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《基因与遗传》 思维导图 生物体的基因其实就是决定遗传的生化指令, 这些生化指令决定了每一个物种的各种特征, 从外貌到各种器官功能的微小细节全都包括。 染色体是基因的载体,由DNA和蛋白质构成。 DNA中携带着遗传信息。 RNA是合成蛋白质、实现遗传的物质 基因载体是染色体 承载生物体内所有遗传物质的构造称为染色体。 染色体位于细胞核内, 只有在细胞分裂时才能被观测到。 染色体主要由链状的脱氧核糖核酸DNA和蛋白质构成, 是一些微小的丝状物。 亲代的特征主要通过染色体遗传给子代。 通常不同种类的生物细胞内,染色体数目不尽相同 DNA与RNA是什么呢 DNA即脱氧核糖核酸, 是承载基因和组成染色体的物质, 为双螺旋结构。 RNA即核糖核酸, 是将DNA上的遗传信息送到细胞质中的物质,为单螺旋结构。 DNA和RNA的基本结构单位是核苷酸, 它由脱氧核糖或核糖、磷酸和碱基构成。 其中DNA的四个碱基是 鸟嘌呤(G)、腺嘌呤(A)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T), RNA是把T换成U 我们的每个细胞都含有基因 基因是含特定遗传信息的核苷酸序列, 是遗传物质的最小功能单位。 除某些病毒的基因由RNA构成以外, 多数生物的基因由DNA构成, 并在染色体上呈线状排列。 各种基因在染色体上都有各自特定的位置。 每个基因都控制着某个特定的性状。 细胞的繁殖也涉及DNA的复制 DNA复制时,两条链解开, 从成对的碱基中间分开, 然后游离在细胞核中的碱基与DNA分子每条链上的碱基配对。 碱基配对的规律是:A与T配对,G与C配对。 每个新的DNA分子的碱基顺序都与原来的DNA分子完全一致。 DNA复制保证了每一个子细胞都能获得完整的遗传信息。 那么蛋白质是怎么合成的呢 蛋白质合成由RNA来完成。 信使RNA以细胞核中的DNA分子为模板, 合成长链,然后穿过核膜来到细胞质中, 附着在核糖体上。 这时,转运RNA便携带特定氨基酸, 根据信使RNA链上的遗传信息, 开始装配蛋白质 最后我们讨论下遗传的问题 遗传是指生物体的某些特征从上一代传递到下一代的现象。 每个生物体的性状都取决于它所携带的基因。 遗传不仅使不同种类的生物之间有了明显的差异, 而且使同一物种之间也会有较小的差异。
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人类进化论 在生物世界中,基因就像一本记录生命密码的说明书,通过"中心法则"指导蛋白质的合成,而蛋白质的形态和功能最终决定了生物的性状。就像达尔文提出的"适者生存",基因的随机突变会产生新的性状,再经过环境筛选保留有利变化。科学家受此启发,在实验室里开发出"蛋白质定向进化"技术——通过人为加速基因突变并设置筛选条件,像培育超级农作物般"驯化"出性能卓越的酶。 一、实验室里的"基因复印事故" 要制造基因突变库,科学家常用的"易错PCR"技术就像给DNA复印机设置故障模式:通过添加镁离子、调整核苷酸比例等手段,让DNA复制时错误率提高万倍。这种"故意出错"的技术,每次PCR反应可产生约10^6个突变基因,相当于在复印基因时随机打乱字母顺序,创造出千奇百怪的变异版本。更有趣的是,科学家还会使用化学诱变剂或特殊菌株(如XL1-red大肠杆菌)来批量制造基因突变,这些"基因改造车间"每分钟能产出数以万计的变异基因。 二、百万里挑一的超级筛选术 获得突变基因库后,需要从海量变异中淘选出"精英分子"。传统平板筛选法就像在培养皿上玩"大家来找茬":将微生物涂布在特殊培养基上,能分解底物的菌落周围会出现透明圈,科学家用肉眼或扫描仪快速识别(每天可筛选10^4个样本)。更先进的微孔板筛选则像在微型试管阵列中进行生化考试,配合机器人手臂和光谱检测仪,每天能完成10^5次酶活性检测。 而真正的"筛选黑科技"当属FACS流式细胞术:给每个携带突变基因的细胞贴上荧光标签,让它们在液流中排队通过激光检测器,每秒可分选上万个细胞,相当于用"分子机枪"精准击落目标(通量可达10^7/天)。近年出现的液滴微流控技术更将反应体系缩小到皮升级,用油包水液滴构建微型实验室,配合人工智能图像识别,实现了单日筛选亿级样本的突破。 三、从实验室到现实生活的进化奇迹 这项技术已创造出许多"超级蛋白质":洗涤剂中的碱性蛋白酶经过多轮进化,能在60℃高温下保持活性;生物燃料工业中的纤维素酶通过定向进化,催化效率提高了100倍;就连新冠疫苗研发中使用的Spike蛋白,也运用了类似技术优化稳定性。科学家甚至将进化过程数字化,通过机器学习预测有利突变,让蛋白质改造进入"智能设计"时代。 这种"加速进化"技术正在改写生物制造规则:原本需要百万年自然选择的优化过程,现在实验室里几周就能完成。就像把生命演化的遥控器交到人类
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