作為地球生命的圖騰,人類是從哪些視角描繪DNA的?

2020-12-11 騰訊網

人類含有23對染色體,每對染色體中的一個來自父親,另一個來自母親,而所有染色體都是由DNA等物質組成。DNA蘊含著地球生命繁衍生息的密碼,揭示了生命生長和遺傳的本質。自DNA展現於世,人們就從各種視角對它進行著描繪,而DNA也從另一個角度展現著人類對生命的的敬畏……

沃森(左)和克裡克(右)發現「生命的圖騰」——DNA雙螺旋結構的科學漫像(繪圖/劉夕慶)

DNA原初「畫像」的誕生

DNA雙螺旋結構發現者的雙螺旋圖畫,記錄了DNA「雙螺旋」形象的誕生過程:克裡克繪製的DNA雙螺旋結構草圖;克裡克的夫人奧迪爾和沃森的妹妹伊莉莎白為沃森和克裡克發表的文章所畫的插圖;沃森所著的《雙螺旋——發現DNA結構的故事》一書中的DNA「複製機制」圖。

DNA「雙螺旋」形象的誕生過程

在這幾張圖畫中,克裡克繪製的DNA雙螺旋結構草圖藝術感最強——雙螺旋的結構已大體顯露,這體現了在科學原創的初始階段藝術想像力的重要作用;《自然》刊物上那幅簡潔的插圖將DNA「雙螺旋」形象公布於世,雖然以示意圖的形式出現,但雙螺旋本身所具有的扭曲動感彌補了圖畫藝術感的不足;沃森所著的《雙螺旋——發現DNA結構的故事》一書中描繪的DNA「分叉圖」揭示了DNA雙螺旋結構的「複製機制」,從而揭示了有機生命生長和遺傳的本質。

十分喜愛繪畫藝術的沃森曾與繪畫大師達利會過面,達利對DNA及其結構發現者們十分敬重甚至頂禮膜拜,曾多次創作有關DNA的畫作。達利向我們描繪了由DNA可衍生出彩蝶等生物,甚至可演化出不可預知物種的畫面。

西班牙著名超現實大師達利所作的《脫氧核糖核酸(DNA)》

DNA生動有趣的漫畫形象

DNA雙螺旋結構不光是以嚴肅的分子生物學中生命圖騰的形式呈現,它那象徵生命存活與靈動優美的結構更使其成為漫畫描繪的對象,這在一定程度上實現了分子生物學的可視化科普。

《進化的天梯》描繪了早期猿類與人類共同的祖先隨著進化路徑的分叉攀上了不同的「基因天梯」,從而出現了類人猿與人類。人和黑猩猩的染色體在大小和數目上相似,但有一個顯著區別:人的2號染色體由黑猩猩的兩條染色體融合而成——染色體是存在於細胞核內、攜帶DNA遺傳信息的圓柱狀或杆狀物質,主要由蛋白質和核酸組成,一個人體細胞含有46條染色體。

《進化的天梯》(繪圖/劉夕慶)

薛丁格在《生命是什麼》一書中揭示了生命的本質有賴於物理、化學組織的道理;捷克漫畫家米洛斯拉夫·巴爾塔克的漫畫反映了DNA有機大分子旋立於燒瓶中原子、分子的基礎之上,而用於醫療的藥物又依賴於此。

左:生命秩序的核心——DNA的「來龍去脈」(繪圖/米洛斯拉夫·巴爾塔克【捷克】);右:此漫畫說明了DNA的片段(基因)就如同樹的根基,決定了大樹的特徵(繪圖/比爾·桑德森)

DNA「沉默突變」並不沉默

DNA「沉默突變」並不沉默

DNA是導致生命遺傳和變異的關鍵所在,在生物進化中的作用舉足輕重。如果DNA突變不會改變一個基因編碼的蛋白質結構,就稱為「沉默突變」。但事實遠比科學家想像的複雜,他們意外發現,「沉默突變」會對蛋白質結構產生非常重要的影響,它可能會通過一系列複雜的機制影響人體健康,甚至可能是導致人類疾病的重要因素;同時,傳統的由DNA突變引發的一系列因果關係還可能因此而改變。因此,「沉默突變」並不沉默。所以,我們只有深入探究基因的工作原理和進化機制才能發現疾病的成因,從而找到對抗病魔的方法。

從日本《基因到細胞》雜誌封面(右)圖中被放大的部分可以看到,「雨絲」是由A、T、G、C4個字母連接而成。而它們分別是DNA分子的含氮鹼基:腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C),DNA雙螺旋結構就是由它們互補配對形成的。而這一結構的發現使得沃森、克裡克等人獲得了1962年的諾貝爾生理學或醫學獎。

日本《基因到細胞》雜誌封面

有時我們會發現一些本該沒有生命生長的地方(如石頭縫)卻長出了植物,而這要歸功於風雨、昆蟲、鳥類等,它們是種子傳播的有效媒介。日本《基因到細胞》雜誌封面(左)圖描繪了一隻鷹在鳥瞰大地,尋找合適築巢地點的畫面,其實它是為了基因能代代相傳。由圖中放大部分可以看出它所銜的「草枝」實際上是一根「基因枝」——既用於築巢,以保證下一代的安全成長,又象徵鷹的基因能順利延續。

日本《基因到細胞》雜誌封面

DNA的電腦美術形象

攝影藝術在佔據了西方古典繪畫一部分空間後,促進了一系列畫派的相繼崛起(如印象派)。如今,電腦美術又會對空間藝術(美術)的發展產生怎樣的影響呢?DNA的電腦美術形象圖描繪了「超人」般的地球人與「外星人」似乎都源自DNA物質結構這一基礎,就像組成我們地球的基本單位夸克、原子與組成外太空星球的夸克、原子是相同的一樣,可能只是「搭配」不同而已。

DNA的電腦美術形象

電腦美術有著無限的發展潛力,它是科技與藝術完美結合的典型,效率和精緻程度遠超手繪藝術,創意是其作品的核心。這兩幅關於宇宙間生命物質基礎(基因)的電腦繪畫雖然在創意方面還不夠完美,但作品立意十分鮮明。

世界頂級科學期刊《自然》雜誌的封面上,曾出現了一幅有史以來最小版本的達·文西名畫《蒙娜麗莎》,它的作者是加州理工學院的錢璐璐教授課題組。這幅作品是科學家們通過DNA摺紙技術創造的。

DNA摺紙技術創造的《夢娜麗莎》(右)與原畫比較

DNA摺紙技術最基本的原理是鹼基互補配對原則——腺嘌呤(A)配胸腺嘧啶(T),鳥嘌呤(G)配胞嘧啶(C)。聰明的科學家會在環境中提供一條長長的單鏈DNA,並輔以多條能和該單鏈長DNA不同區域形成互補的單鏈短DNA。通過鹼基互補配對的精確匹配後,最初的單鏈長DNA的各個互補區域會各自摺疊,讓整個分子自組裝成想要的結構。這裡需要複雜的化學知識和計算機的輔助。

DNA雙螺旋結構既古老又年輕——它自幾十億年前單細胞生物開始就存在,變異、衍生至今,形成了地球上豐富多樣的生態系統;它是生物遺傳、變異和多樣性的核心構造,其模型的提出是分子生物學誕生的標誌;它是地球生命的圖騰,衍生了豐富多彩的有機生物,仿佛就是創造各類鮮活生命形象的「自然藝術家」。

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