第九章 生命之謎
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變了其中基因的順序（圖99c，插圖5b）。
圖99 與原來相互靠近的基因相比，兩條染色體之間或者單條染色體内部的這種基因重組顯然更可能影響原來相距很遠的基因的相對位置。
這就像切牌79雖然隻會分開一對直接相鄰的牌，卻會改變切牌處上下兩部分牌的相對位置（還會把首尾兩張牌合到一起）。
因此，如果觀察到兩種明确的遺傳性狀在染色體交換過程中幾乎總是一起出現或消失，我們就可以斷言，與之對應的基因一定是近鄰；反過來，在染色體交換過程中經常分開的性狀，其所對應的基因在染色體上一定相距很遠。
美國遺傳學家摩爾根（ThomasHuntMorgan）及其學派沿着這些思路進行研究，确定了果蠅染色體中明确的基因次序。
通過這種研究可以發現果蠅的不同性狀在果蠅四條染色體基因中的分布，圖100便顯示了這種分布。
像圖100這樣為果蠅編制的圖表當然也可以為包括人在内的更複雜的動物編制出來，盡管這需要做更加認真細緻的研究。
圖100 三、基因作為&ldquo活的分子&rdquo 對極為複雜的生物結構逐步進行分析之後，我們現已接觸到生命的基本單元。
事實上我們已經看到，成熟生命體的整個發育過程和幾乎所有性狀都是由深藏于細胞内部的一套基因控制的。
甚至可以說，任何動植物都是圍繞其基因生長的。
如果可以作一種高度簡化的物理類比，那麼基因與生命體之間的關系就像原子核與大塊無機物質之間的關系，因為任何一種物質的幾乎所有物理化學性質都可以歸結為以一個電荷數來刻畫的原子核的基本性質。
例如，帶有6個基本電荷單位的原子核周圍會有6個電子環繞，這些原子将因此而傾向于排成正六面體，形成硬度和折射率極高的晶體，即所謂的金剛石。
再比如，電荷數分别為29、16和8的原子核會産生這樣一些原子，它們緊緊連在一起，形成淺藍色的硫酸銅晶體。
當然，即使是最簡單的生命體也比任何晶體複雜得多，但其典型的宏觀組織現象同樣是由組織活動的微觀中心完全決定的。
決定生命體一切性狀（從玫瑰的芳香到大象鼻子的形狀）的這些組織中心有多大呢？用一條正常染色體的體積除以它所包含的基因數目，就很容易回答這個問題。
根據顯微鏡的觀測結果，一般染色體的粗細大約為千分之一毫米，這意味着它的體積為10-14立方厘米左右。
但繁育實驗表明，一條染色體要決定數千種遺傳性狀，這個數字也可以通過橫列在果蠅那條長長的大染色體上的暗帶（據信是一個個基因）數目而直接獲得（插圖5）。
80用染色體的總體積除以單個基因的數目，即可得出一個基因的體積小于10-17立方厘米。
由于原子的平均體積約為10-23立方厘米［&asymp（2×10-8）3］，所以我們得出結論：每個單獨的基因必定是由大約100萬個原子所構成的。
我們還可以估算出比如人體内基因的總重量。
如前所述，成年人大約由1014個細胞所構成，每一個細胞包含46條染色體，因此人體内所有染色體的總體積約為1014×46×10-14&asymp50cm3，（由于人體密度與水的密度相近）也就是不到兩盎司重。
就是這一丁點兒&ldquo組織物質&rdquo在自己周圍建立了數千倍于自身重量的動植物身體的複雜&ldquo包裝&rdquo。
正是這些物質&ldquo從内部&rdquo控制着生物生長的每一步和結構的每一個特征，甚至決定着生物的絕大部分行為。
但基因本身又是什麼呢？是否也應把它看成一種複雜的&ldquo動物&rdquo，能夠細分成更小的生物學單元呢？對于這個問題，回答是否定的。
基因是生命物質的最小單元。
此外，雖然基因擁有把生命物質與非生命物質區分開來的所有那些性狀，但它們無疑也和服從所有一般化學定律的複雜分子（比如蛋白質分子）有關。
換句話說，有機物質與無機物質之間那個缺失的環節，即本章開頭讨論的&ldquo活分子&rdquo，似乎就在基因之中。
一方面，基因具有明顯的持久性，可以把某一物種的性狀幾乎不發生偏差地傳遞數千代，另一方面，構成一個基因的原子數并不很多，有鑒于此，的确應把基因看成一種精心設計的結構，其中每一個原子或原子團都處于預先設定的位置。
不同基因的性質差異反映在性狀由其決定的生命體的外部差異中，可以認為基因的性質差異緣于基因結構内部的原子分布發生了變化。
舉一個簡單的例子，在兩次世界大戰中起了重要作用的炸藥TNT（三硝基甲苯）的分子是由7個碳原子、5個氫原子、3個氮原子和6個氧原子按照以下方式之一排列而成的： 這三種排列的差異在于原子團與碳環的連接方式，由此得到的物質通常被稱為&alphaTNT，&betaTNT和&gammaTNT。
這三種物質都可以在化學實驗室中合成出來，且都有爆炸性，但在密度、溶解性、熔點和爆炸力等方面卻稍有不同。
用标準的化學方法很容易把原子團從分子中的一個連接點移到另一個連接點，從而把一種TNT變成另一種。
這類例子在化學中是常見的，相關的分子越大，可以産生的變種（同分異構體）就越多。
若把基因看成一個由一百萬個原子構成的巨型分子，在該分子的不同位置上安排各個原子團的可能性就變得無比之多了。
我們可以把基因看成由周期性重複的原子團所組成的長鍊，上面像手镯的垂飾一樣附着各種其他原子團。
事實上，最近生物化學的一些進展已經能使我們精确地畫出遺傳&ldquo手镯&rdquo的樣子了。
它被稱為核糖核酸，是由碳、氮、磷、氧和氫等原子構成的。
圖101仿佛帶有一些超現實主義味道，它畫出了決定新生兒眼睛顔色的那部分遺傳&ldquo手镯&rdquo（略去了氮原子和氫原子）。
圖中的四個垂飾表明嬰兒的眼睛是灰色的。
将這些垂飾互換位置，可以得到近乎無限多種分布。
圖101 決定眼睛顔色的遺傳&ldquo手镯&rdquo（核糖核酸分子）的一部分（僅為示意圖） 例如，如果一個遺傳&ldquo手镯&rdquo有10個不同的垂飾，它們就能以1×2×3×4×5×6×7×8×9×10＝3628800種方式進行分布。
若有一些垂飾是相同的，可能的排列數就會少一些。
如果上面那10個垂飾隻有5種（每種2個），那麼就隻有113400種不同的可能性。
然而，随着垂飾總數的增多，可能性的數目會急劇增加。
比如當有25個垂飾、每種5個時，可能的分布大約有62330000000000種！ 于是我們看到，各種&ldquo垂飾&rdquo在長有機分子的各個&ldquo懸鈎&rdquo上重新分布可以産生極大數量的不同組合，這便不僅可以解釋已知生命形态的種種變化，而且可以解釋我們所能設想的哪怕最荒誕不經的動植物形态。
關于這些沿着絲狀的基因分子排列的、刻畫性狀的垂飾的分布，非常重要的一點是，這種分布可以自發地改變，從而使整個生命體發生相應的宏觀變化。
這些變化最常見的原因是普通的熱運動，熱運動會使整個分子像大風中的樹枝一樣扭曲纏繞。
溫度足夠高時，分子的這種振動會強到足以使自己碎裂，這就是所謂的熱離解過程（見第八章）。
但即使在溫度較低、分子能保持完整時，熱振動也可能導緻分子結構内部發生某些變化。
比如可以設想，分子的扭動會使系在某個&ldquo懸鈎&rdquo上的垂飾靠近另一個&ldquo懸鈎&rdquo，這樣一來，該垂飾便可能脫離先前的位置，系到新的&ldquo懸鈎&rdquo上去。
這種現象被稱為同分異構轉變，81在普通化學中常見于比較簡單的分子結構。
和所有其他化學反應一樣，這種轉變也服從化學動力學的一條基本定律：溫度每升高10℃，反應速率大約增加一倍。
就基因分子而言，其結構太過複雜，即使經過相當長的時間，有機化學家們也未必能把它研究清楚。
現在還無法通過直接的化學分析方法來證實基因分子的同分異構變化。
不過這裡有種現象，從某種角度來看，可以認為遠比費力的化學分析要好：如果即将結合出新生命的雄配子或雌配子有一個基因發生了這種同分異構變化，該變化将在相繼的基因割裂和細胞分裂過程中得以忠實的重複，并且對由此産生的動植物的某些明顯的宏觀特征造成影響。
事實上，遺傳學研究最重要的成果之一就是，荷蘭生物學家德弗裡斯（HugodeVries）在1902年發
圖99 與原來相互靠近的基因相比，兩條染色體之間或者單條染色體内部的這種基因重組顯然更可能影響原來相距很遠的基因的相對位置。
這就像切牌79雖然隻會分開一對直接相鄰的牌，卻會改變切牌處上下兩部分牌的相對位置（還會把首尾兩張牌合到一起）。
因此，如果觀察到兩種明确的遺傳性狀在染色體交換過程中幾乎總是一起出現或消失，我們就可以斷言，與之對應的基因一定是近鄰；反過來，在染色體交換過程中經常分開的性狀，其所對應的基因在染色體上一定相距很遠。
美國遺傳學家摩爾根（ThomasHuntMorgan）及其學派沿着這些思路進行研究，确定了果蠅染色體中明确的基因次序。
通過這種研究可以發現果蠅的不同性狀在果蠅四條染色體基因中的分布，圖100便顯示了這種分布。
像圖100這樣為果蠅編制的圖表當然也可以為包括人在内的更複雜的動物編制出來，盡管這需要做更加認真細緻的研究。
圖100 三、基因作為&ldquo活的分子&rdquo 對極為複雜的生物結構逐步進行分析之後，我們現已接觸到生命的基本單元。
事實上我們已經看到，成熟生命體的整個發育過程和幾乎所有性狀都是由深藏于細胞内部的一套基因控制的。
甚至可以說，任何動植物都是圍繞其基因生長的。
如果可以作一種高度簡化的物理類比，那麼基因與生命體之間的關系就像原子核與大塊無機物質之間的關系，因為任何一種物質的幾乎所有物理化學性質都可以歸結為以一個電荷數來刻畫的原子核的基本性質。
例如，帶有6個基本電荷單位的原子核周圍會有6個電子環繞，這些原子将因此而傾向于排成正六面體，形成硬度和折射率極高的晶體，即所謂的金剛石。
再比如，電荷數分别為29、16和8的原子核會産生這樣一些原子，它們緊緊連在一起，形成淺藍色的硫酸銅晶體。
當然，即使是最簡單的生命體也比任何晶體複雜得多，但其典型的宏觀組織現象同樣是由組織活動的微觀中心完全決定的。
決定生命體一切性狀（從玫瑰的芳香到大象鼻子的形狀）的這些組織中心有多大呢？用一條正常染色體的體積除以它所包含的基因數目，就很容易回答這個問題。
根據顯微鏡的觀測結果，一般染色體的粗細大約為千分之一毫米，這意味着它的體積為10-14立方厘米左右。
但繁育實驗表明，一條染色體要決定數千種遺傳性狀，這個數字也可以通過橫列在果蠅那條長長的大染色體上的暗帶（據信是一個個基因）數目而直接獲得（插圖5）。
80用染色體的總體積除以單個基因的數目，即可得出一個基因的體積小于10-17立方厘米。
由于原子的平均體積約為10-23立方厘米［&asymp（2×10-8）3］，所以我們得出結論：每個單獨的基因必定是由大約100萬個原子所構成的。
我們還可以估算出比如人體内基因的總重量。
如前所述，成年人大約由1014個細胞所構成，每一個細胞包含46條染色體，因此人體内所有染色體的總體積約為1014×46×10-14&asymp50cm3，（由于人體密度與水的密度相近）也就是不到兩盎司重。
就是這一丁點兒&ldquo組織物質&rdquo在自己周圍建立了數千倍于自身重量的動植物身體的複雜&ldquo包裝&rdquo。
正是這些物質&ldquo從内部&rdquo控制着生物生長的每一步和結構的每一個特征，甚至決定着生物的絕大部分行為。
但基因本身又是什麼呢？是否也應把它看成一種複雜的&ldquo動物&rdquo，能夠細分成更小的生物學單元呢？對于這個問題，回答是否定的。
基因是生命物質的最小單元。
此外，雖然基因擁有把生命物質與非生命物質區分開來的所有那些性狀，但它們無疑也和服從所有一般化學定律的複雜分子（比如蛋白質分子）有關。
換句話說，有機物質與無機物質之間那個缺失的環節，即本章開頭讨論的&ldquo活分子&rdquo，似乎就在基因之中。
一方面，基因具有明顯的持久性，可以把某一物種的性狀幾乎不發生偏差地傳遞數千代，另一方面，構成一個基因的原子數并不很多，有鑒于此，的确應把基因看成一種精心設計的結構，其中每一個原子或原子團都處于預先設定的位置。
不同基因的性質差異反映在性狀由其決定的生命體的外部差異中，可以認為基因的性質差異緣于基因結構内部的原子分布發生了變化。
舉一個簡單的例子，在兩次世界大戰中起了重要作用的炸藥TNT（三硝基甲苯）的分子是由7個碳原子、5個氫原子、3個氮原子和6個氧原子按照以下方式之一排列而成的： 這三種排列的差異在于原子團與碳環的連接方式，由此得到的物質通常被稱為&alphaTNT，&betaTNT和&gammaTNT。
這三種物質都可以在化學實驗室中合成出來，且都有爆炸性，但在密度、溶解性、熔點和爆炸力等方面卻稍有不同。
用标準的化學方法很容易把原子團從分子中的一個連接點移到另一個連接點，從而把一種TNT變成另一種。
這類例子在化學中是常見的，相關的分子越大，可以産生的變種（同分異構體）就越多。
若把基因看成一個由一百萬個原子構成的巨型分子，在該分子的不同位置上安排各個原子團的可能性就變得無比之多了。
我們可以把基因看成由周期性重複的原子團所組成的長鍊，上面像手镯的垂飾一樣附着各種其他原子團。
事實上，最近生物化學的一些進展已經能使我們精确地畫出遺傳&ldquo手镯&rdquo的樣子了。
它被稱為核糖核酸，是由碳、氮、磷、氧和氫等原子構成的。
圖101仿佛帶有一些超現實主義味道，它畫出了決定新生兒眼睛顔色的那部分遺傳&ldquo手镯&rdquo（略去了氮原子和氫原子）。
圖中的四個垂飾表明嬰兒的眼睛是灰色的。
将這些垂飾互換位置，可以得到近乎無限多種分布。
圖101 決定眼睛顔色的遺傳&ldquo手镯&rdquo（核糖核酸分子）的一部分（僅為示意圖） 例如，如果一個遺傳&ldquo手镯&rdquo有10個不同的垂飾，它們就能以1×2×3×4×5×6×7×8×9×10＝3628800種方式進行分布。
若有一些垂飾是相同的，可能的排列數就會少一些。
如果上面那10個垂飾隻有5種（每種2個），那麼就隻有113400種不同的可能性。
然而，随着垂飾總數的增多，可能性的數目會急劇增加。
比如當有25個垂飾、每種5個時，可能的分布大約有62330000000000種！ 于是我們看到，各種&ldquo垂飾&rdquo在長有機分子的各個&ldquo懸鈎&rdquo上重新分布可以産生極大數量的不同組合，這便不僅可以解釋已知生命形态的種種變化，而且可以解釋我們所能設想的哪怕最荒誕不經的動植物形态。
關于這些沿着絲狀的基因分子排列的、刻畫性狀的垂飾的分布，非常重要的一點是，這種分布可以自發地改變，從而使整個生命體發生相應的宏觀變化。
這些變化最常見的原因是普通的熱運動，熱運動會使整個分子像大風中的樹枝一樣扭曲纏繞。
溫度足夠高時，分子的這種振動會強到足以使自己碎裂，這就是所謂的熱離解過程（見第八章）。
但即使在溫度較低、分子能保持完整時，熱振動也可能導緻分子結構内部發生某些變化。
比如可以設想，分子的扭動會使系在某個&ldquo懸鈎&rdquo上的垂飾靠近另一個&ldquo懸鈎&rdquo，這樣一來，該垂飾便可能脫離先前的位置，系到新的&ldquo懸鈎&rdquo上去。
這種現象被稱為同分異構轉變，81在普通化學中常見于比較簡單的分子結構。
和所有其他化學反應一樣，這種轉變也服從化學動力學的一條基本定律：溫度每升高10℃，反應速率大約增加一倍。
就基因分子而言，其結構太過複雜，即使經過相當長的時間，有機化學家們也未必能把它研究清楚。
現在還無法通過直接的化學分析方法來證實基因分子的同分異構變化。
不過這裡有種現象，從某種角度來看，可以認為遠比費力的化學分析要好：如果即将結合出新生命的雄配子或雌配子有一個基因發生了這種同分異構變化，該變化将在相繼的基因割裂和細胞分裂過程中得以忠實的重複，并且對由此産生的動植物的某些明顯的宏觀特征造成影響。
事實上，遺傳學研究最重要的成果之一就是，荷蘭生物學家德弗裡斯（HugodeVries）在1902年發