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5.生命信息的交通規則，DNA複製
結構與功能相適應，這是生物學中永恒的命題，也是生命美的全部哲學底蘊。DNA作為遺傳物質，其結構與其功能也必須相應，科學家早就想到，遺傳物質必須有兩種功能：其一是適合於遺傳給後代，即必須複製一份完全相同的物質；其二，適合於在當代釋放出父母遺傳下來的“模樣”信息。首先我們看看DNA複製。
5.1DNA複製，生殖式還是分裂式還是回到課堂上來討論DNA的複製。
A：我覺得DNA複製應該是生殖式的，就像母親生出小孩，一個老DNA分子生出一個新的DNA分子。
B：我覺得DNA複製是分裂式的，像細胞分裂一樣(不是一個母細胞生出一個子細胞)，是兩老鏈分裂，然後複製。
老師：能否簡單地說明各自設想的機製？
A：首先是DNA雙鏈解開(氫鍵斷裂)，按查伽夫原則，各以兩母鏈為模板複製新鏈，然後兩新鏈合並形成雙螺旋(子DNA)，兩母鏈重新合並形成雙螺旋(母DNA)；這樣一個母DNA“生”出了一個子DNA。
B：我的設想是兩條母DNA單鏈各自複製出新DNA後，新的和老的纏繞在一起，形成了兩子DNA，母DNA平均分到子DNA中。
A：按照B的方式，子DNA中有一半老的，這樣在衰老時，兩個子DNA都會受到影響，從而遺傳信息不穩定。
B：按照A的方式，細胞分裂時，有一個細胞得的全是老DNA，這樣兩個子細胞遺傳信息上就不一樣了，也不能保證遺傳穩定性。
老師：分子沒有新老之分，不像細胞和生命，單純一個分子是沒有生命的，DNA分子非常穩定，你們倆的結果是一樣的，過程不一樣。能設計實驗檢驗你們的想法嗎？
B：既然母DNA和子DNA完全一樣，我們無法區分。除非我們一開始就把母DNA塗上顏色，然後看複製結果，如果兩個分子都有顏色，就是我對了；如果隻有一個分子(母DNA)有顏色，就是A對了。
A：說到塗顏色，我想到了同位素標記。比如用重氮(15N)首先形成母DNA分子，然後把含有重氮DNA的生物，放到普通氮(14N)中培養一代。用密度梯度離心法就可以區分它們。密度梯度離心能把不同密度的物質分開來，密度大的在下麵(15N)，密度小的在上麵(14N)。如果B對，就隻有一條區帶，因為他預言是老的(15N)一半，新的(14N)一半，兩個子DNA分子一樣。如果我對，就有兩條區帶，因為我預言老的(15N)和新的(14N)不混合。
老師：很妙，1958年兩位科學家梅塞爾森和斯塔爾設計了A同學的實驗，很遺憾，結果支持B同學的預言。其實，沃森和克裏克在提出DNA雙螺旋結構模型時就開始設想DNA的複製了。他們的文章發表在《自然》1953年5月30日這一期上，他們的設想與B同學一致，這種方式被稱為“半保留複製”，意思是複製結果是新的一半；老的保留一半。當時也有人與同學A的設想一致，稱為“全保留複製”。實驗支持半保留方式。
DNA的複製可以在體外進行。柯恩伯格在體外將DNA加熱變性，使氫鍵斷裂，然後置於冰水中驟冷，兩條鏈就會分開來(但如果是慢慢冷卻，兩鏈又會重新合並而複性)。用分開的兩條鏈為模板，加入必要的酶和四種核苷酸就可合成DNA分子了！柯恩伯格因為這些實驗而榮獲1959年諾貝爾是醫學獎。1984年，美國化學家穆利斯想出了更簡單的方法在體外合成DNA，可以自動化，速度很快，稱PCR方法。1993年，穆利斯因此獲得了化學獎。
5.2隧道工程師與複製子體外複製的DNA長度很短，可以先把兩條鏈完全分開然後一次性複製完。可是體內的DNA分子是很長很長的，如大腸杆菌的DNA有400萬對堿基，複製一次的時間隻有40分鍾，這就意味著每分鍾要複製10萬對堿基。這個速度是相當驚人的，纖弱的細胞如何經受得了這番折騰？一定有別的辦法。
首先，讓我們來看看隧道工程師的辦法。一個隧道工程師接到一項任務，在一年內完成10公裏長的地鐵隧道開挖工作。如果從一個開口進行挖掘，他的工程隊每月隻能完成0.1公裏，人和機器再多也隻能這樣，因為一個隧道口隻能容納那麽多人。隧道工程師想出了一個美妙的方案，他讓工程隊在地麵上每隔2公裏挖一個垂直向下的洞，共4個，然後在洞底向兩個方向開始挖掘，這樣他就可以在剩下的10個月中把隧道挖通了；四個洞共挖8公裏，兩端共挖2公裏。隧道工程師的方法就是分段同時施工。
DNA體內複製正是采用了這種隧道工程師方案。首先從一條長鏈確定幾個複製起點，然後從每個起點向兩端運行，這樣一個起點就有兩個終點，這兩個終點之間的距離就是複製子。對應於隧道工程師的方案，一個“複製子”是2公裏，起點左向1公裏加上起點右向1公裏。
那末，如何知道DNA複製執行的是隧道工程師方案呢？我們再次想到塗“顏色”的做法，如果在DNA複製開始時放到稀“顏料”中，過一段時間之後放到濃“顏料”中，可以看到DNA分子有許多段塗上“顏色”，而不是連續的，這說明DNA複製是多起點的。仔細分辨“顏色”，發現中間稀兩頭濃，稀的是開始複製的，濃的是後複製的，這就可以推斷複製是從起點向兩端進行。
5.3交通法則與半不連續複製在詳細描述DNA複製子更為細致的複製過程之前，我們先來做一道智力題目：大雪封路，雪後，某交通大隊接到命令，必須盡快地鏟掉公路及兩旁行人道上的積雪，但即使如此，也不能違反交通規則：行人靠右。
交通大隊長首先想到在每一道口開進兩輛鏟雪車，背離而行，分段清掃，這采用了隧道工程師方案。問題是每段行人道上的積雪如何清掃，行人道必須由人工完成(車輛開進行人道是違反交通規則的)，而且靠右前進。
如果複製果真是半不連續的，那麽複製過程中就會產生一些尚未連接起來的DNA片段，用物理化學方法處理就可以把這些片段提取出來。日本生物學家岡崎首先做到了這一點，他於1968年得到了這樣的片段，後來被稱為岡崎片段。
DNA複製過程的發現一開始純粹是猜測的，根據邏輯進行推理得出結論，然後驗證。這一科學發現的過程充分體現了理性的預測力量，體現了生命的理性美。假說―演繹―檢驗的方法一次又一次地在現代生物學中運用著。
DNA的複製並不是一個已經完全解決了的問題，可以說，分子遺傳學最先研究DNA複製，而沒有解決的問題又是最多的。DNA複製的最大難題是去螺旋，我們可以拿兩段繩搓成一根右手螺旋的雙螺旋，這差不多相當於一個DNA分子。DNA複製時必須把螺旋鬆散開來，每複製一個螺旋，整個DNA分子左向旋轉一周。我們已經知道DNA複製速度很快，解螺旋的速度也就會很快，這並不會因為采用隧道工程師的方案而減慢。纖弱的DNA能承受這樣的折騰嗎？於是開始用拓撲學(一個數學分支)來研究DNA去螺旋。
DNA複製研究是一項未竟的事業，讀者盡可以根據現代分子遺傳學的進展充分地發揮你的想象力，提出各種各樣的解決方案。
5.1DNA複製，生殖式還是分裂式還是回到課堂上來討論DNA的複製。
A：我覺得DNA複製應該是生殖式的，就像母親生出小孩，一個老DNA分子生出一個新的DNA分子。
B：我覺得DNA複製是分裂式的，像細胞分裂一樣(不是一個母細胞生出一個子細胞)，是兩老鏈分裂，然後複製。
老師：能否簡單地說明各自設想的機製？
A：首先是DNA雙鏈解開(氫鍵斷裂)，按查伽夫原則，各以兩母鏈為模板複製新鏈，然後兩新鏈合並形成雙螺旋(子DNA)，兩母鏈重新合並形成雙螺旋(母DNA)；這樣一個母DNA“生”出了一個子DNA。
B：我的設想是兩條母DNA單鏈各自複製出新DNA後，新的和老的纏繞在一起，形成了兩子DNA，母DNA平均分到子DNA中。
A：按照B的方式，子DNA中有一半老的，這樣在衰老時，兩個子DNA都會受到影響，從而遺傳信息不穩定。
B：按照A的方式，細胞分裂時，有一個細胞得的全是老DNA，這樣兩個子細胞遺傳信息上就不一樣了，也不能保證遺傳穩定性。
老師：分子沒有新老之分，不像細胞和生命，單純一個分子是沒有生命的，DNA分子非常穩定，你們倆的結果是一樣的，過程不一樣。能設計實驗檢驗你們的想法嗎？
B：既然母DNA和子DNA完全一樣，我們無法區分。除非我們一開始就把母DNA塗上顏色，然後看複製結果，如果兩個分子都有顏色，就是我對了；如果隻有一個分子(母DNA)有顏色，就是A對了。
A：說到塗顏色，我想到了同位素標記。比如用重氮(15N)首先形成母DNA分子，然後把含有重氮DNA的生物，放到普通氮(14N)中培養一代。用密度梯度離心法就可以區分它們。密度梯度離心能把不同密度的物質分開來，密度大的在下麵(15N)，密度小的在上麵(14N)。如果B對，就隻有一條區帶，因為他預言是老的(15N)一半，新的(14N)一半，兩個子DNA分子一樣。如果我對，就有兩條區帶，因為我預言老的(15N)和新的(14N)不混合。
老師：很妙，1958年兩位科學家梅塞爾森和斯塔爾設計了A同學的實驗，很遺憾，結果支持B同學的預言。其實，沃森和克裏克在提出DNA雙螺旋結構模型時就開始設想DNA的複製了。他們的文章發表在《自然》1953年5月30日這一期上，他們的設想與B同學一致，這種方式被稱為“半保留複製”，意思是複製結果是新的一半；老的保留一半。當時也有人與同學A的設想一致，稱為“全保留複製”。實驗支持半保留方式。
DNA的複製可以在體外進行。柯恩伯格在體外將DNA加熱變性，使氫鍵斷裂，然後置於冰水中驟冷，兩條鏈就會分開來(但如果是慢慢冷卻，兩鏈又會重新合並而複性)。用分開的兩條鏈為模板，加入必要的酶和四種核苷酸就可合成DNA分子了！柯恩伯格因為這些實驗而榮獲1959年諾貝爾是醫學獎。1984年，美國化學家穆利斯想出了更簡單的方法在體外合成DNA，可以自動化，速度很快，稱PCR方法。1993年，穆利斯因此獲得了化學獎。
5.2隧道工程師與複製子體外複製的DNA長度很短，可以先把兩條鏈完全分開然後一次性複製完。可是體內的DNA分子是很長很長的，如大腸杆菌的DNA有400萬對堿基，複製一次的時間隻有40分鍾，這就意味著每分鍾要複製10萬對堿基。這個速度是相當驚人的，纖弱的細胞如何經受得了這番折騰？一定有別的辦法。
首先，讓我們來看看隧道工程師的辦法。一個隧道工程師接到一項任務，在一年內完成10公裏長的地鐵隧道開挖工作。如果從一個開口進行挖掘，他的工程隊每月隻能完成0.1公裏，人和機器再多也隻能這樣，因為一個隧道口隻能容納那麽多人。隧道工程師想出了一個美妙的方案，他讓工程隊在地麵上每隔2公裏挖一個垂直向下的洞，共4個，然後在洞底向兩個方向開始挖掘，這樣他就可以在剩下的10個月中把隧道挖通了；四個洞共挖8公裏，兩端共挖2公裏。隧道工程師的方法就是分段同時施工。
DNA體內複製正是采用了這種隧道工程師方案。首先從一條長鏈確定幾個複製起點，然後從每個起點向兩端運行，這樣一個起點就有兩個終點，這兩個終點之間的距離就是複製子。對應於隧道工程師的方案，一個“複製子”是2公裏，起點左向1公裏加上起點右向1公裏。
那末，如何知道DNA複製執行的是隧道工程師方案呢？我們再次想到塗“顏色”的做法，如果在DNA複製開始時放到稀“顏料”中，過一段時間之後放到濃“顏料”中，可以看到DNA分子有許多段塗上“顏色”，而不是連續的，這說明DNA複製是多起點的。仔細分辨“顏色”，發現中間稀兩頭濃，稀的是開始複製的，濃的是後複製的，這就可以推斷複製是從起點向兩端進行。
5.3交通法則與半不連續複製在詳細描述DNA複製子更為細致的複製過程之前，我們先來做一道智力題目：大雪封路，雪後，某交通大隊接到命令，必須盡快地鏟掉公路及兩旁行人道上的積雪，但即使如此，也不能違反交通規則：行人靠右。
交通大隊長首先想到在每一道口開進兩輛鏟雪車，背離而行，分段清掃，這采用了隧道工程師方案。問題是每段行人道上的積雪如何清掃，行人道必須由人工完成(車輛開進行人道是違反交通規則的)，而且靠右前進。
如果複製果真是半不連續的，那麽複製過程中就會產生一些尚未連接起來的DNA片段，用物理化學方法處理就可以把這些片段提取出來。日本生物學家岡崎首先做到了這一點，他於1968年得到了這樣的片段，後來被稱為岡崎片段。
DNA複製過程的發現一開始純粹是猜測的，根據邏輯進行推理得出結論，然後驗證。這一科學發現的過程充分體現了理性的預測力量，體現了生命的理性美。假說―演繹―檢驗的方法一次又一次地在現代生物學中運用著。
DNA的複製並不是一個已經完全解決了的問題，可以說，分子遺傳學最先研究DNA複製，而沒有解決的問題又是最多的。DNA複製的最大難題是去螺旋，我們可以拿兩段繩搓成一根右手螺旋的雙螺旋，這差不多相當於一個DNA分子。DNA複製時必須把螺旋鬆散開來，每複製一個螺旋，整個DNA分子左向旋轉一周。我們已經知道DNA複製速度很快，解螺旋的速度也就會很快，這並不會因為采用隧道工程師的方案而減慢。纖弱的DNA能承受這樣的折騰嗎？於是開始用拓撲學(一個數學分支)來研究DNA去螺旋。
DNA複製研究是一項未竟的事業，讀者盡可以根據現代分子遺傳學的進展充分地發揮你的想象力，提出各種各樣的解決方案。
