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5.生命信息的交通规则，DNA复制
结构与功能相适应，这是生物学中永恒的命题，也是生命美的全部哲学底蕴。DNA作为遗传物质，其结构与其功能也必须相应，科学家早就想到，遗传物质必须有两种功能：其一是适合于遗传给后代，即必须复制一份完全相同的物质；其二，适合于在当代释放出父母遗传下来的“模样”信息。首先我们看看DNA复制。
5.1DNA复制，生殖式还是分裂式还是回到课堂上来讨论DNA的复制。
A：我觉得DNA复制应该是生殖式的，就像母亲生出小孩，一个老DNA分子生出一个新的DNA分子。
B：我觉得DNA复制是分裂式的，像细胞分裂一样(不是一个母细胞生出一个子细胞)，是两老链分裂，然后复制。
老师：能否简单地说明各自设想的机制？
A：首先是DNA双链解开(氢键断裂)，按查伽夫原则，各以两母链为模板复制新链，然后两新链合并形成双螺旋(子DNA)，两母链重新合并形成双螺旋(母DNA)；这样一个母DNA“生”出了一个子DNA。
B：我的设想是两条母DNA单链各自复制出新DNA后，新的和老的缠绕在一起，形成了两子DNA，母DNA平均分到子DNA中。
A：按照B的方式，子DNA中有一半老的，这样在衰老时，两个子DNA都会受到影响，从而遗传信息不稳定。
B：按照A的方式，细胞分裂时，有一个细胞得的全是老DNA，这样两个子细胞遗传信息上就不一样了，也不能保证遗传稳定性。
老师：分子没有新老之分，不像细胞和生命，单纯一个分子是没有生命的，DNA分子非常稳定，你们俩的结果是一样的，过程不一样。能设计实验检验你们的想法吗？
B：既然母DNA和子DNA完全一样，我们无法区分。除非我们一开始就把母DNA涂上颜色，然后看复制结果，如果两个分子都有颜色，就是我对了；如果只有一个分子(母DNA)有颜色，就是A对了。
A：说到涂颜色，我想到了同位素标记。比如用重氮(15N)首先形成母DNA分子，然后把含有重氮DNA的生物，放到普通氮(14N)中培养一代。用密度梯度离心法就可以区分它们。密度梯度离心能把不同密度的物质分开来，密度大的在下面(15N)，密度小的在上面(14N)。如果B对，就只有一条区带，因为他预言是老的(15N)一半，新的(14N)一半，两个子DNA分子一样。如果我对，就有两条区带，因为我预言老的(15N)和新的(14N)不混合。
老师：很妙，1958年两位科学家梅塞尔森和斯塔尔设计了A同学的实验，很遗憾，结果支持B同学的预言。其实，沃森和克里克在提出DNA双螺旋结构模型时就开始设想DNA的复制了。他们的文章发表在《自然》1953年5月30日这一期上，他们的设想与B同学一致，这种方式被称为“半保留复制”，意思是复制结果是新的一半；老的保留一半。当时也有人与同学A的设想一致，称为“全保留复制”。实验支持半保留方式。
DNA的复制可以在体外进行。柯恩伯格在体外将DNA加热变性，使氢键断裂，然后置于冰水中骤冷，两条链就会分开来(但如果是慢慢冷却，两链又会重新合并而复性)。用分开的两条链为模板，加入必要的酶和四种核苷酸就可合成DNA分子了！柯恩伯格因为这些实验而荣获1959年诺贝尔是医学奖。1984年，美国化学家穆利斯想出了更简单的方法在体外合成DNA，可以自动化，速度很快，称PCR方法。1993年，穆利斯因此获得了化学奖。
5.2隧道工程师与复制子体外复制的DNA长度很短，可以先把两条链完全分开然后一次性复制完。可是体内的DNA分子是很长很长的，如大肠杆菌的DNA有400万对碱基，复制一次的时间只有40分钟，这就意味着每分钟要复制10万对碱基。这个速度是相当惊人的，纤弱的细胞如何经受得了这番折腾？一定有别的办法。
首先，让我们来看看隧道工程师的办法。一个隧道工程师接到一项任务，在一年内完成10公里长的地铁隧道开挖工作。如果从一个开口进行挖掘，他的工程队每月只能完成0.1公里，人和机器再多也只能这样，因为一个隧道口只能容纳那么多人。隧道工程师想出了一个美妙的方案，他让工程队在地面上每隔2公里挖一个垂直向下的洞，共4个，然后在洞底向两个方向开始挖掘，这样他就可以在剩下的10个月中把隧道挖通了；四个洞共挖8公里，两端共挖2公里。隧道工程师的方法就是分段同时施工。
DNA体内复制正是采用了这种隧道工程师方案。首先从一条长链确定几个复制起点，然后从每个起点向两端运行，这样一个起点就有两个终点，这两个终点之间的距离就是复制子。对应于隧道工程师的方案，一个“复制子”是2公里，起点左向1公里加上起点右向1公里。
那末，如何知道DNA复制执行的是隧道工程师方案呢？我们再次想到涂“颜色”的做法，如果在DNA复制开始时放到稀“颜料”中，过一段时间之后放到浓“颜料”中，可以看到DNA分子有许多段涂上“颜色”，而不是连续的，这说明DNA复制是多起点的。仔细分辨“颜色”，发现中间稀两头浓，稀的是开始复制的，浓的是后复制的，这就可以推断复制是从起点向两端进行。
5.3交通法则与半不连续复制在详细描述DNA复制子更为细致的复制过程之前，我们先来做一道智力题目：大雪封路，雪后，某交通大队接到命令，必须尽快地铲掉公路及两旁行人道上的积雪，但即使如此，也不能违反交通规则：行人靠右。
交通大队长首先想到在每一道口开进两辆铲雪车，背离而行，分段清扫，这采用了隧道工程师方案。问题是每段行人道上的积雪如何清扫，行人道必须由人工完成(车辆开进行人道是违反交通规则的)，而且靠右前进。
如果复制果真是半不连续的，那么复制过程中就会产生一些尚未连接起来的DNA片段，用物理化学方法处理就可以把这些片段提取出来。日本生物学家冈崎首先做到了这一点，他于1968年得到了这样的片段，后来被称为冈崎片段。
DNA复制过程的发现一开始纯粹是猜测的，根据逻辑进行推理得出结论，然后验证。这一科学发现的过程充分体现了理性的预测力量，体现了生命的理性美。假说―演绎―检验的方法一次又一次地在现代生物学中运用着。
DNA的复制并不是一个已经完全解决了的问题，可以说，分子遗传学最先研究DNA复制，而没有解决的问题又是最多的。DNA复制的最大难题是去螺旋，我们可以拿两段绳搓成一根右手螺旋的双螺旋，这差不多相当于一个DNA分子。DNA复制时必须把螺旋松散开来，每复制一个螺旋，整个DNA分子左向旋转一周。我们已经知道DNA复制速度很快，解螺旋的速度也就会很快，这并不会因为采用隧道工程师的方案而减慢。纤弱的DNA能承受这样的折腾吗？于是开始用拓扑学(一个数学分支)来研究DNA去螺旋。
DNA复制研究是一项未竟的事业，读者尽可以根据现代分子遗传学的进展充分地发挥你的想象力，提出各种各样的解决方案。
5.1DNA复制，生殖式还是分裂式还是回到课堂上来讨论DNA的复制。
A：我觉得DNA复制应该是生殖式的，就像母亲生出小孩，一个老DNA分子生出一个新的DNA分子。
B：我觉得DNA复制是分裂式的，像细胞分裂一样(不是一个母细胞生出一个子细胞)，是两老链分裂，然后复制。
老师：能否简单地说明各自设想的机制？
A：首先是DNA双链解开(氢键断裂)，按查伽夫原则，各以两母链为模板复制新链，然后两新链合并形成双螺旋(子DNA)，两母链重新合并形成双螺旋(母DNA)；这样一个母DNA“生”出了一个子DNA。
B：我的设想是两条母DNA单链各自复制出新DNA后，新的和老的缠绕在一起，形成了两子DNA，母DNA平均分到子DNA中。
A：按照B的方式，子DNA中有一半老的，这样在衰老时，两个子DNA都会受到影响，从而遗传信息不稳定。
B：按照A的方式，细胞分裂时，有一个细胞得的全是老DNA，这样两个子细胞遗传信息上就不一样了，也不能保证遗传稳定性。
老师：分子没有新老之分，不像细胞和生命，单纯一个分子是没有生命的，DNA分子非常稳定，你们俩的结果是一样的，过程不一样。能设计实验检验你们的想法吗？
B：既然母DNA和子DNA完全一样，我们无法区分。除非我们一开始就把母DNA涂上颜色，然后看复制结果，如果两个分子都有颜色，就是我对了；如果只有一个分子(母DNA)有颜色，就是A对了。
A：说到涂颜色，我想到了同位素标记。比如用重氮(15N)首先形成母DNA分子，然后把含有重氮DNA的生物，放到普通氮(14N)中培养一代。用密度梯度离心法就可以区分它们。密度梯度离心能把不同密度的物质分开来，密度大的在下面(15N)，密度小的在上面(14N)。如果B对，就只有一条区带，因为他预言是老的(15N)一半，新的(14N)一半，两个子DNA分子一样。如果我对，就有两条区带，因为我预言老的(15N)和新的(14N)不混合。
老师：很妙，1958年两位科学家梅塞尔森和斯塔尔设计了A同学的实验，很遗憾，结果支持B同学的预言。其实，沃森和克里克在提出DNA双螺旋结构模型时就开始设想DNA的复制了。他们的文章发表在《自然》1953年5月30日这一期上，他们的设想与B同学一致，这种方式被称为“半保留复制”，意思是复制结果是新的一半；老的保留一半。当时也有人与同学A的设想一致，称为“全保留复制”。实验支持半保留方式。
DNA的复制可以在体外进行。柯恩伯格在体外将DNA加热变性，使氢键断裂，然后置于冰水中骤冷，两条链就会分开来(但如果是慢慢冷却，两链又会重新合并而复性)。用分开的两条链为模板，加入必要的酶和四种核苷酸就可合成DNA分子了！柯恩伯格因为这些实验而荣获1959年诺贝尔是医学奖。1984年，美国化学家穆利斯想出了更简单的方法在体外合成DNA，可以自动化，速度很快，称PCR方法。1993年，穆利斯因此获得了化学奖。
5.2隧道工程师与复制子体外复制的DNA长度很短，可以先把两条链完全分开然后一次性复制完。可是体内的DNA分子是很长很长的，如大肠杆菌的DNA有400万对碱基，复制一次的时间只有40分钟，这就意味着每分钟要复制10万对碱基。这个速度是相当惊人的，纤弱的细胞如何经受得了这番折腾？一定有别的办法。
首先，让我们来看看隧道工程师的办法。一个隧道工程师接到一项任务，在一年内完成10公里长的地铁隧道开挖工作。如果从一个开口进行挖掘，他的工程队每月只能完成0.1公里，人和机器再多也只能这样，因为一个隧道口只能容纳那么多人。隧道工程师想出了一个美妙的方案，他让工程队在地面上每隔2公里挖一个垂直向下的洞，共4个，然后在洞底向两个方向开始挖掘，这样他就可以在剩下的10个月中把隧道挖通了；四个洞共挖8公里，两端共挖2公里。隧道工程师的方法就是分段同时施工。
DNA体内复制正是采用了这种隧道工程师方案。首先从一条长链确定几个复制起点，然后从每个起点向两端运行，这样一个起点就有两个终点，这两个终点之间的距离就是复制子。对应于隧道工程师的方案，一个“复制子”是2公里，起点左向1公里加上起点右向1公里。
那末，如何知道DNA复制执行的是隧道工程师方案呢？我们再次想到涂“颜色”的做法，如果在DNA复制开始时放到稀“颜料”中，过一段时间之后放到浓“颜料”中，可以看到DNA分子有许多段涂上“颜色”，而不是连续的，这说明DNA复制是多起点的。仔细分辨“颜色”，发现中间稀两头浓，稀的是开始复制的，浓的是后复制的，这就可以推断复制是从起点向两端进行。
5.3交通法则与半不连续复制在详细描述DNA复制子更为细致的复制过程之前，我们先来做一道智力题目：大雪封路，雪后，某交通大队接到命令，必须尽快地铲掉公路及两旁行人道上的积雪，但即使如此，也不能违反交通规则：行人靠右。
交通大队长首先想到在每一道口开进两辆铲雪车，背离而行，分段清扫，这采用了隧道工程师方案。问题是每段行人道上的积雪如何清扫，行人道必须由人工完成(车辆开进行人道是违反交通规则的)，而且靠右前进。
如果复制果真是半不连续的，那么复制过程中就会产生一些尚未连接起来的DNA片段，用物理化学方法处理就可以把这些片段提取出来。日本生物学家冈崎首先做到了这一点，他于1968年得到了这样的片段，后来被称为冈崎片段。
DNA复制过程的发现一开始纯粹是猜测的，根据逻辑进行推理得出结论，然后验证。这一科学发现的过程充分体现了理性的预测力量，体现了生命的理性美。假说―演绎―检验的方法一次又一次地在现代生物学中运用着。
DNA的复制并不是一个已经完全解决了的问题，可以说，分子遗传学最先研究DNA复制，而没有解决的问题又是最多的。DNA复制的最大难题是去螺旋，我们可以拿两段绳搓成一根右手螺旋的双螺旋，这差不多相当于一个DNA分子。DNA复制时必须把螺旋松散开来，每复制一个螺旋，整个DNA分子左向旋转一周。我们已经知道DNA复制速度很快，解螺旋的速度也就会很快，这并不会因为采用隧道工程师的方案而减慢。纤弱的DNA能承受这样的折腾吗？于是开始用拓扑学(一个数学分支)来研究DNA去螺旋。
DNA复制研究是一项未竟的事业，读者尽可以根据现代分子遗传学的进展充分地发挥你的想象力，提出各种各样的解决方案。
