李惟基，男，1939年生，中国农业大学教授。长期讲授遗传学并从事育种基础研究，获得国务院颁发的政府特殊津贴及荣誉证书。已主编《遗传学》《新编遗传学教程》，合作编著《甘薯育种学》等。
　　
　　杨玉霞，女，1979年生，北京大学讲师。中国科学院博士，美国马萨诸塞大学博士后。现讲授医学遗传学并参编教材，同时主持国家和北京市自然科学基金项目，己在国内外期刊发表论文多篇。

　　作者在这本小册子里，编写了近百个与我们生活息息相关的有关遗传知识的有趣和有用的话题，每个话题独立成章，分别涉及人类、动物、植物和微生物的生命奥秘；同时按“生命密码”“生物性别”“健康生活”和“精彩世界”四项归类，组成A篇、B篇、C篇和D篇，通俗解释遗传和环境在其中的作用，融科学于日常，变深奥为浅显，化艰涩为生趣，适合对生命的遗传奥妙感兴趣的朋友们阅读，也是大中学生学习生物课很好的课外参考读物。

A篇 泛谈生命密码

每种生物都在各自的生命密码支配下，经历各自的生老病死过程。这种互不相同的生命密码叫做基因，它们都是以特定的简单化学物质为材质构成的。那么，这种简单的化学物质用什么方式分别贮存着各种生物之间千差万别、丰富多彩的生命密码呢？这许多生命密码又怎样先后有序地经过生物细胞里的化学反应，产生哪几类不同性质的蛋白质，从而演绎出活灵活现的各种生命现象呢？与此同时，生命密码又怎么能够使各种生物，在漫长的历史长河中世代相传、生生不息呢？如果你对这些问题感兴趣的话，就请阅读本篇，本篇正是试图通过我们身边多方面的生活实例，通俗地和你聊聊这些基本的科学道理。

 A04 转基因技术与食品安全

——生命密码的输入

转基因技术是科学界在确认DNA为遗传物质之后的一项重大技术成就，也叫基因工程。它通过向生物细胞插入一段能够表达特定蛋白质的DNA片段，使生物获得新的生命密码，从而产生新的性状。这种能够表达特定蛋白质的DNA片段就称为基因。虽然这种技术在遗传学上和常规杂交育种、诱变育种和远缘杂交育种没有本质区别，都是使生物获得另一种生物的基因；但是比起常规杂交来，更具有明确的目的性；比起诱发突变来，更具有预见性；比起远缘杂交来，更具有获得目标基因的可靠性。因此，可以称为创造生物新类型途径的“升级版”。

目前，转基因技术已经取得了令人瞩目的成就。医药方面，已有300多种蛋白药物可以通过基因工程获得，其中有些已经通过严格的疗效检测、动物试验和临床测试。比较常见的有胰岛素、干扰素、生长激素、促红细胞生成素等。另外还有许多用于抗肿瘤、溶血栓、治疗血友病、减肥、抗中风等的药品。预计基因工程药物将成为21世纪药业的支柱。此外，人们还翘首关注抗艾滋病的转基因病毒疫苗早日问世。

微生物利用方面，经过转基因改造而成的“工程菌”一般生长迅速、能专一地降解污染物，在处理污水、净化气体、去除海洋石油污染等方面都可以发挥巨大作用。有的还可用于冶金采矿、二次采油、食品加工、降解残留农药等方面。

图A04-1 超级细菌的构建

种植业方面，目前的主要成就表现在培育抗病、抗虫和抗除草剂的农作物品种。这些新品种的推广在确保农作物产量和品质的基础上，减少了农药的使用，有利于保护自然环境和降低农业生产成本。以玉米为例，苏云金杆菌Bt制剂作为生物杀虫剂应用于作物保护已有50多年的历史，但是在目前农作物保护市场上占的份额仍然不足1%，主要原因是田间效果不稳定、在紫外线下易分解、持效期短、对隐蔽害虫效果不大、在玉米田使用操作困难等。而今科学家将Bt的杀虫蛋白基因转到玉米中，使玉米也能生产这种蛋白，当害虫危害取食玉米时，在其中肠碱性溶液及酶的作用下被活化，就能杀死害虫。

我国近9年来的中央一号文件，6次提到了转基因技术，这就足以说明,中国这样一个人口大国决不允许在这种前沿技术方面落后。如果我们的技术停滞不前,就会受制于他国,对于我国种子业、粮食等方面的战略安全是很不利的。

然而，转基因技术作为一门高新技术，还不为公众所熟悉，所以在取得成就的同时，它的安全性，特别是食品安全性，自然也引起了社会上广泛的关注。其实，说到安全不安全，我们需要对每一件转基因产品进行逐个的具体分析，就好比在常见食品里，有的蘑菇是安全的，也有的蘑菇是有毒的，需要区别对待而不应笼统地肯定或否定。正因为如此，我国政府部门对每一件转基因食品，不论自产或进口的，都严格制定和执行相关的管控条例，其中包括惩处未经国家审批而私自投放市场，或虽持有品种安全证书但违规销售其种子的行为。

图A04-2 转Bt基因玉米的杀虫原理和食品安全性

此外，目前我国社会上关于转基因的争论,很大层面上是科学普及不到位造成的。例如曾有人错误地认为，抗虫玉米的bt基因编码的bt蛋白，既然能杀死害虫也就有可能置人于死地。其实，人的肠胃液环境是酸性的，Bt蛋白在人体不会被活化，而且人、鱼、家畜、家禽等的肠道细胞也没有这类蛋白的有效结合位点，因此是安全的。这就好比番茄碱、辣椒素都能杀虫，但是并不妨碍番茄和辣椒成为许多人喜爱的食物。鉴于目前社会上存在着争论，2015年的中央一号文件除了重提加强农业生物转基因技术研究和安全管理之外，还首次写进了加强转基因科学普及的要求。

A06 精选胚胎可获得健康宝宝

——生命密码的选择

2013年5月，一对夫妻来到北医三院生殖中心就诊。患者是丈夫，他患有遗传病，曾经多次手术治疗，十分痛苦。就诊目的是请求医院帮助他们生一个健康宝宝，避免下一代也承受那般痛苦的折磨。

据检查，他的病因是某一对等位基因当中的一个发生了碱基缺失。或许大家都知道，碱基是生物遗传物质DNA的组成部分，就像是一部机器上必不可少的一个重要零件，不同的碱基序列组成不同的基因。倘若某个基因发生个别碱基的替换、插入或缺失，就有可能使这个基因不能正常执行功能而引发疾病。类似这位男患者患的这类单基因病，大部分具有致死性、致残性或致畸性。除了有一部分可以进行提前预防，或通过某些治疗方法进行校正之外，大部分目前还没有找到有效的治疗手段。患者的后代中，无论男孩女孩都有一定的可能性患同样的疾病，这对夫妻将来的孩子是否正常就看胚胎继承的是父亲那一对基因中的哪一个——是正常的一个呢，或是发生碱基缺失的那一个。因此，医院决定采用胚胎基因诊断的方法，帮助他们筛选具有正常基因的胚胎。

图A06-1 精选早期胚胎

医院首先通过辅助生殖技术，也就是试管婴儿技术，将妻子的卵细胞同丈夫的精子，在试管里进行融合，结果获得了18枚质量好的胚胎。

接着，利用显微操作技术，从这些胚胎中获得了极少量细胞。然后，采用他们研究团队研发的最新技术，将这些极少量胚胎细胞中的DNA均匀扩增上百万倍，用以满足基因分析对样本规模的需求。

在这基础上，研究人员检查了上述胚胎细胞，观察其中染色体的数目和结构有没有异常；同时准确地、单位点地检测了关键基因的DNA分子结构。最后发现，这18枚胚胎中只有3枚胚胎是完全正常的，也就是基因既不包含致病位点又不包含新发现的突变位点，同时染色体数目和结构也都正常。

2013年12月，3枚胚胎中质量最好的1枚，被移植到那位遗传病患者妻子的子宫内，结果胚胎成功着床，发育正常。随后，抽取孕妇羊水细胞，也就是胎儿正常脱落、漂浮在母体内的细胞，用以进行染色体和及其携带的关键基因的检测，确认了胎儿的染色体和及其携带的关键基因都正常。

2014年9月，孕妇顺利分娩。婴儿体重4030克，身长53厘米。随后，对脐血细胞的基因检测再次证实，婴儿不含致病位点。至此，夫妻二人终于拥有了一个健康的宝宝。

A07 父母怎样传输生命密码给子女

——生命密码的复制和传递

科学家已经用许多实验证明了，我们从父母那里直接继承的是他们的DNA。DNA是一种化学物质，不同的DNA分子具有不同的化学结构。我们的身躯是按照各自父母DNA的化学结构建造起来的。我的相貌像我的父母，你的相貌像你的父母，这是因为你父母的DNA化学结构和我父母的DNA化学结构有所不同。这些互有区别的DNA化学结构，就是不同的遗传信息，或者叫做不同的生命密码。

那么，父母的生命密码是怎样传输给我们的呢？这就要说到承载密码的DNA的功能了。首先是DNA能够自我复制。也就是说，一个DNA分子能够变成两个DNA分子，这两个新产生的DNA分子，化学结构彼此相同，并且也和复制前的那一个DNA分子相同。我们通常把复制前的那个DNA叫做亲DNA，把复制后产生的两个新DNA叫做子DNA。就分子水平上来说，它们之间可以说是亲子关系，上下代的关系。这亲子DNA之间，因为分子结构相同，所以携带的生命密码相同。这就为亲代的性状重新表现于子代，奠定了物质基础。

图A07-1 DNA复制

那么，子DNA又是怎样将生命密码带给子代的呢？依靠的是细胞分裂。我们知道，生物体从小到大的生长，靠的是细胞数目的增加，而细胞数目的增加靠的是细胞的不断分裂，一个变两个，两个变四个，四个变八个……，每一次分裂形成的两个新细胞叫做子细胞，原来那一个旧的细胞叫做亲细胞。就细胞水平上来说，亲细胞和子细胞之间是上下代的关系。在这个过程中，DNA分子也同步地复制，并且及时地将新形成的子DNA分配到新形成的子细胞里。

图A07-2  细胞的分裂、增殖

因此，在生物体的生长过程中，细胞与细胞之间，它们DNA的化学结构一般彼此相同，都携带着相同的生命密码。在生物体达到性成熟形成性细胞之后，这些和亲代相同的生命密码，就被性细胞通过受精传给下一代生物体了。父母的生命密码就这样传输给了我们。

总之，因为DNA具有自我复制的本领，所以生物的生命密码才有可能稳定地带给下一代生物体，父母的生命密码才有可能稳定地传输给我们。

A A13 蚂蚁窝的里里外外

——生命密码的间接产物：信息素

一只蚂蚁发现食物时，能够召集同住一窝的一大群同伴组成漫长的运输队伍，安全、有序地将食物搬回窝里，靠的是什么呢？主要就是蚂蚁释放到体外的各种信息素。这些信息素属于固醇类激素，但是它分泌到体外，作为同种生物个体之间交流的化学语言。群居的昆虫能释放各种信息素，例如聚集信息素、告警信息素、示踪信息素、标记信息素，以及性信息素等。这些信息素是经过一系列生物化学反应产生的，归根到底离不开生命密码——基因的作用，是基因表达的间接产物，但不是基因直接表达的蛋白质产物，这是我们应当正确区别的。
虽然常见蚂蚁分散四处觅食，但只要有谁发现了食物，除了赶紧衔一小块回巢去之外，沿途还会记得分泌出芳香讯号，用以紧急通知同伴前来支援。附近闻到香味的蚂蚁会一路嗅着这条芳香路线找到食物，每只蚂蚁衔一小块食物，通力合作将所有食物搬回窝巢。由于一同前去的蚂蚁都散发出气味，这就使来回的路上成了“气味长廊”，成群蚂蚁就会沿着这条长廊而忙碌地搬运食物，这些沿着香味移动的蚂蚁就形成了一排漫长的队伍，有秩序地前行。蚂蚁分泌的这种芳香物质就是信息素，由于它的挥发性大，几分钟过后，食物都运回了窝巢，香味也就消失了，不会再有蚂蚁前来。

图A13-1 蚂蚁按照信息素的分布搬运食物

现在让我们再进到蚂蚁窝里瞧瞧吧。蚂蚁一般以一窝为一个家庭。一窝蚂蚁一般有500～2000只，一年可繁殖分出15～25窝。一窝中同时存在蚁后（雌性）、蚁王（雄性）、兵蚁和工蚁。工蚁专门筑巢、觅食、育幼等，数量最多；兵蚁负责保卫群众安全，数量较少。蚁后上鄂腺能释放"女皇信息素"，又称"女皇物质"。这种"女皇物质"散发在蚁群内，能够抑制工蚁的卵巢和生殖系统的发育，使工蚁专心致志于除产卵外的一切群内外工作。兵蚁的主鄂腺分泌物也是一种信息素，起的是防卫、报警作用，所以叫做报警信息素。工蚁的直肠附近有一个直肠腺能分泌示踪信息素，混在粪便中来标记蚁群的领地；腹腺分泌物起着对近距离物体的定位作用；毒囊附近有一种杜氏腺，其分泌物起报警、召集作用，常和毒液一起从螫针泌出。蚂蚁还能利用气味辨别谁是同族，谁是异族。如果误入异族巢穴被发觉，它的命运可就悲惨了。

A15 科素亚和立普妥怎样降血压和血脂

       ——生命密码产物之六：受体

我们使用的许多药物，要和细胞里相应的受体结合，才能发挥作用。受体是什么呢？受体是由基因表达的一类特殊的蛋白质分子。

举例来说，有一类抗高血压药，例如洛丁新、科素亚等，这类药物被统称为“血管紧张素酶抑制剂”（简称ACEI），也是结合特定的受体才起到降低血压作用的。

原来，血管紧张素酶在人的多种器官能够同AT1受体结合而引起血管强烈收缩和平滑肌细胞增生，以致血压升高；而上述ACEI类药物能够选择性地结合AT1受体，从而抑制血管紧张素酶同那种受体的结合。因此，足够剂量的药物才能竞争得过血管紧张素酶去和那些受体结合，从而有效地降低血压，例如有些患者每天服用50mg的科素亚就可以将血压维持在130-140/80-90mm汞柱之间；而对于另一些患者来说，则需要每天服用100mg的科素亚才能将血压降到140/90mm汞柱，表现为不同患者对同一种药物具有不同的敏感程度。

图A15-01 血压升高和药物降血压的原理之一

此外，目前广泛使用的一种强降血脂药物叫做阿托伐他汀钙片，商品名称叫做立普妥。在2011年全球最畅销的20种药品中，阿托伐他汀钙片居于首位，达到133亿美元。它的治疗作用也和受体有密切的关系。原来，人的肝脏是合成胆固醇和清除低密度脂蛋白（后者俗称“坏胆固醇”）的基本作用位点和重要部位。而立普妥是肝脏内某种还原酶的选择性、竞争性抑制剂，能通过抑制还原酶和胆固醇合成而降低血浆胆固醇和脂蛋白水平，并通过增加肝脏细胞表面的低密度脂蛋白受体数目，而增强肝脏对低密度脂蛋白的摄取和分解代谢；同时还能降低低密度脂蛋白的生成和颗粒数目。

通过以上介绍，我们应该知道，许多药物是在和细胞里相应的受体结合之后才发挥治疗作用的。能够同药物结合的受体称为有效受体。但是，细胞里有效受体的数量有限，在同药物的结合达到饱和时产生最大效应，倘若这时再增加药物浓度，就不可能有更多的受体被结合，药效也就不会再增加了。

倘若病人长期使用同一种药物，也可能对他的这种疾病失去疗效，有人称之为“脱逸现象”，本质上也有可能是因为受体结合部位已经饱和的缘故。在中止使用同种药物一个时期之后，或者换用另外一种药物，因而所结合的不是同一种受体的时候，则还有可能恢复疗效。

19 到底先有蛋还是先有鸡

——密码表达的时间和空间

很早以前就听说过这样一则笑话，说的是一对夫妻面对一箩筐鸡蛋商量着怎么发家致富。丈夫说，他准备孵蛋养鸡，养鸡生蛋，反复循环就会蛋越来越多，鸡也越来越多，每次卖出去赚来的钱自然也就越来越多，到时候生活就会过得越来越好。说到这里，妻子问他：“然后呢?”丈夫想了想，突然兴奋地冒出了答案：“讨个小老婆！”妻子听了火冒三丈，猛然站起来，抬起腿一脚踢翻了那一箩筐鸡蛋，结果全都碎了，碎的不仅是鸡蛋，并且还有他们的发家致富梦。

我们且不在这里讨论这则笑话给予我们的生活启示，而是着重关注一下“鸡生蛋，蛋生鸡”这样一个无穷循环里，到底是先有蛋还是先有鸡。这个有趣的谜题，千百年来百姓茶余饭后各执一词，“公说公有理，婆说婆有理”，科学界的争论也长期难分胜负。

在这个问题的争论里，科学家们一般都倾向于先有蛋。例如在本世纪初，一位基因学专家曾经认为，第一只鸡在诞生之前，是包在蛋里的一个胚胎，而那个胚胎的基因与生出来的这只鸡的基因是相同的，所以说先有蛋而后有鸡。一位哲学家还从哲学的角度支持那位基因学专家的观点，他指出，第一只鸡不可能是从其他动物所生的蛋中孵出来的，所以只能是先有鸡蛋才有鸡。一位古生物学者研究了恐龙蛋的化石之后，推论恐龙首先建造了类似鸟窝的巢穴，产下了类似鸟蛋的蛋，然后再进化成鸟类，鸡就是属于这样进化来的一种鸟类，因此认为鸡蛋先于鸡之前就存在了。

直到2010年，英国两位科学家才报道说，他们终于破解了这个谜题，给出了“先有鸡”的明确答案。他们发现，鸡蛋壳的形成需要一种称为OC-17的蛋白质；他们并且掌握了这种蛋白质参与鸡蛋壳形成的过程。同时又发现，这种蛋白质只能在母鸡的卵巢细胞中产生，而不存在于鸡的其他细胞。因此得出结论，只有先有了鸡，才能有鸡的卵巢，从而才能够产生第一枚鸡蛋。

图19-1鸡的OC-17基因只在母鸡的卵巢细胞表达

先有蛋还是先有鸡的问题，现在终于有了明确的答案。我们接着需要关注的，是答案所依据的关键性实验结果：那种称为OC-17的蛋白质，只在母鸡的卵巢中产生，也就是说，决定那种蛋白质的OC-17基因只在卵巢表达。不错，鸡的全身细胞都拥有完整的各种基因；可是形成蛋壳所必需的那种蛋白质却偏偏只在卵巢出现。这就说明，OC-17基因的表达时间和地点是受调控基因控制的，就好比集中停留在车场的各路公交车，司机都必须听从调度员的指挥，发车的时间、路线和去向都有明确的规定。鸡也一样，鸡的调控基因只允许OC-17基因在成熟的鸡卵巢细胞里表达，换句话说，成熟的鸡卵巢细胞才具备OC-17基因表达的环境条件。

A篇 泛谈生命密码
我们继承了父母的什么
——什么是遗传物质
发荧光的烟草、兔子和行道树
——遗传物质的佐证
生旦净丑一台戏
——生命密码的组成
转基因技术与食品安全
——生命密码的输入
长肉不长膘的新型猪诞生了
——生命密码的剔除
精选胚胎可获得健康宝宝
——生命密码的选择
父母怎样传输生命密码给子女
——生命密码的复制和传递
生命密码怎样表达生命现象
——生命密码的转录和翻译
五颜六色的天然丝绸从哪里来
——生命密码产物之一：结构蛋白
煤气中毒是怎样发生的
——生命密码产物之二：运输蛋白
为什么牛羊同吃青草，却挤出不同的奶
——生命密码产物之三：酶
屡禁不止的竞技兴奋剂
——生命密码产物之四：激素
蚂蚁窝的里里外外
——生命密码的间接产物：信息素
为什么注射疫苗能免疫
——生命密码产物之五：抗体和抗原
科素亚和立普妥怎样降血压和降血脂
——生命密码产物之六：受体
玉米籽粒上的彩绘
——调控基因一
转基因羊产的抗凝血药物为什么能集中在羊奶里
——调控基因二
DNA指纹怎样破解谜团
——基因外DNA序列
到底先有蛋还是先有鸡
——密码表达的时间和空间
动物不结婚也能子孙满堂吗
——动物密码重新表达的潜能
玻璃管里种庄稼
——植物密码重新表达的潜能
动植物细胞能否返老还童
——密码重新表达的方向
双胞胎是否起源于同一枚受精卵
——密码表达与发育类型
“谁言寸草心，报得三春晖”
——发育类型与进化

B篇 漫话生物性别
C篇 健康生活闲言
D篇 精彩世界絮语
附录 遗传学绪论
参考文献