中心法则与现代生物学的发展，本文主要内容关键词为：生物学论文,法则论文,中心论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：N031；Q75文献标识码：A
1 中心法则产生的基础
（1）中心法则产生的科学思想基础
中心法则实质上蕴涵着核酸和蛋白质这两类生物大分子之间的相互联系和相互作用，而其产生和发展则与人类对核酸结构和功能的认识密切相关。1928年，格里菲斯（F.Griffith）首次观察到肺炎双球菌的转化现象。1944年，艾菲里（O.T.Avery）等发现转化因子是DNA。1952年，赫尔希（A.Hershey）和蔡斯（M.Chase）进行噬菌体的侵染实验，证明新的噬菌体颗粒是由DNA复制的，从而使人们的注意力从蛋白质转向核酸分子上。
一时间，许多不同专业的科学家从不同的角度对DNA 进行广泛深入的研究，并且认识到阐明DNA 的化学结构在了解基因如何复制上将是主要的一步。最后，沃森（J.Watson）和克里克（F.Crick ）综合各方面的研究，建构了DNA的双螺旋结构模型。
DNA双螺旋结构完美地说明了遗传物质的遗传、 结构和生化的主要特征，成为生物科学史上的里程碑，标志着分子生物学的正式诞生，极大地促进了对生物体内遗传信息贮存、传递和转移规律的研究。而且，这一模型本身就隐含着一个明显的特征，揭示了DNA 分子何以复制其自身。这种半保留复制机制得到科恩伯格（A.Kornberg）、梅塞尔森（M.Meselson）和泰勒（J.H.Taylor）等人的证实。
DNA半保留复制机制阐明了遗传信息世代间的传递。然而， 遗传信息究竟以什么方式控制遗传呢？许多学者都曾指出，基因是以某种方式通过细胞代谢而起作用的，但缺乏令人信服的证据。1902年，加罗德（A.Carrod）关于先天性代谢缺陷的研究可以看作是这一领域里实验研究的开端，而比德尔（G.Beadle）和塔特姆（E.Tatum ）的工作则强有力地证明了基因突变引起了酶的改变，而且每一种基因一定控制着一种特定酶的合成，从而提出了一个基因一种酶的假说。
一个基因一种酶假说暗示了基因的作用是指导蛋白质分子的最后构型，从而决定其特异性。这对人们认识基因控制蛋白质生物合成具有很大的启发作用，促进了对基因和蛋白质线性对应关系的认识，为以后的研究指明了方向。可以说，对基因功能的认识就是在全面论证这一假说的过程中，被逐渐阐明的。
DNA 双螺旋结构和一个基因一种酶假说分别从结构上和功能上阐述了遗传物质的基本特征，把“基因是什么”和“基因如何起作用”这两个重要问题联系在一起了。因此，我们认为，DNA 双螺旋结构模型的建立和一个基因一种酶假说的提出是中心法则产生的科学思想基础。
（2）中心法则产生的科学社会基础
科学中的重大突破不仅有其科学思想基础，而且还有其科学社会基础。当许多不同领域或不同专业的科学家由于某一特定问题的诱发，共同转向同一领域，构成一个强大的科学共同体，从事同一认识主题的探索活动时，往往预示着一项重大的科学发现或科学理论的诞生。这种情况既可看作是一种科学的认识现象，但更重要的，又可看作是一种科学的社会现象。
我们知道，中心法则是分子遗传学的核心内容，而分子遗传学是从经典遗传学中发展起来的。从1900年孟德尔定律被重新发现到1953年以前的半个多世纪里，经典遗传学虽然在理论和应用上都取得了重大成就，但它的主要内容是基因的传递规律，而对基因——遗传物质的基本单位，仍然被认为是一个不可分割的抽象的概念，缺乏明确的物质的内容。尽管有些科学家曾天才地预言过基因可能的结构和功能，但那时大多数的遗传学家还无法说明染色体上的基因怎样控制细胞内特定的生理、生化过程，从而控制生物体的遗传性状。
这种状况不能不引起科学界各方面的广泛注意和高度兴趣。首当其冲的是物理学家。早在1933年，玻尔（N.Bohr）就发表了《论光和生命》的文章，试图用物理学的观点来解释生命现象。他的思想在德尔布吕克（M.Delbruck）那里得到了发展，他试图用量子力学的观点来处理“基因分子”。其推测在1944年薛定谔（E.Schrodinger）发表的《生命是什么？》一书中得到了广泛的传播，不仅把一批富有创造力的年轻物理学家吸引到生物学领域，而且使一大批来自化学、生物化学、微生物学、遗传学以及医学等领域里的科学家都投身到对基因的研究中。他们相互结合，群策群力，凝成一个协约的体制，并建立了互通情报的系统。所有这些学科所探讨的问题，最终都集中到对信息流的研究上。也就是说，对生物体内信息流的研究，已形成了一个强大科学共同体，并且确立了明确的科学认识主题。中心法则正是在这样的科学氛围中，在这样的社会基础上产生的。
2 中心法则的核心思想及其发展预测
1957年，克里克提出，在DNA与蛋白质之间，RNA 可能是中间体。 1958年，他又提出，在作为模板的RNA 同把氨基酸携带到蛋白质肽链的合成之间可能存在着一个中间受体。根据这些推论，他发表了《论蛋白质的合成》一文，提出了著名的连接物假说，讨论了核酸中碱基顺序同蛋白质中氨基酸顺序之间的线性对应关系，并详细地阐述了中心法则〔1〕。克里克所设想的受体很快被证明为tRNA。 1961年，雅可布（F.Jacob）和莫诺（J.Monod）证明在DNA同蛋白质之间的中间体是mRNA。随着遗传密码的破译，到60年代基本上揭示了蛋白质的合成过程。这样，就得到了中心法则的最初的基本形式。
克里克在提出中心法则时，根据当时有限的资料，把中心法则的公式表述为“DNA→RNA→蛋白质”，并且认为中心法则的一个基本特征是遗传信息流是从核酸到蛋白质的单向信息传递，而且这种单向信息流是永远不可逆的。然而，通过1960到1970这10年的研究，坦明（H.Temin）和巴梯摩尔（D.Baltimore）等发现并证实了反转录酶的存在， 使反转录现象得到了公认。这样，中心法则就得到了修正。
反转录酶的发现，曾使科学界震动不小。但克里克马上解释说，他并没有说过信息不能从核酸转移到核酸上，反转录同中心法则没有矛盾，只不过是把信息从一种形式的核酸转移到另一种形式的核酸上而已，而在这两种形式的核酸中，碱基配对的基本过程是一致的。然而，以后的发现愈来愈表明信息转移方式可能有其多样性，以致连克里克本人后来也承认，他最初表达遗传信息传递观念时，误解了“法则（Dogma ）”一词，如果现在重新表达这一概念， 应称之为“中心假说（ Central Hypothesis）”，以清楚表明这一概念并非是确定不变的事实， 而只是一种暂时的假设〔2〕。
科学的发展常常是出人意料的，中心法则更是如此。有人在离体实验中观察到，与核糖体相互作用的某些抗生素如链霉素和新霉素，能打乱核糖体对信使的选择，而接受单链DNA分子代替mRNA 。 然后由单链DNA指导，把它的核苷酸顺序译成多肽的氨基酸顺序。此外， 还有人发现，细胞核里的DNA还可以直接转移到细胞质的核糖体上， 不需要通过RNA即可控制蛋白质的合成。这样，中心法则就得到新的修正。
中心法则的以上形式强调了核酸对蛋白质的决定作用，但蛋白质对核酸必然存在着反作用。1967年，梅克勒（Mehler）提出，蛋白质的空间构型（不是线性顺序）可以被“逆转录”成RNA顺序。1982年， 普鲁塞纳（S.Prusiner）在研究羊痒疫（scrapie ）的致病因子时发现一种比病毒更为简单的亚病毒为其病原。令人奇怪的是，这种病原含有侵染所必须的物质是蛋白质而不是核酸。这种羊痒疫的致病因子被称为朊病毒（virino）或蛋白侵染子（prion）〔3〕。它的发现，表明自然界中存在着以蛋白质为遗传信息的可能性，即在蛋白质的指导下合成蛋白质。那么，随着研究的进展，能否将中心法则丰富成如下形式：
这作为一项对中心法则未来发展方向的预测，只有等待科学实践来证实。
通过上述历史考察和现实分析，不难看出，中心法则的核心思想不是简单的单向线性决定作用，而是蛋白质和核酸之间复杂的相互作用。我们对中心法则未来发展方向的预测也就是根据这个核心思想，按照历史与逻辑相统一的原则作出的。
3 中心法则与生物学基础理论
（1）中心法则是现代生物学的理论基石我们知道， 近代生物学的两大理论基石是细胞学说和达尔文进化论。细胞学说第一次从结构上论证了植物界和动物界在生命本质上的统一性。达尔文进化论第一次从起源上论证了生物界的统一性，第一次把生物学放在完全科学的基础上。两者不仅自身具有重大的科学价值，而且都导致了近代生物学研究战略的根本转变。中心法则第一次阐明了生物体内信息传递的规律，对以后大量关于基因性质的研究起到了指导作用，导致了现代生物学研究战略的根本转变。在这个思想指导下，大批科学家开展了数千次有益的实验研究，从而进一步澄清了遗传信息据以编码、贮存、转录及转移的方式。中心法则及其附属的“顺序假说”使人们相信了遗传密码的存在。遗传密码的解读是20世纪的重大科学突破之一。在中心法则的思想指导和启发下，基因的概念有了许多新的发展，如顺反子、操纵子、跳跃基因、断裂基因、重叠基因、假基因等，也产生了一些重要的理论，如基因表达的调节控制理论等。中心法则从一个全新的角度——信息角度论证了生物界的统一性，不仅揭示了蛋白质合成中遗传信息在不同物种间的统一性，而且也证明了同一物种不同世代间信息转移的统一性。中心法则对生命物质基础和生命主宰物质这两个不同的概念给予了实质性的回答。就信息流而言，核酸是主宰物质，DNA可以贮存信息、 复制信息和发射信息，RNA可以转录信息、传导信息流。就物质运动而言， 蛋白质是主宰物质。酶催化物质代谢和能量代谢、蛋白质构成原生质的主体，主宰一切反应并对信息实行反馈调控。只有在一定条件下，当以核酸为主宰的信息系统和以蛋白质为主宰的代谢系统发生耦联时，生命运动才能够发生和持续进行。因此，生命的物质基础是以核酸蛋白质整合体系为主宰的原生质各种必要的物质组分及其实在的相互作用。如果说，细胞学说和达尔文进化论充分体现了近代自然科学的理论特征，把联系与发展的观点引入了生物学，从而成为马克思主义哲学产生的自然科学前提和证据，那么可以说，中心法则充分体现了现代自然科学的理论特征，把多因子的、动态的、复杂的相互作用引入生物学，必将对丰富和发展马克思主义哲学产生影响；如果说，细胞学说和达尔文进化论是近代生物学的理论基石，那么可以说，中心法则是现代生物学的理论基石。我国著名遗传学家谈家桢认为，中心法则是“生物学上继达尔文提出进化论后的第二个里程碑”〔4〕。
不仅如此，就生物学理论自身价值而言，中心法则甚至比达尔文进化论还要大。因为达尔文进化论中的许多假说、结论和预测既不容易被证实，也不容易被证伪，甚至带有思辨的性质，而中心法则则是建立在精密的实验科学基础之上的严密的理论，它的每一个细节，以及由此所做出的预测，既可以用物理、化学的工具，以实验科学的方法来证实，也可间或被证伪。正因为如此，它具有极强的说服力；正因为如此，它具有更大的解释功能、规范功能和预测功能；正因为如此，它体现的是现代自然科学的理论特征；也正因为如此，我们才把它看作是现代生物学的理论基石。
（2 ）中心法则为现代生物学理论的大统一奠定了基础我们知道，遗传、发育和进化是最基本的三大生命现象。对这三者的研究分别形成了遗传学、胚胎学和进化论。长期以来，这三门学科各自在自己的领域内都取得了长足的进展，但在遗传与发育、发育与进化的相互关系方面却留下了大片空白，始终都没有形成统一的解释理论，这是生物学的最大难题之一。
现代生物学愈来愈表明，遗传是生命活动中两大类基本现象——个体发育和系统进化的核心机制。遗传学是发育生物学、进化生物学乃至整个生物科学的中心环节。如果从信息角度上看，遗传的实质是遗传信息的传递；发育的实质是遗传信息的展现；而进化的实质是遗传信息的发展。在分子水平上，细胞分化和性状发育都基于表现专一的生物大分子的合成，因而归根到底依赖于基因在发育过程中按照一定的时空有秩序、有选择的功能表现。反之，基因的功能又可用相应的mRNA的转录和专一蛋白质的合成来表示。因此，非常复杂的发育过程，便可以简化为从基因到大分子的合成，再通过大分子的装配到形态结构的发生。而发育程序的来源，则可看作是受长期的进化过程中所获得的遗传性状决定的，并在卵子的发生过程中就贮存于卵子的结构中。因此，从科学本体论讲，已不难看出，中心法则揭示了生物遗传、发育和进化的内在联系，为生物学理论的大统一在总体上指明了方向、奠定了基础。另一方面，从科学认识论上讲，由于中心法则的产生，使人们对遗传、发育和进化的相互关系的研究置于同一认识框架之中。在这个框架内，找到了同一的认识层次——分子层次；同一认识视角——信息视角；同一认识方法——实验科学的方法，从而使人们对这一问题的研究进入常规时期。美国著名生物史家艾伦说：“中心法则甚至象进化论那样影响深远。首先，它提供了基因突变的分子解释，……这个例子及其它例子都暗示，甚至进化的机制都能还原到分子水平，并用说明遗传传递、转录、转移及胚胎分化的同样概念来加以理解。人们经过长时间努力寻求的生物学的大统一似乎就在眼前了。”〔5〕
追求统一性是科学和哲学的崇高使命。对生物界统一性的探讨贯穿于生命科学发展的始终。生命科学中的每一次重大的理论突破，都从不同方面论证了生物界的统一性，而这种论证既标志着生命科学的综合和发展，又为进一步的研究奠定了基础，同时还会对哲学思想产生影响。如果说，遗传学是生物学的核心，它提供了一个框架，生命的多样性及其过程可在其中被理解为一个理性的统一体，那么，就可以说，中心法则是遗传学的核心，它提供了一个统一解释的规律，使我们能够更深刻地理解这个统一体。如果说21世纪生物学是带头学科，那么在这个崭新的“生物学世纪”里，我们定能体会到生物学基础理论大统一那种“壮丽的感觉”！
4 中心法则在生命科学发展史中的地位
（1）中心法则在遗传学思想演变中的地位
人类对遗传现象的认识可以追溯到远古时代。在漫长的历史发展中，先后出现了许多假说和理论，推动着对遗传本质认识的发展。在不同的历史时期，基于当时的认识水平，形成不同的遗传范式。
古代的泛生论，中世纪的特创论，18世纪的预成论和渐成论，所有这些便构成了融合遗传的范式。
从19世纪下半叶开始，人们逐渐认识到遗传和发育是两回事。发育为遗传所控制，但遗传并非整体的遗传。遗传的载体是某种颗粒性的东西。当时的许多生物学家都以不同的术语来表达这种大致相同的思想或学说。如生理因子（Spence，1864）；生殖微粒（Darwin，1868）；成形微粒（Ellsberg，1876；Haeckel，1876）；细胞种（Nageli，1884）；异细胞（Hertwig，1884）；种质（Weisman，1884）；泛子（de Vries，1889）。所有这些便构成了颗粒遗传的模式。在颗粒遗传范式内，认为遗传是一种粒子行为，可以在细胞内研究。孟德尔遗传学说可以认为是颗粒遗传的最高成就，奠定了经典遗传学的科学基础。摩尔根的基因论可以认为是在颗粒遗传范式内的一种重大发展。
19世纪末，由于放射性的发现，揭示了原子结构的秘密，物理、化学和生物学相继进入到分子和量子水平，遗传学也逐渐发展到了分子水平。1948年美国数学家维纳的控制论问世之后，信息概念立刻和遗传概念结合了起来。1953年，沃森和克里克建立了DNA双螺旋模型， 并在此基础上研究遗传信息的复制、转录和转译等问题，揭示遗传信息从DNA到蛋白质之间的传递规律，从而形成了信息遗传范式。
综上所述，遗传范式的演变经历了融合遗传——颗粒遗传——信息遗传，从而使人们对遗传的认识经历了臆测——机体水平——细胞水平——分子水平。这种对遗传物质结构和功能的不断深化的认识过程符合人类基本的认识规律。中心法则使信息遗传范式得以形成，从而更深刻地揭示了遗传现象乃至整个生命现象的规律。
（2）中心法则在分子生物学发展史中的地位
分子生物学的发展，大致经历了三个时期，每一个时期都有自己的中心课题。第一个时期可称为孕育时期，大体上是20世纪30年代到50年代初。也有人认为分子生物学是从艾弗里的实验开始的。如果是这样，那么分子生物学的孕育时期可以看作是从1944 年艾弗里的转化实验到1953 年沃森和克里克的DNA双螺旋模型的建立。也可以认为，继摩尔根、缪勒之后，比德尔、塔吐姆、利德伯格以及德尔布吕克、赫尔希和鲁利亚等50年代之前的工作，都属于这个时期。其中心课题是寻找基因的物质实体，解决基因的本质问题。
第二个时期是分子生物学理论成熟时期。这个时期以建立DNA 双螺旋结构为开端，吸引了大批科学家进行广泛而深入的研究，从而揭示了生物大分子的结构、功能及相互关系和相互作用，确立具体的因果联系和作用中介。这一时期的中心课题是围绕核酸和蛋白质之间的关系展开的，揭示了复制、转录和转译的本质和机制。
第三个时期可称为理论应用时期。这一时期在理论上继续探讨生物大分子之间的关系，但已不限于核酸和蛋白质。核酸、蛋白质与多糖及脂肪的关系受到了重视，生物体内大分子与小分子之间的关系也引起注意。更为重要的是，创立了遗传工程的方法，将分子生物学的理论成果转向改造生物体的实践中，并在农业和医学等方面的得到了广泛的应用。
综上所述，中心法则标志着分子生物学理论的成熟。一方面是第一阶段的深化和继续；另一方面，也是分子生物学实际应用的理论基础。可以说，中心法则的产生和发展是分子生物学发展史中的黄金时代。
收稿日期：2000-04-24
标签：中心法则论文; 遗传学论文; 基因合成论文; 基因结构论文; 蛋白质结构论文; 结构生物学论文; 蛋白质合成论文; 合成生物学论文; 生物技术论文; 科学论文; 达尔文论文;