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数理化通俗演义: 第七十回破密码 遗传谜底终揭晓，大溶合 科学深处无疆界——生命科学的发展
上回说到摩尔根在他的《基因论》一书的末尾预言了基因是化学实体的假设。但是摩尔根总是念念不忘他的老本行——胚胎发育学，他作此预言之后就离开对细胞遗传学的研究而重操旧业去了。 这科学的研究总是从现象到本质，从宏观到微观，就如那物理从牛顿探讨天体运行，直到卢瑟福打碎原子，这生物学自从达尔文创立进化论，孟德尔、摩尔根发现遗传规律之后，又渐渐追根到细胞内，进而又研究细胞核的结构。就如物理学进入核物理阶段一样，生物学也进到了一个新阶段－分子生物学，它要对生物细胞的分子结构进行探索，从而来破基因之谜。 其实在摩尔根之前就有人在作这样的探索，不过当时未能引起人们的注意。1869年，瑞典人米歇尔发现细胞核主要由含磷物质构成，20年后人们发现这种物质是强酸，便称为核酸。德国人科赛尔将核酸水解，又发现它含有三种成份：核糖、磷酸和有机碱。而有机碱又含有四种成份：胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)、腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)。这名字有点别扭，我们只要记住那四个字母就行，下面还会有用。这细胞核真像一个竹笋，到此为止已被剥掉好几层皮了。但是科赛尔的学生美国化学家莱文接过竹笋又剥了一层，他发现核酸里的糖比普通糖少一个碳原子，就叫它核糖。他又发现有些核糖少一个氧原子，就命为脱氧核糖。这样，核酸就有了两种：核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)。好，现在笋皮已经剥光，下一步且看摩尔根的继承者怎样在这个DNA上作文章。 科学发展到二十世纪，和十九世纪以前相比，其研究方式已有了明显的不同。一是，一个课题很难由本学科单独完成，出现了多学科交叉。比如原子核的裂变便需要许多费米、哈恩一流的物理学家、化学家共同参予才能发现。二是，一个难题由一个科学家单独解决越来越不可能，需要有庞大的实验室、研究中心，要有许多科学家的通力协作才能完成。这个DNA就在这样的时刻被托到解剖台上，而首先举起解剖刀的却是几个物理学家。 三十年代中期，正是玻尔领导的哥本哈根学派在与爱因斯坦大论战，他们新创立的量子力学正蓬勃向上。这批物理学家不满足于只用物理现象来解释自己的理论，探索的触角又向生物学伸来。 话说1932年夏天，哥本哈根正在召开一个国际光疗会议。作为物理学家的玻尔不怕人说班门弄斧，竟到会在各国医学家、生物学家面前作了一个《光与生命》的演讲。他别出机杼，没有就生物论生物，而是从量子力学出发，大谈物理与生物的互补原理，使在场的许多专家听得茅塞顿开，犹如久坐密室忽然打开窗户，吹进一股清新的凉风。单说这时在台下有一位叫德尔布吕克(1906－1981)的青年。他虽然才26岁，但正是一位原子物理学家。德尔布吕克本是德国人，曾就读于著名的哥廷根大学，这时正在丹麦玻尔的实验室里工作。当时他听了玻尔的讲话，忽然觉得和物理学相比生物学的微观世界远远没有被人涉足，而物理学的一些研究方法和原理正可以用于这门新学科。生理现象是比物理现象复杂，这原因就是它是生命的体现，而生命之谜正在遗传，这是一个多么诱人的题目。于是，德尔布吕克暗下决心，改弦更张，由物理转入生物学研究。 这次大会不久，欧洲大陆战云密布，科学家们纷纷避难美国。前面我们说到玻尔也去美国参加研究原子弹去了。他的学生德尔布吕克也到了美国，但是他并没有参加曼哈顿工程，而是一头扎到摩尔根的研究基地－加利福尼亚理工学院。这时他看到实验室里在使用一种“噬菌体”做细菌和病毒研究的材料。这噬菌体是一种病毒，它的结构简单得出奇。它有一个六角形的头，头部中心含有DNA，头部后面拖着一条尾巴，尾巴稍上又有六根尾丝。当噬菌体感染细菌时，先用六根尾丝牢牢地粘附在细菌壁上。这时它的尾部放出一种譗，把细菌的细胞壁溶解开一个洞，然后就可钻入。噬菌体与其他生物的细胞染色体的基因有一样的物理、化学属性，但是它又极简单，就是一层蛋白质外壳包了一组基因。而且它繁殖得很快，侵入大肠杆菌内后，只要20分钟就可繁殖数百个后代。德尔布吕克见到这东西心中不觉一喜。选择最简单而又典型的对象来研究，不是物理学中常用的方法吗？要研究自由落体规律，就用一枚石子；要研究原子结构就先从只有一个质子、一个电子的氢原子入手。现在要研究基因，何不就从这个噬菌体身上突破呢？ 噬菌体头部含有DNA，其他部分都是蛋白质，现在的问题是要区分它进入大肠杆菌后是靠哪一部分遗传繁殖的。好个搞原子物理的德尔布吕克，他立即从物理学的武库里借来了放射性同位素标记法，和生物学家赫尔希等人设计了一个极妙的试验。 原来DNA中只存在磷，不存在硫，而蛋白质中大多是硫，只有极少的磷。于是他们用放射性磷(P－32)和放射性硫(S－35)来分别给DNA和蛋白质作了记号。然后用作了记号的噬菌体去感染大肠杆菌。带有放射性的噬菌体就像背了一个发报机一样，人们随时可以接收到它发回的信号，掌握其行踪。果然，这一着很灵。他们发现，当噬菌体侵入细菌内部时是将身体外壳留在细胞壁外，而将DNA渗入细胞内，这通过记录到的P－32和S－35就可以分得一清二楚。确实是只有DNA进入大肠杆菌内。但是20分钟后生成的噬菌体仍和原来一模一样，这就再清楚不过地证明只有DNA才是真正的遗传物质，执行遗传任务的并不是蛋白质。德尔布吕克因这项发明而获得1969年的诺贝尔医学和生理学奖。他半路出家，善借他山之石，终于有此殊勋，被后人尊称为“分子生物学之父”。 DNA就是遗传物质，那么它是一个什么样的结构，怎样实现遗传呢？这个生物学中的大难题却又是一个物理学家首先来作答案。读者还记得，1900年这个年头发生了两件事，一是孟德尔遗传学说被重新发现，二是普朗克创立能量子概念。想不到40多年后这两条各不相干的河流却流到了一起。1944年量子力学家薛定锷写了一本研究生物学的书《生命是什么？》。他指出遗传物质可能是由基本粒子连接起来的非周期结晶。它就像电报中的电码，通过“•”和“——”组合成一种口令，这种生命的口令被复制，传给后代，这就是遗传。真是无独有偶，薛定锷这本书和玻尔的那篇演讲同样出手不凡，很快成为名着广为流传。在为这本书所激动的许多读者中也有一位青年物理学家叫克里克(1916－)，他本毕业于伦敦大学曾专攻物理，但看到薛定锷的书后就如德尔布吕克一样决心转攻生物，便来到剑桥的卡文迪许实验室。这时克里克又遇到了从美国来的华生(1928－)，他本是学动物的，也是受到薛定锷那本小册子的影响来探索遗传之谜。于是两人合兵一处开始探求DNA的结构。 话说当时一起向DNA这个神秘王国进军的共有三支人马。 这第一支人马是伦敦大学的威尔金斯领导的一个小组。他也是用物理办法，请X射线来帮忙。因为DNA是生物高分子，普通光学显微镜根本看不到它的分子结构。X射线波长很短，穿过DNA分子时，射线打在分子的不同位置，造成在一些方向上加强，在另一些方向上减弱，这叫衍射。分析这种衍射图样，就可以确定原子间的距离和排列，这样就可以弄清它的分子结构。威尔金斯就用这种办法拍到了一张DNA晶体结构的照片，这上面是一片云状的圈圈点点，他不敢立即下结论，只猜想DNA的结构大概是螺旋形的。 这第二支人马是美国的结构化学权威波林(1901－)领导的小组。1951年夏天他先用X射线探测蛋白质的结构，顺利地得出阿尔法螺旋模型，眼看离探清DNA的结构也只有一步之遥了。 这第三支人马就是半路出家的华生和克里克了。论实验条件是威尔金斯实验室最好，论知识底子是波林最雄厚，但是论年龄却是华生和克里克最年轻，思想也最少保守。 却说这两个年轻人日夜苦干，决心打破这三军鼎立的局面，首先夺魁。也合该他们得胜，机会终于到来。1951年5月华生在一个科学会议上遇见威尔金斯，威尔金斯身边正带着几张DNA的X光衍射照片。华生为喜异常，立即要了一张。威尔金斯倒不保守，同他们诚恳地谈了自己的猜想。 再说华生得了这张照片，回到卡文迪许实验室立即喊克里克快来。两人伏在案头好一阵切磋。DNA的结构是螺旋形，看来确定无疑了。这时华生拿起一个放大镜仔细扫视图面，突然他把目光停在一个十字状的地方说道：“这地方有个交叉，我看这种螺旋很可能是双层的，就像一个扶梯，旋转而上，两边各有一个扶手。” “对，很有道理。根据我们掌握的资料，威尔金斯小组的弗兰克林也认为它是一种双链同轴排列。现在看来这个问题就只差一层窗户纸没有捅破了。到底在这个双螺旋体里T、C、A、G这四种物质怎样组合排列，弄清这个也就弄清了DNA的模型。”克里克说着也感到很兴奋。 “看来我们现在的主攻方向就是要立即制出一个DNA模型。有了这个模型才能说清遗传机理。” 他们找来金属绞合线，又参考了弗兰克林测得的数据，两人在实验室的车间里做成又拆掉，拆了又重做，这样连级十几个月，总是找不到一个理想的模式。这天他们正在实验室里累得汗流满面，突然助手推门造来说：“有了一个新方案。” “什么方案？” “波林已经宣布，他完成了DNA模型，是三股螺旋！” 这个消息可是非同小可，就是说在这场竞赛中，对手已经超过他们冲到了终点。刚才还是一种迷惘的烦恼，现在更加一种失败的沮丧。克里克一屁股坐在椅子上，顺手将那些乱七八糟的木棒、线头推到一旁。华生病呆呆地站在那里，半天自语道：“三螺旋，这不大可能把？” 事实上他们是处惊一场。没有多久各实验室都证明三股螺旋的模型并不能解释DNA的结构。 华生和克里克经这场虚惊之后对自己的想法更有把握，更加紧了制作，卡文迪许实验室的车间也为他们帮了大忙。1953年元旦刚过，华生和克里克就制出了一个新模型，在两股糖与磷酸的螺旋链之间，夹着一一相同的硷基。A基与A基相对， T基与T基相对。这种模型倒是符合已知的资料，但是构型憋扭，因碳基分子大小不同，使两条外骨架发生了扭曲。 华生坐在桌旁。对着这个奇怪的模型陷入沉思。他想神秘的DNA应该是有一种和谐的，美的结构，决不应该这样歪歪扭扭，他这样想了一会儿便把碱基拆下来重新换了个位置，大小搭配，让A和T配对；G和C配对。这样一来面前的模型真如一条凌空翻舞的彩绸，那样舒展自如，那样轻松和谐。而且又符合前不久关于DNA结构的另一项发现：A、T两基的数目与G、C两基的数目都正好相等。DNA结构之谜从此解开。 读者也许要问，物质的客观形状与人主观的美感有什么关系，那华生何以从美学角度出发倒找到了问题的根本。原来自然中的生物却常常是以一种美的、合理的结构存在。你看那树叶上对称的叶脉，你看飞鸟对称的双翅，还有那蜜蜂为自己建造的蜂房都是标准的六角形小格，就是高明的建筑师见了也叹为观止。所以这美感决不独为艺术家所有，它又常常是科学家的一种素质。甚至现在还专门有一门工程美学。 再说华生和克里克得到这个美的、合理的模型，喜不自禁，便立即写成一篇论文发表在1953年4月的英国《自然》杂志上。他们在给编辑部的信中说：“这确是个奇特的模型。不过既然DNA是个不寻常的物质，我们也就敢作不寻常之想了。”的确，在这三支力量的竞争中，华生和克里克资历最浅而首先夺魁，正得力于他们敢大胆想像，不循常规。后来，直到1974年，波林还遗憾地说：“我深知核酸内含有嘌呤和嘧啶，但为什么就没有想到给它们配对呢？我总在探讨三螺旋，就是没有去试一下双螺旋。唉，那些极简单的概念，有时竟是这样难以捉摸。”华生他们的论文只千把来字，但是它足可以与达尔文的《物种起源》相媲美，它开创了分子生物学的新时代。华生、克里克和威尔金斯因此同时获得1962年诺贝尔医学和生理学奖金。 按照华生的模型，遗传信息怎样传递呢？在这条螺螺旋中两股糖和磷酸组成梯子的两侧A－T、C－G连成梯子的横杠。在一个人体细胞中，DNA梯子全长约有一米，所包含的横杠就有60亿条之多。一个人的基因，它可能是梯子的一段，约有2000条横杠。 当细胞繁殖的时候，这条双螺旋就从中间分开，犹如拉链一样从中间分成两半。这时每一个碱基对都拆开了，但是这剩下的一半在浮游于细胞核内的分子中很快就找到了新的伴侣。A又与新的T结合，G又与新的C结合，这样就形成两个与原来的DNA一模一样的复制品，这就是生命的遗传。如果DNA在复制过程中出一点意外，就会造成物种的突变。 DNA上怎样携带大量的遗传基因呢？这正是薛定锷假设的密电码。构成DNA的四种核甘酸，每次取出三个构成一组，这样排列组合，便有了足够的遗传基因。60年代末用电子显微镜摄到的放大了730万倍的DNA照片已经证实了这一点。而科学家的一个目标就是被译这些密码了。 各位读者，人类认识世界是为了改造世界。正如认识了原子核的结构就要设法让它释放能量一样，现在既然知道了遗传密码就要让生物按照人的意志来遗传和变异了。这便是生物遗传工程。1973年，美国科学家第一次实现了按人的意志来制造新的生物。他们将大肠杆菌的一个带抗四环素，和一个带抗链霉素的遗传信息的基因重新组合，又放回大肠杆菌中复制，结果新的菌就同时既抗四环素又抗链霉素。 别看这个极小的实验，它的意义就如费米当年发现核裂变就可引来以后的原子弹爆炸一样，预示着人类在生命领域也将要大显身手了。比如脑激素是治疗糖尿病的良药，但是过去要从牲畜脑桨中提取，十万只羊脑才能提取到一毫克，何等昂贵。1977年人们已经能人工合成脑激素遗传基因，让那个繁殖很快的大肠杆菌按照这个基因去复制脑激素，它果然顺利完成了任务。提取一毫克脑激素，只需要两升大肠杆菌培养液，从此就不用那么多羊脑了，成本大大降低。 在农业方面，作物需要大量的氮，因此全世界每年要生产四干多万吨氮肥。人们早就发现豆科植物可以自己依靠土壤中的根瘤菌来吸收空气中的氮。如果我们能将这种遗传密码也送到小麦、水稻等作物中去，那么全世界的氮肥厂就都可以关门了。 随着人们解开遗传之谜和生命科学的发展，在不远的将来，人类将可以按自己的意志来制造新的生物，将可以通过修复和调节基因来治疗疾病，改造生命自身。试想，当人类对大自然还不甚了解时，会是怎样的盲目、被动，是怎样地受着自然的嘲弄。但是随着自然之谜的揭开，一天一天，人类终于成了自然的主人。当人类对自己的生命还不甚了解时，也曾是怎样地受着疾病的折磨和嘲弄。现在，随着生命之谜的揭开，人对自身的认识便出现了一个飞跃，其意义决不亚于当初哥白尼发现宇宙。从此，人类不但能改造世界、还能改造自己的生命，科学将使他们在宇宙间获得最充分的自由。 |
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