【諾獎中的「基因」】人類真的可以誘導基因突變嗎?

2020-12-07 騰訊網

【諾獎中的「基因」】

很多電影裡面，主角獲得超能力的方式總被解釋為某些特殊的影響而導致「基因突變」，例如我們熟悉的蜘蛛俠是被毒蜘蛛咬到，而哥斯拉是受到核爆影響。但是，這些橋段並非沒有任何科學依據，在自然界中，基因突變在頻繁發生。那麼，人類行為真的可以誘導基因突變嗎？又是誰發現了這個秘密？

果蠅（圖片來自網絡）

讓我們先回到高中生物課：誰都不會忘記「現代遺傳學之父」託馬斯·亨特·摩爾根和小可愛「果蠅」的故事，自從他將果蠅帶上了遺傳學研究的舞臺，這隻小小的蟲子便成了科學家們的好夥伴，為人類生物學的發展立下了汗馬功勞。摩爾根也因「發現遺傳中染色體所起的作用」而成為第一位獲得諾貝爾生理學或醫學獎的遺傳學家。

歷史總是會有讓人意想不到的巧合。當1912年的摩爾根招收一名叫做荷爾曼·約瑟夫·穆勒的年輕人進入自己的「蠅室」從事果蠅遺傳學研究的時候，他並不會想到，未來穆勒也將一生與小小的果蠅為伴，並在13年後成為第二位獲得諾貝爾生理學或醫學獎的遺傳學家。

當果蠅遭遇射線

穆勒認為，在自然條件下果蠅的突變頻率是很低的。為了提高基因的突變頻率，穆勒決定採用強有力的、由放射源產生的短波電磁輻射這樣的「利器」來幹預基因。從1921年開始，整整10年穆勒在德克薩斯大學的一間地下室裡，不知疲倦地探索用射線誘發基因突變以及檢測這些突變的方法。他採用X射線照射果蠅，發現X射線能大大提高基因的突變頻率，在一定範圍內突變率與輻射劑量成正比。

正在對果蠅進行照射實驗的穆勒（圖片來自網絡）

1927年，穆勒在他最為重要的《基因的人工蛻變》中寫道:已十分肯定地發現，用較高劑量的X射線處理精子，能誘發受處理的生殖細胞發生高比例的真正的「基因突變」......他十分明確地指出，無論是以X射線引起的基因突變還是自然界中的突變，其本質上是一樣的，都是進化過程中的「一磚一瓦」，也即突變為生物進化提供基本的材料。穆勒通過自然界提供的事實和他的實驗證據告訴人們一種信念:正是突變過程造成了我們所研究的進化，而進化過程又是可以通過人工幹預而加快的。

在他公開了自己的研究成果後，研究射線生物學、基因突變過程、基因複製過程的工作紛紛展開，取得了巨大的成就，直接導致了新的科學分支的產生。1946年，諾貝爾委員會將當年的諾貝爾生理學或醫學獎授予了穆勒。

基因突變的發展與運用

基因突變指基因組DNA分子發生的突然的、可遺傳的變異現象。基因雖然十分穩定，能在細胞分裂時精確地複製自己，但這種穩定性是相對的。在一定的條件下基因也可以從原來的存在形式突然改變成另一種新的存在形式，就是在一個位點上，突然出現了一個新基因，代替了原有基因，這個基因叫做突變基因。於是後代的表現中也就突然地出現了祖先從未有過的新性狀。後續的研究表明，基因突變可以是自發的也可以是誘發的。自發產生的基因突變型和誘發產生的基因突變型之間沒有本質上的不同，基因突變誘變劑的作用也只是提高了基因的突變率。

基因突變可以發生在發育的任何時期，同時基因突變和脫氧核糖核酸的複製、DNA損傷修復、癌變和衰老都有關係，基因突變也是生物進化的重要因素之一，因此研究基因突變除了本身的理論意義以外，還有廣泛的生物學、醫學意義。

事實上，導致基因突變的人為外因可以有很多，包括物理方式如應用X射線、雷射、紫外線、伽馬射線等；化學物質如亞硝酸、黃麴黴素、鹼基類似物等；某些病毒和細菌也可能導致基因突變。隨著分子遺傳學的發展和DNA核苷酸順序分析等技術的出現，現在已能確定基因突變所帶來的DNA分子結構改變的類型，包括某些熱點的分子結構，並已經能夠進行定向誘變。

基因突變為整個遺傳學研究提供突變型，不僅能夠為研究提供思路，在當今科學家的運用下，有了更高的實踐意義。如可以通過誘使生物產生大量而多樣的基因突變，從而根據需要選育出優良的農產品品種；又如發明誘變劑處理雄性害蟲使之發生致死的或條件致死的突變，然後釋放這些雄性害蟲，使它們和野生的雄性昆蟲相競爭而產生致死的或不育的子代等。

科學精神堅定而偉大

縱觀穆勒的一生，可謂命途多舛：實驗室蒸蒸日上時遭遇美國經濟大蕭條，喪失研究經費；輾轉德國繼續科研工作時遭遇法西斯上臺；前往列寧格勒繼續研究，卻遭遇李森科偽科學主義和大清洗；前往英國卻趕上二戰爆發，英國面臨被入侵的威脅。但值得稱讚的是，無論輾轉何方，最困難的時候穆勒也不忘帶上自己的果蠅株系，在二十世紀人類社會最為動蕩的時局中堅持著自己的科學研究，並秉持著心中的正義。

通過實驗，穆勒清醒地認識到人類的某些不負責任的活動會導致人類的基因突變，從而給人類帶來災難。他於1955年參加了以著名物理學家阿爾伯特·愛因斯坦為首的7位科學家呼籲禁止核武器的活動，參與籤署《羅素—愛因斯坦宣言》。作為反對輻射危害的先行者，直接助推了後來國際社會控制核武活動的一系列相關工作的開展。

出品：科普中國

監製：中國農學會 光明網

作者：張蕃

本文由中國農業科學院生物技術研究所研究員金蕪軍進行科學性把關

來源：光明網

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