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【诺奖中的“基因”】人类真的可以诱导基因突变吗?

  【诺奖中的“基因”】

  很多电影里面,主角获得超能力的方式总被解释为某些特殊的影响而导致“基因突变”,例如我们熟悉的蜘蛛侠是被毒蜘蛛咬到,而哥斯拉是受到核爆影响。但是,这些桥段并非没有任何科学依据,在自然界中,基因突变在频繁发生。那么,人类行为真的可以诱导基因突变吗?又是谁发现了这个秘密?

【诺奖中的“基因”】人类真的可以诱导基因突变吗?

果蝇(图片来自网络)

  让我们先回到高中生物课:谁都不会忘记“现代遗传学之父”托马斯·亨特·摩尔根和小可爱“果蝇”的故事,自从他将果蝇带上了遗传学研究的舞台,这只小小的虫子便成了科学家们的好伙伴,为人类生物学的发展立下了汗马功劳。摩尔根也因“发现遗传中染色体所起的作用”而成为第一位获得诺贝尔生理学或医学奖的遗传学家。

  历史总是会有让人意想不到的巧合。当1912年的摩尔根招收一名叫做荷尔曼·约瑟夫·穆勒的年轻人进入自己的“蝇室”从事果蝇遗传学研究的时候,他并不会想到,未来穆勒也将一生与小小的果蝇为伴,并在13年后成为第二位获得诺贝尔生理学或医学奖的遗传学家。

  当果蝇遭遇射线

  穆勒认为,在自然条件下果蝇的突变频率是很低的。为了提高基因的突变频率,穆勒决定采用强有力的、由放射源产生的短波电磁辐射这样的“利器”来干预基因。从1921年开始,整整10年穆勒在得克萨斯大学的一间地下室里,不知疲倦地探索用射线诱发基因突变以及检测这些突变的方法。他采用X射线照射果蝇,发现X射线能大大提高基因的突变频率,在一定范围内突变率与辐射剂量成正比。

【诺奖中的“基因”】人类真的可以诱导基因突变吗?

正在对果蝇进行照射实验的穆勒(图片来自网络)

  1927年,穆勒在他最为重要的《基因的人工蜕变》中写道:已十分肯定地发现,用较高剂量的X射线处理精子,能诱发受处理的生殖细胞发生高比例的真正的“基因突变”......他十分明确地指出,无论是以X射线引起的基因突变还是自然界中的突变,其本质上是一样的,都是进化过程中的“一砖一瓦”,也即突变为生物进化提供基本的材料。穆勒通过自然界提供的事实和他的实验证据告诉人们一种信念:正是突变过程造成了我们所研究的进化,而进化过程又是可以通过人工干预而加快的。

  在他公开了自己的研究成果后,研究射线生物学、基因突变过程、基因复制过程的工作纷纷展开,取得了巨大的成就,直接导致了新的科学分支的产生。1946年,诺贝尔委员会将当年的诺贝尔生理学或医学奖授予了穆勒。

  基因突变的发展与运用

  基因突变指基因组DNA分子发生的突然的、可遗传的变异现象。基因虽然十分稳定,能在细胞分裂时精确地复制自己,但这种稳定性是相对的。在一定的条件下基因也可以从原来的存在形式突然改变成另一种新的存在形式,就是在一个位点上,突然出现了一个新基因,代替了原有基因,这个基因叫做突变基因。于是后代的表现中也就突然地出现了祖先从未有过的新性状。后续的研究表明,基因突变可以是自发的也可以是诱发的。自发产生的基因突变型和诱发产生的基因突变型之间没有本质上的不同,基因突变诱变剂的作用也只是提高了基因的突变率。

  基因突变可以发生在发育的任何时期,同时基因突变和脱氧核糖核酸的复制、DNA损伤修复、癌变和衰老都有关系,基因突变也是生物进化的重要因素之一,因此研究基因突变除了本身的理论意义以外,还有广泛的生物学、医学意义。

  事实上,导致基因突变的人为外因可以有很多,包括物理方式如应用X射线、激光、紫外线、伽马射线等;化学物质如亚硝酸、黄曲霉素、碱基类似物等;某些病毒和细菌也可能导致基因突变。随着分子遗传学的发展和DNA核苷酸顺序分析等技术的出现,现在已能确定基因突变所带来的DNA分子结构改变的类型,包括某些热点的分子结构,并已经能够进行定向诱变。

  基因突变为整个遗传学研究提供突变型,不仅能够为研究提供思路,在当今科学家的运用下,有了更高的实践意义。如可以通过诱使生物产生大量而多样的基因突变,从而根据需要选育出优良的农产品品种;又如发明诱变剂处理雄性害虫使之发生致死的或条件致死的突变,然后释放这些雄性害虫,使它们和野生的雄性昆虫相竞争而产生致死的或不育的子代等。

  科学精神坚定而伟大

  纵观穆勒的一生,可谓命途多舛:实验室蒸蒸日上时遭遇美国经济大萧条,丧失研究经费;辗转德国继续科研工作时遭遇法西斯上台;前往列宁格勒继续研究,却遭遇李森科伪科学主义和大清洗;前往英国却赶上二战爆发,英国面临被入侵的威胁。但值得称赞的是,无论辗转何方,最困难的时候穆勒也不忘带上自己的果蝇株系,在二十世纪人类社会最为动荡的时局中坚持着自己的科学研究,并秉持着心中的正义。

  通过实验,穆勒清醒地认识到人类的某些不负责任的活动会导致人类的基因突变,从而给人类带来灾难。他于1955年参加了以著名物理学家阿尔伯特·爱因斯坦为首的7位科学家呼吁禁止核武器的活动,参与签署《罗素—爱因斯坦宣言》。作为反对辐射危害的先行者,直接助推了后来国际社会控制核武活动的一系列相关工作的开展。

  出品:科普中国

  监制:中国农学会 光明网

  作者:张蕃

  本文由中国农业科学院生物技术研究所研究员金芜军进行科学性把关

[ 责编:赵清建 ]

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