1925年摩尔根“基因论”的发表，确立了基因是遗传的基本单位，它存在于细胞的染色体上，决定着生物体的性状。但关于基因的化学本质是什么，它通过什么方式影响生物体的遗传性状，仍然不清楚。揭示基因的本质及其作用方式就成了当时生物学研究的核心问题。对这个问题的研究，开创了分子生物学这门新学科。分子生物学的建立和发展是生物学中信息学派、结构学派和生化遗传学派研究成果结合的产物，是科学史上一次成功的由学科交叉融合而引起的科学革命。发现DNA双螺旋的故事已为人们广为传颂，并作为生物学史上最具传奇色彩的伟大发现而载入生命科学史册

1．信息学派：信息学派主要是由一群对遗传信息世代传递感兴趣的物理学家组成，其代表人物是德尔布吕克（Max Delbrück）。德尔布吕克德国物理学家，1930年在美国洛克菲勒基金资助下，到丹麦哥本哈根理论物理研究所，跟随著名物理学家玻尔（Niels Bohr）作博士后研究。1932年，玻尔在哥本哈根举行的国际光治疗大会上作了“光与生命”的演讲。演讲中玻尔提出了认识生命的新思路，认为对生命现象的研究有可能发现一些新的物理学定律。德尔布吕克深受玻尔思想的影响，决定转入生物学研究。他认为，研究遗传信息的世代传递的机制，基因是最好的切入口。德尔布吕克离开哥本哈根回到柏林后，与遗传学家列索夫斯基（Nikolaï Vladimirovich Timofeeff-Ressovsky）、生物物理学家齐默尔（Karl G Zimmer）合作，从量子理论的角度研究辐射与基因突变的关系，并于1935年出版了《关于基因突变和基因结构的本质》的小册子。书中，他们用量子理论分析讨论了辐射诱导的基因突变的规律，并给出了“基因的量子力学模型”。此模型认为，基因如同分子一样，具有几个不同的，稳定的能级状态。突变被解释为基因分子从一个能级稳态向另一个能级稳态的转变。文章还根据计算，推断了基因的大小。这就是著名的“三人论文”。“三人论文”是一篇完全用物理学的理论和方法对基因进行研究的文章。这篇文章的意义不在于其结论的正确与否，而在于它使许多年轻物理学家们相信，基因是可以通过物理学方法来进行研究的，从而推动了一大批杰出物理学家投入生物学研究。“三人论文”后来成为薛定锷（Erwin Schrödinger）“生命是什么”一书讨论的基础。

1937年，在洛氏基金的资助下，德尔布吕克来到加州理工大学摩尔根实验室进行遗传学研究。在那儿他发现噬菌体是一种比果蝇更适合进行基因研究的材料，并与埃利斯（Emory Ellis）合作，研究噬菌体的增殖、复制规律，建立了噬菌体的定量测定方法。1940年底，在费城召开的一个物理学年会上，德尔布吕克与刚来美国不久的意大利生物学家卢里亚（Salvador Edward Luria）认识了。卢里亚读过“三人论文”，对德尔布吕克极为景仰。当时他刚获得洛氏基金资助，在哥伦比亚大学准备开展X-射线诱导噬菌体突变的研究。共同的兴趣使他们很快建立了合作关系。当时在美国还有一个进行噬菌体研究的科学家是华盛顿大学的赫尔希（Alfred Hershey）。1943年，德尔布吕克约他在自己实验室见面，并讨论了合作研究计划。这样，一个以德尔布吕克—卢里亚—赫尔希为核心的“噬菌体小组”就形成了。

噬菌体小组的研究成果主要有：德尔布吕克与卢里亚合作进行的细菌突变规律的研究开辟了细菌遗传学的新领域；1945年卢里亚和赫尔希分别独立发现噬菌体的突变特性；1946年德尔布吕克与赫尔希又分别独立发现，同时感染一个细菌的二种噬菌体可以发生基因重组，证明了，从最简单的生命到人类的遗传物质都遵循着相同的机制。噬菌体小组最值得夸耀的成果是50年代初证明了基因的化学本质是DNA。1944年艾弗里（Oswald T Avery）已经通过肺炎球菌转化试验发现，DNA是遗传物质，但一直未获承认。赫尔希和蔡斯（Martha Chase）分别用35S（与蛋白结合）和32P（结合在DNA上）标记噬菌体，然后用它感染细菌，结果发现噬菌体只有其核酸部分进入细菌，而其蛋白外壳是不进入细菌的。表现为在感染噬菌体的细菌体内复制产生的后代噬菌体主要含有32P标记，而35S的含量低于1%。这清楚地证明，在噬菌体感染的细菌体内，与复制有关的是噬菌体的DNA，而不是蛋白质。1952年，这个结果发表后立刻被广泛接受，对促进沃森（James Watson）和克里克（Francis Crick）确定DNA双螺旋结构的突破，具有重要的意义。

噬菌体小组除了在研究遗传信息的传递机制外，还从1941年起，每年都在纽约长岛的冷泉港举行研讨会，并从1945年起每年暑期都举办“噬菌体研究学习班”。学习班课程主要为那些有志于投身生物学研究的物理学家们开设的。通过冷泉港学习班，扩大了噬菌体研究网络，形成并巩固了以德尔布吕克—卢里亚—赫尔希为核心的噬菌体小组在遗传学研究领域的地位，到50年代初，噬菌体小组已成了一个影响很大的遗传学派。

噬菌体小组早期的研究工作引起著名物理学家薛定锷的注意，并引起了他对生命的思考。1943年，他在爱尔兰的都柏林三一学院作了一系列演讲，阐述了他对生命的思考。1944年，他将这些演讲整理汇编成书出版，这就是被认为是分子生物学的“汤姆叔叔的小屋”的划时代著作《生命是什么》。在此书中，薛定锷讨论了以噬菌体小组为主的信息学派的研究成果，尤其对德尔布吕克的“基因的量子力学模型”最为推崇。在讨论这些研究成果的同时，薛定锷认为“在有机体的生命周期里展开的事件，显示了一种美妙的规律和秩序。我们以前碰到过的任何一种无生命物质都无法与之相比。”“我们必须准备去发现在生命活体中占支配地位的，新的物理学定律”。

《生命是什么》一书对生物学研究产生的影响是震撼性的。著名分子生物学家斯坦特（Gunther Stent）指出：“在这本书里，薛定锷向他的同行物理学家们预告了一个生物学研究的新纪元即将开始”，“不少物理学家受到这样一个可以通过遗传学研究来发现‘其它物理学定律’的浪漫思想的启发，就离开了他们原来训练有素的职业岗位，转而去致力于基因本质的研究”。分子生物学的历史表明，1950年代那些发动分子生物学革命的科学家，包括DNA双螺旋结构的发现者沃森和克里克都是受薛定锷此书的影响，而转而进行基因的结构与功能研究的。

2．结构学派：20世纪30年代起，在生物学领域还有一群物理学家开始从事生物大分子的结构研究，这就是被称为“结构学派”的物理学家。结构学派是由英国卡文迪许实验室的布拉格父子，亨利·布拉格（William Henry Bragg）和劳伦斯·布拉格（William Lawrence Bragg）创立的。20世纪初，他们发现用X-射线照射结晶体可以在背景上获得不同的衍射图像。通过对衍射图像的分析，就可以推出晶体的结构。他们用这个方法成功地确定了一些盐类（如氯化钾）等的分子结构。1915年，布拉格父子同时获得诺贝尔物理学奖。1938年，劳伦斯·布拉格出任卡文迪许教授，开始将X-射线衍射技术推广应用到对生物大分子（蛋白质、核酸）的三维结构研究。50年代初，当时在卡文迪许实验室的佩鲁兹（Max Peruts）领导下，正在进行二种蛋白质的结构分析。一是他自己领导的研究小组，进行血红蛋白的结构研究；另一个是肯德鲁（John Kendrew）领导的研究小组，进行肌红蛋白的结构分析。此外，在伦敦的国王学院（King’s College）的威尔金斯（Maurice Wilkins）和富兰克林（Rosalind Franklin）的研究小组正在进行用X-射线衍射的方法研究核酸的结构，并取得了很多有意义的成果。结构学派的生物学家们主要对生物大分子的结构感兴趣，对功能研究则较少涉及。

3．生化遗传学派：自从1900年孟德尔定律被重新发现之后，“基因是怎样控制特定的性状”的问题就成了遗传学研究的主要问题之一。1902年，英国医生伽罗德（Archibald Garrod）发现一些病孩患尿黑酸症，病人的尿一接触空气就变成黑色。很快这种尿变黑的化学物质就被鉴定出来，即是由酪氨酸转变而成的一种物质。伽罗德对患黑尿病患者的家谱分析发现，此病按孟德尔规则的方式遗传。在进行一系列研究后，1909年伽罗德出版了《新陈代谢的先天缺陷》一书，指出黑尿病患者代谢紊乱是因为酪氨酸分解代谢的第一阶段，即苯环断裂这一步无法进行。因而伽罗德认为，苯环断裂是在某种酶的作用下发生的，病人缺乏这种酶，所以出现黑尿症状。这样就把一种遗传性状（黑尿）与酶（蛋白质）联系起来了。但对遗传因子与酶的这种预测性的设想，却无法得到实验证实。

1940年，比德尔和塔特姆（ELTatum）开始用红色链孢菌研究基因与酶的关系。他们用X-射线照射诱导产生链孢菌的突变体，发现了几种不同的失去合成能力的链孢菌。他们通过对这些突变体杂交后代的遗传学分析表明，每一种突变体都是单个基因突变的产物，并认为每一个基因的功能相当于一个酶的作用。由此，于1941年他们提出了“一个基因一个酶”的假说。按照这个假说，基因决定酶的形成，而酶又控制生化反应，从而控制代谢过程。1948年，米歇尔（F Mitchell）和雷恩（J Lein）发现，红色链孢菌的一些突变体缺乏色氨酸合成酶，从而为“一个基因一个酶”的理论提供了第一个直接的证据。蛋白质是有机体基因型产生的最直接的表现型，决定了生物性状的表现形式。因此“一个基因一个酶”（后改为一个基因一个蛋白质）的理论为以后DNA→RNA→蛋白质的“中心法则”提供了理论基础，对认识基因控制遗传性状的机制具有重要意义。1958年，伽罗德和塔特姆获得诺贝尔奖。

DNA双螺旋结构的确立

1951年，沃森在意大利参加了一个生物大分子结构的学术会议，会上听了英国国王大学威尔金斯关于DNA的X-射线晶体学的研究结果的报告十分兴奋。沃森是噬菌体小组领袖人物卢里亚的研究生。博士毕业后，被卢里亚送到丹麦哥本哈根的克卡尔（Herman Kacker）实验室做有关核酸的生物化学方面的研究。这使他迅速熟悉了核酸方面的知识，并确认基因的本质是DNA。他认识到，要解开基因的功能之谜，必需首先弄清DNA的结构。威尔金斯的工作给了他极大的启示，在卢里亚的支持下，他来到了当时世界生物大分子结构研究的中心——剑桥的卡文迪许实验室。在这里，他与弗朗西斯·克里克（Francis Crick）相遇。克里克毕业于伦敦科里基大学物理系，二战期间在军队从事过磁铁矿方面的研究。战后在薛定锷《生命是什么》一书的影响下，转向生物学研究。当时作为一名博士研究生正在佩鲁兹研究小组参加血红蛋白结构的研究。沃森的到来，使他了解了DNA研究的新进展。他们一致认为，搞清楚DNA的结构是揭示基因奥秘的关键所在。伦敦国王学院的威尔金斯是克里克的朋友，这使他们很容易地获得威尔金斯小组对核酸研究的新成果。沃森和克里克的合作，可以看成是生物学研究中，信息学派和结构学派结合。这个结合最终导致DNA双螺旋结构的发现。

在沃森—克里克开始着手研究DNA结构之时，对DNA结构的资料还是比较零散的。当时已知：1。DNA是由腺嘌呤（A），鸟嘌呤（G），胸腺嘧啶（T），胞嘧啶（C）4种核苷酸组成；2。每个核苷酸的糖基因以共价键的方式与另一个核苷酸的磷酸基因结合，形成糖—磷酸骨架；3。这些核苷酸长链具有规则的螺旋状结构，每34埃重复一次。但DNA分子究竟是由几条核苷酸链组成，以及链与链之间通过什么方式组成螺旋状分子，则仍然不清楚。1951年沃森—克里克曾提出一个三螺旋模型，1952年，鲍林也提出了一个三链模型，但随即被否定，因与已知的DNA X-射线衍射结果不相符。DNA双螺旋结构的确立主要由于以下的研究成果：1。1952年，沃森在威尔金斯那儿看到了富兰克林在1951年拍摄的一张水合DNA的X-线衍射图，上的强烈的反射交叉清楚地显示了DNA是双链结构。这张图给沃森印象极为深刻，决定建立DNA的双链模型；2。1952年数学家格里菲斯（J Griffith）通过对碱基间的结合力计算，表明A和T与G和C之间相互吸引的证据。同时从查伽夫（F Chargaff）早先已确定的，DNA分子中，嘌呤碱与嘧啶碱之比为1:1的当量定律，也排除了碱基同型配对的可能性。此外，多诺休（J Donohue）指出了碱基的互变异构现象。这些结果都肯定了DNA的二条核苷链中，A-T，G-C的碱基配对原则；3。1952年，富兰克林DNA的X-线衍射结果已经准确地推测出，双链分子糖—磷酸骨架在外侧，碱基在内侧的结论。富兰克林还推测出配对碱基的距离为20埃，旋距为34埃。

根据上述资料，1953年沃森—克里克提出了一个DNA双螺旋模型。这个结构符合已知的有关DNA的实验资料，弃提示了DNA分子复制的可能方式，因而立即受到科学界的重视并很快被接受。DNA双螺旋结构的发现，标志着分子生物学的诞生。此后的15年间，分子生物学取得迅速发展，其中具有重要意义的进展有：

1， 1968年克里克在他的《论蛋白质的作用》一文中，提出了遗传信息的流向是DNA-RNA-蛋白质的著名的“中心法则”。1970年蒂明（Howard Temin）和巴尔的摩（David Baltimore）分别在RNA肿瘤病毒颗粒中发现“依赖RNA的DNA转录酶”（逆转录酶），证明了遗传信息也可以从RNA流向DNA，从而完善了中心法则的内容。1975年，蒂明和巴尔的摩获诺贝尔生理学或医学奖。

2，1954年伽莫夫第一次把决定一个氨基酸的核苷酸组合称之为遗传密码，并提出了“重叠式三联密码”假说。他通过计算给出了64种可能的三联密码。伽莫夫的假说的问题是：1，重叠密码是错误的；2，认为DNA直接指导蛋白质合成是错误的。1961年克里克和布伦纳（SBrenner）通过实验和统计分析否定了遗传密码的重叠问题，提出了“非重叠式三联密码”的假说，并通过实验获得证实。同年，尼伦伯格（MWNirenberg）用生物化学的方法及体外无细胞合成体系，首次成功地确定了三联尿嘧啶UUU是苯丙氨酸的密码子，揭开了破译三联密码的序幕。到1966年就完成了所有20种氨基酸的密码表1968年，尼伦伯格获诺贝尔生理学或医学奖。

3，基因表达调控的“操纵子学说”的提出。1960年法国科学家莫诺（J Monod）和雅各布（FJacob）发表了“蛋白质合成的遗传调控机制”一文。在文章中他们正式提出了基因表达的操纵子学说。他们用大肠杆菌乳糖代谢调控系统为模型，揭示了半乳糖苷酶产生的基因调控机制，提出了结构基因、调节基因和操纵基因的概念，并证明了半乳糖苷酶（蛋白质）的产生正是这些基因相互作用的结果。操纵子学说的提出使对基因的研究从结构研究向功能研究的转变，为深入揭示基因控制生物性状（表型）的机制奠定了基础。1965年莫诺和雅各布获诺贝尔生理学或医学奖。操纵子理论有力地证实了美国科学家麦克林托克（BMclintock）1951年在研究玉米遗传特性时提出的“跳跃基因”（转座子）的概念，为真核细胞基因调控的研究开辟了道路。1983年麦克林托克获诺贝尔生理学或医学奖。

4，基因工程枝术的诞生。1962年阿尔伯（WArber）提出细菌体内存在一种可以破坏外来DNA的酶。1970年史密斯（HOSmith）获得了第一个DNA限制性内切酶。纳桑斯则用内切酶将SV40病毒的DNA切割成一些特定的片段，并获得了此病毒基因组的物理图谱。1978年阿尔伯、史密斯和纳桑斯获诺贝尔生理学或医学奖。此后又陆续发现了DNA联接酶、DNA聚合酶，这些工具酶的发现为基因工程技术的出现奠定了基础。1971年美国科学家伯格（P Berg）用限制性内切酶和联接酶将SV40的DNA与入噬菌体的DNA片段连接在一起，形成的杂种分子在大肠杆菌中成功表达，使跨越物种的DNA重组成为现实。基因工程作为一项新技术诞生了，它不但为农业、畜牧业和医药产业的发展提供了广阔的发展空间，而且为进一步深入探索生命起源和开展人造生命（合成生物学）的研究提供了技术手段。伯格的工作为基因工程的诞生奠定了基础，1980年伯格获诺贝尔生理学或医学奖。

从1953年DNA双螺旋结构发现以来的半个多世记中，分子生物学按还原论的路径迅猛发展，取得了许多重要进展。进入21世记以来，人类基因组计划的完成，以及蛋白质组学等各种“组学”的出现，为从整体上认识遗传、变异、及个体发育等基本生物学现象开辟了新方向。早已认识到基因组完全相同的卵孪生子之间在遗传表型上可以表现明显差异，显示了基因型（Genotype）与表现型之间的复杂关系。近年来兴起的表观遗传学（Epigenetics）研究表明，基因组可以通过DNA甲基化（DNA methylation），基因印记，母体效应，基因沉默，RNA编辑等方式改变基因表达的方式。这样就为深入理解环境与遗传的关系提供了可能，从而对医学科学的发展产生深远的影响。

一篇介绍生物三域的文章

生命树之根

一篇介绍生物三域的文章从林奈开始，博物学家们使用一套等级系统将种类繁多的生物进行分类：

相似的种归为一属，相似的属归为一科，然后是目、纲、门，最后归为动物和

植物两界。达尔文首先指出，生命的等级系统，实际上是生物进化的结果：同

一种的个体都来自同一祖先，相似的种来自同一祖先，相似的属来自同一祖先

如此追溯下去，他得出结论说：“所有的动物和植物都是从某一原型传下来的

……在这个地球上曾经生存过的所有有机体，大概都是从某一原型传下来的。”

如果我们按时间顺序来看，就会发现生命的传代就象一棵不断分支的大树，树

根就是最早的共同祖先，位于树的顶端的枝叶，就是今天的各个物种。达尔文

并向分类学家们发出了根据共同祖先理论构建生命的自然谱系的号召，但同时

他也指出了其困难性：“我们没有任何家谱或徽章；我们必须根据长久遗传下

来的任何性状去发现和追踪我们的自然谱系中的许多分歧的传代线。”以后生

物分类学的发展，实际上都是在为这句话做注脚。

在当时，所有的生物都被分成动物和植物两界。虽然微生物已经被发现，

但也被归入这两界：那些较大的、较活泼的微生物被归入动物界，较小的、较

不活泼的被归入植物界。德国生物学家海格尔首先挑战这种简单的二分法。他

指出，许多原生生物象植物那样能够进行光合作用，但是也象动物那样能够游

动，必须另立一界：原生生物界。在二十世纪的早期，细菌被从植物界分出来，

另立细菌界。1959年，就在分类学进入分子时代的前夕，真菌也从植物界分了

出来，另立真菌界。这样，生命树就有了五根主干。

但是，细菌和其他四界的差别，远远超过了其他四界之间的差别。特别是

到了六十年代利用电子显微镜研究细胞结构，这种差别更为突出：细菌的细胞

没有细胞核、细胞器，属于原核生物；而其他四界的生物的细胞有细胞核、细

胞器，属于真核生物。因此，又有人主张，在界之上应设立一个更高的等级：

超界或“帝国”（“界”的英文原意为“王国”）。其中，原核超界包括细菌

界，真核超界包括原生界、植物界、真菌界和动物界。这个两超界五界系统，

到现在仍然是被博物学家广泛接受的最通行的分类系统。

在分子生物学兴起之前，我们要确定一种生物在生命谱系中的位置，只能

根据器官、组织、细胞的形态结构。动物的形态结构复杂，可供辨别的特征繁

多，因此描绘动物的谱系比较容易。描绘植物、真菌和原生生物就要困难得多。

最困难的，是确定细菌彼此之间的亲缘关系。即使在显微镜下，也很难比较细

菌的形态结构的同异。到了六十年代，大多数微生物学家都放弃了这种努力，

宣布用传统的方法没法描绘细菌的谱系。恰恰在这时候，分子生物学的创立为

分类学提供了一个强有力的工具。在六十年代中叶，加州理工学院的朱克坎德

（Emile Zuckerkandl）和鲍林（Linus Pauling）首先指出，我们可以通过比

较不同物种的同一种蛋白质或基因的序列确定不同物种之间的亲缘关系。所有

的基因都会发生随机的突变，这些突变如果能改善其编码的蛋白质的功能或对

蛋白质的功能没有影响，就会被保留下来。这样，当两个物种从同一祖先分离

之后，他们的基因将会产生差异，随着时间的推移，差异会越来越大。比较两

个物种的基因的差异程度，就有可能确定他们的亲缘关系。

在六十年代末期，当DNA测序法刚刚被发明出来之时，伊利诺大学的伍斯

（Carl Woese）及其同事就开始通过测定DNA序列研究生命树。如果要能够追溯

到生命树的根部，需要比较一种在所有的生物中都存在的基因。核糖体（细胞

中制造蛋白质的场所）中的RNA在所有的生物中都存在。这种RNA分子共有三个

亚单位（23S，16S，5S）。伍斯他们选择了其中的一个亚单位16S的基因。到

了七十年代末，伍斯实验室已比较了大量的物种的16S RNA的基因。他们发现，

原生生物中的某些成员，特别是那些生活在极端环境下（比如温泉中、火山口）

的成员，虽然其细胞结构看上去跟其他成员相似，但基因序列却差异很大。他

们将这类原生生物称为古菌，将其他原生生物称为真细菌。在他们看来，古菌、

真细菌和真核生物应被视为生命树的三大分支。接下来的二十年间，对其他基

因的研究支持了这个观点。在1990年，伍斯等人提出了一个新的分类系统，反

对将生物分成原核和真核两个超界，认为应该分成细菌、古菌和真核三个域。

在域之下各有几个界，其中真核域继续保留原生、植物、真菌、动物四界。目

前，三域划分已被普遍接受，但将细菌、古菌再分成几界的系统却未被接受。

毕竟，分类不能仅仅考虑亲缘关系，还需要顾及现存生物的分化程度。与真核

生物相比，细菌和古菌内部的分化不大，似乎也就没必要再分成几界。

真核生物应该是从原核生物进化来的。那么，它是从细菌还是古菌进化来

的呢？光是比较一个基因是看不出来的，因为三者的差异程度相似。这时候必

须比较两个基因，而且这两个基因必须是从以前的同一个基因通过重复、分化

演变来的。编码延伸因子（参与将DNA转录成信使RNA的蛋白质）EF-1和EF-2的

基因正是这样的基因。结果表明，古菌和真核生物的亲缘关系比他们与细菌的

关系更紧密，也就是说，真核生物很可能是从古菌进化来的。其他的结果也支

持这一点。比如，古菌的核糖体的蛋白质组分更接近于真核生物，其RNA聚合

酶也更接近真核生物。这样，我们就可以推测，大约在38亿年前，由最早的共

同祖先－－一种原始的细胞生物－－进化成了细菌和古菌，之后，又由古菌进

化成了真核生物。细菌也通过“内共生”方式参与了这个进化过程：一种需氧

细菌被古菌吸收演变成了真核细胞中的线粒体，以后又有光合细菌成了叶绿体。

但是，这种已被普遍接受的景象，最近又面临着挑战。按照这个观点，细

菌和古菌最早分离，那么，古菌就不该有来自细菌的基因，然而研究发现，许

多古菌含有大量的来自细菌的基因，表明两者之间存在基因交流。而且，真核

生物的基因应该只来自古菌，只有那些参与细胞呼吸（线粒体）或光合作用

（叶绿体）的基因才可能来自细菌，但是，研究也发现，真核生物的许多既不

参与细胞呼吸也不参与光合作用的基因同样来自细菌，表明细菌和真核生物之

间除了“内共生”，还有其他的基因交流。此外，还有一部分真核生物的基因

来源不详，既非来自古菌也非来自细菌，有人推测可能是来自很早就灭绝了的

第四个未知的域。这些结果表明，最早的共同祖先可能不是一种原始细胞生物，

而是一群原始细胞生物，它们只有很少的基因，各不相同，但是彼此之间能够

进行基因交流，形成了一个细胞共同体。以后，再从这一个共同体中分化出了

细菌、古菌和真核生物，而且，在真核生物还只是单细胞时，三者之间也存在

大量的基因交流。

如果这个新观点是正确的话，它表明达尔文所设想的生命树虽然总体上正

确，但是树根并不是一条，而是纵横交错。

第一部分 定位：行行又列列

1位置决定命运

（1）元素周期表一方面看起来整洁精炼，另一方面它杂乱无章，只有那些真正了解元素周期表并且明白原理的人才能从这冰冷呆板的表格中解读出更多的信息。

（2）第18列的元素被称为高贵气体，这个说法源自于希腊人提出的“原子”概念。

（3）1911年，一位荷兰-德国裔科学家用液氦冷却汞时发现，当温度低于零下2689摄氏度时，该系统的电阻会完全消失，变成一种理想导体。

（4）高贵气体西边的那列是周期表里最活跃的气体-囟素气体，最西边的第一列是暴烈的碱金属。

（5）科学家们发现了以锑为基础的超强酸性物质。

（6）水平观察周期表，每一种元素都比左边的邻居多一个电子，随着元素体积的增大它们不仅会把电子填到能级里还会为这些电子提供形状各异的“铺位”。最左边的元素把第一个电子放在球形的s层里，这一层很小只能容纳两个电子，所以左边两列比别的高。

（7）周期表中金属元素会把d层电子藏到“夹层”里，致使这些电子不太易失掉因此许多的金属看起来如此相似，性质也几乎相同。

（8）格佩特-梅耶用实验证明了原子核的确分层，在这些原子序数下，质子和中子整齐地排列成稳定对称的球形，解释了氧、钙元素为啥如此稳定且含量丰富。

2亲密双胞胎与黑羊：元素家谱

（1）碳元素应用“八电子规则”使富有进攻性的原子和分子彼此穷追不舍，最终导致含有碳元素的氨基酸文明地键合起来。

（2）周期表碳和硅这一列，从上至下人们先是发现了生命之源的碳，然后是铸就现代电子工业的灵魂硅和锗，然后是锡，最后是多少对生命有点害处的铅。

（3）基尔比最开始做出来的锗集成电路使得人工焊接自动化了，但在竞争激烈的市场上，锗败给了成本低且产量大的硅。

3元素周期表上的科隆群岛

（1）罗伯特·本生在发明了砷中毒的解毒剂氧化铁水合物之后，又发明了光谱仪，以此通过不同的彩色带来辨别不同的元素。

（2）门捷列夫花费整整的一生在实验室摸索研究已知元素的性质，深刻理解之后，他把62种元素都编进他的行行列列里。

（3）1875年勒科克从矿物中发现了一种从未见过的色带，他将这种新元素命名为镓。

（4）在于特比发现的七种元素中，有6种是门捷列夫表格里空缺的镧系元素，如果门捷列夫再往西走一小步，来到元素周期表上的科隆群岛，那么他也许就能亲手修订元素周期表了。

第二部分 制造原子 ，破坏原子

1原子从哪里来：“我们是群星之子”

（1）1939年，德国和美国的科学家证明，太阳和其他恒星靠氢聚变生成氦气来放出热量，这个过程会释放放出巨大的能量。

（2）根据B2FH理论，今天的天文学家将从锂到铁的元素统称为“恒星金属”，只要在一颗行星中找到了铁，周期表中原子序数小于铁的元素也必然会出现。

（3）在太阳系的形成过程中，气态巨行星最先形成。每颗恒星的实际成分不过是氢和氦，气态巨行星也是如此。

2战争年代的元素

（1）早期的化学武器研制以溴为核心，继而有一种溴基催泪弹用于战争中。

（2）氯有着更刺激的味，会导致人皮肤出现变**、绿色和黑色的中毒症状。

（3）钼被加入制造武器中来强化金属，使武器更加耐受高温。

3完善周期表砰的一声

（1）莫塞莱的原子枪，使得混乱的放射性元素分门别类，排列整齐。

（2）20世纪30年代，一个研究小组创造出了新元素，填补了85号和87号的空白。

4在冷战中扩展周期表

（1）94号元素出现，科学家将它命名为钚。

（2）1952年，研究组在氢弹试验后有放射性的珊瑚湖中发现了99号和100号元素—锿和镄。

第三部分 周期之惑 疑难初现

1从物理学到生物学

（1）对未知元素的探寻上升到了更精密的层面。43号元素大概是历史上“首次发现”次数最多的元素了。

（2）莱纳斯·鲍林的研究超越了界限分明的物理学和化学，发现了量子力学如何作用于化学键，从而发现了镰刀型细胞贫血症致死的原因。

（3）沃森和克里克在1953年的《自然杂志》上发布了双螺旋模型。

2毒药协会：“哎哟喂”

（1）随着镉金属的生产和运用于零件制造中，引起了“痛痛病”。然而在周期表黑暗的一方，比镉毒性更强的元素：铊-毒药之王，导致一系列连环杀人案。

（2）然而铋却不同于它周遭的元素，它很温和，甚至能做药用，缓解溃疡。

（3）大卫·哈迷上了危险元素（同时也是放射性毒素），并为此奉献出大部分时间与精力去进行鼓捣，却无多大收获。最终毁掉了一生。

3 带两个元素，早上打电话叫醒我

（1）铜被证明是改善基础设施最简单的材料，它有着“自消毒”效应--使得金属更不易滋生微生物。

（2）23号元素钒也是微生物的杀手，是有史以来最好的杀精剂。虽有微弱的毒性，但它却能使血糖产生升降的变化。

（3）札的磁性比其他元素强，非常适用于磁共振成像（MRI)。它不仅能发现肿瘤并且可以消灭肿瘤，它也许会成为肿瘤学的新希望。

（4）琼斯迷上了千年虫危机，所以他担心天启降临之时，会出现抗生素短缺，于是他自制重金属，并喝了四年半的含有银离子的溶解液，而成为时代的“蓝人”。

（5）巴斯德证明了酒石酸有两种完全等同但互为镜像的类型，他揭示了生命分子极强地倾向于同一单手性，同时也创立了巴氏灭菌法。

（6）马克偷偷给病情严重的女儿注射工业染料--白浪多息。幸运地，女儿的病情好转。IGF公司为百浪多息申请了药物专利，但上市时却遭遇了惨败。直到它挽救了罗斯福孩子的生命，才引起了公众的关注。随后，科学家发现真正打败细菌的是药物的衍生物黄酰胺。

（7）20世纪，改善妊娠期妇女晨吐的药物（中良性，有药效的活性成分里混进了一些手性相反的分子）被研制出来并开始出售，却导致了畸形儿的出生。因而，反应停成了20世纪最臭名昭著的药物。

（8）由于锗的催化物，才制造出有手性的铑催化剂，从而做出左旋多巴的药物，让帕金森综合症的患者恢复了活力。

4 元素也会骗人

（1）没有氮气体来稀释氧气体并且吸收热量，纯氧中的火烧得更快，使得NASA的宇航员为此而丧生。氮无色无味能穿过身体的安全系统，杀人于无形，也不会在血管里产生任何酸。

（2）身体半点不需要的钛，迷住了血细胞，它完全不会引发免疫反应，还能骗到身体里的成骨细胞。从1952年起，钛成为假牙、义指和可替换关节的标准材料。

（3）微量的铍虽然是甜的，但随着剂量增大，它的毒性会急剧上升，损害人的肺，引发化学性肺炎。

（4）我们尝到的“酸味”只不过是味蕾被氢离子激活了，负责咸味的味蕾也很容易被电流影响。所以探寻元素的时候，味觉不是一个好的向导。

（5）缺乏微量元素碘会导致甲状腺肿大，身体出现一系列问题，甚至会把一个聪明人变傻。

第四部分 元素与人性

1元素与政治

（1）玛丽对铀的研究，为这一领域提供了至关重要的前瞻性见解：铀的化学性质与其物理性质是分离的。因为这个发现，居里夫妇和克勒尔一起获得了1903年的诺贝尔物理学奖。

居里夫人在丢掉的提纯残渣中发现并提炼出放射强度超出以往任何已知的两种全新元素。在1911年，她再次被授予诺贝尔化学奖。

（2）居里夫人的女儿伊雷娜·约里奥-居里通过用次原子微粒轰击轻元素，从而将轻元素转变为人造放射性核素。这项工作使得她获得诺贝尔奖。由于实验室中的钋泄漏，她受到了致命辐射，在1956年因为白血病逝世。

（3）赫维西用铅液来证明房东大妈的罪行，开启了同位素示踪剂。他和科斯特第一次尝试发现了72号元素，并将它命名为铪。

（4）波尔宣布赫维西他们的发现，无意间提高了量子力学的形象。一场别有用心的造谣运动开始了，所以本是源自科学的争论演变成了争夺主权和领地派系的斗争。

（5）为了避免纳粹的迫害，赫维西他们用王水溶解了劳厄和詹姆斯·弗兰克的奖章。

（6）波兰化学家法扬司发现了91号元素，并将它命名为仳。随着迈特纳和文恩研究发现这个命名显得名不副实，于是这种元素被重新命名为镤。

（7）1934年，恩米科·费米宣布，在以亚原子粒子连续轰击铀原子时，创造出了第一个超铀元素。同一年，居里夫人的女儿伊雷娜发现了新的超铀元素镧。汉恩将这些轰动性的发现公之于世，核裂变在世人面前显现。

（8）1944年，瑞典皇家学院进行了回顾性的颁奖。第一个获奖的就是赫维西，汉恩独自领了诺贝尔奖。一家国际性科学委员会将109号元素以麦特纳名字命名，给予了迈特纳超过诺贝尓奖的荣誉。

2元素与货币

（1）大自然不会轻易地将宝藏双手奉上，于是出现了黄铁矿（二氧化铁）来阻挠寻宝者。

（2）1782年在特兰西瓦尼亚，碲-唯一同金键合在一起的元素首次被分离出来。

（3）在弥达斯统治一个世纪后，第一种真正的钱币（由合银合金物制造）诞生了。随后，由吕底亚国王建立了最初的货币制度，并将金银分离，铸造了金币、银币。

（4）伪币制造活动在伦敦那些声名狼藉的地区非常盛行，后牛顿就职于皇家铸币局，使伪币制造活动得到了有效的控制。

（5）每张欧元是由两张欧元组成的，另外一张是一处全息标识，是对前者的直接映射，加上其他的防伪标识，使得欧元成为有史以来最复杂的货币。

（6）最贵重的铑被制成唱片，用来祝贺保罗·麦卡特尼的唱片销量创纪录。

（7）1825前后，化学家从止血药明矾中提取出了铝。霍尔经过多次试验，提取了纯铝，并Alcoa公司，随着铝产量的爆增销售，他发了大财。

3 元素与艺术

（1）1790年一位医生发现了锶元素，之后德贝莱拾起了这位医生的研究，并使锶成为第一个被确系统化的元素。

（2）派克51系列试制成功，投放市场，反响很好，随着科技进步，钢笔这种书写工具逐渐被强制报废。

（3）洛厄尔（美国20世纪50年代到60年代最杰出的诗人）躁狂抑郁症，所以他接受了一种情绪稳定剂-锂盐的治疗，后好转。

4元素与疯癫

（1）硒是所有动物必须的微量元素，当大剂量存在时，它是有毒的，当牛吃了含有大量硒的“疯草”，疯草病便会发作。

（2）英国海军舰队一由锰组成的巨大的鲨鱼尖牙，古生物学家断言这是属于一种叫作“巨齿鲨”的鲨鱼。而随着进一步对锰的研究，巨齿鲨的研究开始走向病态。

（3）伦琴不屈不挠地进行了大量的分析工作，将自己的发现—伦琴射线告知人们，提出有理的依据来使人信服。

第五部分：元素科学的今天与明天

1零度以下的化学

（1）纯锡的工具遇冷，发白的锈斑就会悄悄地爬上它们的表面，这些白锈进一步变成大面积的爆发的“脓包”，使锡腐蚀，直到最后碎成粉末。英国极地探险队使用纯锡作为焊料，在极寒之下燃料泄漏，使得探险队全部遇难。

（2）阿尔伯特·爱因斯坦预测了比四种物质更多的形态-粒子的不同微结构。

（3）1963年科学家们制造出第一种氪化合物，之后，经历了37年的挫败，芬兰科学家在2000年后完成了合成氩化合物的过程。

（4）为了让反应发生，需要用到固态的氩气、氢气、氟气以及高度活跃的催化剂碘化铯，还需适时的紫外辐射，并且所有这些都得置于极寒的零下265摄氏度。

（5）3位科学家在1957年发现，在低温下超导体中的电子自身会发生改变，这一关于超导体的阐释称为BCS理论（以这三位发现了它的科学家命名）。

（6）爱因斯坦证明了光有时表现出超粒子的特性，于是他引入了光子的概念，它是一个携带光能的量子。

（7）激光是巧妙地操控光而产生的，因为有着技术方面的特性，它更多地被看作工程学方面的挑战。

（8）爱因斯坦将玻色的理论加以发挥，延伸到整个原子层面，他提供了一些途径，并指出如果原子遇到足够低的温度—临界超导温度的万分之一它们就会凝聚成一种新的物质形态。

2光辉的气体：泡泡与科学

（1）唐纳德·格拉泽发明了“泡室”证明了如此多的预见性理论。在1960年跻身于《时代》周刊的年度人物之一，也因此获得诺贝尔奖。

（2）钙是一种能够轻易发泡的元素，富含钙质的元素又轻又硬，且钙质泡沫在世界经济的发展和强大帝国的形成中起到了很重要的作用。

（3）卢瑟福和索迪发现了放射性气泡中的新元素-氡，同时发现周期表中的元素会从自己所在的格子跳起，落到另一个小格子里，变身为另外一种元素。

（4）由卢瑟福发现并命名的a粒子，被证明是氦原子在其收到电能激发时发出的炽烈的光。

（5）卢瑟福开始围绕铀矿石收集氦气泡泡，由此氦气泡泡进入了地质学领域，使得人类能够证明地球的年纪。

（6）新近的生物化学研究发现，不管第一个有机分子是在冰里或是海洋里诞生的，第一个原生细胞的结构肯定是气泡状。泡泡是生命出现的直接原因。

（7）随着军事科学的进步，研究发现了“声致发光”，用喷气式发动机噪声级别的声音振动水箱，产生的水泡有时会突然爆裂，留下一道蓝色或绿色的闪光。

（8）普特曼经过一系列实验，发现在声致发光过程中充当了打火石角色的元素-氩，同时也发现了具有类似效果的两种气体氪气和氙气。

3精确到荒唐的工具

（1）国际千克原器—世界质量单位“千克”的标准砝码，其90%为铂，很容易损坏。所以它被包裹在3个钟形罩中，以避免空气中的湿气在其表面冷凝。

（2）科学长足的进步，科学家们在1960年氪原子将“米”重新定义，虽然这个长度几乎完全等同于铂杆的，但它还是成功替代了铂杆。

（3）美国国家标准局发明了铯原子钟，适用于全世界的基本计量单位定义。20世纪60年代，科学家们采纳了以铯原子钟为基准定义的“秒”作为时间的国际标准单位，取代了历书秒。

（4）a约等于1/1370359，它有着极其重要的意义，它使得周期表的存在成为可能，并给予了原子进行化学反应足够的活力。

（5）奥克洛铀矿—目前已知的唯一一座天然核裂变反应堆被发现。关于a这个宇宙基本的恒定常数正在逐渐增大的轰动性话题因此而出现。

（6）1961年，天体物理学家法兰克·德雷克提出一系列的猜测，银河中存在多少恒星，有多少像地球这样的行星，又有多少智慧的生命，这为太空生物学家提供了一个科学基础。

4 超越元素周期表

（1）最稀有的自然元素-砹，科学家在1939年发现它之后，边将一份样本注射到猪身上来研究。砹也因此成为唯一一种：其发现是通过非灵长类动物实验确证的元素。

（2）20世纪科学家们顺着铀一路研究下去，发现了114号元素有着准稳定态的原子核，并且112号因为接近114号元素，也有类似的原子核，科学家管这一簇元素叫作“稳定岛”。

（3）钫通过B衰变成镭，镭通过一场暴风骤雨般的a衰变。从而直接跳过砹变成气体元素，导致地球上砹的含量极少。

（4）从于爱因斯坦的量子力学和相对论出发，人们解释了水银在室温下理应是固体，而实际却是液体。也因为爱因斯坦的这些理论，有人以他的名字命名第99元素-锿。

（5）科学家发现成簇的原子—超级原子构成的胶体状。

（6）科学家们构建的量子点显示出极大的潜力，可以用来制造新一代“量子计算机”。