第九章 生命之謎
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一個物種體内的所有細胞（除了所謂的生殖細胞）都含有相同數目的染色體。
一般來說，生物體越是高級，染色體的數目就越多。
小小的果蠅擁有一個榮耀的拉丁名：Drosophilamelanogaster，并曾幫助生物學家理解了關于生命之謎的許多事情。
每一個果蠅細胞都有8條染色體。
豌豆細胞有14條染色體，玉米細胞有20條。
生物學家自己以及所有其他人的每一個細胞都含有46條染色體。
也許有人認為，這從純粹算術上證明了人比蒼蠅優越6倍；然而小龍蝦的細胞卻含有200條染色體，是人的4倍多，所以這種推理并不成立！ 重要的是，一切物種細胞内染色體的數目都永遠是偶數；事實上，任何活細胞内（除了本章稍後要讨論的例外情況）都有兩套幾乎完全相同的染色體（見插圖5a）：一套來自父體，一套來自母體。
這兩套來自雙親的染色體攜帶着複雜的遺傳性狀，并由生命體一代代傳遞下去。
細胞的分裂發端于染色體，每條染色體沿其整個長度整齊地分裂成兩條相同但較細的絲，此時整個細胞仍然保持為一個整體（圖92d）。
大約在這束原本糾纏的染色體開始有所組織、準備分裂的時候，細胞核外邊界附近的兩個臨近的中心體逐漸彼此遠離，移向細胞的兩端（圖92a，b和c）。
此時，分開的中心體與細胞核内的染色體之間似乎也有細線相連。
染色體分裂成兩段之後，每一半都因細線的收縮而被拉向鄰近的中心體，從而彼此遠離（圖92e和f）。
當這一過程臨近結束時（圖92g），細胞壁開始沿中心線凹陷進去（圖92h），每一半細胞周圍都會長出一層薄壁，這兩個隻有一半大的部分彼此放開，出現了兩個分開的新産生的細胞。
這兩個子細胞若是從外界獲得充足的養分，就會長成上一代細胞的尺寸（即長大一倍），一段時間之後又會以同樣的方式繼續分裂。
這種對細胞分裂各個步驟的描述乃是源于直接觀察。
在試圖解釋現象的過程中，科學差不多也隻能做到這些了，因為關于引發這種過程的物理化學力的确切本性，我們仍然知之甚少。
整個細胞似乎還是太複雜了，無法做出直接的物理分析，在處理這個問題之前，必須弄清楚染色體的本性。
相比之下，這個問題要簡單一些，我們将在下一節讨論它。
不過，首先應當思考一下，由大量細胞構成的複雜生命體的繁殖過程是如何由細胞分裂引發的。
這裡也許可以問：是先有蛋，還是先有雞呢？但事實上，在描述這類循環過程的時候，無論是從即将孵化出小雞（或其他動物）的蛋開始，還是從會生蛋的雞開始，都是一樣的。
讓我們從剛出殼的&ldquo小雞&rdquo開始。
一隻處于孵化階段的小雞身體中的細胞正在經曆一個連續分裂過程，從而使機體迅速長大。
大家還記得，成熟動物的身體包含上萬億個細胞，所有這些細胞都是由同一個受精卵細胞不斷分裂而成的。
因此初看起來，大家可能自然會以為，一定要經過大量的分裂過程才能實現這個結果。
但隻要還記得我們在第一章讨論的施賓達誘使國王不情願地賞賜給他構成幾何級數的64堆麥粒，或者重新排列決定世界末日的64個金片需要多少年，我們就能看出，隻需不多的幾次細胞分裂就能産生大量細胞。
如果用x表示從一個細胞變為成年人所需的細胞分裂次數，那麼由于每一次分裂都會使身體中的細胞數目加倍（因為每一個細胞都會變成兩個），我們可以用以下方程來求解從單個卵細胞形成到長大成人，細胞分裂的總次數： 2x＝1014， 即 x＝47。
于是我們看到，成人身體中的每一個細胞都是最初那個卵細胞的大約第五十代後裔。
76 動物幼年時，細胞分裂得很快，而在正常情況下，成熟生物體内的細胞則大都處于&ldquo休眠伏态&rdquo，隻是偶爾分裂一下以&ldquo保養&rdquo身體，補償耗損。
現在我們來談一種非常重要的特殊類型的細胞分裂，由這種分裂形成了引發生殖現象的所謂&ldquo配子&rdquo或&ldquo婚姻細胞&rdquo。
任何雌雄同體的生物體在其最初階段，都有一些細胞被專門&ldquo儲存起來&rdquo以供将來的生殖活動所用。
這些細胞位于專門的生殖器官之中，在機體生長過程中發生的普通分裂的次數遠遠少于其他細胞，等到用它們來産生下一代時，它們仍然富有活力、尚未耗盡。
此外，這些生殖細胞的分裂方式不同于普通體細胞的上述分裂方式，而是要簡單得多。
構成這些細胞核的染色體不是像普通細胞那樣裂成兩半，而是徑直彼此分開（圖93a，b和c），因此每一個子細胞隻得到原先那套染色體的一半。
圖93 配子的形成（a，b，c）和卵細胞的受精（d，e，f） 在第一階段（減數分裂），所儲存的生殖細胞的配對染色體未經預備性的裂開就分成了兩個&ldquo半細胞&rdquo；在第二階段（配子配合），雄性的精子細胞鑽入雌性的卵細胞，其染色體得到配對。
這個受精的卵細胞由此開始準備圖92所示的那種正常分裂。
形成這些&ldquo染色體缺失&rdquo細胞的過程被稱為&ldquo減數分裂&rdquo，而普通的分裂過程被稱為&ldquo有絲分裂&rdquo。
由這種分裂所産生的細胞被稱為&ldquo精細胞&rdquo和&ldquo卵細胞&rdquo，或者雄配子和雌配子。
細心的讀者也許想知道，最初的生殖細胞既然分成了兩個相同的部分，又怎麼能産生雌雄兩種配子呢？原因在于我們之前提到的例外情況：在兩套幾乎完全相同的染色體中有一對特殊的染色體，它們在雌性體内是相同的，而在雄性體内卻是不同的。
這對特殊的染色體被稱為性染色體，用X和Y這兩個符号來加以區分。
雌性體内的細胞總是有兩條X染色體，而雄性體内則有一條X染色體和一條Y染色體。
77将一條X染色體替換成Y染色體，代表着兩性之間的根本差異（圖94）。
圖94 男人和女人的&ldquo面值&rdquo差異。
女人的所有細胞都包含23對兩兩相同的染色體，男人的細胞中卻有一對不對稱的染色體，即一條X染色體和一條Y染色體，而女人的細胞中則是兩條X染色體 由于雌性生物的所有生殖細胞都有一套完整的X染色體，所以當它們在減數分裂過程中一分為二時，每一個&ldquo半細胞&rdquo或配子都會得到一條X染色體。
但由于雄性生殖細胞各有一條X染色體和一條Y染色體，所以在它分裂成的兩個配子中，一個含有X染色體，一個含有Y染色體。
在受精過程中，一個雄配子（精細胞）與一個雌配子（卵細胞）結合，此時有相等的機會産生含有兩條X染色體的細胞和産生含有X染色體和Y染色體各一條的細胞。
前者會發育成女孩，後者會發育成男孩。
我們将在下一節讨論這個重要問題，現在還是繼續描述生殖過程。
精細胞與卵細胞結合的過程被稱為&ldquo配子配合&rdquo，這時會形成一個完整的細胞，它開始在圖92所示的&ldquo有絲分裂&rdquo過程中一分而二。
經過短暫的休眠之後，這樣形成的兩個新細胞又各自一分為二，如此形成的四個細胞再分别重複這個過程。
這樣一直下去，每一個子細胞都精确地複制了原來那個受精卵中的所有染色體，其中的一半來自母體，另一半來自父體。
圖95是受精卵逐漸發育成成熟個體的示意圖。
圖95a顯示的是精子正在進入一個正在休眠的卵細胞。
這兩個配子的結合在完整的細胞中激發了新的活動。
該細胞先是分裂成兩個，然後分裂成4個，再分裂成8個、16個，如此下去（圖95b，c，d，e）。
當細胞的數目變得很大時，它們往往會作這樣一種排列：所有細胞都位于表面，因此更能從周圍的營養介質中得到養料。
這個發育階段被稱為&ldquo囊胚&rdquo階段，此時的生物體就像一個有着内部空腔的小泡泡（f）。
再後來，腔壁開始向内凹陷（g），生物體進入了所謂的&ldquo原腸胚&rdquo階段（h）。
此時它就像一個小袋子，袋口既可用來進食亦可用來排洩。
像珊瑚蟲這樣的簡單動物永遠也不會超過這個發育階段，而更高等的物種則會繼續生長變化。
一些細胞發展成為骨骼，另一些細胞則發展成為消化、呼吸和神經系統。
經曆了各個胚胎階段以後（i），生物體終于成了一個可分辨其物種的幼仔（k）。
圖95 從卵細胞到人 如上所述，在正在生長的機體中，有一些細胞可以說在發育的早期階段就被儲存起來，以用于将來的繁殖。
機體成熟後，這些細胞經曆了減數分裂過程，産生出配子，這些配子再從頭開始整個過程。
生命就是這樣一
一般來說，生物體越是高級，染色體的數目就越多。
小小的果蠅擁有一個榮耀的拉丁名：Drosophilamelanogaster，并曾幫助生物學家理解了關于生命之謎的許多事情。
每一個果蠅細胞都有8條染色體。
豌豆細胞有14條染色體，玉米細胞有20條。
生物學家自己以及所有其他人的每一個細胞都含有46條染色體。
也許有人認為，這從純粹算術上證明了人比蒼蠅優越6倍；然而小龍蝦的細胞卻含有200條染色體，是人的4倍多，所以這種推理并不成立！ 重要的是，一切物種細胞内染色體的數目都永遠是偶數；事實上，任何活細胞内（除了本章稍後要讨論的例外情況）都有兩套幾乎完全相同的染色體（見插圖5a）：一套來自父體，一套來自母體。
這兩套來自雙親的染色體攜帶着複雜的遺傳性狀，并由生命體一代代傳遞下去。
細胞的分裂發端于染色體，每條染色體沿其整個長度整齊地分裂成兩條相同但較細的絲，此時整個細胞仍然保持為一個整體（圖92d）。
大約在這束原本糾纏的染色體開始有所組織、準備分裂的時候，細胞核外邊界附近的兩個臨近的中心體逐漸彼此遠離，移向細胞的兩端（圖92a，b和c）。
此時，分開的中心體與細胞核内的染色體之間似乎也有細線相連。
染色體分裂成兩段之後，每一半都因細線的收縮而被拉向鄰近的中心體，從而彼此遠離（圖92e和f）。
當這一過程臨近結束時（圖92g），細胞壁開始沿中心線凹陷進去（圖92h），每一半細胞周圍都會長出一層薄壁，這兩個隻有一半大的部分彼此放開，出現了兩個分開的新産生的細胞。
這兩個子細胞若是從外界獲得充足的養分，就會長成上一代細胞的尺寸（即長大一倍），一段時間之後又會以同樣的方式繼續分裂。
這種對細胞分裂各個步驟的描述乃是源于直接觀察。
在試圖解釋現象的過程中，科學差不多也隻能做到這些了，因為關于引發這種過程的物理化學力的确切本性，我們仍然知之甚少。
整個細胞似乎還是太複雜了，無法做出直接的物理分析，在處理這個問題之前，必須弄清楚染色體的本性。
相比之下，這個問題要簡單一些，我們将在下一節讨論它。
不過，首先應當思考一下，由大量細胞構成的複雜生命體的繁殖過程是如何由細胞分裂引發的。
這裡也許可以問：是先有蛋，還是先有雞呢？但事實上，在描述這類循環過程的時候，無論是從即将孵化出小雞（或其他動物）的蛋開始，還是從會生蛋的雞開始，都是一樣的。
讓我們從剛出殼的&ldquo小雞&rdquo開始。
一隻處于孵化階段的小雞身體中的細胞正在經曆一個連續分裂過程，從而使機體迅速長大。
大家還記得，成熟動物的身體包含上萬億個細胞，所有這些細胞都是由同一個受精卵細胞不斷分裂而成的。
因此初看起來，大家可能自然會以為，一定要經過大量的分裂過程才能實現這個結果。
但隻要還記得我們在第一章讨論的施賓達誘使國王不情願地賞賜給他構成幾何級數的64堆麥粒，或者重新排列決定世界末日的64個金片需要多少年，我們就能看出，隻需不多的幾次細胞分裂就能産生大量細胞。
如果用x表示從一個細胞變為成年人所需的細胞分裂次數，那麼由于每一次分裂都會使身體中的細胞數目加倍（因為每一個細胞都會變成兩個），我們可以用以下方程來求解從單個卵細胞形成到長大成人，細胞分裂的總次數： 2x＝1014， 即 x＝47。
于是我們看到，成人身體中的每一個細胞都是最初那個卵細胞的大約第五十代後裔。
76 動物幼年時，細胞分裂得很快，而在正常情況下，成熟生物體内的細胞則大都處于&ldquo休眠伏态&rdquo，隻是偶爾分裂一下以&ldquo保養&rdquo身體，補償耗損。
現在我們來談一種非常重要的特殊類型的細胞分裂，由這種分裂形成了引發生殖現象的所謂&ldquo配子&rdquo或&ldquo婚姻細胞&rdquo。
任何雌雄同體的生物體在其最初階段，都有一些細胞被專門&ldquo儲存起來&rdquo以供将來的生殖活動所用。
這些細胞位于專門的生殖器官之中，在機體生長過程中發生的普通分裂的次數遠遠少于其他細胞，等到用它們來産生下一代時，它們仍然富有活力、尚未耗盡。
此外，這些生殖細胞的分裂方式不同于普通體細胞的上述分裂方式，而是要簡單得多。
構成這些細胞核的染色體不是像普通細胞那樣裂成兩半，而是徑直彼此分開（圖93a，b和c），因此每一個子細胞隻得到原先那套染色體的一半。
圖93 配子的形成（a，b，c）和卵細胞的受精（d，e，f） 在第一階段（減數分裂），所儲存的生殖細胞的配對染色體未經預備性的裂開就分成了兩個&ldquo半細胞&rdquo；在第二階段（配子配合），雄性的精子細胞鑽入雌性的卵細胞，其染色體得到配對。
這個受精的卵細胞由此開始準備圖92所示的那種正常分裂。
形成這些&ldquo染色體缺失&rdquo細胞的過程被稱為&ldquo減數分裂&rdquo，而普通的分裂過程被稱為&ldquo有絲分裂&rdquo。
由這種分裂所産生的細胞被稱為&ldquo精細胞&rdquo和&ldquo卵細胞&rdquo，或者雄配子和雌配子。
細心的讀者也許想知道，最初的生殖細胞既然分成了兩個相同的部分，又怎麼能産生雌雄兩種配子呢？原因在于我們之前提到的例外情況：在兩套幾乎完全相同的染色體中有一對特殊的染色體，它們在雌性體内是相同的，而在雄性體内卻是不同的。
這對特殊的染色體被稱為性染色體，用X和Y這兩個符号來加以區分。
雌性體内的細胞總是有兩條X染色體，而雄性體内則有一條X染色體和一條Y染色體。
77将一條X染色體替換成Y染色體，代表着兩性之間的根本差異（圖94）。
圖94 男人和女人的&ldquo面值&rdquo差異。
女人的所有細胞都包含23對兩兩相同的染色體，男人的細胞中卻有一對不對稱的染色體，即一條X染色體和一條Y染色體，而女人的細胞中則是兩條X染色體 由于雌性生物的所有生殖細胞都有一套完整的X染色體，所以當它們在減數分裂過程中一分為二時，每一個&ldquo半細胞&rdquo或配子都會得到一條X染色體。
但由于雄性生殖細胞各有一條X染色體和一條Y染色體，所以在它分裂成的兩個配子中，一個含有X染色體，一個含有Y染色體。
在受精過程中，一個雄配子（精細胞）與一個雌配子（卵細胞）結合，此時有相等的機會産生含有兩條X染色體的細胞和産生含有X染色體和Y染色體各一條的細胞。
前者會發育成女孩，後者會發育成男孩。
我們将在下一節讨論這個重要問題，現在還是繼續描述生殖過程。
精細胞與卵細胞結合的過程被稱為&ldquo配子配合&rdquo，這時會形成一個完整的細胞，它開始在圖92所示的&ldquo有絲分裂&rdquo過程中一分而二。
經過短暫的休眠之後，這樣形成的兩個新細胞又各自一分為二，如此形成的四個細胞再分别重複這個過程。
這樣一直下去，每一個子細胞都精确地複制了原來那個受精卵中的所有染色體，其中的一半來自母體，另一半來自父體。
圖95是受精卵逐漸發育成成熟個體的示意圖。
圖95a顯示的是精子正在進入一個正在休眠的卵細胞。
這兩個配子的結合在完整的細胞中激發了新的活動。
該細胞先是分裂成兩個，然後分裂成4個，再分裂成8個、16個，如此下去（圖95b，c，d，e）。
當細胞的數目變得很大時，它們往往會作這樣一種排列：所有細胞都位于表面，因此更能從周圍的營養介質中得到養料。
這個發育階段被稱為&ldquo囊胚&rdquo階段，此時的生物體就像一個有着内部空腔的小泡泡（f）。
再後來，腔壁開始向内凹陷（g），生物體進入了所謂的&ldquo原腸胚&rdquo階段（h）。
此時它就像一個小袋子，袋口既可用來進食亦可用來排洩。
像珊瑚蟲這樣的簡單動物永遠也不會超過這個發育階段，而更高等的物種則會繼續生長變化。
一些細胞發展成為骨骼，另一些細胞則發展成為消化、呼吸和神經系統。
經曆了各個胚胎階段以後（i），生物體終于成了一個可分辨其物種的幼仔（k）。
圖95 從卵細胞到人 如上所述，在正在生長的機體中，有一些細胞可以說在發育的早期階段就被儲存起來，以用于将來的繁殖。
機體成熟後，這些細胞經曆了減數分裂過程，産生出配子，這些配子再從頭開始整個過程。
生命就是這樣一