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《生命是什么》:诺贝尔奖的接力棒

2015-06-18  mrsh


沃森能发现DNA双螺旋结构,竟跟一本由物理学家写成的小书有关,这也算是奇缘。


有个诺贝尔物理学奖获得者,跨界写了一本生命科学的书。这本书启发了一位青年学生。这位青年学生决定改变自己的研究方向,很快他也获得了诺贝尔生理或医学奖。


这本传奇的书叫作《生命是什么》,作者是埃尔温·薛定谔(Erwin Rudolf Josef Alexander Schr?dinger),量子力学奠基人之一,1933年诺贝尔物理奖获得者。那位青年学生是詹姆斯·杜威·沃森(James Dewey Watson),DNA双螺旋结构的发现者之一,1962年诺贝尔生理学或医学奖获得者。


薛定谔(1887~1961)奥大利理论物理学家,波动力学的创始人


物理学家创作生命科学领域的科学书,竟然还唤醒了一个未来的科学明星。这太离奇了吧?


薛定谔对此很谦虚,“我必须开始概括地讲一点生物学,特别是遗传学的情况;换句话说,我必须简要地说明这门科学的现状,尽管我对这门科学不是内行。我不得不为这些外行话感到抱歉,特别是对生物学家来说。” (湖南科技出版社,2009年10月第二版,下同,P18)态度真是谦虚而诚恳。


我读这本书,最感兴趣的是两点,一、物理学家会怎样看待生物学?二、这本书说了些什么竟然深深地打动了大学时代的沃森?


薛定谔的跨界,也许是他对自己的一种挑战。


“一个有机体的最具活性部分的原子排列及其相互作用方式,和迄今所有的物理学家和化学家作为实验和理论研究对象的所有其他的原子排列是根本不同的。……要把物理学家或化学家曾经发现的定律和规则直接应用到这种系统的行为上去,几乎是难以想象的。”(P2-3)


作为物理学家,薛定谔想到了一种逻辑上的不融洽。


“一个有机体和它经历的全部生物学相关过程,必须具有极多的‘多原子’结构,必须防止偶然的‘单原子’事件起到太重大的作用。有机体必须服从足够精确的物理学定律,并按这些定律实现其颇有规则和颇有秩序的功能。”薛定谔想到,“从纯粹的物理学观点得出的结论,是否和实际的生物学事实相符合呢?”(P17)


薛定谔注意到当时的一些生物学实验结果,已经明白无误地说明如下的事实,“在活有机体内有许多极其小的原子团,小到不足以显示精确的统计学规律,而它们在极有秩序和极有规律的事件中确实起着支配作用。它们控制着有机体在发育过程中获得的、可观察的大尺度性状,决定了有机体发挥功能的重要特征;在所有这些情况下,都显示了十分确定而严格的生物学定律。”(P18)


薛定谔为此感到困惑。年轻的沃森则发现了有待开垦的科学处女地,他为此兴奋不已。在之后的求学生涯中,他一直在寻找着心目中的那块圣地。


在获得诺贝尔奖之后,沃森曾经说过,“(DNA)双螺旋是一种优美的结构,但它的讯息却非常平凡:生命不过是一种化学作用。”


DNA双螺旋结构


沃森自幼天资聪颖,15岁来到了芝加哥大学学习动物学。1944年,16岁的沃森看到了薛定谔所著的《生命是什么》。之后,沃森知道了,自己这一生将要做什么。年轻的沃森决定解开薛定谔的困惑,破解生命密码。


在薛定谔的时代(20世纪初),人们已经发现染色体是遗传物质的载体,并且已经清楚地观察到不同生物细胞核内染色体的数量;已经知道细胞有丝分裂和减数分裂,以及在这些过程中发生的染色体交换过程;认识到基因的分离规律和自由组合规律,并且提出了基因的概念……薛定谔为此感叹,“遗传特性保持不变的持久程度有多长,携带这些特性的物质结构必须具有一些什么样的性质呢?”(P28)


薛定谔把他的关注点放在了遗传突变上。他认为,“突变要成为自然选择的合适原料,必须是罕有的事件,正像自然界汇总实际出现的那样。如果突变是如此的频繁,……那么物种非但不会通过自然选择得到改良,反而会停滞,甚至会消亡。由基因的高度持久性形成的相当程度的保守性是十分必要的。例如,一个大型制造厂的经营,工厂为了创造更好的生产方法,一种革新即使还没得到确证,也是必须加以试验的。而为了确定某种革新究竟是提高还是降低生产力,有必要在一段时间内只采用一项革新,而其余部分仍保持不变。”(P39)


薛定谔勾画了一幅遗传物质的通用图像,“我们假定,一个基因的结构是一个巨大的分子,只能发生不连续的变化,这种变化就是原子的重新排列,导致同分异构的分子。一种重新排列也许只影响到基因中的一小部分区域,但存在大量的不同的重新排列也是可能的。和原子的平均热能相比,把基因分子实际结构和它的同分异构体分开的阈能一定是很高的,以致这种变化可看成罕有事件。这种罕有事件就是自发突变。”


在沃森的求学时代,DNA如何承载遗传使命,是科学界的研究热点。而要破解DNA的使命,必须先破解DNA的结构。


沃森在自己的求学生涯中,一直追随着名师,在美国和欧洲的各个实验室之间不停地“跳槽”。沃森先是师从卢里亚和德尔布吕克,之后沃森又前往哥本哈根追随化学家卡尔卡。然而,这些求学经历让沃森很迷茫。


1950年,沃森在意大利的一次学术会议上,聆听到了英国伦敦皇家学院的威尔金斯所做的关于DNA的X射线衍射图谱的幻灯片。幻灯片给沃森带来了惊喜和希望,他又施展“跳槽”绝技,来到了剑桥大学的卡文迪许实验室,开始与物理学家克里克共事。沃森与克里克一见如故,越聊越投机。沃森拉着克里克,决定冒昧地登门拜访威尔金斯。于是一个探讨DNA结构的三人小组非正式地成立了。


从左到右依次为:克里克、沃森和威尔金斯


当时,人们已经知道DNA是由四种脱氧核苷酸组成的。可是构建DNA的结构时,科学家们却有着不同的看法。在DNA双螺旋结构的发现之旅中,很多优秀科学家都做出了卓越的贡献,然而沃森后发先至,不能说没有受到薛定谔的启发,不仅从遗传学角度,也从物理学角度探讨了DNA满足遗传物质的稳定性,必须具备的各项条件。


1953年2月28日中午,克里克和沃森步入老鹰酒吧,向世界宣布:DNA是由两条核苷酸链组成的双螺旋结构。1962年,沃森、克里克和威尔金斯因发现DNA双螺旋结构获得诺贝尔生理或医学奖


《生命是什么》封面


一本小书《生命是什么》至此,完美传递了一段诺贝尔佳话。

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