第1个回答 2013-10-11
楔子 1947年的春天，一位年已31岁，由二次大战英国海军刚退役的年轻人，想从事与生物有关的研究工作，他向英国的医学研究委员会（Medical Research Council），提了一个申请博士班奖助金的研究计画（1），他写道：“引起我兴趣的领域是有关蛋白质、病毒、细菌或染色体结构的研究，长期的目标是希望能了解这些物质组成原子的空间分布，这个介于生命与非生命之间的研究领域，可称做生物的化学物理。”他指的，其实就是所谓的分子生物。这个年轻人名叫柯立克（F.Crick）。他在战前是学物理的，因为战争而没有拿到博士学位，退伍后，对于留在海军从事水雷的研究不感兴趣，所以打算换个行业。他选择了上述的研究工作，只是因为那是他平常闲聊时，喜欢谈的话题，至于这种研究工作的性质及未来展望，他并不清楚。分子生物这个字眼，最早见诸于1938年洛克菲勒基金会的年度报告（2），当年的主任韦佛（W.Weaver）在报告中提到：“现在有一个新的学门逐渐成型，且已渐渐开启了生命细胞的奥秘，本基金会的重点之一便是资助这个利用现代科技来研究生命现象的计昼──这学门我们姑且称作分子生物。”当时所指的现代科技是Ｘ光晶体衍射技术。由于Ｘ光的波长与原子间的距离相近，它很适合用来研究原子在晶体内的排列。衍射技术是布拉格爵士（Sir L. Bragg），在年仅22岁大学刚毕业时所发明的方法，他因此于25岁（1915年）时，就得到诺贝尔物理奖，到现在这仍然是诺贝尔奖得主最年轻的记录。在1940年代，Ｘ光已经成功地用来确定像氯化钠等的晶体或矿石晶体的结构，如果能将此技术推展到生物分子的话，则对于生命现象的了解必然有所突破。我们现在知道，当时想法非常正确。自从柯立克与沃森（J.Watson）在1953年提出DNA的双螺旋分子模型（3）后，不仅为利用Ｘ光来判断分子结构立下里程碑，更重要的，由该结构所提供的信息，使得遗传基因的研究步入了分子基因的领域。判定分子结构的分子生物为，也因分子基因研究的开始，使得后期的分子生物研究，几乎与分子基因研究成为同义字。本文的目的，除了分析分子生物研究的来龙去脉，使大家了解分子生物的本意外，也要从历史的眼光来看分子生物为什么有这么快速的发展。这与它能随时融入不同背景的科学家，来达到科技整合的目标，有相当大的关系。现在则从物理学家在分子生物发展过程的贡献，来探讨物理与分子生物这两个学科彼此间的影响及未来的展望。物理学家与生命科学
──从波尔和薛定谔谈起物理学家对生命科学有兴趣由来已久。统计力学的大师波尔兹曼（Boltzman）在1886年就说过（5）：＂如果问我到底我们这个世纪应如何称呼，我会说这是一个自然机制观的世纪，也是个达尔文的世纪。＂虽然波尔兹曼这番话只是表示他对达尔文的敬重，但也可反映出他对生物科学的喜爱。可是二十世纪的物理学家对于分子生物，则不仅是＂鉴赏＂的角色，事实上，他们直接参与，并且主导了整个学科的发展方向，有趣的是这个发展的关键人物之一，正也是近代量子物理的主角──波尔（N.Bohr）。事情的开始是在1932年，这一年也正是近代物理的丰收年（6），各个新粒子（如中子、正电子、重氢）相继发现，物理学家也在这一年开始使用加速器来研究基本粒子，而波尔所在的哥本哈根，当时更是好汉云集，成了量子力学的重镇。波尔于1932年八月十五日，在哥本哈根一个国际研讨会里作了一次通俗性的演讲，在座的有丹麦的王子、首相，当然也有世界各地到哥本哈根进修及访问的物理学家，其中有一位波恩（M.Born）的学生德布吕克（M.Del-brück），刚由德国哥廷根毕业不久，从柏林赶来，听到了波尔的演讲，从此改变了德布吕克的一生，使他致力于生物物理的研究，也引发了分子生物的革命性研究。波尔的演讲题目是「光与生命」（7），这个讲题后来在《自然》（Nature）杂志发表，对于物理哲学也有相当大的冲击。波尔对生命科学有兴趣，可能来自于父亲的影响。他的父亲是个相当有名的生理学家，曾经因为发现人类红血球的血红蛋白与氧气（O2）的吸附曲线呈Ｓ型，且与血液中的酸碱度有关而闻名。在这个演讲里，他提出一个生命现象的＂互补假说＂。他认为我们对于生命现象的了解，恐怕也会受限于类似量子力学之波动与粒子互补的特性，使得我们无法用准确的物理定律来说明生命现象；假如这个假说正确的话，对于生命与物理之间互补关系的了解，就可能找出新的物理法则。这对于当时的年轻物理学家有很大的激励作用，因为物理的基础研究，在狄拉克（P.Dirac）于1928年写出他的相对论电子方程式之后，大家以为根本的物理问题都已经获得解决，当时有个大师及时指出了另外一个重要的研究方向，自然使人振奋。我们现在知道，一切的生命现象都可以使用已知的物理定律及化学准则来解释，因此当时波尔的想法是错误的，但是整个生命科学的研究，却因德布吕克的执着及他对科学求真的精神，而展开了分子生物的新局面。德布吕克决定进入生物物理的领域后，除了在初期与人研讨光合作用的现象，以深入了解波尔所提到的光与生命的相关性外，他自己在遗传基因的研究上，找到了适合他深入探讨的题目，而在1935年发表一篇论文＜＜基因突变的本质与基因的构造＞＞（8）。他的这篇论文发表在一个不见经传的德文杂志，照说读者并不会多，可是当时的物理界，科学家之间的彼此访问及讨论相当频繁，文章的抽印本很容易在专家之间流传，其中之一到了波动力学的创始者薛定谔(E.Schr�0�2dinger）的手上。薛定谔是波尔兹曼的再传弟子，他对生命科学也相当喜好，于是就藉着一个通俗性演讲的机会，把德布吕克的理论介绍给一般大众，并且出了一本名为《生命是什么》（9）的书。这本书，吸引了许多物理学家进入分子生物的研究领域。比如首度取得DNA Ｘ光绕射图的威尔金斯（M.Wilkins），与首度取得病毒基因对比图的班哲（S.Benzer），都是由固态物理的领域转入生命科学的。《生命是什么》这本书的副标题是「生命细胞的物理观」，出版于1944年，全书共有七章；前三章介绍一般的物理及生物概念；第四及第五章事实上就是德布吕克论文的重述；而最后两章则提出生物体内「负熵」（negative entropy）的看法，并提出在生物物理中找寻新物理的论点。如果撇开这本书对于未来所造成的冲击不谈，从内容来看，实在不是一本好书。书中正确的概念，都是德布吕克的提法，而由薛定谔自己加入的则多是错误的。鲍林（L.Pauling）在一本纪念薛定谔百年诞辰的专辑里（5），认为他所提的负熵的概念，就科学而言，实在有负面的作用。从事血红蛋白结晶研究多年的卜路兹（M.Perutz），更清楚指明书中的几个严重错误：第一，在介绍一般基因性质时，他说：＂染色体是生命细胞中，遗传讯息及执行动力的中心＂；但是生物化学家早已经明白指出：细胞内执行动力的工作是由酵素来进行，因此染色体只职掌遗传讯息。第二，薛定谔认为生命要能保持有秩序地协调活动，不可能来自食物中的卡路里，因此食物必定有提供＂负熵＂的作用，这是个相当严重的错误。在该书第一版发行后，有人和他提及这个问题，建议代之以自由能（free energy），但是他并不接受。当时的生物化学已经知道细胞内的化学能都储存在ATP里，而存在ATP里能工作的自由能，主要是焓（entha1py）而不是熵。第三，他根据德布吕克的推论，认为基因是一种分子，而再根据波尔兹曼的论点说明单一分子的行为是不可预测的，既然基因能够每代都准确地遗传，则一定要由当时所不知道的物理法则来控制。当然这一点，他的看法与波尔相近，但是似乎他并不知道波尔提过这件事。我之所以这么详细地把《生命是什么》这本书的缺点列出来，并不是要贬低薛定谔对生命科学发展的影响力，而是要指出，如果他能花点心思，学点化学知识的话，就不会贸然地下类似「负熵」这么错误的结论。毕竟他也同意，生物学的研究应该以物理及化学做基础，但是由物理定律所能解释的化学准则，并非一蹴可及的，忽略了化学的事实，只有使物理学家在生命科学的努力，大打折扣，关于这一点，我们会举更多的例子。德布吕克与分子基因的萌芽如果我们把分子生物狭义地看作是分子基因的研究，则德布吕克是「分子生物之父」，应该当之无愧。他出生于1906年九月，从小对天文有兴趣，因此1926年到哥廷根是想当位天文学家。可是1920年代中期的哥廷根在波恩、海森堡（Heisenberg）及庖立（Pauli）三位大师的耕耘下，开创了使用矩阵的量子力学，而与哥本哈根遥遥相对，互相辉映。自然地，德布吕克也就成了波恩的学生。与他同时在哥廷根的学生，较着名的有威斯科普（Weisskopf）、欧本海默（Oppenheimer）、泰勒（Teller）等人。当时的量子力学，1925年由海森堡，1926年由薛定谔已分别完成了使用矩阵及微分方程式来进行量化的工作，所以重点都放在一些数值计算的方法上头。德布吕克本人偏爱概念的思考，在四周各大师级人物的阴影下，他的量子物理工作做得并不开心，所以1932年他到波尔的研究所后，听到了生物物理的新方向，自然雀跃不已。由薛定谔推介的1935年德布吕克的文章，主要是测量辐射对果蝇引发突变的机率与辐射能量的关系。他由测得的数据推测，基因应该就是一种高分子，而由于辐射能的吸收或因「热致起落」（thermal fluctuation）所导致的分子结构改变，是造成基因突变的主因。他用这个论点推测：紫外线应该也会导致突变。这种用物理能量的概念与生物基因突变相互结合之研究方法，不仅引起了物理学家的兴趣，也使其他研究领域的人感到新鲜。其中的一位是义大利医生卢力亚（S.E.Luria）。他因为一个幼年好友弗诺（U.Fano）的影响（10），对于生物物理的研究有兴趣。既然身为医生，自然地想先学点物理。1937年，他去找费米（Fermi），而获准在实验室帮忙。当时，费米不仅在1926年利用泡利的互斥原理（exclusion principle），创立了新的基本粒子统计力学，而且也对于原子核物理的理论与实验有相当重要的发现。罗马已逐渐转换为核物理的研究中心，卢力亚也就在费米发现核聚变（融合）现象之前，加入了他的行列。因为他有机会待在物理实验室里，所以才接触到德布吕克的文章，使自己了解到，他所要从事的生物物理研究正是德布吕克式的研究。卢力亚认为，要确实印证德布吕克的理论，就该使用比果蝇单纯的生物体系，而他所知道的最简单生物系统是噬菌体（bacteriophage）。他因此与人合作，使用与德布吕克完全相同的方法，用不同能量的Ｘ光与α射线来了解辐射能与突变的关系。后来由于纳粹迫害犹太人，他只得逃往美国，并在费米的推荐下，得到洛克菲勒基金会的奖助金。逃亡这件不幸的事情，却促成了他在1940年十二月与德布吕克的会面。德布吕克之所以到美国，也是得力于洛克菲勒基金会的赞助，希望他能在美国大学研究室访问时，进行理论生物的研究。基于他曾从事果蝇的研究，自然就选择了由摩根（Morgan）主持的加州理工学院生物系。摩根的实验室不仅证实了染色体就是遗传基因的物质，也对于基因突变找到了各种物理准则。有趣的是，德布吕克到了加州之后，却不再对果蝇有兴趣，而与卢力亚殊途同归，选上了噬菌体。本来德布吕克只是到美国作短暂访问，但是战争爆发后，无法返德，而促成了他与卢力亚的碰面，并于1943年共同发表了开创基因研究新局面的「涨落测试实验」（fluctuation test experiment）。有人（11）把从孟德尔进行基因定律的探讨，到德布吕克与卢力亚的起落测试实验这一段时间，称作「分子基因的古典期」；而自 1943～1953年华生与柯立克提出DNA的分子模型之间，称作「罗曼时期」，在这个时期间，分子基因所应解决的问题开始明朗化，而且实验所该采取的方法也有了明确的方向。在此之前，各种基因与突变的研究仅止于现象的描述，连基因是蛋白质或是核酸都不清楚，而对于突变的机制，除了1935年德布吕克由间接的证据加以推测外，详细的过程更是一无所知。涨落测试实验的结果，在《基因》杂志上，以《对噬菌体敏感及抵抗的细菌突变》的标题发表。在此之前，基因学家并不阅读有关细菌的研究，而细菌学家也对基因不感兴趣。整个实验概念的产生相当戏剧化，那时卢力亚在学校同仁办的舞会场所，看到吃角子老虎的赌博游戏，而引发灵感的（10）。在此之前，他在研究细菌对于噬菌体的抵抗测试，一直对实验结果的无法重现，感到纳闷。早在1934年，人们已经知道细菌会因外在环境的差异而产生变种，比如说习惯生长在单醣环境的细菌，通常无法在双醣环境内生存，因为它们不含解离双醣的酵素。但是，如果仔细观测的话，总会有极微数（10-6）的细菌存活下来。问题是，到底是因为环境的改变使得细菌改变其新陈代谢的能力呢？还是细菌本身就有少数的突变种能适应双醣环境，这在当时并不清楚。演化的机制自十九世纪一直是个重要的话题，拉马克（Lamarck）学派认为：外界获得的习性是可以遗传的，因此由外界环境改变可能引发细胞内的变化，而遗传至第二代。相反的，达尔文学派认为：演化上的变化是来自于天择，大自然只是把细菌突变后的变种挑选了出来。这两种机制都言之有理，但是如何能分辨谁才是正确的呢？卢力亚与德布吕克的实验提供了统计上的证据，来支持达尔文学派对细菌变种的解释。以图一来说，如果细菌对于噬菌体的抵抗力来自因噬菌体与细菌的接触，那麽利用细菌在培养皿中分裂成长的情形来观察，在经过几次分裂后，能够抵抗噬菌体的细菌数目在不同样品出现的机率，大致由噬菌体与细菌接触的比例来决定。但是如果细菌本身即使在没有噬菌体存在的情形下也会突变的话，那么产生有抵抗力的细菌变种的机，会就会像吃角子老虎机器一样，完全由波松分布（Poisson distribution）来产生。这就是为何卢力亚的实验再现性不高的原因。如果能够测定产生变种细菌出现机率的涨落情形，那么细菌本身自然突变的机会就可求出。一夕之间，进行细菌的基因研究变得相当容易了！除了对科学的直接贡献外，德布吕克也以他个人的魅力对于分子生物推波助澜。他采用了当年在哥本哈根所感受到的开放而又合作的模式，企图建立噬菌体的研究群。为了能让行外人在最短的时间内就能进行研究，他与卢力亚自1945年起就在冷泉港（Cold Spring Harbor），每年开暑期研究课程（15），提供了噬菌体及及细菌研究的入门阶。这个课程非常成功，使得德布吕克在加州的实验室及纽约的课堂，成了分子生物研究的麦加圣地。
布拉格与鲍林在Ｘ光分子结构测定上较劲1953年，华生与柯立克在英国剑桥的卡文迪斯（Cavendish）实验室，建立了正确的DNA分子结构模型。这个重大的科学发现（12）经常被评为二十世纪最伟大的发现，而引发这个发现的关键技术，就是我们在「楔子」里提到的Ｘ光结晶衍射法。布拉格在1937年卢瑟福（Rutherford）过世后，接掌了第五任的卡文迪斯实验室所长。这个实验室以实验物理着称于世，历任的所长由麦克斯韦（Maxwell）、瑞利（Raileigh）到发现电子的汤姆生（Thomson）、建立有核原子模型的卢瑟福，都是赫赫有名的物理界大师。布拉格在任时，虽然因为核物理的研究经费日益庞大，而没有重建拉塞福时期原子核物理的声望，但是他却具有一个伟大实验室领导人的特质：预见未来研究的主流并找出做这件事的人。我们国内的科学行政人员，似乎尚未充分了解这种睿智的重要。他们经常以为提供巨额奖助、创设有荣誉的头衔并推动流行的研究工作，便是鼓励科学研究的良方，殊不知这种变相的鼓励，仅造成科学的政治舞台。推动科学必须找正确的人做正确的事，而布拉格正是具有这个眼光的人。他鼓励莱尔（Ryle）建立第一座无线电望远镜，而开启了本世纪宇宙天文的研究。他也了解到利用Ｘ光来进行生物分子结构分析的可能性及重要性，并把这个工作交给卜路兹主持，使得本世纪最重要的研究工作得以在卡文迪斯实验室展开。在1950年代初期，布拉格已是过60岁的人，但是一直以童稚的热情来进行并推动研究工作，这是他的天性使然。柯立克曾经说过有关布拉格的一则小故事（13），更可反映出他的个性。布拉格本人一直喜欢园艺工作，当他1954年必须由剑桥搬到伦敦去负责皇家学院的工作时，因为伦敦的住宅是公寓式的建筑而无法种点花草自娱。于是他就隐名每周到市郊的一位太太家帮忙，做起园丁的工作，直到几个月后他的身分才暴光。这位太太的一位访客在花园里看到布拉格，问起这位女主人：「亲爱的，劳伦斯布拉格爵士在你的花园做什么事情啊？」我想这不是一般的科学家会做的事情。利用Ｘ光来进行简单盐类的结构分析，并且发现物理定律来解释Ｘ光衍射的原理，是布拉格的重大贡献。他有个相当清晰的脑袋，来解释表面上看来复杂的问题，可是他却两度败给了大西洋彼岸的年轻科学家──鲍林。鲍林不仅第一个（1928年）发表制定矿石结构的物理准则，而且也是第一个（1951年）发表正确的α螺旋蛋白质结构（14）。关于第一次败北，布拉格只是苦中作乐；但第二次败北，他则说：“这是我科学研究生涯中最大的错误”。整个问题的关键全在于：布拉格不懂得化学。鲍林是位化学家，但我把他也列成半个物理学家，因为在他进入化学领域时，正是量子力学开花萌芽的时刻，他因此在1926年到过慕尼黑、哥本哈根及苏黎世这几个当时理论物理的重镇。他成功地把物理中的「共振」概念带进了结构化学的领域。本来一个分子会以最低能量的结构存在是天经地义的，但是鲍林却进一步提出当两种结构共振时，如果会降低能量的话，它的结构应该就是两种结构的共有体。举蛋白质中的肽结构来说吧，两个胺基酸结合去水后，会形成肽键，而蛋白质就是数个由胜键结连接而成如下式的肽链其中R代表各种的胺基酸侧链。基本的化学键概念告诉我们，如果键是单键的话，它可以自由旋转。因此理论上（1）式中的C-N 键及N－C键（由左向右看），都可以各种角度存在；但是鲍林的共振概念告诉我们：上的双键性质会与C－N上的单键产生共振，结果是C－N也带有些双键的性质，使得整个肽键成为一个平面，C－N键也就无法自由旋转了！这一个道理，鲍林在1932年发表他的〈化学键的本质〉时，就有充分的了解，他甚至在 1939年的书本（16）中也讨论到这一点。可是，布拉格在1950年与卜路兹利用分子模型，来解释爱兹堡（Atsburgh）所测到的蛋白质α结构时，居然让C－N键自由转动，而没有将肽考虑为平面，反倒是由Ｘ光衍射图中找寻各种结构的物理限制，就这样造成了布拉格一件终生的憾事。我在这里提到化学知识的重要，也在前文中指出薛定谔的名著，因为不注意化学的事实而造成的缺失，并不是要贬低物理学家在分子生物发展的重要贡献，我们有更多的例子会指出他们扮演着主导的角色。只是，进行生命科学的研究，如果忽略了生物分子也是一种化学分子，也具备了各种化学性质的事实，那么物理学家就必须为此付出代价。1940年，鲍林与德布吕克发表了一篇讨论生物分子彼此作用的基本性质时，强调了化学键中之氢键及范德华力（van der Waal's force）的重要，以反驳知名的物理学者约旦（Jordan），利用了精致的量子力学计算，提出了生物分子彼此作用时，相同分子会互相吸引的说法。在不考虑化学键作用的方式之前，物理学家的精致推理常常会导致严重的错误。鲍林在分子生物上的贡献不仅限于结构化学，他也是第一个提出＂分子疾病＂概念的人；并且指出镰刀型红血球贫血就是一种遗传造成的分子疾病（18）。截至目前为止，仅有四个人得过两次诺贝尔奖，除了居里夫人、巴定（Bardeen）、珊格（Sanger）之外，就是鲍林。鲍林除了化学奖外，他的另一个诺贝尔奖是和平奖，鲍林在推动和平运动上直言不讳，经常使政府难堪，1952年他因政府不核发他的护照，以致无法参加在伦敦的一个国际会议。有人说，如果鲍林当年到了英国，大概就会看到牛津大学实验室所取得的DNA Ｘ光衍射图，而在华生与柯立克之前解出了DNA的结构。这或许就是中国人所说的，与三个诺贝尔奖没有＂缘＂吧！