第七十回：破密碼遺傳謎底終揭曉，大溶合科學深處無疆界
——生命科學的發展上回說到摩爾根在他的《基因論》一書的末尾預言了基因是化學實體的假設。但是摩爾根總是念念不忘他的老本行——胚胎發育學，他作此預言之後就離開對細胞遺傳學的研究而重操舊業去了。
這科學的研究總是從現象到本質，從宏觀到微觀，就如那物理從牛頓探討天體運行，直到盧瑟福打碎原子，這生物學自從達爾文創立進化論，孟德爾、摩爾根發現遺傳規律之後，又漸漸追根到細胞內，進而又研究細胞核的結構。就如物理學進入核物理階段一樣，生物學也進到了一個新階段－分子生物學，它要對生物細胞的分子結構進行探索，從而來破基因之謎。
其實在摩爾根之前就有人在作這樣的探索，不過當時未能引起人們的注意。1869年，瑞典人米歇爾發現細胞核主要由含磷物質構成，20年後人們發現這種物質是強酸，便稱為核酸。德國人科賽爾將核酸水解，又發現它含有三種成份：核糖、磷酸和有機鹼。而有機鹼又含有四種成份：胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)、腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)。這名字有點彆扭，我們只要記住那四個字母就行，下面還會有用。這細胞核真像一個竹筍，到此為止已被剝掉好幾層皮了。但是科賽爾的學生美國化學家萊文接過竹筍又剝了一層，他發現核酸裡的糖比普通糖少一個碳原子，就叫它核糖。他又發現有些核糖少一個氧原子，就命為脫氧核糖。這樣，核酸就有了兩種：核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)。好，現在筍皮已經剝光，下一步且看摩爾根的繼承者怎樣在這個DNA上作文章。
科學發展到二十世紀，和十九世紀以前相比，其研究方式已有了明顯的不同。一是，一個課題很難由本學科單獨完成，出現了多學科交叉。比如原子核的裂變便需要許多費米、哈恩一流的物理學家、化學家共同參予才能發現。二是，一個難題由一個科學家單獨解決越來越不可能，需要有龐大的實驗室、研究中心，要有許多科學家的通力協作才能完成。這個DNA就在這樣的時刻被托到解剖台上，而首先舉起解剖刀的卻是幾個物理學家。
三十年代中期，正是玻爾領導的哥本哈根學派在與愛因斯坦大論戰，他們新創立的量子力學正蓬勃向上。這批物理學家不滿足於只用物理現象來解釋自己的理論，探索的觸角又向生物學伸來。
話說1932年夏天，哥本哈根正在召開一個國際光療會議。作為物理學家的玻爾不怕人說班門弄斧，竟到會在各國醫學家、生物學家面前作了一個《光與生命》的演講。他別出機杼，沒有就生物論生物，而是從量子力學出發，大談物理與生物的互補原理，使在場的許多專家聽得茅塞頓開，猶如久坐密室忽然打開窗戶，吹進一股清新的涼風。單說這時在台下有一位叫德爾布呂克(1906－1981)的青年。他雖然才26歲，但正是一位原子物理學家。德爾布呂克本是德國人，曾就讀於著名的哥廷根大學，這時正在丹麥玻爾的實驗室裡工作。當時他聽了玻爾的講話，忽然覺得和物理學相比生物學的微觀世界遠遠沒有被人涉足，而物理學的一些研究方法和原理正可以用於這門新學科。生理現象是比物理現象複雜，這原因就是它是生命的體現，而生命之謎正在遺傳，這是一個多麼誘人的題目。於是，德爾布呂克暗下決心，改弦更張，由物理轉入生物學研究。
這次大會不久，歐洲大陸戰雲密佈，科學家們紛紛避難美國。前面我們說到玻爾也去美國參加研究原子彈去了。他的學生德爾布呂克也到了美國，但是他並沒有參加曼哈頓工程，而是一頭紮到摩爾根的研究基地－加利福尼亞理工學院。這時他看到實驗室裡在使用一種“噬菌體”做細菌和病毒研究的材料。這噬菌體是一種病毒，它的結構簡單得出奇。它有一個六角形的頭，頭部中心含有DNA，頭部後面拖著一條尾巴，尾巴稍上又有六根尾絲。當噬菌體感染細菌時，先用六根尾絲牢牢地粘附在細菌壁上。這時它的尾部放出一種譗，把細菌的細胞壁溶解開一個洞，然後就可鑽入。噬菌體與其他生物的細胞染色體的基因有一樣的物理、化學屬性，但是它又極簡單，就是一層蛋白質外殼包了一組基因。而且它繁殖得很快，侵入大腸桿菌內後，只要20分鐘就可繁殖數百個後代。德爾布呂克見到這東西心中不覺一喜。選擇最簡單而又典型的對象來研究，不是物理學中常用的方法嗎？要研究自由落體規律，就用一枚石子；要研究原子結構就先從只有一個質子、一個電子的氫原子入手。現在要研究基因，何不就從這個噬菌體身上突破呢？
噬菌體頭部含有DNA，其他部分都是蛋白質，現在的問題是要區分它進入大腸桿菌後是靠哪一部分遺傳繁殖的。好個搞原子物理的德爾布呂克，他立即從物理學的武庫裡借來了放射性同位素標記法，和生物學家赫爾希等人設計了一個極妙的試驗。
原來DNA中只存在磷，不存在硫，而蛋白質中大多是硫，只有極少的磷。於是他們用放射性磷(p－32)和放射性硫(S－35)來分別給DNA和蛋白質作了記號。然後用作了記號的噬菌體去感染大腸桿菌。帶有放射性的噬菌體就像背了一個發報機一樣，人們隨時可以接收到它發回的信號，掌握其行蹤。果然，這一著很靈。他們發現，當噬菌體侵入細菌內部時是將身體外殼留在細胞壁外，而將DNA滲入細胞內，這通過記錄到的p－32和S－35就可以分得一清二楚。確實是只有DNA進入大腸桿菌內。但是20分鐘後生成的噬菌體仍和原來一模一樣，這就再清楚不過地證明只有DNA才是真正的遺傳物質，執行遺傳任務的並不是蛋白質。德爾布呂克因這項發明而獲得1969年的諾貝爾醫學和生理學獎。他半路出家，善借他山之石，終於有此殊勳，被後人尊稱為“分子生物學之父”。
DNA就是遺傳物質，那麼它是一個什麼樣的結構，怎樣實現遺傳呢？這個生物學中的大難題卻又是一個物理學家首先來作答案。讀者還記得，1900年這個年頭發生了兩件事，一是孟德爾遺傳學說被重新發現，二是普朗克創立能量子概念。想不到40多年後這兩條各不相干的河流卻流到了一起。1944年量子力學家薛定鍔寫了一本研究生物學的書《生命是什麼？》。他指出遺傳物質可能是由基本粒子連接起來的非週期結晶。它就像電報中的電碼，通過“•”和“——”組合成一種口令，這種生命的口令被複製，傳給後代，這就是遺傳。真是無獨有偶，薛定鍔這本書和玻爾的那篇演講同樣出手不凡，很快成為名著廣為流傳。在為這本書所激動的許多讀者中也有一位青年物理學家叫克裡克(1916－)，他本畢業於倫敦大學曾專攻物理，但看到薛定鍔的書後就如德爾布呂克一樣決心轉攻生物，便來到劍橋的卡文迪許實驗室。這時克裡克又遇到了從美國來的華生(1928－)，他本是學動物的，也是受到薛定鍔那本小冊子的影響來探索遺傳之謎。於是兩人合兵一處開始探求DNA的結構。
話說當時一起向DNA這個神秘王國進軍的共有三支人馬。
這第一支人馬是倫敦大學的威爾金斯領導的一個小組。他也是用物理辦法，請X射線來幫忙。因為DNA是生物高分子，普通光學顯微鏡根本看不到它的分子結構。X射線波長很短，穿過DNA分子時，射線打在分子的不同位置，造成在一些方向上加強，在另一些方向上減弱，這叫衍射。分析這種衍射圖樣，就可以確定原子間的距離和排列，這樣就可以弄清它的分子結構。威爾金斯就用這種辦法拍到了一張DNA晶體結構的照片，這上面是一片雲狀的圈圈點點，他不敢立即下結論，只猜想DNA的結構大概是螺旋形的。
這第二支人馬是美國的結構化學權威波林(1901－)領導的小組。1951年夏天他先用X射線探測蛋白質的結構，順利地得出阿爾法螺旋模型，眼看離探清DNA的結構也只有一步之遙了。
這第三支人馬就是半路出家的華生和克裡克了。論實驗條件是威爾金斯實驗室最好，論知識底子是波林最雄厚，但是論年齡卻是華生和克裡克最年輕，思想也最少保守。
卻說這兩個年輕人日夜苦幹，決心打破這三軍鼎立的局面，首先奪魁。也合該他們得勝，機會終於到來。1951年5月華生在一個科學會議上遇見威爾金斯，威爾金斯身邊正帶著幾張DNA的X光衍射照片。華生為喜異常，立即要了一張。威爾金斯倒不保守，同他們誠懇地談了自己的猜想。
再說華生得了這張照片，回到卡文迪許實驗室立即喊克裡克快來。兩人伏在案頭好一陣切磋。DNA的結構是螺旋形，看來確定無疑了。這時華生拿起一個放大鏡仔細掃視圖面，突然他把目光停在一個十字狀的地方說道：“這地方有個交叉，我看這種螺旋很可能是雙層的，就像一個扶梯，旋轉而上，兩邊各有一個扶手。”
“對，很有道理。根據我們掌握的資料，威爾金斯小組的弗蘭克林也認為它是一種雙鏈同軸排列。現在看來這個問題就只差一層窗戶紙沒有捅破了。到底在這個雙螺旋體裡T、C、A、G這四種物質怎樣組合排列，弄清這個也就弄清了DNA的模型。”克裡克說著也感到很興奮。
“看來我們現在的主攻方向就是要立即製出一個DNA模型。有了這個模型才能說清遺傳機理。”
他們找來金屬絞合線，又參考了弗蘭克林測得的數據，兩人在實驗室的車間裡做成又拆掉，拆了又重做，這樣連級十幾個月，總是找不到一個理想的模式。這天他們正在實驗室裡累得汗流滿面，突然助手推門造來說：“有了一個新方案。”
“什麼方案？”
“波林已經宣佈，他完成了DNA模型，是三股螺旋！”
這個消息可是非同小可，就是說在這場競賽中，對手已經超過他們衝到了終點。剛才還是一種迷惘的煩惱，現在更加一種失敗的沮喪。克裡克一屁股坐在椅子上，順手將那些亂七八糟的木棒、線頭推到一旁。華生病呆呆地站在那裡，半天自語道：“三螺旋，這不大可能把？”
事實上他們是處驚一場。沒有多久各實驗室都證明三股螺旋的模型並不能解釋DNA的結構。
華生和克裡克經這場虛驚之後對自己的想法更有把握，更加緊了製作，卡文迪許實驗室的車間也為他們幫了大忙。1953年元旦剛過，華生和克裡克就製出了一個新模型，在兩股糖與磷酸的螺旋鏈之間，夾著一一相同的鹼基。A基與A基相對，T基與T基相對。這種模型倒是符合已知的資料，但是構型憋扭，因碳基分子大小不同，使兩條外骨架發生了扭曲。
華生坐在桌旁。對著這個奇怪的模型陷入沉思。他想神秘的DNA應該是有一種和諧的，美的結構，決不應該這樣歪歪扭扭，他這樣想了一會兒便把鹼基拆下來重新換了個位置，大小搭配，讓A和T配對；G和C配對。這樣一來面前的模型真如一條凌空翻舞的彩綢，那樣舒展自如，那樣輕鬆和諧。而且又符合前不久關於DNA結構的另一項發現：A、T兩基的數目與G、C兩基的數目都正好相等。DNA結構之謎從此解開。
讀者也許要問，物質的客觀形狀與人主觀的美感有什麼關係，那華生何以從美學角度出發倒找到了問題的根本。原來自然中的生物卻常常是以一種美的、合理的結構存在。你看那樹葉上對稱的葉脈，你看飛鳥對稱的雙翅，還有那蜜蜂為自己建造的蜂房都是標準的六角形小格，就是高明的建築師見了也歎為觀止。所以這美感決不獨為藝術家所有，它又常常是科學家的一種素質。甚至現在還專門有一門工程美學。
再說華生和克裡克得到這個美的、合理的模型，喜不自禁，便立即寫成一篇論文發表在1953年4月的英國《自然》雜誌上。他們在給編輯部的信中說：“這確是個奇特的模型。不過既然DNA是個不尋常的物質，我們也就敢作不尋常之想了。”的確，在這三支力量的競爭中，華生和克裡克資歷最淺而首先奪魁，正得力於他們敢大膽想像，不循常規。後來，直到1974年，波林還遺憾地說：“我深知核酸內含有嘌呤和嘧啶，但為什麼就沒有想到給它們配對呢？我總在探討三螺旋，就是沒有去試一下雙螺旋。唉，那些極簡單的概念，有時竟是這樣難以捉摸。”華生他們的論文只千把來字，但是它足可以與達爾文的《物種起源》相媲美，它開創了分子生物學的新時代。華生、克裡克和威爾金斯因此同時獲得1962年諾貝爾醫學和生理學獎金。
按照華生的模型，遺傳信息怎樣傳遞呢？在這條螺螺旋中兩股糖和磷酸組成梯子的兩側A－T、C－G連成梯子的橫槓。在一個人體細胞中，DNA梯子全長約有一米，所包含的橫槓就有60億條之多。一個人的基因，它可能是梯子的一段，約有2000條橫槓。
當細胞繁殖的時候，這條雙螺旋就從中間分開，猶如拉鏈一樣從中間分成兩半。這時每一個鹼基對都拆開了，但是這剩下的一半在浮游於細胞核內的分子中很快就找到了新的伴侶。A又與新的T結合，G又與新的C結合，這樣就形成兩個與原來的DNA一模一樣的複製品，這就是生命的遺傳。如果DNA在複製過程中出一點意外，就會造成物種的突變。
DNA上怎樣攜帶大量的遺傳基因呢？這正是薛定鍔假設的密電碼。構成DNA的四種核甘酸，每次取出三個構成一組，這樣排列組合，便有了足夠的遺傳基因。60年代末用電子顯微鏡攝到的放大了730萬倍的DNA照片已經證實了這一點。而科學家的一個目標就是被譯這些密碼了。
各位讀者，人類認識世界是為了改造世界。正如認識了原子核的結構就要設法讓它釋放能量一樣，現在既然知道了遺傳密碼就要讓生物按照人的意志來遺傳和變異了。這便是生物遺傳工程。1973年，美國科學家第一次實現了按人的意志來製造新的生物。他們將大腸桿菌的一個帶抗四環素，和一個帶抗鏈黴素的遺傳信息的基因重新組合，又放回大腸桿菌中複製，結果新的菌就同時既抗四環素又抗鏈黴素。
別看這個極小的實驗，它的意義就如費米當年發現核裂變就可引來以後的原子彈爆炸一樣，預示著人類在生命領域也將要大顯身手了。比如腦激素是治療糖尿病的良藥，但是過去要從牲畜腦槳中提取，十萬隻羊腦才能提取到一毫克，何等昂貴。1977年人們已經能人工合成腦激素遺傳基因，讓那個繁殖很快的大腸桿菌按照這個基因去複製腦激素，它果然順利完成了任務。提取一毫克腦激素，只需要兩升大腸桿菌培養液，從此就不用那麼多羊腦了，成本大大降低。
在農業方面，作物需要大量的氮，因此全世界每年要生產四干多萬噸氮肥。人們早就發現豆科植物可以自己依靠土壤中的根瘤菌來吸收空氣中的氮。如果我們能將這種遺傳密碼也送到小麥、水稻等作物中去，那麼全世界的氮肥廠就都可以關門了。
隨著人們解開遺傳之謎和生命科學的發展，在不遠的將來，人類將可以按自己的意志來製造新的生物，將可以通過修復和調節基因來治療疾病，改造生命自身。試想，當人類對大自然還不甚瞭解時，會是怎樣的盲目、被動，是怎樣地受著自然的嘲弄。但是隨著自然之謎的揭開，一天一天，人類終於成了自然的主人。當人類對自己的生命還不甚瞭解時，也曾是怎樣地受著疾病的折磨和嘲弄。現在，隨著生命之謎的揭開，人對自身的認識便出現了一個飛躍，其意義決不亞於當初哥白尼發現宇宙。從此，人類不但能改造世界、還能改造自己的生命，科學將使他們在宇宙間獲得最充分的自由。