使整个群体迅速地也具有同样的抗药性。

与此同时，早在1946年，正独立对噬菌体进行研究的德尔布吕克和赫尔希发现，来自不同噬菌体的基因可以自发重组。瑞士微生物学家亚伯（Werner Arber，1929—　）对这一奇异的突变过程进行了详细观察，做出了惊人的发现。细菌在与敌对的噬菌体作战时采取一个有效的方法：它们用一种酶分解噬菌体的DNA并限制噬菌体的生长，这种酶后来就叫“限制酶”。噬菌体不再活跃，于是细菌继续自行其是。

到了1968年，亚伯已经可以把限制酶定位，并发现它仅位于那些含有特定核苷酸序列的DNA分子上，这些核苷酸序列恰是噬菌体的特征。

亚伯密切观察内在的机制：被分解的噬菌体基因会发生重组。他发现，一旦分裂，DNA的分裂端就是“黏性的”。也就是说，如果细菌的限制酶不在场，不去阻止重组的发生，则在同一位点已被分裂的不同基因将会重组，如果把它们放在一起的话。重组DNA——也就是说，来自于不同物种的DNA碎片通过人工方法而合并——的诞生呼之欲出。

接踵而来的是，1969年贝克维斯（Jonathan Beckwith）及其合作者第一次成功地分离出了单个基因，这是细菌中与糖的新陈代谢有关的一种基因。看来一切已准备就绪。

20世纪70年代初，美国微生物学家内森斯（Daniel Nathans， 1928—1999）和史密斯（Hamilton Smith，1931—　）拿过接力棒，开始培育各种限制酶，它们能够在特殊位点上切割DNA。 1970年史密斯发现一种酶，能够在一个特殊位置上切断DNA分子。内森斯进一步研究这个过程，找到了制备各种核酸片段的方法，研究了它们的特性和传递遗传信息的能力。现在研究者真正走上了重组DNA之路，这就是说，先是分离出核酸，然后使它们以不同形式重组。史密斯和内森斯由于他们的划时代发现而荣获1978年诺贝尔生理学或医学奖。

麦克林托克和转座基因

要了解基因可不是一件客易的事情。当植物学家麦克林托克1951年在冷泉港定量生物学会议上宣读论文时，很少有人真正懂得她讲的内容。她正在说的是，一个高度独立的研究者，基于她对玉米基因逐代仔细的观察，发现有些基因很容易跳跃，经常从染色体的一个位点跳到另一位点。

麦克林托克的这一观察所得后来被称为“转座　”或者“跳跃基因 ”，这一结果与摩尔根及其小组在20世纪上半叶对果蝇遗传的丰富认识是互相冲突的。

当麦克林托克于1944年开始这一工作时，她刚刚被选为美国科学院院士，并且就任美国遗传学会主席，她是第一位任此职务的女性。她意识到，她的研究不合潮流　，但是从一开始，她就感觉到证据在她手里。她锲而不舍，尽管这当中有两年她就像是被人遗忘那样，别人不知道她从事的是正道还是迷途。不过，她后来对冷泉港实验室的一位同事威特金（ Evelyn Witkin，　1921—　）说：

“我从来没有遇到无法跨越的障碍。并不是我已经有了答案，而是（我有）乐趣做下去。当你有这种乐趣，你就会正确地做实验　。你让材料告诉你向哪里走，它会在每一步告诉你下一步该怎样走，因为你正在心里形成一幅全新的整合图景。你决不因循守旧；你相信新的图景，而且你做的每一步都针对它。你不用费尽心机帮助它，因为它就是一个整体。 那里不存在困难。”

麦克林托克是非常严谨的科学家，她不会随便做出结论。但是就像大多数能干的科学家，她也凭直觉行事——实际上是基于多年的密切候观，察和辨认模式的卓越本同领之。处她发。现由的于现有象了控是制一个机调制节，和染控色制体可的复以杂断过裂程、分，有离时，并且和以术已知同事的物方没式重有任组何—共—所有这些都通过井然有序的观察手段所得。通过大量观察印第安玉米籽粒的颜色变化，并与她所观察到的染色体结构的变化相联系，她才最终达到这一结论。

只是在最近，麦克林托克的转座工作才被人们公认是关于基因功能的基本和革命性的概念。许多年来，麦克林托克的转座研究和孟德尔的遗传成果一样被人们忽视了；她遥遥领先于时代。然而后来证明，麦克林托克是正确的，当其他研究者开始发现基因有时会转移的证据时，他们才想起，她是最早说这件事情的人。

1983年，　麦克林托克在81岁时荣获诺贝尔生理学或医学奖。1992年9月她在纽约的亨廷顿逝世。沃森把麦克林托克描述成是遗传学领域里三位最重要的人物之一。

1951年麦克林托克在冷泉港会议上。

1973年柯恩和波亚尔（Herbert Wayne Boyer， 1936—　）把两种技术——一种技术是把限制酶定位于质粒，另一种技术是分离特殊基因——结合在一起，又导致了一个非凡的突破，这就是所谓的遗传工程。他们先是切断从大肠杆菌中发现的质粒，然后把来自不同细菌的基因插入质粒的缺口。再把质粒放回大肠杆菌，于是细菌又像平常那样复制，但复制得到的细菌却变换成了别的细菌。这是一个令人惊奇、功力无比的绝技。其他科学家在随后几个月里纷纷投入研究，他们用其他物种重复这一过程，把果蝇和青蛙的基因插入大肠杆菌。

但并不是每个人都认为这是好主意。1974年伯格（Paul Berg，1926—　）和其他生物学家在美国国家科学院的支持下召开了一个会议，拟定了一份指导方针，要求遗传工程应该受到严密控制。从那时起，双方的关系一直处于紧张之中，一方希望进一步探讨遗传工程；另一方则担心会产生不良后果并希望对它有所控制。

但是到了20世纪80年代，遗传工程师成功地生产了好几种特殊的蛋白质，满足了某些病人的需要，如人体生长激素、胰岛素、白细胞介素-2和血液凝固溶解剂。它们还可用来生产乙肝疫苗和改善器官移植受体组织的性能。这些产品大多数是在大型发酵罐里生产的，处于严格控制的环境中，这样一来，对这类遗传工程的反对意见有所减少。再有，遗传工程已经成功地给某些遗传性疾病，例如亨廷顿氏病或杜兴肌营养不良症，定位了基因标志。

遗传标志和人类基因组

有些疾病并不是由一种寄生病毒或细菌引起的，而是遗传的，也就是说，是一代一代传下来的。其实，已知大约有3 000多种疾病是由特殊的基因引起的。由单个基因引起的亨廷顿氏病就是一个例子，两个基因的组合而引起的囊性纤维症又是一例。如果我们能够分离出引起特殊疾病的特殊基因，将会受益无穷，但这显然难以达到。

但这不是不可能。DNA可以用细菌中得到的限制酶进行分割。技术已经发展到能够根据长度对这些DNA进行分类，然后运用一种叫绍世恩切割［取此名是为了纪念发明家绍世恩（Edward A.Southern ）］的技术，从分类后的片段中挑选特殊的DNA片段。

在一个家庭里，如果有一些成员遗传了一种特殊的病，如果你能够比较这一家庭里每个成员的DNA长度，并且如果你知道有哪些成员得病，就有可能辨认出一段特殊的DNA，在所有患病家庭成员中，它看上去都是相似的，于是这一段DNA就成为这一致病基因的标志。最终科学家可以利用这一标志去寻找基因所在的染色体（23对之一）。1983年戴维斯（Kay Davies，　1951—　）和威廉孙（Robert Williamson）第一次找到了一种遗传病的标志，这种病叫做杜兴肌营养不良症。

1988年，美国国家科学院发起一场巨大的事业，绘制人类基因组中所有基因的图谱，这一任务很快就变成一项国际性合作事业，它完成于2003年4月。它是现代生命科学最伟大的成就之一。

1952年，当美国生物学家布里格斯（Robert William Briggs， 1911—1983）和金（Thomas J. King，1921—2000）成功地实施了一项精细的手术时，一个新的探索领域从此打开。他们移走了一个细胞的核，核里含有全部的遗传物质，取而代之的是另一个细胞的核，这就是被称为核移植过程的诞生。

15年后，英国生物学家古尔顿（John Bertrand Gurdon，1933—　）在1962年成功地克隆了一个脊椎动物，这是以前从未有过的壮举，他从南非有爪树蛙的肠细胞中取出核，把它移植到同一物种未受精的卵（卵细胞）中。于是，一个新的、完全正常的个体开始发育了——原初意义上的克隆。

从古尔顿的突破，到其他人于20世纪70年代在基因和染色体水平上的突破，对生物体在最基本的水平上如何发挥作用的问题取得了新的认识。

当科学家对基因和DNA了解更多时，在遗传控制方面就有了各种各样的新前景。控制遗传特征的愿望自古有之——只举几个例子，种小麦的农民、马匹的驯养者和养鸽爱好者，多少个世纪来都通过杂交来得到所需的动植物品种。然而现在，围绕基因水平的干预——所有类型的遗传工程都是如此——成了有争议的课题。转基因食品带来了安全性问题，转基因种子的不必要播撒带来了环境安全的担忧。随着非洲国家拒绝廉价的转基因食品——因为他们担心，进口转基因种子会污染当地农作物从而失去他们在欧洲的农产品市场——冲突就成了一个政治性难题。

随着人类基因组工程的完成，另一条通向遗传工程的途径——干细胞研究和基因治疗　——有了更完备的知识基础。基因治疗的着眼点在于处理或治疗已经确认的近3000种遗传病症。对于许多患者来说，如果没有治疗，将会终生处于痛苦之中，并且常在年轻时就会死去。尽管现在基因治疗还没有被认可为医学治疗，不能用于诊治疾病，但是它正在进行必要的临床测试和安全及功效试验。科学家都很乐观，认为它终将是治疗遗传性疾病的有力新工具。

核移植　（1）　从供体母牛取出胚胎（或者从体外授精获得胚胎）。 （2）从供体胚胎取出单个细胞。　（3）把胚胎中取出的细胞注入核已取走的卵细胞。　（4）带有新核的卵细胞生长，变成了多细胞胚胎，然后或者重新进入克隆过程（箭头向上），或者放入母牛的子宫进一步发育并出生。

但是，干细胞研究则面临着伦理争议，因为干细胞（从尚未分化的胚胎中取出的细胞）极为适宜于遗传工程目的，这时胚胎就成了这一过程中的牺牲品。初生胚胎尽管非常幼小，某些团体还是把它看成是个体生命，因此他们认为，一旦进行干细胞研究，个体生命就失去了。在核移植技术运用领域，也遭遇伦理问题，当细胞核被放入一个已经去核的卵中时，在某些团体看来，一个潜在的生命已经遭到破坏。

这就是为什么一只名叫多莉的绵羊在1997年出生时成为如此轰动新闻的原因。

一只著名母羊的生与死

1997年2月，苏格兰爱丁堡市附近罗斯林研究所的研究者宣布了一件新闻引起了巨大的反响，他们宣布一只名叫多莉的绵羊去年夏天出生，正在享受健康的生活。但是这只年轻的母羊非同寻常。它是母亲的克隆。它的母亲是一头6岁的成年羊。这是第一例成功地由体细胞克隆而成的哺乳动物——不是从干细胞。科学家曾经多次尝试运用体细胞克隆哺乳动物，但都没有成功，许多人认为它做不成。多莉正好说明他们错了。

无可否认，克隆不是正常的生殖过程。尽管多莉看上去完全正常，它却不是来自正常的卵，也没有精子参与。多莉只是它母亲的复制品，它母亲提供了DNA。多莉没有父亲。这一事件的诡异色彩使一些人不安，但是也有许多人充满信心，认为克隆不仅可行而且安全，并且不涉及胚胎干细胞的运用，这一技术有可能用在人的身上。多莉在各方面都是一只完全正常的绵羊——决不是拼凑糅合而成。1998年，它和一只威尔士山羊正常交配，生下了邦妮，一只正常的6. 7磅重的羊羔。

令人悲哀的是，多莉于2003年2月14日6岁时因呼吸道疾病而死去。科学家认为，它的早死是由于快速老化造成的，因为它的生命开始于成年细胞，老化过程已经在其中进行了好几年。然而，罗斯林研究所的研究者们在胚胎学家维尔穆特（Ian Wilmut， 1944—　）的领导下，已经做成了不可能之事。也就是说，他们做成了当时所有人都认为是不可能成功的事情。其他研究者曾经试过，但都以失败告终。

于是，到了1997年，遗传工程及其伦理问题突然成为众矢之的。随着多莉的诞生，许多“如果—怎样”的问题立刻变得更为真实。今天仍然众说纷纭——不仅针对克隆、它的正负效应以及未来影响，而且还涉及整个遗传工程领域。争论围绕着遗传工程的方方面面。人们关注遗传工程用于植物、食物、病毒、濒危物种和人体治疗等方面问题。多莉戏剧般地第一次把这些问题和争论带到了公众的面前。

世界上第一只成功地利用成年细胞克隆的绵羊多莉。在这里显示的多莉正与它的羊羔邦妮在一起。邦妮是自然受孕和分娩的，完全正常。不幸的是，1996年出生的多莉只有6年的短暂寿命。

维尔穆特和多莉在一起。

公共政策很快就作出了反应。美国总统克林顿（Bill Cliton，1946—　）立即要求制定法令，禁止在美国进行人体克隆实验。世界上许多国家都明令禁止人体克隆。当操纵基因的科学知识和技术越来越进步时，问题也变得越来越复杂。1998年，19个欧洲国家签署了第一份国际性条约，禁止人体克隆。2001年8月9日，美国总统布什（George Walker Bush，1946—　）宣布决定，限制人类干细胞研究获得联邦研究经费。

与此同时，罗斯林研究所的维尔穆特小组及其他研究成员继续探讨在动物中运用克隆技术。在宣布多莉出生的同年，罗斯林研究所宣布了波莉的诞生。波莉是第一头使用核转移技术的克隆羊，它带有人类基因。但是，波莉是用绵羊胚胎的纤维原细胞——而不是体细胞——克隆所得。波莉是用这一技术得到的五只中的一只，这五只绵羊中有两只具有人类基因，这就在理论上可以用于治疗人类遗传疾病。例如，基因可能诱导母羊的乳汁中产生有助于血友病患者凝固血液的蛋白质。

在科学与公众的争议声中，基因工程经历了一番风风雨雨的洗礼。许多人担心，生怕这样的实验会把遗传工程产生的细菌释放在周围的环境里，甚至显然是无辜的产品，例如转基因马铃薯都具有负面的公众形象。但是，只要恰当使用，遗传工程可以成为干预我们生活和健康的有力工具，无疑它是20世纪最重要的发现之一。

波莉是第一只带有人类基因由核转移技术克隆的绵羊，图为波莉及其姐妹们。

1930年4月1日魏格纳带领一批科学家乘坐“旗鱼号”船前往格陵兰岛。此行目的是研究冰帽上的气候和大气层高处的急流。4月15日，他们登上了格陵兰岛，比计划晚了一个月时间，港口仍冰天雪地。6月15日，一支队伍动身到离海岸线400千米处的冰层上建立爱斯米特营地。恶劣的天气阻碍了营地物资供给。9月21日，魏格纳亲自带领一支由14人组成的援救小组，由15支狗拉雪橇向营地运送物资。因天气恶劣，雪橇减少到3支。途中有12名队员不愿坚持而返回基地。虽然如此，他和仅剩的两个同伴经过40天的跋涉，于1930年10月30日到达该营地。上图为1930年4月1日魏格纳乘坐“旗鱼号”船去格陵兰探险出发时的情景。

1930年魏格纳在海拔4000米处的格陵兰探险时的情景。

达尔文的表弟弗朗西斯·高尔顿，一生都执著地热衷于有关杰出思想家的遗传谱系统计研究。图为他建立的“人体测量实验室”。当达尔文在人类学研究方面保持沉默期间，高尔顿建立了偏离达尔文主义的第二大支流，创立了所谓的“优生学”，但他对达尔文理论诠释得面目全非，所以，终在1871年被达尔文否决。

鱼、火蜥蝎、龟、鸡、猪、牛、兔、人类的胚胎发育比较。从图中可见，人类和许多低等动物的早期胚胎相似。

今天，在实验室里，对“进化论”的研究仍然在继续。随着科技的进步，达尔文曾推断出所有生物体是“从某一个原型细胞遗传下来的”，这种尝试性的结论得到了有效论证。

电子显微镜下的硅藻图片，现代科技让观察日愈深入和细致。