数理化通俗演义 作者:梁衡-第58章
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愕鞍字释饪前艘蛔榛颉６宜敝车煤芸欤秩氪蟪Ω司诤螅灰�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。
第七十一回
究方法 说书人试谈相似论，论精神 有志者不屈事竟成
——结束语 尊敬的读者，本书到这一回就要结束了。当我们合书默想之时，会发现一个问题，就是科学家费尽心机所探索到的自然现象，原来如此相似。你看那伽利略望远镜里的月亮和地球多么相似；牛顿眼里的月亮和苹果多么相似；卢瑟福发现的小小原子结构和哥白尼发现的庞大的太阳系结构多么相似；摩尔根发现的果蝇的遗传和孟德尔发现的碗豆的遗传多么相似，甚至高档的人的基因结构和那最简单的噬菌体病毒的基因结构多么相似；普朗克发现的能量的分束急跳和祖冲之发现的圆周可以看成正多边形的无数个边多么相似；电场和磁场多么相似；电波和光波多么相似；柏克勒尔发现的天然放射性和伦琴发现的阴极射线多么相似；德布罗意发现的物质波和光波多么相似；达尔文和华莱士远隔万里之外，分别发现的生物进化现象多么相似；戴维发现的钾与钠的化学特性多么相似；拉姆赛等发现的氦、氛、氢、氟、氙等惰性元素多么相似；还有焦尔发现的电流生热和摩擦生热之间的相似，法拉第发现磁变电和电变磁之间的相似，甚至我们乍一看来毫无关系的人血液中血红素与树叶里的叶绿素，其化学结构也很相似。
真是大至宇宙，小至原子，从动物到植物，从人到细菌， 好一个相似的世界！
这到底是为什么呢？辩证唯物主义告诉我们，外部世界是客观存在的，是互相联系发展的。别的不谈，我们只说这“联系”的一种重要形式就是相似（当然还有对立、变异等形式的联系）。
原来客观世界不管它多么复杂都可以分解成一定的层次，每一层次又都有一定的单元。这种不同单元和层次的排列组合就是一个复杂的世界。我们观察客观世界时只要像剥竹笋一样一层层剥去，就能发现它们各自间的相似关系，通过这种相似关系就能发现制约每一层次的规律。比如宏观宇宙间，众星围绕太阳运动是一个相似的层次，有开普勒定律管着；而在微观原子内，核外电子是一个相似层次，其作用力是电磁力；再深入到原子核中，质子、中子等又是一个相似层次，其作用是强相互力和弱相互力。原子组成分子，分子组成各种物体，组成地球；众星又组成太阳系；很多个星系又组成银河系等。这样一层一层组成世界。但是层次再多，我们只要找到其中的一层，就可以找到其中相似的联系。正如，世界上的人有几十亿，但总可以分为少年、青年、中年、老年等几个层次，只要是青年人，他们之间总有一些相似的联系。
在人对自然的探讨中，无论是牛顿还是达尔文，阿基米德还是爱因斯坦，他们都是力图通过一些相似的现象去发现其中的联系，然后概括出某个层次上的规律。不过有的人只能在低层次、浅层次发现规律，管得范围小一些；有的人可以在高层次、深层次发现规律，管得范围大一些。当伽利略在比萨斜塔上一站时，他发现了地球上的自由落体定律，而1866年当牛顿迎着凉爽的秋风，在苹果树下仰望明月时，苹果与月亮的相似，使他发现了万有引力，完成了人类认识自然的第一次理论大综合（天、地间规律的综合）；当1847年焦尔分析了电、机械、化学等运动的做功发热的相似性时，确定了能量守桓定律，完成了人类认识自然的第二次理论大综合；当1873年麦克斯韦发现光、电、磁都是波的相似性时，将它们统一起来，建立了电磁理论，完成了第三次理论大综合。科学史上的第四次理论大综合，是迄�
