今天，基因已经成为妇孺皆知的内容了，无论是核酸、亲子鉴定，还是专业杂志，都一直在关注基因。

比如2022年，Science杂志同时发表了六篇文章，还以封面形式介绍了人类基因组计划的最新成果，称之为人类基因组计划的全新里程碑。

Science杂志封面

（图片来源：Science官网）

基因组是什么？和基因有什么关系？为什么直到现在，顶级期刊依然用如此大篇幅来关注基因？基因对我们又有什么意义呢？我们将用五篇内容来为大家细细道来，讲述基因王国的故事。

在介绍基因组之前，我们必须了解的是基因。

时至今日，对于大众来说，基因已经是个非常熟悉的日常词汇了，无论老少都知道这个词汇。不过可能很多人不知道的是，基因这个词汇其实是个新词。它从出现到现在才一百余年。

让我们从最初的源头说起。

漫长的探索——遗传物质是什么？

到底什么影响着人以及各种生命的性状，可以说是一个亘古的话题。从很久以前，人类就开始思考这个问题，也提出了一些猜测，比如东方传说中的女娲用泥土造人，西方毕达哥拉斯提出的土、气、水、火组成生命之类的说法，这些猜想往往因文化历史差异而不同。

但是有一种现象，让人们对于这种性状影响因素有了一些更接近本质的猜测，那就是相似性，尤其是血缘家庭之间的相似性尤为显著。这提示我们，这些决定因素和亲缘关系非常密切。

这就诞生了另一个重要词汇——遗传。

相对于其他不可捉摸的因素，遗传的变量要小多了，主要是父母和孩子。所以产生了不少关于遗传本质的朴素认知，比如“龙生龙、凤生凤”之类的民间俗语，这背后意味着亲本和子代之间有着共同的遗传因素，这些因素应该是植根于生物体内。

按照这一思路，人们开始寻找生物体内到底是什么物质来负责遗传。

当然，这条路十分漫长。早在毕达哥拉斯时代，他就提出过遗传的理论，他认为遗传应该是来自精液，在全身游走获取各种信息然后传递到下一代。到了后来，人们逐步意识到在遗传这个事情上应该是父母都参与了，只是这些因子到底是什么呢？

比如大家熟悉的生物学家达尔文，就提出过一种假说，认为生物体各种细胞存在着特定的繁殖粒子，称为“微芽”或“泛子”，这种粒子会在生育的时候传承过去。当然也有其他一些猜测，比如血液作为遗传因子等。

但是总有一些大神能够超越时代提出让人耳目一新的理论，典型的就是孟德尔。他在尚不清楚什么是遗传物质的前提下，创造性地提出生物体内存在“遗传因子”，并通过统计学的办法，提出了孟德尔遗传定律——基因分离定律和自由组合定律。

这一规律在几十年后才被证实是正确的，至今令人啧啧称奇。

而在孟德尔去世的几十年后，丹麦遗传学家约翰逊第一次正式提出了“基因”这个词，Gene，来源于希腊语，意思是“生”。可见这个词，从一开始就是和生殖遗传相关。作为一名生命科学领域的工作者，我认为“基因”这个词的中文翻译称的上是信达雅的典范，达到了音译和意译的和谐。

基因

（图片来源：wiki，作者翻译）

不过，这个时候的基因和我们今天的基因概念其实还是有不小的差别。但是从那时起，人类就至少达成了一个共识，那就是生命体内有一部分专属的物质来负责传递遗传信息，也就是遗传物质。

那么，遗传物质的本质到底是什么呢？科学家们开展了一场几十年的持续探索。当然，这一路并不顺畅，这上面耗费了无数科学家的心血，直到上世纪，伴随着生命科学的发展，尤其是生物化学和遗传学的发展，最终让我们确定了遗传物质的本质，而在这其中，有三个实验起到了关键的作用。

三个巧妙实验揭示遗传物质的本质是核酸

研究遗传物质的本身性质，我们首先要寻找一些相对简单的模型，这样能够尽可能地降低实验难度。此时，结构较为简单的病毒和细菌就成为了大家的研究对象。

比起以我们人类为代表的绝大多数真核生物，病毒和细菌的结构要简单得多。以DNA为例，在病毒和细菌里，DNA往往是独立的存在，而在真核生物里，DNA则是会被像组蛋白之类的诸多蛋白包裹着形成了染色质（意思是可以被染色的物体），既有DNA又有蛋白质，还有中间的着丝粒和两端的端粒等结构，非常复杂。

当然，我们在回顾这些实验的时候，还是要装作我们并不知道遗传物质本质是什么，这样才能领会到这三个著名实验的精妙之处。

但是，也并非一无所知，至少在探索遗传物质本质的初期，研究人员已经大体上锁定了遗传物质的范围，那就是核酸或者蛋白质。这是因为通过生物化学的手段就可以确定极其简单的生命体如病毒等的核心结构只有两种，分别是核酸和蛋白质。

这两者大家并不陌生，核酸是1869年的时候米歇尔在白细胞中发现的，当时将其命名为核素，后来阿尔特曼发现这种分子是酸性的，所以就叫做核酸。而蛋白质发现就更早了，在1838年就由科学家穆尔德发现。

有了这个基本判断后，那么接下来就是分辨核酸和蛋白质二者到底哪种是遗传物质，还是兼有？

1.经典的转化实验证明了DNA是遗传物质

这个实验是由格里菲斯和艾弗里先后进行的，所谓的转化就是让肺炎双球菌的一种类型转变成另一种类型。

我们首先要介绍下肺炎双球菌的两种类型，一类是表面光滑且有荚膜的有毒S型肺炎双球菌（smooth，光滑），另一类是表面粗糙无荚膜的无毒R型肺炎双球菌（rough，粗糙），这样可以直接从外观就能分辨出来。

接下来格里菲斯做了四组实验。

第一组，注射R型活菌，小鼠不死亡。

第二组，注射S型活菌，小鼠死亡，同时在小鼠体内发现S型活菌。

第三组，注射加热杀死的S型菌，小鼠不死亡。

第四组，注射R型活菌和加热杀死的S型菌，小鼠死亡，并且在小鼠体内发现S型活菌。

格里菲斯做的四组实验

（图片来源：wiki，笔者汉化）

通过简单的比较，我们可以看出，1，2组实验证明了R和S型本身的活性，实验3证明了S型可以被杀死，而实验4证明有毒的S型死细菌中某种物质可以转移到无毒的R型活菌中，并且使之具有毒性。

不过在当时的技术下，无法区分到底是这种“转化因子”的化学成分，到底是什么，于是就有了后来的艾弗里实验。

艾弗里是幸运的，因为这个时候人类已经从细菌中区分了DNA、蛋白质和多糖等成分，于是艾弗里把这些成分分别加入了加热灭活的S型细菌中，结果发现，只有加入DNA才可以让细菌恢复感染性。

这一实验也第一次证实了DNA就是那个转化因子。

有了这次实验，那么下一次实验就顺理成章了，那就是，作为转换因子的DNA，到底包含了部分遗传信息还是全部遗传信息呢？

这次，赫尔希和蔡斯的实验对象是更为简单的噬菌体。

2.DNA包含全部遗传信息——来自噬菌体的证据。

噬菌体，顾名思义，就是可以侵噬细菌的生物，它是一种病毒，结构比细菌还简单，主要是两部分，外部是蛋白质组成的衣壳，里面是DNA。

由于蛋白质和DNA的化学元素组成不同，比如蛋白质含有S元素（硫），而DNA基本不含S元素，反过来，P元素（磷）主要存在于DNA中。因此可以通过放射性同位素技术来标记蛋白质和DNA，这样可以区分。

接下来，他们用放射性同位素标记的噬菌体去感染细菌，结果发现，感染过程中，蛋白质并不进入宿主细菌中，只有DNA进入，而进入的DNA还可以进一步指导细菌合成出完整的噬菌体，这个新合成的噬菌体其衣壳蛋白质是不含同位素标记过的S元素的。

这不仅进一步佐证DNA是遗传物质而非蛋白质，而且也证明DNA包含了所有的遗传信息。

相关实验

（图片来源：wiki）

3.烟草花叶病毒感染证实RNA也可以作为遗传物质

有了上述实验，大家开始思考另一个问题，核酸有两种，DNA是脱氧核糖核酸，那么不脱氧的核糖核酸RNA是不是遗传物质呢？于是就有了康拉特实验。

康拉特选择了只含有RNA的烟草花叶病毒去感染烟草，结果发现只有RNA的病毒也可以感染并复制，这就证实了RNA也是遗传物质。

康拉德实验的过程

（图片来源：参考文献1）

到此，关于遗传物质的争议基本落下帷幕，科学家们现在基本上的共识是：核酸是遗传物质。

知道遗传物质是核酸后，基因是什么呢？

下一篇会告诉你。

本文编辑：孙晨宇

参考文献：

1.Russell ,P. , I Genetics, a molecula approach , 3rd edition , 2009, edited by Yue-Wen Wang. Pearsons,USA