生物学基础知识1 细胞（BB1）

细胞与生物体之间的关系可以用德国植物学家施莱登（M.J.Schleiden）和动物学家施旺（T.Schwann）提出的细胞学说来解释。根据迈阿密大学生物学教授Charles Mallory博士的解释，细胞学说包括：

（1）所有生物体都是由细胞组成；

（2）细胞是组成生物结构和维持生命功能的基本单位；

（3）细胞来自其他细胞；

（4）细胞含有生物体的遗传指令；

（5）细胞控制了生物体的代谢和生物化学反应。因此，细胞是生物体最基本的结构单位和功能单位。那么，细胞包括哪些部分呢？

细胞从有无真正的细胞核这点分，可分为原核（原始的核）细胞和真核细胞两类，其区别是有无核膜把核物质包裹起来，真核细胞有核膜，原核细胞无核膜。植物细胞和动物细胞都属真核细胞，但植物细胞比动物细胞多一层细胞壁，其余部分都基本相同，也就是动物细胞和植物细胞都有细胞膜、细胞质和细胞核这3部分。

细胞膜的主要成分为脂质和蛋白质，主要功能为屏障作用、物质交换和信息传递等。细胞质的构成成分除了由蛋白质分子、脂肪、游离氨基酸和由电解质组成的基质外，还具有许多重要结构的细胞器。细胞核包括核膜、核仁、核液、染色质。

BB1.1 细胞、细胞的形态与结构

生物是由细胞构成的，细胞是生命活动的单位。一些生命活动的基本过程，如物质代谢、能量转换、运动、发育、繁殖和遗传等，都是以细胞为结构基础来实现的。即使是没有细胞结构的病毒，其生命活动也离不开细胞。因此，细胞是一切生命活动的基本结构和功能单位。

细胞的形状和大小

世界上的生物形态各异，结构功能复杂多样，构成生物体的细胞的结构、功能和所处的环境都不尽相同，人类各类细胞形态也千差万别，有圆形、椭圆形、柱形、方形、多角形、扁形、梭形，甚至不定形（见图BB1.1）。

根据结构的不同，细胞可分为真核细胞（Eukaryotic Cell）与原核细胞（Prokaryotic Cell），多细胞的真核生物（Eukaryote）由真核细胞构成（如动物与植物），而大部分的原核生物则以单细胞的方式存在，如细菌（Bacteria）。

原核细胞的形状常与细胞外沉积物（如细胞壁）有关，如细菌细胞呈棒形、球形、弧形、螺旋形等不同形状。单细胞的动物或植物形状更复杂一些，如草履虫像鞋底状，眼虫呈梭形且带有长鞭毛，钟形虫呈袋状。

高等生物的细胞形状与细胞功能和细胞间的相互关系有关。如动物体内具有收缩功能的肌肉细胞呈长条形或长梭形；红细胞为圆盘状，有利于O2和CO2的气体交换。植物叶表皮的保卫细胞成半月形，2个细胞围成一个气孔，以利于呼吸和蒸腾。细胞离开了生物体分散存在时，形状往往发生变化，如平滑肌细胞在体内成梭形，而在离体培养时则可成多角形。

一般说来，真核细胞的体积大于原核细胞，卵细胞大于体细胞。大多数动植物细胞直径一般在20~30μm间。鸵鸟的卵黄直径可达5cm，支原体仅0.1μm，人的坐骨神经细胞的长度可达1m（见表BB1.1）。

细胞的结构

真核细胞由细胞膜、细胞质和细胞核组成，植物细胞和真菌、藻类及原核生物的表面有细胞壁。细胞膜是细胞表面的一层单位膜，特称为质膜（Plasmolemma；Plasma Membrane）。真核细胞除了具有质膜、核膜外，发达的细胞内膜形成了许多功能区隔。由膜围成的各种细胞器（Organelles），如内质网、高尔基体、线粒体、叶绿体、溶酶体等，这些细胞器是具有可辨认形态和能够完成特定功能的结构。在结构上，细胞内膜形成了一个连续的体系，称为内膜系统（Endomembrane System）。内膜系统将细胞质分隔成不同的区域，即所谓的区隔化（Compartmentalization）。区隔化是细胞的高等性状，它不仅使细胞内表面积增加了数十倍，各种生化反应能够有条不紊地进行，而且细胞代谢能力也比原核细胞大为提高（见图BB1.2）。

细胞质（Cytoplasm）是存在于质膜与核被膜之间的原生质，除细胞器外，细胞质的其余部分称为细胞质基质（Cytoplasmic Matrix）或胞质溶胶（Cytosol），其体积约占细胞质的一半。细胞质基质并不是均一的溶胶结构，其中还含有由微管、微丝和中间纤维组成的细胞骨架结构。

细胞质中重要的细胞器有以下几种：

内质网（Endoplasmic Reticulum）：由膜围成一个连续的管道系统。内质网分为两种，粗面内质网（Rough Endoplasmic Reticulum，RER），表面附有核糖体，参与蛋白质的合成和加工；光面内质网（Smooth Endoplasmic Reticulum，SER）表面没有核糖体，参与脂类合成。

高尔基体（Golgi Body；Golgi Apparatus）：由质膜组成的扁囊和小泡组成，是蛋白质进一步成熟并分泌的位置。

溶酶体（Lysosome）：由质膜包裹的各种水解酶组成的泡状物，可消化分解细胞内一些物质。

线粒体（Mitochondrion）：由双层质膜围成的细胞器，通过氧化磷酸化合成ATP，并将能量储存在ATP，用于各种代谢活动，被喻为细胞的动力工场。

叶绿体（Chloroplast）：是植物细胞中特有的，与光合作用有关，由双层膜围成。

中心粒（Centriole）：位于动物细胞的中心部位，故名，由相互垂直的两组9+0三联微管组成。中心粒加中心粒周围物质称为中心体（Centrosome）。

细胞骨架（Cytoskeleton）：由微管、微丝和中间丝构成，与细胞运动和维持细胞形态有关。

细胞的功能基本上在细胞质中完成，为细胞内各类生化反应的正常进行提供了相对稳定的离子环境，供给细胞器行使其功能所需要的一切底物。控制基因的表达与细胞核一起参与细胞的分化，参与蛋白质的合成、加工、运输、选择性降解。

细胞核（Nucleus）是细胞内最重要的细胞器，核表面是由双层膜构成的核被膜（Nuclear Envelope），核内包含有由DNA和蛋白质构成的染色质（Chromatin）。染色质是生物的遗传物质。核内还有1至数个小球形结构，称为核仁（Nucleolus）。

BB1.2 染色质和染色体

1879年，德国生物学家弗莱明（W.Flemming）在用显微镜观察细胞时，用一种碱性的红色染料给细胞染色时，看到在细胞核中散布着星星点点的被染上颜色的物质，他就把这些物质称为染色质（Chromatin）。他还首次详细描述了细胞分裂过程。

1888年，德国人瓦尔德尔（W.von Waldeyer）看到染色质在细胞分裂的进程中会逐渐变粗变短直至可以分出各种不同的长短和形状，他就把这种逐渐变粗变短且具有一定长度和形状的染色质称为染色体（Chromosome）。接着的研究确定，染色体上有一个着丝粒，着丝粒的两边分别称为染色体臂，长的为长臂，短的则为短臂。在每个染色体的两端有一种特殊的“帽子”结构，这种结构特称为端粒。端粒能够维持染色体的完整，其实质为一小段DNA蛋白质复合体。

在显微镜下看到的染色体经常是一个着丝粒连着两条单体，由同一个着丝粒相连的单体特称为姐妹染色单体。在体细胞中的染色体都是成双成对的，同对染色体中两个成员互为同源染色体（Homologous Chromosome）。绝大多数的物种拥有两套相同的染色体组，称为二倍体（Diploid）。不同物种染色体的对数不同，如人是46条，23对，表示为2n=46。有的如蕨类植物（Ophioglossum Reticulum）的染色体数多达1260条，2n=1260；有的如马蛔虫（Ascarismegalocephala）则只有两条染色体，2n=2。

有的生物，在细胞中存在着与性别相关的染色体，在显微镜下只要看到这种染色体立即就可判别该细胞来自雌性还是雄性。这种直接指示性别的染色体特称性染色体。如人类中，男性细胞中有一对XY染色体，女性细胞中有一对XX染色体，其余还有22对男女都相同的染色体，就称为常染色体。

显微镜下，染色体基本都有一个着丝粒（Centromere）和被着丝粒分开的两个臂。着丝粒是细胞分裂时纺锤丝的附着区域，这个区域又称为着丝点（Spindle Fiber Attachment）。经过染色后，染色体在光学显微镜下可见，而着丝粒部分无法染色，称为主缢痕（Primary Constriction）。有的染色体在短臂的末端还有一个次缢痕（Secondary Constriction），次缢痕末端的突起称为随体（Satellite）。不同物种和同一个物种的染色体的长度差异都很大，宽度上，同一物种内的染色体大致相同（见图BB1.3）。

BB1.3 细胞的增殖周期（有丝分裂与配子体形成）

有丝分裂

生命是不断地新陈代谢的过程，在这个过程中，单个细胞的生命是有限的，需要不断地更新复制，新的细胞不断产生，老的细胞消失。细胞是通过分裂来复制其本身，复制的方式有无丝分裂（Amitosis）和有丝分裂（Mitosis）两种。无丝分裂是一种原始的分裂方式，细胞直接一分为二，细胞内容物也一分为二，如蛙的红细胞。无丝分裂是如何保证内容物尤其是遗传物质的正确分离到两个子细胞，目前尚不清楚。而有丝分裂是生物细胞最基本的分裂方式。在有丝分裂中有染色体的复制和精确的分离过程，使细胞严格地保持了遗传物质的稳定性。有丝分裂是因为在分裂过程中在显微镜下能看到纺锤状的丝状物而得名。

细胞从一次有丝分裂的结束到下一次有丝分裂的结束，称为细胞的一个细胞周期（Cell Cycle）。一个细胞周期分为间期（Interphase）和分裂期（Mitosis）。为了研究方便，将间期和分裂期作了细致的分期（见图BB1.4）。

间期是细胞物质的储备和染色质复制的过程，可分为DNA合成前期（G1），合成期（S），合成后期（G2）。

（1）G1期（First Gap）。从有丝分裂到DNA复制前的一段时期，又称合成前期，此期主要合成RNA和核糖体。

（2）S期（Synthesis）。即DNA合成期，在此期，除了合成DNA外，同时还要合成组蛋白。DNA复制所需要的酶都在这一时期合成。

（3）G2期（Second Gap）。为DNA合成后期，是有丝分裂的准备期。在这一时期，DNA合成终止，大量合成RNA及蛋白质，包括微管蛋白和促成熟因子等。

细胞的有丝分裂（Mitosis）需经前、中、后、末期，是一个连续变化过程，由一个母细胞分裂成为两个子细胞。一般需1～2小时（见图BB1.5）。

（1）前期（Prophase）染色质丝高度螺旋化，逐渐形成染色体（Chromosome）。染色体短而粗，强嗜碱性。两个中心体向相反方向移动，在细胞中形成两极；而后以中心粒随体为起始点开始合成微管，形成纺锤体。核仁随着染色质的螺旋化，逐渐消失。核被膜开始瓦解为离散的囊泡状内质网。

（2）中期（Metaphase）细胞变为球形，核仁与核被膜已完全消失。染色体均移到细胞的赤道平面，从纺锤体两极发出的微管附着于每一个染色体的着丝点上。从中期细胞可分离得到完整的染色体群，分离的染色体呈短粗棒状或发夹状，均由两个染色单体借狭窄的着丝点连接构成。

（3）后期（Anaphase）由于纺锤体微管的活动，着丝点纵裂，每一染色体的两个姐妹染色单体分开，并向相反方向移动，接近各自的中心体，染色单体遂分为两组。与此同时，细胞被拉长，并由于赤道部细胞膜下方环行微丝束的活动，该部缩窄，细胞遂呈哑铃形。

（4）末期（Telophase）染色单体逐渐解螺旋，重新出现染色质丝与核仁；内质网囊泡组合为核被膜；细胞赤道部缩窄加深，最后完全分裂为两个2倍体的子细胞。

减数分裂与配子的形成

有丝分裂是生物细胞分裂增殖的基本方式，而生殖细胞的分裂增殖是一种特殊的有丝分裂，其中因涉及染色体数目的减半，因此称为减数分裂（Meiosis）。减数分裂仅发生在生命周期某一阶段，它是进行有性生殖的生物性母细胞成熟、形成配子的过程中出现的一种特殊分裂方式。

减数分裂可以分为两个阶段，间期和分裂期，其中分裂期又分为减数第一次分裂期（减Ⅰ），减数第二次分裂期（减Ⅱ）。减Ⅰ末期与减Ⅱ前期间有间期，但很短可以忽略（见图BB1.6）。其中第一次减数分裂的前期因为有同源染色体的配对，过程最复杂，最重要。

减数分裂的过程如下：

（1）细胞分裂前的间期，进行DNA和染色体的复制，染色体数目不变，DNA数目变为原细胞的两倍。

（2）减Ⅰ前期同源染色体联会（Chromosome Synapsis），形成四分体（或“二联体”）。这一过程按显微镜下染色体的形态又可分为5个阶段：

细线期，细胞核内出现细长、线状染色体，细胞核和核仁体积增大。每条染色体含有两条姐妹染色单体。

偶线期，又称配对期。细胞内的同源染色体两两侧面紧密并列，纵向联结在一起进行配对，这一现象称作联会。由于配对的一对同源染色体中有4条染色单体，称为四分体（Tetrad）。

粗线期，染色体连续缩短变粗，同时，四分体中的非姐妹染色单体之间发生了DNA的片段交换，从而导致了父母基因的互换，产生了基因重组，但每个染色单体上仍都具有完全相同的基因。

双线期，发生交叉的染色单体开始分开。由于交叉常常不止发生在一个位点，因此，染色体呈现V，X，8，O等各种形状。

终变期（又叫浓缩期），染色体变成紧密凝集状态并向核的周围靠近。以后，核膜、核仁消失，最后形成纺锤体。

（3）减Ⅰ中期，同源染色体着丝点对称排列在赤道板两端（与动物细胞的有丝分裂大致相同，动物细胞有丝分裂为着丝点排列在赤道板上）。

（4）减Ⅰ后期，同源染色体分离，非同源染色体自由组合，移向细胞两极。

（5）减Ⅰ末期细胞一分为二，形成初级精母细胞或形成初级卵母细胞和第一极体。

（6）减Ⅱ前期初级精母细胞和初级卵母细胞中染色体再次聚集，再次形成纺锤体。

（7）减Ⅱ中期染色体着丝点排在赤道板上。

（8）减Ⅱ后期染色体着丝点分离，染色体移向两极，姐妹染色体分离。

（9）减Ⅱ末期，细胞一分为二，初级精母细胞形成精细胞，初级卵母细胞形成卵细胞和第二极体。

因此，减数分裂过程中染色体仅复制一次，细胞连续分裂两次，第一次分裂是同源染色体的配对、分离，第二次分离是姐妹染色单体分离，使最终形成的配子中染色体仅为性母细胞的一半。受精时雌雄配子结合，恢复亲代染色体数，从而保持物种染色体数的恒定。

BB1.4 细胞的分化、衰老和死亡与人类寿命的关系

细胞的分化（differentiation）与全能性

多细胞生物由许多类型不同的细胞构成，这些不同类型的细胞在结构和生化组成上都存在着明显的差异，执行不同的功能。但一个生物中的每个细胞都有着相同的遗传物质，它们都起源于同一个细胞——受精卵，通过不断的分裂和变化，同源细胞之间逐渐产生了稳定的差异，通常包含形态结构、生理功能和生化特征3方面的差异。这种差异产生的过程就称为细胞分化（Cell Differentiation）。因此，个体发育是通过细胞分化来实现的。在细胞分化的过程中，个体逐渐形成稳定的组织差异，不同类型的细胞分别构成不同的组织、器官和系统。

不同的细胞具有不同的分化能力，其强弱被称为分化潜能（Differentiation Potential），依次分为全能性、多能性和单能性。全能性指可以产生所有细胞类型的能力。在哺乳类的胚胎发育中，只有受精卵和早期的卵裂球细胞是全能性细胞，其中分裂到6~18个细胞的卵裂球称为桑葚胚（Morula）（见图BB1.7），将桑葚胚中的细胞单个或多个放入子宫内均可发育为完整胚胎。但随着细胞分化的进程，细胞在分化潜能上出现了一定的局限性。卵裂后期的胚胎形成一个由单层细胞围成、中间有腔隙的胚泡（Blastocyst），这一时期的胚胎又称为囊胚。在囊胚形成后，其中的内细胞团具有分化为所有胚胎3个胚层的能力，但不能形成滋养外胚层，即使返回子宫也无法形成完整的胚胎，但它们能与新的囊胚形成嵌合体，参与个体发育，属于多能性（Multipotent）细胞，被称为胚胎干细胞（Embryonic Stem Cell）。最后，经过器官发生，各种组织、细胞的命运被最终确定，一些细胞仅具有分化形成某一种类型细胞的能力，称为单能（Unipotent）细胞。同样，在成体的组织更新过程中，细胞的分化潜能或可塑性逐渐减少。这种逐渐由“全能”变为“多能”，最后趋向于“单能”的分化趋势是细胞分化过程中的一个普遍规律。除了受精卵和32细胞之前的卵裂球细胞之外，人们还在人和动物的体内发现了成体干细胞（Adult Stem Cell）。成体干细胞是成熟机体中存在的一些可以分化的细胞，可自我复制，并不断分化，代替和补充衰老、死亡的细胞以及损伤后用于组织修复的细胞，是高等生物不断生长发育及进行组织更新的基础。

太行隆肛蛙的桑葚胚（32细胞期）（左）（陶娟等，2010）雨蛙的桑葚胚（32细胞期）（右）（向孙军等2009）

在高等生物中，细胞的分化一旦确立，其分化状态将十分稳定，一个细胞一旦分化为一个稳定的类型后，一般不再能逆转到未分化状态。然而在一些特殊条件下，已经分化的细胞可重新获得未分化的特征，或从一个分化程度较高的状态转入分化程度较低的状态，这一过程称为去分化（Dedifferentiation）。对于高等哺乳动物，细胞的去分化是特殊条件下发生的低概率事件，其发生机制有待于进一步深入探讨。细胞发生去分化的基础在于细胞核中遗传信息的完整性。虽然细胞分化的潜能随分化进程越变越小，但对绝大多数细胞的细胞核而言，却可始终保持着遗传信息的完整性，即将已经分化的体细胞的细胞核取出，放入去核的卵细胞中，依然可发育为一个完整的个体。从两栖类，到小鼠，直到克隆羊多利的成功，科学家们证明了即使是终末端分化的细胞，其细胞核依然具有全能性。

细胞的衰老（Aging）、死亡

一个细胞从干细胞逐步分化成熟、然后衰老死亡的过程被称为一个细胞的生命期（Life Span）。在生命期内，细胞分化成熟后，一方面失去了分裂增殖的能力，另一方面细胞的形态结构和功能开始经历一系列的退行性变化，称之为细胞的衰老（Cell Aging）。机体内一些类型的细胞更新较快，寿命较短，分化成熟后很快就衰老走向死亡，如血细胞、表皮细胞；其他一些类型的细胞在分化成熟后可保持几乎与机体相同的寿命，在这漫长的生命期内，它们同样也经历着不断趋向衰老的过程，如一些骨细胞和神经细胞。细胞的衰老表现为分裂能力的减弱和彻底的丧失，最终走向退化死亡。

引起细胞衰老的机制是非常复杂的，一般认为是细胞损伤的积累和衰老相关基因的表达。细胞损伤一方面是指生物体代谢过程中产生的大量的毒副产物如超氧阴离子、羟自由基和过氧化氢等活性氧成分，这些毒性物质对细胞造成一定的氧化损伤，同时基因组的DNA也不断经历着损伤修复的过程。随着损伤的累积，细胞就会逐渐老化，当达到一定阈值，细胞的生命期就会结束，最终导致细胞的衰老。另一方面染色体末端序列——端粒DNA结构的完整性对染色体的稳定性是不可缺少的，在细胞分裂的过程中，由于端粒复制的不完整，造成端粒序列的丢失、缩短，引发了染色体的变异。端粒丢失的补偿可通过端粒酶来补偿，但端粒酶的缺乏，使DNA复制过程中端粒不断丢失，当端粒缩短丢失到一定的极限时，DNA无法复制，细胞不再分裂，也引发了细胞的衰老，因此人体细胞中的这种与衰老相关的端粒的减少现象被称为“端粒钟”。但端粒理论并不能解释某些物种寿命的差异，如小鼠的大部分细胞都有端粒酶表达，小鼠的端粒长度为人的5~10倍，但小鼠的寿命明显小于人类。还有研究发现大鼠的细胞中没有“端粒”，细胞的衰老主要是由内环境中损伤作用引起的DNA损伤所致。除此之外，人们还在生物体内发现了与细胞衰老相关的基因，根据功能分为衰老基因和抗衰老基因，他们相互作用调节机体的衰老进程。如细胞衰老时表达活跃的基因：sag基因、p16基因，被称为衰老基因。抗衰老基因又称为长寿基因，如人的wrn基因与酵母中的sgs1基因同源，是保证正常生命周期所必需的基因，如果发生突变，将导致衰老提前和寿命缩短。

机体的衰老与细胞衰老之间的关系

机体的衰老是我们所熟知的生命现象，是生命活动的基本特征之一。生物体在生命过程中总有细胞不断衰老、死亡，同时又有新增的细胞代替衰老死亡的细胞。衰老实际上包含两方面的含义：一方面指生物体在生长发育成熟后，随年龄增长机体在形态结构、化学成分和生理功能方面出现一系列慢性、退行性的变化；另一方面是指生物体的生命期是有一定限度的，即生物体是有一定寿命的，在这一生命期内，机体会逐渐趋向衰老和死亡。细胞衰老与机体衰老对单细胞生物没有区别，但对多细胞生物，细胞的衰老与机体的衰老是两个概念，细胞衰老不等于机体衰老，机体衰老也并不代表所有细胞的同时衰老。机体的不同器官组织的细胞，衰老和死亡的速率、时间和方式存在显著的差异。动物从幼年开始，机体就有很多细胞不断衰老死亡，发育过程中组织器官的演化中伴随着大量细胞的凋亡。一些细胞的衰老可换来另一些细胞的新生，从而换来机体的生机勃勃。另一方面，机体刚刚死亡时，并不是体内全部的细胞都随即停止了生命活动，一些细胞依然存活，可用来做器官移植和组织培养。

细胞衰老与机体衰老密切相关，细胞衰老是机体衰老的基础和直接原因，机体衰老是细胞衰老的反应，机体的死亡则往往是由于重要细胞如脑细胞、心肌细胞的死亡引起的。

BB1.5 基因与染色体的关系

染色体是生物遗传物质的载体，位于细胞核内，是由脱氧核糖核酸（DNA）和组蛋白组成特殊结构的复合物。1928年，格里费斯（Griffith，F.）从肺炎链球菌转化实验发现细胞中携带遗传信息的物质，当时并不知道这种物质是DNA。16年后，阿委瑞（O.Avery）证明了导致这种细菌转化的物质是DNA而不是蛋白质。随后，赫尔歇（Hershey）等人的噬菌体侵染大肠杆菌的实验和佛兰克尔-康拉特（Frankel-Conrat）等的烟草花叶病毒感染实验也证明遗传物质是DNA或RNA，而不是外壳蛋白。1953年，由沃森（J.Watson）和克里克（F.Crick）提出了DNA的双螺旋结构模型，使得人们对DNA作为遗传物质的遗传模式的认识达到了一个新的里程碑。DNA是由磷酸脱氧核糖共价结合组成的多聚分子链，是DNA分子的骨架，一条链上的嘌呤、嘧啶碱基与另一条链上的碱基以A（腺嘌呤）-T胸腺嘧啶，G（鸟嘌呤）-C（胞嘧啶）的配对规则通过氢键相互连接，处于分子的内部。在发现DNA双螺旋结构的基础上，人们对DNA的精确复制的方式有进一步的认识：双螺旋解链，分别以原有的母链为模板，按碱基配对的原则重新复制出一条子链。这种以一条母链和一条新的子链形成新的DNA双螺旋结构的复制方式被称为半保留复制（Semiconservative Replication）。DNA即是以半保留复制的方式严格控制遗传信息的精确传递。

基因（Gene）是指控制生物性状的遗传因子，基因位于染色体上。现代分子生物学的研究表明，基因即是指位于染色体上的一段具有特定结构的DNA片段，这些DNA片段与一种蛋白的合成有关，因此，基因是遗传信息表达的单位。一个生物体的DNA所带的全套信息叫做它的基因组（Genome），或染色体组。生物体所合成的所有蛋白质都在其基因组的指导下进行，因此基因组的信息量惊人地庞大：一个典型的人类细胞所含的DNA分子总长达2米，含有约3.2×109核苷酸对（或碱基对，base pare，bp）。对基因组的遗传学特征分析发现，基因在整个染色体上并不是均匀分布的，而且基因组中不同区域具有不同的功能，有些编码蛋白质的结构基因，而有些则编码基因表达的调控信号，有些区域的功能尚不清楚。

BB1.6 遗传学的基本定律

遗传学的基本概念

表现型（Phenotype），是指一个生物体所具有的任何可测量特性或显著性状。这种性状有的是可见的，如花的颜色；有的表现型则需要特殊检测才能确定：血型，需要血清学的检测。因此，表现型是在一个给定的环境中，基因产物得以表达的结果。

基因型（Genotype），一个生物体的基因组成就是它的基因型。一个种群中，同一基因位点上的等位基因可以有3个或3个以上，被称为复等位基因（Multiple Alleles）。携带相同等位基因的配子结合产生一个纯合（Homozygous）的基因型，在某个等位基因上具有纯合型的生物被称为某种基因型的纯合子（Homozygote），纯合子只能产生一种配子。携带不同等位基因的配子的结合，产生杂合的（Heterozygous）基因型，称作杂合子（Heterozygote）。杂合子在同源染色体的同一个单基因座上有两个不同的等位基因，可产生不同种类的配子。杂合子（杂种）通过自体受精或亲缘关系很近的个体之间交配很多代后，通常会产生在几乎所有基因座上都是纯合的群体，称为纯系（Pure Line），而一组具有相似遗传背景的个体常被称为一个系或株（Strain）、种（Species）。

显性（Dominant）和隐性（Recessive），一个基因的等位形式几乎总是通过编码的蛋白质的合成得到“表达”，进而影响生物体的表型。显性的等位基因在纯合子和杂合子时都能从表型上观察到；而隐性的等位基因只能在纯合的表现型上观察到。

携带者（Carrier），某些隐性等位基因在纯合时对生物体有害，而杂合子虽然不表现有害，但可将这种有害遗传给后代，因此被称为携带者。因为许多有害基因的个体在自然选择中被淘汰，一个群体中含有的大多数有害等位基因都是在携带者个体中发现的。

野生型（Wild Type）与突变型（Mutant），野生型是指在一个群体中普遍见到的等位基因，表现出野生型等位基因的表型的生物体被称为野生型生物体，野生型通常都是显性的；不太常见的等位基因称作突变型，表现出罕见等位基因表型的生物体被称作突变体，而突变型大部分可能是隐性的。

正交（Direct Cross）与反交（Reciprocal Cross）。在豌豆杂交实验中，孟德尔用红花植株与白花植株进行杂交，并提前将作为母本白花植株的花蕾的雄蕊完全摘除，然后将作为父本的红花植株的花粉授到一个去雄的白花植株的柱头上。如果这种以红花植株为父本，白花植株为母本的杂交称为正交；则以白花植株作为父本，红花植株作为母本的杂交方式则相对为反交。

遗传分析式，在遗传分析的过程中常常用分支图或叉线图进行（见图BB1.8），图中可列出杂交亲本的表型和基因型，分析亲本产生的配子的类型及杂交后代的表型和基因型。这种方法可用来找到所有可能的基因型和表现型的组合及相关的比例关系。

还有一种方法称为庞纳特方格（Punnett Square）（见图BB1.9），其名称是根据其发明者Reginald C.Punnett命名的。庞纳特方格使用棋盘格或表格的形式来表示来自每个亲代可能配子的基因型，一组配子在最上面的一行，另一组配子在最左面的一列。各种配子组合产生的可能的后代基因型组合在表格的中央显示。根据表格中后代各基因型的组合可分析后代个体的表现型及各种基因型或表现型出现的比例。

孟德尔遗传定律

孟德尔从1856—1864年进行了8年的豌豆杂交实验，确定了生物性状遗传的两条基本规律：一对遗传因子的分离和多对遗传因子分离后的自由组合。这两个规律被称为孟德尔定律，即分离规律（The Law of Segregation）和独立分配规律（The Law of Independent Assortment）。

一对遗传因子的分离规律是在杂交实验过程中，仅考察一对基因的遗传方式。由一对表现相对性状的纯合亲本（Parent，P）杂交后，无论正交或反交，杂交的后代F1（Filial Generation，用F表示杂交的后代，用下标数字表示代数）均为杂合子，表现为显性亲本的性状；杂合子之间自交后代F2除了表现显性性状之外，还有一部分个体又表现出了隐性亲本的性状，且显性性状个体与隐性性状个体个数的比例为3∶1（见图BB1.10）。

孟德尔在7对相对性状的杂交试验中都获得了相似的结果。从这些结果中可以看出：①无论正反交，F1表现的性状是一致的，都只表现显性亲本的性状，隐性亲本的性状未表现；②F2代的植株在表现上不同，一部分表现显性亲本的性状，另一部分表现隐性亲本的性状，且显性性状与隐性性状的比例接近3∶1。这种现象称为性状分离现象（Character Segregation）。3∶1的分离是一对等位基因在形成生殖细胞（配子）时分离（分别进入不同的配子）的必然结果，这是普遍的规律，称为分离定律。

如果同时考察两对相对性状：豌豆子叶的颜色、子叶的形状，用黄色圆形子叶的植株与绿色皱形子叶的豌豆植株正交或反交，F1代植株的子叶均为黄色圆形的，说明黄色对绿色是显性，圆粒对皱粒是显性。F1代植株自交后除了出现黄色圆粒和绿色皱粒之外，还出现了新的组合：黄色皱粒和绿色圆粒。黄色圆粒、黄色皱粒、绿色圆粒、绿色皱粒植株的比例接近9∶3∶3∶1，将其他相对性状两两组合后也出现了相同的情况。在这个杂交试验中，如果我们单独考察其中的一对相对性状，依然会出现3∶1的比例，这种两对相对性状独立遗传又自由组合的现象称为独立分配现象或自由组合现象（见图BB1.11）。这种独立遗传或自由组合的遗传现象也是普遍的规律，称为独立分配或自由组合定律。

分离定律和独立分配定律的正确性可用测交（Test Cross）的方法进行验证。测交是指被检测的个体与隐性纯合的个体间的杂交。测交所得的后代为测交子代。由于隐性纯合个体只能产生含隐性基因的配子，它们和含有任何基因的另一种配子结合，其子代都只能表现出另一种配子所含基因的表现型，因此，根据测交子代所出现的表现型的种类和比例，可以确定被测个体是杂合体还是纯合体。用杂合F1与隐性纯合个体进行测交，一对等位基因杂合状态下能形成2种配子的比例是1∶1，与隐性配子形成合子后产生的后代两种表现型的比例也为1∶1（见图BB1.12）；而两对等位基因杂合状态下能形成4种配子，比例也是1∶1∶1∶1，与双隐性个体产生的配子结合形成的合子产生的后代有4种表现型，其比例也是1∶1∶1∶1。从而证明我们假设的分离现象和独立分配和自由组合的现象的原理是正确的（见图BB1.13）。

连锁与交换规律

两对基因位于不同的同源染色体上时，配子形成时会随着减数分裂发生等位基因间的分离现象和非等位基因之间的自由组合及独立分配现象。但当两对基因位于同一条同源染色体上时，在减数分裂过程中则不分开，而是连在一起分配到同一个配子中去，使得F2代中表型的比例发生变化，这种现象称为连锁（Linkage）。图BB1.14中，贝特生（W.Bateson）在紫豌豆的杂交实验中发现紫花长花粉粒的植株与红花圆花粉粒的植株杂交后的F2代中重组个体紫花圆花粉粒和红花长花粉粒的表型个数远远低于自由组合的理论个数。

连锁现象是由贝特生（W.Bateson）和庞尼特（R.C.Punnett）在紫豌豆杂交实验中发现的，后经摩尔根（T.H.Morgan，1866—1945年）用果蝇为材料进行深入研究提出的不属于独立遗传的另一类遗传现象。当两个性状在形成配子时完全不分开，F2代中不形成新的性状组合，仅表现亲本性状的现象称为完全连锁（Complete Linkage）。完全连锁的情况是极少见的，大部分为不完全连锁（Incomplete Linkage），在同一对同源染色体上的两个非等位基因之间或多或少地发生非姐妹染色单体之间的部分染色体交换（Crossing-over）。

图BB1.15中，在果蝇的体色（黑身，灰身）和翅型（长翅，残翅）两对相对性状的杂交实验中，已知果蝇灰身（b+）对黑身（b）为显性，长翅（vg+）对残翅（vg）为显性。用灰身残翅（b+b+vgvg）的雄蝇与黑身长翅（bbvg+vg+）的雌蝇交配，得到的F1代全为灰身长翅（b+bvg+vg）。然后用F1代的雄蝇与黑身残翅（bbvgvg）的雌蝇进行测交，结果测交后代中只出现了两种亲本类型，其数目各占50%。因为测交后代的表现型种类和比例正好反映杂种个体所形成的配子种类和比例，因此图例的测交结果表明F1雄蝇只形成了b+vg和bvg+两种精子。也就是说b+b和vg+vg两对非等位基因完全连锁在同一同源染色体上。因此，测交后代只出现亲型个体，不表现重组表型黑身残翅和灰身长翅，而且出现的亲型个体数目相等，这种现象为完全连锁。

交换的发生是在形成配子时，减数分裂前期Ⅰ的偶线期各对同源染色体分别配对，出现联会现象（Chiasma），到粗线期形成二价体，进入双线期在二价体之间的某些区段出现交叉，这些交叉是染色体发生交换的结果。除了着丝点以外，非姐妹染色体单体的任何位点都可能发生交换，只是靠近着丝点区段的交换频率低于远离着丝点的区段（见图BB1.16）。因此交换是位于同源染色体上的基因在形成配子的过程中经常发生的现象。

位于同一条染色体上的不同基因，相互间称为连锁基因，连锁基因也会因同源染色体间出现交叉而发生位置交换，这也是一种规律，这种规律称为连锁交换定律。

基因在染色体上的位置固定，各基因之间有一定的距离和相对顺序。同源染色体的非姐妹染色单体间有关连锁基因发生交换的频率称为交换值（Crossing-over Value），或重组率（Recombination Frequency）。交换值可用重组型配子占总配子数的百分比来表示。由于交换值是相对稳定的，所以可用这个数值表示两个基因在同一条染色体上的相对距离，称为遗传距离（Genetic Distance）。将1%的交换值定为度量交换的一个基本遗传单位（Map Unit），用1个厘摩（centimorgan，cM）表示。交换值越大，连锁基因之间的遗传距离越远，反之越近。

利用测交法的F2代表现出的表现型推测双杂合子产生配子的类型，可计算基因之间的交换值，以此来确定基因在染色体上的相对位置，并标记在染色体上，称为连锁遗传图（Linkage Map），又称遗传图谱（Genetic Map）。存在于同一条染色体上的基因群称为连锁群（Linkage Group）。通过连锁遗传图的制作可确定基因在染色体上的位置，因此这个工作又称为基因定位（Gene Mapping）。基因定位是利用测交等经典方法进行，并不断完善着许多生物的遗传图谱。随着现代分子遗传学方法的发展，使基因定位及遗传图谱已经准确到了基因的序列，为人类进一步了解生物及自身的遗传特性做出了应有的贡献。