20世纪被很多人认为是打开微观世界之门的世纪。这个世纪从人类认识物质的微观基本组成——原子结构开始，发展到原子弹爆炸，再到人类登上月球，都是这一世纪最辉煌的成就。在打开微观世界的宝库后，人们又以微电子技术实现了芯片的制造，使人类进入了信息化时代。这些都是在物理学的范畴内，在了解了微观结构和规律的基础上实现的。
但是，我们从前一章中已经知道，微观世界不只是物理的，也是生物的。因此，生物学的微观世界也一样应该有惊人的秘密。
事实正是这样。并且，这些与我们人类自身的秘密有最为密切的关系。我们的生存与繁衍是由微观世界决定的。
揭开这一谜团的是基因。
4.3.1 基因
基因也称为遗传因子，是指携带有遗传信息的DNA序列，是控制性状的基本遗传单位。基因通过指导蛋白质的合成来表达自己所携带的遗传信息，从而控制生物个体的性状表现。现代遗传学认为，基因是DNA分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称，是具有遗传效应的DNA分子片段。
基因不仅可以通过复制把遗传信息传递给下一代，还可以使遗传信息得到表达，也就是使遗传信息以一定的方式反映到蛋白质的分子结构上，从而使后代表现出与亲代相似的性状。
基因有两个特点：一是能忠实地复制自己，以保持生物的基本特征；二是基因能够“突变”，绝大多数突变会导致疾病，另外的一小部分是非致病突变。非致病突变给自然选择带来了原始材料，使生物可以在自然选择中被选择出最适合自然的个体。
我们常听说“这个孩子真像他爸”，或者“这个孩子长得像他妈”等，为什么会这样呢？这都是基因决定的。
可见，基因对于人类是多么的重要，一是保持正常人群的代代相传，同时也从后天获得改变的信息，记载到基因中，在下一代或几代中发生有利的变化，但是也存在变坏的风险，也就是发生突变，如癌变、返祖等。
那么基因是如何被发现的呢？
在德国布尔诺（现属捷克）的奥古斯丁教派修道院的菜园里，奥地利人孟德尔挥洒了8年的汗水，精心进行着自己的植物杂交实验。
1865年2月，他在奥地利自然科学学会会议上报告了自己的植物杂交研究结果，第二年，在奥地利自然科学学会年刊上发表了著名的《植物杂交实验》的论文，宣布发现了遗传学的两个基本规律——分离律和自由组合规律。这一研究成果使他成为遗传学的奠基人。
他指出，生物每一个性状都是通过遗传因子来传递的，遗传因子是一些独立的遗传单位。这样就把可观察的遗传性状和控制它的内在的遗传因子区分开来，遗传因子作为基因的雏形名词应运而生了。
基因的存在最早是由他在19世纪推断出来的，并不是观察的结果。在达尔文发表进化论后不久，他试图通过对豌豆进行实验来解释该理论。但是直到19世纪末，他的研究才被人们所重视。虽然孟德尔还不知道这种物质是以怎样的方式存在的，也不知道它的结构是怎样的，但孟德尔“遗传因子”的提出毕竟为现代基因概念的产生奠定了基础。
1822年，孟德尔生于当时奥地利西里西亚德语区一个贫穷的农民家庭。他幼年名叫约翰·孟德尔，是家中5个孩子中唯一的男孩。他的故乡素有“多瑙河之花”的美称，村里人都爱好园艺。一个叫施赖伯的人曾在他的故乡开办果树训练班，指导当地居民培植和嫁接不同的植物品种。孟德尔的超群智力给他留下了深刻印象。他说服孟德尔的父母送这个男孩进入更好的学校继续其学业。1833年，孟德尔进入一所中学，1840年，考入一所哲学学院。在大学中，他几乎身无分文，不得不经常为求学的资金而奔波。1843年，大学毕业后，21岁的他进入了修道院，这不是由于受到上帝的感召，而是由于他感到“被迫走上生活的第一站，而这样便能解除他为生存而做的艰苦斗争”。1849年，他获得一个担任中学教师的机会。但在1850年的教师资格考试中，他的成绩很惨。为了起码能胜任一个初级学校教师的工作，他所在的修道院根据一项教育令把他派到维也纳大学进修，希望他能得到一张正式的教师文凭。就这样，孟德尔被准许在维也纳大学学习，度过了从1851～1853年的4个学期。在此期间，他学习了物理学、化学、动物学、昆虫学、植物学、古生物学和数学。同时，他还受到杰出科学家们的影响，如多普勒。孟德尔为他当物理学演示助手，又如依汀豪生，他是一位数学家和物理学家。当然，这中间最重要的是恩格尔，他是细胞理论发展中的一位重要人物，由于否定植物物种的稳定性而受到教士们的攻击。但是这并没有影响孟德尔从他那里学到了把细胞看作动植物有机体结构的观点。
恩格尔是孟德尔有史以来遇到的最好的生物学家。他对遗传的看法具体而实际：遗传规律不是用精神本质决定的，也不是由生命力决定的，而是通过真实的事实来决定的。孟德尔在这方面也受到了恩格尔的很大影响。1853年，已经31岁的孟德尔重新回到布尔诺的修道院，同时有机会在布尔诺一所刚创建的技术学校教课。大约从这时起，孟德尔决定把他的一生贡献给生物学方面的具体实验。
1854年夏天，孟德尔开始用34个豌豆株系进行他的工作，1855年，继续实验它们在传递特性性状时的不变性。1856年，他开始了著名的一系列实验，8年实验的结果产生了那篇在1865年布隆自然历史学会上宣读的论文。这篇论文在1866年发表于该会的会议录上。就是这篇当时被完全忽视而日后被发掘出来的论文奠定了孟德尔遗传学史上的地位。1868年，孟德尔被选为修道院院长，他的管理工作剥夺了他从事科学研究的时间和精力。在孟德尔的同代人眼中，这个有教养的老修士似乎是在用一些愚蠢的、但却也无害的方法来消磨时间。1884年6月6日，孟德尔死于慢性肾脏疾病。他的后继者烧毁了他的私人文件。因此，我们几乎没有关于孟德尔的原始资料或灵感的直接记载。
到20世纪初，萨顿和鲍维里两位生物学家分别注意到在杂交实验中遗传因子的行为与减数分裂和受精中染色体的行为非常吻合，从而提出“遗传因子位于染色体上”的“萨顿鲍维里染色体理论”。他们根据各自的研究，认为孟德尔的“遗传因子”与配子形成和受精过程中的染色体传递行为具有平行性，并提出了遗传的染色体学说，认为孟德尔的遗传因子位于染色体上，即承认染色体是遗传物质的载体，第一次把遗传物质和染色体联系起来。这种假设可以很好地解释孟德尔的两大规律，在以后的科学实验中也得到了证实。
1909年，丹麦遗传学家约翰逊在《精密遗传学原理》一书中提出“基因”概念，以此来替代孟德尔假定的“遗传因子”。从此，“基因”一词一直伴随着遗传学发展至今。基因一词来自希腊语，意思为“生”。约翰逊还提出了“基因型”与“表现型”这两个含义不同的术语，初步阐明了基因与性状的关系。不过，此时的基因仍然是一个未经证实的、仅靠逻辑推理得出的概念。
20世纪70年代后，基因的概念随着多学科渗透和实验手段日新月异又有突飞猛进的发展。
1977年，桑格领导的研究小组根据大量研究事实绘制了共含有5375个核苷酸的ΦX174噬菌体DNA碱基顺序图，第一次揭示了遗传的一种经济而巧妙的编排——B和E基因核苷酸顺序分别与A和D基因的核苷酸顺序的一部分互相重叠。当然，它们各有一套读码结构，且基因末端密码也有重叠现象。
人们在研究小鸡卵清蛋白基因时发现其转录形成的mRNA只有该基因长度的1/4，其原因是基因中一些间隔序列的转录物在RNA成熟过程中被切除了。这些间隔序列称为内含子，基因中另一些被转录形成RNA的序列叫外显子。小鸡的卵清蛋白基因中至少含7个内含子。因而，从基因转录效果看，基因由外显子和内含子构成。
具有相同遗传信息的同一个体细胞间其所利用的基因并不相同，有的基因活动是维持细胞基本代谢所必须的，而有的基因则在一些分化细胞中活动。这正是细胞分化、生物发育的基础。前者称为管家基因，而后者被称为奢侈基因。
早在20世纪40年代，美国遗传学家麦克林托克在玉米研究中发现“转座因子”，直至1980年，夏皮罗等人证实了可移位的遗传基因存在，说明某些基因具有游动性。为此，这位“玉米夫人”荣获了1983年度诺贝尔奖。这一研究成果导致转基因食物的诞生，当然也引起了人们的极大争议。
4.3.2 转基因
什么是转基因？
转基因技术就是将人工分离和修饰过的基因导入到目的生物体的基因组中，从而达到改造生物的目的，常用的方法包括显微注射、基因枪、电破法、脂质体等。
转基因最初用于研究基因的功能，即把外源基因导入受体生物体基因组内（一般为模式生物，如拟南芥或斑马鱼等），观察生物体表现出的性状，达到揭示基因功能的目的。后来人们造出基因改造食品，因其安全性未最终确定，仍然在争议当中。
转基因按照基因转变的途径可分为天然转基因和人工转基因，而按照研究的对象可分为植物转基因和动物转基因。
自然转基因是生物体在自然界中因为环境条件等因素改变而发生的基因改变，正是这种不是人为导向的、自然界里动物或植物自主形成的转基因现象，启发了人们进行人工转基因研究。
人工转基因也就是人们常说的“遗传工程”、“基因工程”，将人工分离和修饰过的基因导入到生物体基因组中，由于导入基因的作用，引起生物体性状的可遗传发生改变，这一技术称之为转基因技术。
由于生物体有植物和动物之分，因此，转基因也就同样有植物转基因和动物转基因的分类。
植物转基因的研究成果是通过转基因培育，有可能改变植物的某些遗传特性，例如，培育高产、优质、抗病毒、抗虫、抗寒、抗旱、抗涝、抗盐碱、抗除草剂等的作物新品种。这一技术已经在植物的生长特别是粮食和油料作物的生长中得到了应用，从而产生出生长期短而产量高的品种。尽管目前还没有足够证据证明转基因食品对人类有害，但转基因食品安全性问题已引起人们的密切关注。
应该肯定的是符合生长规律的植物品种的转变是有益于人类的。现在的粮食作物都是天然植物经过人类多年培育转变而来的。只不过当时人类是通过环境改变和嫁接等外因技术改变粮食作物的品种，当人类进一步掌握了转基因技术后，直接从内因上进行转变，从而在效率和作用上更为明显。
动物转基因就是按照预先的设计，通过细胞融合、细胞重组、遗传物质转移、染色体工程和基因工程技术将外源基因导入精子、卵细胞或受精卵，再以生殖工程技术，有可能育成转基因动物。通过生长素基因、多产基因、促卵素基因、高泌乳量基因、瘦肉型基因、角蛋白基因、抗寄生虫基因、抗病毒基因等基因转移，可能育成生长周期短、产仔、生蛋多和产乳量高的所谓新品种。例如，转基因超级鼠约比普通老鼠大一倍。这种技术已经在牛、羊、猪、鸡、鱼等家养动物中取得一定成果。但这对人类不一定是好消息。动物转基因的研究存在更大的争议。例如，使用瘦肉型基因转变的猪肉就被明令禁止销售，因为这类动物转基因工程中所使用的转变因子对于人类可能是有危险的物质。
4.3.3 转基因食品的由来
所谓转基因食品就是利用分子生物学技术，将某些生物的基因转移到其他物种中去，改造生物的遗传物质，使其在性状、营养品质、消费品质方面向人类所需要的目标转变。
以转基因生物为直接食品或为原料加工生产的食品就是转基因食品。它的研究已有几十年的历史，但真正的商业化是近十几年的事。20世纪90年代初，市场上第一个转基因食品出现在美国，是一种保鲜番茄，这项研究成果本是在英国研究成功的，但英国人没敢将其商业化，美国人便成了第一个吃螃蟹的人，让保守的英国人后悔莫及。此后，转基因食品的发展一发不可收。据统计，美国食品和药物管理局确定的转基因品种已有43种。
从自组装角度看，这种进展最终将被证明是合理的。
4.3.4 人类基因组
基因研究的最新成就是20世纪90年代开始的国际人类基因组计划。这一计划把人类自身的研究带进了另一个新世纪。
基因组概念于1920年提出，意指生物体其所有基因与染色体的总和。人类作为生物体的最高形式，同样有着自己的基因组合。人类基因组包含有生、长、病、老、死的全部遗传信息。人类只有一个共同的基因组，不同种族、不同个体间遗传上的差异主要在于极少数基因上的序列差别。
前面已经提到，生物体中的DNA即脱氧核糖核酸是重要的基因物质。虽然DNA只含有4种碱基（A、C、G、T），但是，它们的不同排列方式在不同生物中迥然不同，从而决定了自然界中生物的多样性。几千年来，人们一直困惑“种瓜得瓜，种豆得豆”现象的本质，即遗传的机制问题。人们无论如何也没有想到，决定人类遗传的密码是藏在这个微小的基因内的。为了搞清楚人类基因的秘密，科学家决定将人类基因进行分组排序，以利于识别与研究。
人类基因组计划[human genome project， HGP]是由美国科学家于1985年率先提出，旨在阐明人类基因组30亿个碱基对的序列，发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息，使人类第一次在分子水平上全面地认识自我。由于这个工作量大面广，并且涉及全体人类的基因，仅仅依靠一个国家的少数科学家是不可能完成这项工程的，需要全世界科学家的联手工作。
2000年6月26日是人类科技史上一个令人难忘的日子，参加人类基因组计划研究的美国、英国、法国、德国、日本和中国科学家同时向世界宣布人类基因组工作草图已基本完成，已绘制出人体97%的基因组，其中85%的基因组序列得到了精确测定，包含了人体约30亿个碱基对的正确排序。
这一重大成就立刻受到全世界的瞩目，各国均给予了高度评价。人们认为人类基因组计划是继“曼哈顿”原子弹计划、“阿波罗”登月计划之后自然科学史上的第三大计划。它对人类认识自身、提高健康水平、推动生命科学、医学、生物技术、制药业、农业等的发展具有极其重要的意义。人类基因组工作草图的完成是该计划实施的一个里程碑，标志着人类在对自身的认识方面前进了一大步。有人将此成就与伽利略的天文发现相媲美，有人认为它的意义远远大于抗生素的发明。
我们知道，人体主要由蛋白质构成，如人体的皮肤、头发、肌肉、脏器，包括各种各样进行新陈代谢的酶等，都由蛋白质构成。这些人体蛋白质总共含有30亿个碱基。人类基因组计划是要读出这30亿个化学字母，也就是测出所有染色体上的30亿个碱基的排列顺序。2000年6月26日公布的工作草图中包括人体90%以上碱基的位置信息，这足以帮助科学家掌握人类生命密码的主要框架结构。
人类基因组的初步分析结果，与科学家们对其他动植物基因组研究所获得的最新进展一起，为生命科学在新世纪实现飞跃构筑起坚实的“平台”。过去10年来，科学家们已绘制出40余种物种的基因组图谱。据预测，在未来10～20年里，科学家还将解读大量生物的遗传密码。与此同时，基因组研究重点将进入确定基因结构与功能等应用研究阶段，生命科学因此将迎来新的大发展。
当然，基因研究也有其风险和负面作用，这正如原子能的研究导致了原子弹的产生一样，基因研究也同样有其负面的故事，搞不好，侏罗纪公园就很可能不只是科幻故事了。
讲到这里，我们关于微观世界的故事暂时告一段落。通过从电子到基因的探索历程和故事，我们对微观世界的面貌有了一个大概的认识，从而知道宏大的宇宙也好，复杂的人体也好，决定其命运的不是什么庞然大物，而是我们以凡眼看不见摸不着的微粒。
当然，我们还希望看到由你们续写的探索未知世界的更多的故事。
