【元素家族——連載47】生命密碼：DNA（中）

1944年，正是第二次世界大戰如火如荼的時候，歐洲人民對戰火的忍耐快到了極限，量子力學一代宗師薛定諤也被迫從維也納轉移到愛爾蘭進行研究。在這暴風雨下的寧靜港灣，薛定諤寫出了一部小冊子：《生命是什麼》，篇幅不長，卻可以說是絕世名著。

這本書中，薛定諤提出：生物學和物理學遵守的是相同的法則。他試圖用量子力學、熱力學和化學來解釋生命的本性，他第一次提出，生物為了避免向熱力學平衡衰退，是不斷的吸收「負熵」來維持自身的有序度的，這個「負熵」的概念一下子讓科學家們對生命的看法簡化、清晰而又深刻了很多。對於生命的遺傳物質，他引用達林頓的說法：一個基因的體積可能會相當於邊長為300埃（30納米）的一個立方體。

【維也納大學，筆者與薛大神紀念碑的合影。薛大神的貢獻不僅僅是他的方程和他的貓，在分子生物學上也可以說是開創者！】

薛定諤的《生命是什麼》問世之後意義非凡，恰逢1945年美國投下兩顆原子彈結束二戰，核武器的能量震驚了科學界，很多科學工作者、學生都展開對於物理學的反思，一大批熱血青年受到薛定諤這本書的感召，轉而投身到生物學的研究和發現中。大家按照薛定諤的思路，既然生物學和物理學遵守的是相同的法則，那麼我們只要研究的更加精細，就一定會得到更加正確的結論，比如研究到分子層面呢？「分子生物學」就在這種背景下誕生了！

《生命是什麼》堪稱是分子生物學中的《湯姆叔叔的小屋》，前者在生物學中所起的作用就像後者在美國解放黑奴的南北戰爭中所起的作用一樣（日本生物學家近藤原平之語）。20世紀的科學史可以說是以1944年《生命是什麼》的出版作為一道「華麗的分割線」，之前為物理學的黃金歲月，之後生物學蓬勃發展，這個轉向的「扳道工」就是薛定諤！

【《生命是什麼》這本劃時代的巨著，可以說是必讀經典，絕對推薦！】

薛定諤受制於當時的認知，書中還假設蛋白質是遺傳物質，其實在他出版著作的同時，美國人艾弗里已經提出，DNA才是真正的遺傳物質，但當時大部分人都篤信「四核苷酸假說」，沒有把艾弗里的假說當回事。

真理很多時候就是掌握在少數人手裡，20世紀50年代初，三個團隊開始展開對DNA結構的研究，如果把它的結構搞清楚，那麼它的性質將不言自明。這三個團隊既互相競爭，又相互合作，真是科學史上一段佳話。

第一個團隊是美國加州理工大學的鮑林團隊，在此之前，鮑林已發現了蛋白質的三螺旋結構，他把這種結構稱為α螺旋，1952年，鮑林發布一份研究報告，指出DNA也是α螺旋。鮑林被認為是20世紀對化學科學影響最大的人之一，他所撰寫的《化學鍵的本質》被認為是化學史上最重要的著作之一。他在建構分子模型方面得心應手，因此迅速的走在了這場爭奪戰的前面。

【偉大的化學家鮑林在這場爭奪戰中最早出擊，卻沒有收穫榮譽。】

第二個團隊英國倫敦國王學院的威爾金斯、弗蘭克林實驗室，威爾金斯是薛定諤的粉絲之一，他閱讀了薛定諤的大作之後投身於核酸結構的測定之中，他認為對微觀世界不能單純從經驗出發建立分子模型，而是要藉助更好的工具去認識分子，他決定使用X射線衍射的方法去觀察核酸晶體，他的女同事富蘭克林在1951年底拍攝到一張特別清晰的DNA的X射線照片，他們意識到核酸應該是一種螺旋形結構。

【威爾金斯和富蘭克林，後者是一位科學絕世美女。】

第三個團隊可以說是一個非正式團體，兩個年輕的熱血青年：英國人克里克、美國人沃森同時受到了薛定諤的感召，來到了劍橋大學卡文迪許實驗室。當時克里克35歲，只是一個研究生，正在寫博士論文，而沃森才23歲，已經拿到了博士學位了。之前克里克對DNA所知不多，並未覺得它在遺傳上比蛋白質更重要，只是認為DNA作為與核蛋白結合的物質，值得研究，但是他在X射線晶體衍射學方面很有造詣，這正是研究遺傳學多年的沃森所需要的。相對而言，沃森在到劍橋之前就篤信DNA是遺傳物質，而且他是這三個團隊中唯一的一個遺傳學家，這成為克里克-沃森團隊的信心支柱！這兩個人每天互相補充，互相批評以及相互激發出對方的靈感。

【沃森（左）和克里克（右）年輕時的合影。】

克里克、沃森和威爾金斯團隊都在英國，這也是他們的優勢，在鮑林發布他的α螺旋結論之後，沃森與威爾金斯、弗蘭克林等討論了鮑林的模型。當威爾金斯出示了弗蘭克林在一年前拍下的DNA的X射線衍射照片後，沃森看出DNA的內部是一種螺旋形結構，他立即產生了一種新概念：DNA不是三鏈結構而應該是雙鏈結構。

早在1950年，美國生物學家查戈夫就發現， DNA中的4種含氮鹼基中，A和T的含量總是相等，G和C的含量也相等。之前，這一重大發現令人意外的同時被三個團隊無視了，一直到克里克、沃森重新審視這個「查戈夫法則」後，想到這會讓他們的工作簡化很多，於是他們馬上在實驗室中聯手搭建DNA雙螺旋模型。從1953年2月22日起奮戰，他們夜以繼日，廢寢忘食，將一個原子、又一個原子安放到他們的構架上，終於在3月7日，將他們想像中的美麗無比的DNA模型搭建成功。

【克里克、沃森和他們模型的合影。】

原來，生命的遺傳物質：DNA的結構很簡單，由兩條很長的糖鏈結構構成骨架，通過含氮鹼基對結合在一起，就象梯子一樣。整個分子環繞自身中軸形成一個雙螺旋。四種含氮鹼基中，腺嘌呤（A）總是和胸腺嘧啶（T）通過氫鍵結合在一起，鳥嘌呤（G）總是和胞嘧啶（C）結合，「查戈夫法則」不言自明了。

克里克和沃森將他們的雙螺旋結構交給威爾金斯、富蘭克林，請他們用X射線衍射來證明一下，不到兩天工夫，他們就證實了雙螺旋結構！

【DNA中含氮鹼基的結合方式。】

克里克、沃森的DNA雙螺旋結構模型提出之後，揭開了生命科學的新篇章，開創了科學技術的新時代。接下來的幾十年，生物學超越了傳統的物理和化學，成為科學中最耀眼的明星領域，更多的年輕人投身到生物學領域，一批又一批的新發現不斷出現在論文中，雜誌中，不斷更新人類對於世界、對於自身的認識。開句玩笑話，不知道有多少生物學家因為DNA而有了就業崗位。

克里克、沃森和威爾金斯因為他們的傑出發現獲得1962年諾貝爾生理學和醫學獎，很巧合的是，這三位都是薛定諤的粉絲。偉人不一定要自己衝鋒陷陣，親自去做創造和發明，指引方向更加超凡入聖，如同數學界的希爾伯特，薛定諤就是分子生物學的偉人！

【三位獲獎者都可以說是薛定諤的粉絲，美女科學家富蘭克林在發現史中扮演了重要角色，可是卻因為英年早逝，錯失獎項，令人扼腕嘆息。】

小測試：

1， 哪位大神寫出《生命是什麼》，開創了分子生物學。

A） 海森堡

B） 薛定諤

C） 狄拉克

D） 鮑林

2， 下面哪位科學家沒有拿到1962年諾貝爾生理學和醫學獎

A） 沃森

B） 克里克

C） 富蘭克林

D） 威爾金斯

推薦閱讀：