血型
当然，遗传学家不能肯定由植物和昆虫实验所得到的定律必定适用于人类，毕竟我们既不是豌豆，也不是果蝇。但是对某些人的性状的直接研究证明，人的遗传确实遵循同样的定律。最著名的例子就是血型的遗传。
输血是一种非常古老的医疗方法。早期的医生有时甚至试图把动物的血输给因失血过多而身体衰弱的病人。但是即使输入的血，也常常使情况更加恶化，所以曾经有一个时期制定了禁止输血的法律。在19世纪90年代，奥地利病理学家兰德施泰纳终于发现，人血有不同的血型，其中有些血型是互不相容的。他发现，有时把一个人的血液和另一个人的血清样本（血液中去掉红血球和凝集因子后剩下的液体）相混合，前者所有血液中的红血球会凝集在一起。显然如果在输血时发生这种混合是非常危险的，倘若凝集的血块堵塞了重要血管里的血液循环，甚至可能导致病人死亡。但是，兰德施泰纳还发现，有些血液混合后不会引起任何有害的凝集。
到1902年，兰德施泰纳已经能够宣布，人的血液有4种血型，他命名为A、B、AB和O型。任何人都只有其中一种血型的血液。当然，具有同一血型的人可以互相输血而没有危险。此外，O型血可以安全地输给任何血型的人，而A型血和B型血都可以输给AB型的病人。但是，当把AB型血输给A型或B型的人时，当A型血和B型血混合时，或者O型血的人接受任何非O型血时，都会造成红血球凝集。（现在，为了避免可能的血清反应，合乎要求的做法是只给病人输自己血型的血。）
1930年，兰德施泰纳（当时已成为美国公民）获得诺贝尔医学与生理学奖。
遗传学家们已经证实，这些血型（以及后来发现的所有其他血型，包括Rh型）都是严格按照孟德尔的方式遗传的。好像有3个等位基因分别负责A、B和O型。如果父母都是O型，则所有的小孩都会是O型。如果父母有一方是O型而另一方是A型，则所有的小孩可能是A型，因为等位基因A对O呈显性。等位基因B对O同样呈显性。但是等位基因B和等位基因A相对不呈显性，因而同时具有A和B两个等位基因的人是AB型。
因为血型严格地遵循孟德尔的定律，所以可以（而且已经）用血型来鉴定父亲的身份。如果一个O型的母亲生了一个B型的小孩，则孩子的父亲一定是B型，因为那个等位基因B一定要有个来源。如果女人的丈夫碰巧是A型或O型，则证明是女人不贞（或者是医院里把小孩弄错了）。如果一个有B型孩子的O型女人指控一个A型或O型的男人是小孩的父亲，那么她或是弄错了或是在说谎。但是，尽管血型有时能够证明否定的观点，却无法证明肯定的观点。如果这个女人的丈夫或被指控的男人是B型，情况仍得不到证明。任何B型或AB型的男人都可能是小孩的父亲。
优生学
伴性性状的存在也证明孟德尔的遗传定律适用于人类。正如我前面提到的，色盲和血友病几乎只发生在男性身上，而且遗传的方式和果蝇伴性性状的遗传方式一模一样。
于是自然会出现这样一种想法：禁止患这种病的人生育，就能够消灭这种病。通过指导下的适当婚配，甚至人种也可以得到改良，就像家畜的品种已经得到改良一样。这绝不是一个新想法。2500年前，古代的斯巴达人就相信这个观点并试图实行。在近代，英国科学家高尔顿（C.R.达尔文的一个表兄弟）又使这个想法复活起来。1883年，他创造了优生学一词来描述他的构想。
当时高尔顿不知道孟德尔的发现，他不明白为什么一些看起来似乎不存在的性状却被以隐性的方式携带着；他也不理解成组的性状为什么会完整地遗传，而且很难只去掉不想要的性状而不去掉想要的性状；他更不知道突变会把不想要的性状一代一代地传下去。
虽然如此，想“改良”人种的愿望持续不断，时至今日甚至在科学家中也可以找到优生学的支持者。这些支持者的动机很值得怀疑，因为那些热衷于表明可以识别的种族之间重要遗传差异的人，他们自己肯定属于“优等”之列。
例如，英国心理学家伯特发表了对不同种族智力的研究成果，宣称有确凿的证据认为，男人比女人聪明，基督教徒比犹太人聪明，英格兰人比爱尔兰人聪明，上等阶层的英国人比下等阶层的英国人聪明，等等。在每次比较中，伯特自己都属于“优等”种族。他的研究成果被两种人所接受。一种人像伯特那样，认为自己属于“优等”种族；另一种人轻易地相信，那些被划为“劣等”种族的人不是压迫和偏见的受害者，而是自身缺陷的受害者。
但是，在伯特1971年去世以后，人们对他的数据产生了怀疑，他的统计数字完美得令人无法相信。人们的怀疑越来越多，1978年，美国心理学家多尔夫曼能够相当确凿地证明，伯特急于证实他深信不疑但无法用正当的方法证明的论点，便简单地编造了他的数据。
然而，即使这样，晶体管发明者之一的肖克利仍然认为，由于遗传因子的关系，黑人的智力比白人低得多，所以给黑人以同等的机会以使黑人得到改善的企图注定要失败。这个观点使他声名狼藉。德国血统的英国心理学家艾森克也坚持这个观点。
1980年，肖克利不小心透露出，在他70岁时曾献出一些精子，冷冻保存在精子库里，供高智力的志愿妇女受孕时使用。这件事被一些爱开玩笑的人传为笑柄。
我自己的看法是，人类遗传学是一门极其复杂的学科，在可以预见的将来不可能完全搞清楚。因为人不能像果蝇那样又快又多地生育；因为人的交配不能作为试验在实验室里进行；因为人的染色体和遗传性状比果蝇多得多；因为我们最感兴趣的一些人的性状（如创造性才能、智力和精神的力量）极其复杂，涉及到许多基因的相互作用和环境的影响；由于这一切原因，遗传学家对人类遗传学的研究不像他们研究果蝇遗传学那样有信心。
因此，优生学依然是一个梦想。由于缺乏知识，使它既不明确又无实质，而且还有恶意，因为它很容易被种族主义者和抱偏见者所利用。
化学遗传学
一个基因到底是怎样形成它所负责的身体性状的呢？它是通过什么机制使豌豆的种子呈黄色，使果蝇卷翅，或者使人的眼睛成为蓝色的呢？
生物学家现在已经确定，基因是通过酶起作用的。这方面最清楚的例子之一就是眼睛、毛发和皮肤的颜色。颜色（蓝或棕，黄或黑，红或棕，或介于二者之间的色调）是由色素的量决定的。这种色素叫做黑色素，存在于眼睛的虹膜、毛发或皮肤里。黑色素是由一种叫做酪氨酸的氨基酸经过许多步骤形成的，大部分步骤现在都搞清楚了。许多种酶参与了这一过程，而且形成黑色素的量取决于这些酶的多少。例如，其中有一种催化头两个步骤的酶，叫做酪氨酸酶。大概是某个特殊的基因控制着细胞产生酪氨酸酶的过程，从而用这种方式控制皮肤、毛发和眼睛的颜色，而且，因为这个基因一代传一代，所以小孩在颜色上天生就像他们的父母。如果突变碰巧产生一个不能形成酪氨酸酶的有缺陷的基因，这样就会没有黑色素，那个人就会成为一个白化病人。因此，缺少一种酶（从而缺少一个基因）就足以使人的性状发生重大变化。
假定一个生物体的性状是由其酶的组成控制的，而酶的组成又是由基因控制的，那么，下一个问题是：基因是怎样起作用的？可惜，要详细地搞清楚这个问题，连果蝇这样的生物也太复杂了。但是，1941年，美国生物学家比德尔和塔特姆开始用一种简单的生物体进行此项研究。他们发现有一种生物体非常适合这一目的，它就是普通的红色面包霉（学名为脉孢菌）。
脉孢菌不需要特别的营养。只要有糖和能够提供氮、硫及各种矿物质的无机物，它就能生活得很好。除了糖以外，必须给它提供的惟一有机物就是一种叫做生物素的维生素。
在它的生活周期的某个阶段，脉孢菌会产生8个遗传成分完全相同的孢子。每个孢子都含有7个染色体；和高等生物的性细胞一样，孢子的染色体都是单的，不成对。于是，只要有一条染色体发生变化，就能够观察到它的作用，因为没有正常配对的染色体掩盖它的作用。因此，比德尔和塔特姆能够用X射线照射制造这种霉菌的突变，然后追踪在孢子行为方面的特殊效果。
如果脉孢菌接受定量的辐射以后，孢子仍能在平常的培养基中旺盛地生活，这就清楚地表明没有突变发生，至少负责生物体生长所需营养的基因没有发生突变。如果孢子在普通培养基中不生长，实验者就把它们放入含有各种维生素、氨基酸以及它们可能需要的其他物质的完全培养基中饲养，进而确定它们是活着还是已死去。如果孢子在完全培养基中生长，结论就是，X射线产生了改变脉孢菌营养需求的突变。很明显，现在至少需要在它们的食物里增加一种新的物质。为了查明到底需要何种物质，实验者把孢子放入许多培养基内，每个培养基分别缺少完全培养基中的某些物质。它们可能缺少所有的氨基酸或各种的维生素，或者只有一两种氨基酸或一两种维生素。用这种方法，他们逐渐缩小营养需求的范围，直到识别出孢子因为突变现在所需求的食物是什么。
结果证明，有时突变的孢子需要精氨酸。正常的野生种能用糖和铵盐制造自己的精氨酸。现在，由于基因的改变，所以它不能再合成精氨酸；而且如果不在食物中提供这种氨基酸，它就不能制造蛋白质，因此不能生长。
解释这种情况的最明白的方法，就是假定X射线破坏了一个负责合成某种酶的基因，而这种酶是制造精氨酸所必不可少的。因为缺少正常的基因，所以脉孢菌不能再制造这种酶，没有这种酶也就没有精氨酸。
比德尔和他的同事们继续利用这类资料研究基因与代谢化学的关系。例如，有一种方法可以证明，不止一个基因参与了制造精氨酸。为了简便起见，我们假设有两个基因——基因A和基因B——负责合成两种不同的酶，两者都是合成精氨酸所必需的。那么，不论是基因A还是基因B发生突变，都会使脉孢菌失去制造这种氨基酸的能力。假设我们照射两组脉孢菌，在每一组中都产生一株没有精氨酸的霉菌。如果我们幸运的话，一个突变种可能含有一个有缺陷的基因A和一个正常的基因B；另一个突变种含有一个正常的基因A和一个有缺陷的基因B。要想知道是不是这种情况，让我们把这两个突变种在它们生活周期的性阶段进行杂交。如果两个菌株确实有这种区别的话，染色体的重组就会产生一些基因A和基因B都正常的孢子。换句话说，利用两个不能制造精氨酸的突变种，我们可以得到能够制造精氨酸的后代。果然，在进行实验时发生的正是这种情况。
我们可以对脉孢菌的代谢进行比这更详细的探讨。例如，这里有三株不能靠普通培养基制造精氨酸的突变种：一株只有供给精氨酸才能生长；第二株无论得到精氨酸还是瓜氨酸（一种和精氨酸非常类似的化合物）就能生长；第三株靠精氨酸、瓜氨酸或鸟氨酸（另一种类似的化合物）都能生长。
你能据此得出什么结论呢？我们可以猜出这三种物质是连续的三个步骤，最终产物是精氨酸。每一步骤需要一种酶。首先，在一种酶的帮助下，由某种更简单的化合物形成鸟氨酸；然后，另一种酶把鸟氨酸变为瓜氨酸；最后，第三种酶把瓜氨酸变为精氨酸。一株缺少制造鸟氨酸的酶但具有其他酶的脉抱菌突变种，如果供给它鸟氨酸，它仍能活下去，因为它的孢子能够利用鸟氨酸制造瓜氨酸，然后再制造必需的精氨酸，当然靠精氨酸本身也能生长。由于同样原因，我们可以推断出，第二株突变种缺少把鸟氮酸变为瓜氨酸所需要的酶，因此必须给这个菌株提供瓜氨酸（它能够利用瓜氨酸制造精氨酸）或精氨酸本身。最后，我们可以得出这样的结论：只靠精氨酸生长的突变种已经失去了负责把瓜氨酸变为精氨酸的酶（和基因）。
通过分析他们能够分离的各种突变菌株的行为，比德尔和他的同事们创立了化学遗传学这门科学。他们研究出生物体合成许多重要化合物的过程。比德尔提出了著名的一个基因一种酶学说①，就是说每个基因都控制着一种酶的形成，这个学说现在为遗传学家所普遍接受。由于他们的开创性工作，比德尔和塔特姆分享了1958年的诺贝尔医学与生理学奖。
异常血红蛋白
比德尔的发现使生物化学家们对蛋白质中（当然，特别是人的各种突变中）由基因控制的变化的迹象警觉起来了。一个与一种叫做镰形细胞贫血症的疾病有关的病例意外地出现了，这种疾病是人类1600多种遗传性疾病之一。
这种疾病是美国芝加哥医生赫里克1910年首先报道的。在用显微镜观察一个10多岁的黑人患者的血液样本时，赫里克发现在正常情况下应为圆形的红血球呈现出各种奇怪而弯曲的形状，其中许多看起来就像新月形的镰刀。其他医生也开始注意这种奇特的现象，患者几乎都是黑人。最后，研究者确认镰形细胞贫血症是一种遗传性疾病，这种疾病遵循孟德尔的遗传定律：显然有一种镰形细胞基因，如果从父母那里得到两个这样的基因，就会产生这些畸形的红血球。这种红血球不能很好地携带氧气，而且寿命特别短，所以血液中缺少红血球。得到两个这种基因的人通常在童年时期就会死去。但是，如果一个人从他父母的一方只得到一个镰形细胞基因，不出现这种病。当一个人严重缺氧时（如在高海拔时），他的红血球才会出现镰形。这种人被认为有镰形细胞性状，而不是有这种病。
已经发现，大约9%的美国黑人有这种性状，0.25%的人患有这种疾病。在中非的一些地区，表现出这种性状的多达黑人人口的1/4。很明显，镰形细胞基因起源于非洲的一种突变，此后便由非洲血统的人遗传下来。既然这种病能够致死，那么，为什么这种有缺陷的基因一直没有消失呢？20世纪50年代在非洲的研究找到了这个问题的答案：有镰形细胞性状的人似乎比正常人对疟疾具有更强的免疫力。镰形细胞不知为什么不适合于疟原虫寄生。据估计，在疟疾猖撅的地区，有镰形细胞性状的儿童比没有这种性状的儿童活到生育年龄的机会大25%。因此，有一个镰形细胞基因（但不是引起贫血的两个基因）反而有利。单个基因的保护作用促使这种有缺陷的基因发展，两个基因的致命作用促使这种基因消灭，这两种相反的倾向往往产生一种平衡，使这种基因在人口中维持在一定的水平上。
在疟疾不严重的地区，这个基因确实在倾向于消失。在美国，开始时黑人中镰形细胞基因的发生率高达25%。即使由于黑人与非黑人的结合，把这个数字降低到估计的15%，目前只有9%的发生率也表明，这个基因在减少。它很可能继续减少下去。如果非洲消灭了疟疾，这个基因在非洲大概也会减少。
1949年，加利福尼亚理工学院（比德尔也在那里工作）的泡令和他的同事们证明，这个基因影响红血球里的血红蛋白：有两个镰形细胞基因的人不能制造正常的血红蛋白。于是，镰形细胞基因的生物化学意义突然显得重要起来。泡令是用一种叫做电泳的技术证明这一点的。电泳是利用电流分离蛋白质的一种方法，因为各种蛋白质分子上的净电荷不同。（电泳技术是瑞典化学家蒂塞利乌斯研制出来的，他由于这项有用的贡献获得1948年的诺贝尔化学奖。）利用电泳分析，泡令发现患镰形细胞贫血症的病人具有异常血红蛋白（命名为血红蛋白S），这种血红蛋白可以从正常血红蛋白中分离出来。正常血红蛋白被命名为血红蛋白A（A表示“成人”），以便和胎儿的血红蛋白（命名为血红蛋白F，F表示“胎儿”）区别开来。
自1949年以来，除了血红蛋白S以外，生物化学家们又发现了其他一些异常血红蛋白，并按英文字母的顺序由血红蛋白C命名到血红蛋白M。很明显，负责制造血红蛋白的那个基因已经突变为多个有缺陷的等位基因。每个等位基因都会产生一种血红蛋白，这些血红蛋白在正常的情况下执行分子的功能比较差，但是在某种特殊的条件下也许有用处。因此，正像只有一个基因产生的血红蛋白S能够增强对疟疾的抵抗力那样，只有一个基因产生的血红蛋白C也能增强人体忍受最低含铁量的能力。
既然各种异常血红蛋白的电荷不同，它们肽链上的氨基酸的排列也必定有所差别，因为氨基酸的成分决定着分子的电荷分布图。这些差别一定非常小，因为各种异常血红蛋白都能勉强执行血红蛋白的功能。要想在一个有600个氨基酸的大分子上找出这种差别，希望同样是很小的。然而，德国血统的美国生物化学家英格拉姆和他的同事们解决了异常血红蛋白的这个化学问题。
他们用一种蛋白质分解酶把血红蛋白A、血红蛋白S和血红蛋白C消化，先把它们分解成大小不同的肽。然后用纸电泳把各种血红蛋白的片段分开——即用电流（而不是通过溶液）使分子沿着一张湿的滤纸移动。（我们可以认为这是一种带电的纸色谱法。）当研究者把这三种血红蛋白逐一这样处理后，他们发现三者之间惟一的差别是，一个单肽在每种血红蛋白中出现的位置不同。
他们继续分解和分析这个肽。最后他们了解到，这个肽是由9个氨基酸组成的，而且这9个氨基酸除在一个位置上不同外，在这三种血红蛋白中的排列完全相同。它们的排列分别是：
血红蛋白A：组—缬—亮—亮—苏—脯—谷—谷—赖
血红蛋白S：组—缬—亮—亮—苏—脯—缬—谷—赖
血红蛋白C：组—缬—亮—亮—苏—脯—赖—谷—赖
由此可知，这三种血红蛋白之间惟一的差别在肽的第七位的那个氨基酸上：血红蛋白A是谷氨酸，血红蛋白S是缬氨酸，血红蛋白C是赖氨酸。因为谷氨酸产生负电荷，赖氨酸产生正电荷，缬氨酸不产生电荷，所以这三个血红蛋白在电泳中表现不同就没有什么奇怪的了。它们的电荷分布图不同。
但是，分子上这么微小的变化为什么会造成红血球如此重大的改变呢？原来，正常的红血球里有1/3是血红蛋白A。血红蛋白A分子在细胞里挤得很紧，几乎没有自由移动的余地。简言之，它们处在要从溶液里沉淀出来的程度。一个蛋白能否沉淀出来，部分影响是它所带电荷的性质。如果所有的蛋白都带有相同的净电荷，它们就会相互排斥无法沉淀。电荷越大（即排斥力越大），蛋白越不容易沉淀。血红蛋白S分子间的排斥力比血红蛋白A的略微小一点，所以血红蛋白S相应地不易溶解而更容易沉淀。当一个镰形细胞基因和一个正常基因配成对时，正常基因可以形成足够的血红蛋白A，使血红蛋白S保留在溶液内，可是这时生命就岌岌可危了。但是当两个基因都是镰形细胞突变种时，它们就会只产生血红蛋白S。这种分子不能保留在溶液内，它会沉淀成晶体，使红血球扭曲和变弱。
这个学说可以说明，为什么在一个差不多由600个氨基酸组成的分子的每一半上，只改变一个氨基酸，就足以产生一种严重的疾病，而且患者几乎必定夭折。
代谢异常
由于缺少一种酶或由于一个基因的突变而引起的人类缺陷，已经查出的不止是白化病和镰形细胞贫血症。苯酮尿症也是一种遗传性代谢缺陷，常常引起智力低下。患者是由于缺少把苯丙氨酸转变成酪氨酸所需要的一种酶。还有一种半乳糖血症，能引起白内障并损害脑和肝。已经查明，这种病是由于患者缺少把磷酸半乳糖转变为磷酸葡萄糖所需要的一种酶。还有一种疾病与缺少某种控制糖原（一种淀粉）分解和把它转变为葡萄糖的酶有关，这种病会造成肝或其他地方内糖原的异常积累，往往导致夭折。这些都是先天代谢病的例子，都是先天缺少正常人所具有的合成某种比较重要的酶的能力。这个观念是英国医生加罗德1908年首先向医学界提出的，但是在一代人的时间里没有人理睬，直到20世纪30年代中期，英国遗传学家霍尔丹再度提请科学家们注意这个问题。
这类疾病通常都是由产生有关酶的基因的一个隐性等位基因控制的。当一对基因中只有一个有缺陷时，那个正常基因能够坚持下去，患者一般能够过正常的生活（如具有镰形细胞性状的人那样）。只有当父母双方碰巧都具有相同的缺陷基因，而这两个基因又被结合到受精卵里时，通常才会出现麻烦。这时他们的孩子就是一个不幸的受害者了。大概所有的人都带有异常的、有缺陷的、甚至是危险的基因，但通常都被正常基因掩盖了。现在你可以理解为什么人类遗传学家如此关心辐射或任何其他可增加突变率和遗传负荷的东西了。
核酸
总的来说，遗传上真正值得注意的不是这些惊人的、比较罕见的畸变，而是遗传如此严格地一如往常的事实。一代接着一代，一千年又一千年，基因一直不断地以完全相同的方式复制着自己，并产生着完全同样的酶，只是在偶然的情况下才会意外地偏离蓝图。它们即使在大分子上也不会弄错一个氨基酸。以如此惊人的忠实程度，一次又一次准确地自我复制，它们到底是怎样做到这一点的呢？
这个问题的答案一定在我们称为染色体的长串基因的化学上。染色体的一个主要部分是蛋白质，它大约有一半的物质是由蛋白质构成的。这并不令人惊奇。随着20世纪的消逝，生物化学家们认为，任何复杂的身体功能都与蛋白质有关。蛋白质似乎是身体里最复杂的分子，只有蛋白质分子的复杂程度才足以表现出生命的多面性和敏感性。
可是，染色体蛋白质的主要部分属于组蛋白类，就蛋白质来说，这些分子是相当小的，而且更糟糕的是，它们是由氨基酸的一种惊人的简单混合组成的。它们的复杂程度似乎远不能决定遗传的精密性和复杂性。诚然，染色体中还有大得多而且更复杂的分子组成的非组蛋白的蛋白质成分，但它们仅占整个染色体的一小部分。
然而，生物化学家们被这种蛋白质难住了。无疑，遗传的机制只能与蛋白质有关。大约一半的染色体是由非蛋白物质组成的，但是似乎任何非蛋白物质都不可能合适。不过，我们仍然必须讨论染色体的这种非蛋白质成分。
一般结构
1869年，一位名叫米舍尔的瑞士生物化学家在用胃蛋白酶分解细胞的蛋白质时，发现胃蛋白酶并没有破坏细胞核。细胞核缩小了一些，但依然完整无损。经过化学分析，米舍尔发现，细胞核主要是由一种含磷的物质组成的，这种物质的性质与蛋白质毫无相似之处。他称这种物质为核质，20年后发现它是一种强酸，又重新命名为核酸。
米舍尔专心致力于研究这种新物质，终于发现几乎全部由细胞核物质构成的精子细胞特别富含核酸。同时，德国化学家霍佩-塞勒从酵母细胞中分离出核酸（米舍尔就是在霍佩-塞勒的实验室里获得他的第一个发现的，而且霍佩-塞勒亲自证实了这个年轻人的工作以后，才同意把它发表）。这种核酸在性质上似乎不同于米舍尔发现的那种核酸，所以把米舍尔发现的核酸命名为胸腺核酸（因为它特别容易从动物的胸腺里得到），而把霍佩-塞勒发现的核酸自然地叫做酵母核酸。由于开始时胸腺核酸只从动物细胞里提取，酵母核酸只从植物细胞里提取，因此有一个时期人们认为这可能是动植物之间一种普遍的化学差别。
德国生物化学家科塞尔（霍佩-塞勒的另一位学生）是第一个对核酸分子的结构进行系统研究的人。他经过精心的水解，从核酸里分离出一系列的含氮化合物，并分别命名为腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶，现在知道这些化合物的结构式分别为：
头两种化合物的双环结构叫做嘌呤环，另外两种化合物的单环称为嘧啶环。因此，腺嘌呤和鸟嘌呤属于嘌呤类，而胞嘧啶和胸腺嘧啶属于嘧啶类。
由于这些研究引起了一系列富有成果的发现，科塞尔获得1910年的诺贝尔医学与生理学奖。
1911年，俄国出生的美国生物化学家列文（科塞尔的一名学生）又把这项研究向前推进了一步。1891年科塞尔曾发现核酸含有碳水化合物，而现在列文证明核酸含有五碳糖分子。（当时这是一项不寻常的发现，因为大家所熟悉的糖，如葡萄糖，都含有六个碳。）列文沿着这个发现继续前进，证明两种核酸所含的五碳糖性质不同。酵母核酸含有核糖，而胸腺核酸含有一个与核糖非常相似的糖，只比核糖少一个氧原子，所以叫做脱氧核糖。它们的结构式分别为：
因此，这两种核酸后来分别叫做核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。
这两种核酸除含糖不一样外，所含的嘧啶中也有一个不相同。RNA有一个尿嘧啶代替了胸腺嘧啶。不过，尿嘧啶和胸腺嘧啶非常相似，这一点从结构式上可以看出来：
到1934年，列文已经能够证明，核酸可以分解成含有一个嘌呤（或一个嘧啶）、一个核糖（或一个脱氧核糖）和一个磷酸基的一些片段。这个组合叫做核苷酸。列文提出，核酸分子是由核苷酸构成的，正如蛋白质是由氨基酸构成的一样。他的定量研究表明，核酸分子仅由4个核苷酸单元所组成，一个含腺嘌呤，一个含鸟嘌呤，一个含胞嘧啶，一个含胸腺嘧啶（在DNA里）或尿嘧啶（在RNA里）。
这个提法似乎很有道理。染色体内及其他地方的物质被认为是核蛋白，而核蛋白又是由一个带有一个或多个四核苷酸基的大蛋白质分子组成的，四核苷酸基的作用尚不清楚，可能起着某种次要的作用。
但是，后来发现，列文所分离出来的不是核酸分子而是核酸的片段；而且到20世纪50年代中期，生物化学家们发现核酸的分子量高达600万。所以，核酸分子与蛋白质分子大小相当，甚至可能比蛋白质分子还要大。
核苷酸组合和互相连接的确切方式是由英国生物化学家托德证实的。他利用比较简单的片段组合成各种核苷酸，并在只允许有一种键的条件下，小心地把核苷酸连接在一起。他因为这项成就获得1957年的诺贝尔化学奖。
结果，可以看出，核酸的一般结构有点像蛋白质的一般结构。蛋白质分子是由一个多肽主链组成的，从主链向外伸出许多单个氨基酸的侧链。在核酸里，一个核苷酸的糖和另一个相邻的核苷酸的糖利用一个连接两者的磷酸基结合在一起。于是，一个糖-磷酸主链贯穿整个分子，从主链延伸出许多嘌呤和嘧啶，每个核苷酸一个。
这样问题就清楚了，核蛋白是由两部分组成的，每一部分是一个大分子。下一个急需解决的问题是核酸的功能。
DNA
利用细胞染色技术，研究者开始确定核酸在细胞里的位置。德国化学家福尔根使用只染DNA而不染RNA的一种红色染料，发现DNA位于细胞核里，具体地说位于染色体里。他不仅在动物细胞里而且在植物细胞里都发现了DNA。另外，通过给RNA染色，他证明RNA在植物和动物细胞里也都存在。总之，核酸是存在于所有活细胞里的普通物质。
瑞典生物化学家卡斯珀松进一步研究了这个问题。他去掉两种核酸中的一种（利用一种酶把这种核酸还原成可溶的片段，再把它从细胞里洗掉），而集中研究另一种。他对这个细胞进行紫外线照相，因为一种核酸吸收紫外线的能力比其他细胞物质强得多，所以DNA或RNA（不论哪一种留在细胞里）的位置会清楚地显示出来。利用这项技术，DNA只在染色体里出现；RNA主要出现在细胞质里的某些颗粒里，一些RNA还出现在核仁（细胞核内的一种结构）里。（1948年，洛克菲勒研究院的生物化学家米尔斯基证明，即使在染色体里也有少量的RNA；塞杰尔则证明，在细胞质里，尤其是植物的叶绿体里，也会出现DNA。1966年，在线粒体里也找到了DNA。）
卡斯拍松的照片表明，DNA位于染色体里的染色带里。DNA分子会不会就是基因？到此时为止基因还是一个非常模糊而无形的东西。
整个20世纪40年代，生物化学家们一直在研究这个问题，兴致越来越高。他们发现，特别值得注意的是，一个生物体细胞里的DNA含量总是恒定不变的，但是，正如所预料的那样，精子细胞和卵细胞都只含有这个量的一半，这是个例外，因为它们所含的染色体只有正常细胞的一半。染色体里RNA和蛋白质的含量可能全部改变，但是DNA的含量依然不变。这似乎确实表明，DNA和基因之间有着密切的联系。
起初认为蛋白质是只“狗”，核酸只是开始摇动的“尾巴”，后来报道的一些重要观察似乎表明，这条“尾巴”原来就是“狗”本身。
细菌学家对在实验室里生长起来的两株不同的肺炎球菌进行过长期的研究。一株具有由复杂的碳水化合物构成的光滑被膜，另一株没有这种被膜，所以外表显得粗糙。很明显，外表粗糙的菌株缺乏制造被膜所需要的某种酶。但是，一位名叫格里菲思的英国细菌学家发现，如果把已被杀死的外表光滑的细菌和活着的外表粗糙的细菌混合起来，然后注入一只小白鼠体内，这只被感染的小鼠的组织最终会含有活的外表光滑的肺炎球菌！这是怎么回事呢？死肺炎球菌肯定不会复活。一定是某种物质转化了粗糙菌株的肺炎球菌，使它们具有了制造光滑被膜的能力。这某种物质究竟是什么呢？显然，它是光滑菌株的死菌所提供的某种因子。
1944年，三位美国生物化学家艾弗里、C.M.麦克劳德和麦卡蒂证认出这种转化因子。它就是DNA。他们从光滑菌株细菌里分离出纯DNA，再把纯DNA加给粗糙菌株细菌，仅仅这样做就足以把粗糙菌株转化成光滑菌株。
研究者继续分离有关其他细菌和其他特性的转化因子，每种情况都证明转化因子是一种DNA。只有一个似乎可能的结论：DNA可以像一个基因一样发生作用。事实上，各种专门的研究，特别是对病毒的研究（见第十四章 ）都证明，从遗传的观点来看，和DNA联合在一起的蛋白质几乎是多余的：不论是在染色体里，还是在像叶绿体和线粒体一类的胞质体里（非染色体性遗传），DNA自身能够产生全部的遗传效果。
双螺旋
如果DNA是遗传的关键，它必定具有复杂的结构，因为它必须携带一套复杂的图式或指示密码（遗传密码），以合成各种特定的酶。如果它是由四种核苷酸组成的，这四种核苷酸不能像1，2，3，4，1，2，3，4，1，2，3，4……那样以一种有规则的排列连在一起。这种分子太简单了，根本不能携带一份适用于各种酶的蓝图。事实上，1948年，美国生物化学家查加夫和他的同事们发现了确切的证据，证明核酸的组成比原来想象的复杂得多。他们的分析表明，各种嘌呤和嘧啶的含量并不相等，而且在不同的核酸里它们的比例也不相同。
一切似乎都表明，四个嘌呤和嘧啶沿DNA主链的分布是没有规则的，正如氨基酸侧链沿肽主链的分布一样。然而，似乎也有一些规律。在任何给定的DNA分子中，嘌呤的总数似乎总与嘧啶的总数相等。此外，腺嘌呤（一种嘌呤）的数目总是等于胸腺嘧啶（一种嘧啶）的数目，而鸟嘌呤（另一种嘌呤）的数目总是等于胞嘧啶（另一种嘧啶）的数目。
如果我们用A表示腺嘌呤，G表示鸟嘌呤，T表示胸腺嘧啶，C表示胞嘧啶，那么，嘌呤就是A+G，嘧啶则是T+C。于是，对任何给定分子的研究结果都可以总结为：
A＝T
G＝C
A+G＝T+C
更多的普遍规律也出现了。早在1938年，阿斯特伯里就指出，核酸能以衍射图的方式散射X射线，表明它的分子里存在着有规则的结构。新西兰出生的英国生物化学家M.H.F.威尔金斯计算出，这些规则结构重复出现的间隔比核苷酸与核苷酸之间的距离大得多。一个合乎逻辑的结论是，核酸分子为螺旋状，螺旋上的圈形成了在X射线下看到的重复单元。这个想法似乎很吸引人，因为当时泡令已经证实了某些蛋白质分子的螺旋结构。
M.H.F.威尔金斯的结论主要是根据他的同事R.E.富兰克林研究X射线衍射的成果得出的。R.E.富兰克林在这些研究中一直未能充分发挥作用，英国科学界歧视妇女的态度是其原因之一。
1953年，英国物理学家克里克和他的同事美国生物化学家J.D.沃森，把所有的资料集中在一起（他们利用了R.E.富兰克林的一幅重要照片，显然没有得到她的同意），提出了一个全新的核酸分子模型。这个模型上的核酸分子不止是一个螺旋，而是双螺旋（这一点是关键）——两个糖-磷酸主链就像一个两边有扶手并绕着同一竖轴上去的螺旋楼梯（见图13-6）。嘌呤和嘧啶从每个糖-磷酸主链内对着延伸，并且互相连接在一起，就像形成这个双扶手螺旋楼梯的阶梯似的。
图13-6 核酸分子的模型。左图表示双螺旋；中图表示部分双螺旋的详细结构（省去了氢原子）；右图表示核苷酸结合的详细情形
嘌呤和嘧啶怎么会沿着这些平行的链排列起来呢？为了使它们都同样合适，一侧的一个双环嘌呤必须总是对着另一侧的一个嘧啶，从而合起来形成一个三环的宽度。两个嘧啶伸展不到这个宽度，而两个嘌呤又太拥挤。而且，一侧的一个腺嘌呤总要对着另一侧的一个胸腺嘧啶；一个链上的一个鸟嘌呤总要对着另一个链的胞嘧啶。这样，人们就可以解释A＝T、G＝C和A+T＝G+C这一发现了。
后来证明，核酸结构的这个沃森-克里克模型特别富有成效；因此，M.H.F.威尔金斯、克里克和J.D.沃森分享了1962年的诺贝尔医学与生理学奖。（R.E.富兰克林已于1958年去世，所以没有提出关于她的贡献问题。）
例如，沃森-克里克模型可以说明在细胞分裂过程中一个染色体怎么会复制自己。我们可把这个染色体看成是一长串DNA分子。组成双螺旋的两个单螺旋分离（打个比方说，两个缠在一起的链互相松开），使这些DNA分子首先分开。这是可以做到的，因为相对的嘌呤和嘧啶是由微弱的氢键连接的，很容易断开。这样，每个链都是半分子的。这些半分子能够合成自己失去的部分：有胸腺嘧啶的就接上一个腺嘌呤；有胞嘧啶的就接上一个鸟嘌呤；等等。制造这些单元所需要的全部原料和必需的酶，在细胞里都是现成的。半分子只是起一种模板（或模子）的作用，把这些单元按正确的次序排在一起。这些单元最终将进入适当的位置并停留下来，因为那是最稳定的排列。
概括地说，每个半分子在形成自身互补链中都起着主导作用，并用氢键把互补链和自己连接起来。用这种方式，半分子重新形成完整的双螺旋DNA分子，于是，由原来那个分子分成的两个半分子便在原来只有一个分子的地方形成两个分子。一个染色体上所有的DNA都完成这个过程后，就会产生两个和原来的母染色体完全相同的染色体。偶尔也会出现某种差错，例如某种亚原子粒子或高能辐射的冲击，或者某些化学药品的干预，都可能在新染色体的某个地方引起缺陷，结果形成突变。
支持这种复制机制的证据越来越多。利用重氮标记染色体，然后追踪被标记物质在细胞分裂过程中的命运，这种示踪研究倾向于证实这个学说。此外，人们已经认出与复制有关的一些重要的酶。
1955年，西班牙血统的美国生物化学家奥乔亚从一种细菌（固氮菌）中分离出一种酶，经证明能够催化核苷酸形成RNA。1956年，奥乔亚以前的一位学生科恩伯格分离出另一种酶（从大肠杆菌中），可以催化核苷酸形成DNA。奥乔亚进而利用核苷酸合成了类似RNA的分子，科恩伯格同样合成了类似DNA分子。（他们两个分享了1959年的诺贝尔医学与生理学奖。）科恩伯格还证明，给他的酶里加一点儿天然DNA作为模板，他的酶就能催化形成一种看上去和天然DNA完全一样的分子。1965年，伊利诺斯大学的施皮格尔曼使用一种活病毒（最简单的一类生物）里的RNA，制造出了另外一些这类病毒的分子。因为这些另外的分子表现出病毒的基本特性，所以这种方法迄今仍是产生试管生命的捷径。1967年，科恩伯格和其他人使用一种活病毒里的DNA作模板，也完成了同样的实验。
最简单形式的生命里DNA的含量很少，例如病毒里只含有一个分子，而且还可以使之更少。1967年，施皮格尔曼让一个病毒的核酸复制，隔一段时间就选出一些样本进一步复制，时间间隔越来越短。他用这种方法选出了一批复制特别快的分子（因为它们比一般的小）。最后，他把这个病毒缩小到正常大小的1/6，而把复制的速度提高了15倍。
虽然细胞里复制的是DNA，但许多比较简单的病毒只含RNA，在这些病毒里复制的是双股的RNA分子。细胞里的RNA是单股的，不能复制。
然而，单股的结构和复制并不是互相排斥的。美国生物物理学家辛希默发现了一株含有单股DNA的病毒。那种DNA分子必须复制自己；但它只有单股，怎样进行复制呢？解决这个问题并不难。单股先生产出它自己的互补链，然后互补链再制造出“互补链的互补链”，即原来一股的复制品。
很明显，单股排列比双股排列效率低（这可能就是前者只存在于某些非常简单的病毒里而后者存在于所有其他生物里的原因）。首先，单股自我复制必须经过两个连续的步骤，而双股一步即可完成；其次，现在认为，DNA分子中只有一股是重要的工作结构，比方说，是分子的“刀刃”，它的互补链可以看成是保护刀刃的鞘。双股表示刀刃不用时被保护在鞘内；单股的刀刃则一直暴露在外面，会经常遭受意外而变钝。
基因活性
然而，复制只是使DNA存在下去。那么，DNA是怎样完成合成一种特定的酶（即一种特定的蛋白质分子）的工作的呢？要合成一种蛋白质，DNA分子必须指导氨基酸在由几百个或上千个单元组成的分子里按照某种特定的次序排列。对于每一个位置，它都必须从20多种不同的氨基酸中选出一个正确的。假如DNA分子上有20多个与氨基酸相对应的单元，这件事就很容易做到。但是DNA是由4种不同的构件（4种核苷酸）构成的。考虑到这一点，天文学家伽莫夫在1954年提出，这些核苷酸的各种组合可以作为我们现在叫做的遗传密码（就像莫尔斯电码一样，莫尔斯电码可以把点和划以各种方式组合来代表字母、数字等）。
如果你从4种不同的核苷酸（A，G，C，T）中一次任取两个，便有4×4即16种可能的组合（AA、AG、AC、AT、GA、GG、GC、GT、CA、CG、CC、CT、TA、TG、TC和TT）。这样仍不够用。如果一次任取3个，便有4×4×4即64种不同的组合，这样就有剩余了。（如果你觉得有趣，可以试着列出这些不同的组合，看能否找到第65种。）
