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物种起源––正传:35.生命是什么?

2017-06-04  星光闪亮...

  正传:35.生命是什么?

  来自科学史评话

  00:00 23:30

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  上文书讲到,各种自然选择的学说开始不断地融合。形成了分层次自然选择的观念。原来在基因层面上,在个体层面以及群体层面,自然选择都在发挥作用。但是各个层次上遵守的规则又是不同的。但是自然选择还将受到来自分子级别的挑战。这一次挑战发生在60年代末。综合进化论一致认为,自然选择是生物进化的主要动力。但是偏偏有人出来说不。而且人家证据还很硬,你还不太好反驳。因为这个证据是在分子级别。

  说来话长啦,毕竟一张嘴难表两家之事。遗传学和进化论虽然是相伴相生,但是毕竟是两个方向。我们不得不把遗传学这一头捡起来说一下。


  埃尔温·薛定谔

  20世纪因为第二次世界大战的关系,国际格局明显被分成了前后两截。欧洲一开始打仗,好多科学家就跑了。其中就有著名的物理学家薛定谔。1933年,德国闹纳粹。薛定谔就离开了德国来到了英国,落脚在了牛津大学。后来得到信息,他和狄拉克分享了诺贝尔物理学奖,他一高兴就回了自己的祖国奥地利。哪知道德国并吞了奥地利,他还是落在纳粹的手里。后来辗转去了爱尔兰的都柏林大学。在那儿一干就是好多年。1943年,他在都柏林大学开了个讲座,完整的讲述了他对于物理学和生命的看法。后来讲稿集结成书,就是这本《生命是什么——活细胞的物理学观》。


  这本书非常出名,他影响了一代人投身于生物学界。要知道薛定谔可是量子力学开创者之一,物理学的宗师啊。而且他从小兴趣爱好广泛。对于生物学一直很感兴趣,而且他有着哲学家的洞见。《生命是什么》这本书号称叫分子生物学中的《汤姆叔叔的小屋》。《汤姆叔叔的小屋》引发了南北战争。薛定谔的这本书也引起了非常强烈的效果。一大群物理学研究者转行开始研究生物学。一系列物理学方法就被带入了生物学领域。

  那么这本书究竟讲了什么呢?薛定谔是从物理学开始讲起的。毕竟这是他的本行,也是他思考的出发点。生命究竟是什么呢?宗教信徒反正总是把这事儿推给上帝,都是他干的。对于化学家来讲,一切都是化学反应。早期化学家都认为,有机物是只能靠生命来获得的。比如从葡萄汁里面可以提取酒石酸。从尿液里面可以提取尿素。从酸奶里面可以提取乳酸。这些东西都是只能靠生命才能制造出来。有人提出了一种东西叫做“生命力”。靠人工化学合成是搞不定这些东西的。但是,化学家维勒打破了这种迷思。他靠加热氰酸铵成功获得了尿素。本来嘛,并不存在什么神秘的“生命力”,有机物质,乃至生命都遵循普通的化学过程。没有什么新鲜的。

  早期生物学家们只关心生物是如何演变的,他们并不关心生命是什么。薛定谔作为一个物理学家,他显然是从物理的角度来探讨生命现象的。当然啦,薛定谔与生物学之间的关系,大家大概最熟悉的就是薛定谔的猫。一只猫被他定义成了半死不活的叠加态。所以,现在有人戏称薛定谔是“虐猫狂人”。其实人家只是举个例子罢了。

  物理学家自然有他们的独特的角度。在他们看来,一切科学都是物理学。可不嘛,万物至理嘛。那时候,大家还不知道,遗传物质的化学基础究竟是什么。到底是什么东西构成了遗传物质。反正就知道在染色体里面。1943年,薛定谔也还不知道DNA,因为DNA是1944年美国人从细菌里面首次分离出来的,而且认定这东西就是遗传物质。当时薛定谔不知道这些东西。但是他有物理学家的洞见。我们前文书讲过,摩尔根研究果蝇,对着果蝇搞满清十大酷刑。逼着果蝇的遗传出现变异。后来发现,X射线最有效。弄不好果蝇就出现没翅膀或者没眼睛的怪胎。摩尔根的心思都集中在了这些怪胎身上。但是薛定谔不一样啊,他是物理学家。他的眼光盯在了X射线上。X射线可以使化学键断裂。但是影响的范围并不大。也就是少数原子会受影响。但是为什么极少数原子受影响,就会造成生物发生严重的变异呢?

  薛定谔推想,一个原子是携带不了多少信息的。那么一个基因,要是原子数过少,那么显然是不稳定的,量子涨落会很厉害。只有原子数足够多,才能保持遗传基因的稳定。晶体小分子肯定不行,非晶体的大分子才有这个本事。遗传物质一定是基于非晶体大分子,信息是靠分子的结构排列来携带的。遗传基因说到底是携带信息。生命看来与信息是密不可分的。遗传物质必须保持有序的结构,才能稳定的携带信息。可是为什么会稳定呢?要知道自然界整体遵循热力学第二定律。在一个绝热系之中,熵是无可避免的走向增大的。背后的含义就必定从有序走向无序。那么,生命为什么能够做到从无序到有序,并能够生生不息?

  薛定谔认为,生命体是处于一个开放状态下,不断地从环境中汲取“负熵”,这种“新陈代谢”使得有机体成功地消除了当它自身活着的时候产生的熵。伏尔泰说过“生命在于运动”。薛定谔说“生命在于负熵”。我们也好理解啊。人的衰老,大约可以看成是熵增,当你身板吧不再挺拔,当皱纹爬上了额头。你其实是能感觉到,生命正在从有序走向无序。我们可以从外界获取负熵的物质来弥补本身的熵的增大。我们一直都在这么做。当我们再也没办法这么做的时候,生命就终结了。

  普利高津后来提出了“耗散结构”,试图解释无序如何能达到有序,但他的理论并不完美。这种机制到底是怎么作用的,我们不是太清楚。

  第二次世界大战,各国都有大批的科技人员为战争服务。物理、化学等等人才就特别多。二战之中两种东西大发展,一个是核物理,美国在家憋大招造原子弹呢。还有一个就是无线电技术大发展。英国第一个完善了本土连防空预警雷达系统。但是,二战结束以后,物理学方面的人才显得过剩了。他们未来的道路就开始变得迷惘了。这时候,薛定谔的这本《生命是什么》给了他们很大的启示,原来还有生命科学这么大的一片蓝海需要人才啊。

  不出所料,在薛定谔感召之下,生命科学出现了两次革命。一是分子生物学的革命,标志是DNA双螺旋结构的发现。分子生物学的出现,受到薛定谔等物理学家的极大影响。同时,物理学还为生物学提供了X射线、核磁共振、电子显微镜、高速离心机等等工具。二是基因组学,就是我们说的测序,这是数学、计算机科学和生物学的交叉。

  一批物理学家投身到计算分子进化和遗传学的研究洪流中,新西兰物理学家威尔金斯(1945年转向)和英国物理学家克里克(1947年或1949年转向)就是其中的二位。克里克原本打算研究粒子物理的,看了薛定谔的书,他开始迷上生物学了,一脑袋扎进去就再也不出来了。威尔金斯也是看了薛定谔的书,告别了物理学,开始转向探究生命大分子复杂结构,这里头奥妙无穷啊。


  此外,美国生物学家沃森在芝加哥读大学时,就被薛定谔的书牢牢地吸引住了,他立志献身于揭开生命遗传的奥秘。不仅他们,其他诺贝尔奖得主——如卢利亚、查尔加夫、本泽等——也都受到《生命是什么》的感染,贝塔朗菲的生命系统论和普里高津的耗散结构理论也从该书中获益匪浅。薛定谔的书起到了非常大的推动作用呢。

  1951年,年轻的沃森来到克里克所在的卡文迪什实验室。当时的不少人认为,染色体里面的蛋白质才包含遗传信息的物质,相信DNA是遗传物质的人不算多。但是这二位是坚定地认为DNA才是遗传物质。通过X光结晶影像技术的帮助,沃森和克里克观察到了DNA分子的成分以及长链DNA分子以螺旋状呈现等信息。但是,DNA分子究竟是由几个螺旋组成的呢?内部间的各成分又是怎样组合的?螺旋到底有多密?圈与圈之间的缝隙有多大?这一大堆的细节问题,他们还是搞得一头雾水。


  沃森和克里克

  与当时其他人的思路不同,沃森和克里克坚持要先找到DNA分子结构的模型。其他人都不擅长建分子模,他俩特别在乎这个。从五金商店买回来一顿的零件就开始拼接。小球小棍的一大堆。还有好高的一个铁架子。

  受到前人的影响,他们原来按照3螺旋的思路折腾了好久,可是怎么鼓捣也不对。也遭到X射线衍射摄影高手罗莎琳德·富兰克林的强烈反对,证明DNA螺旋结构的照片就是她拍的,这二位的工作陷入了僵局。后来他们看到蛋白质结构权威鲍林关于DNA结构的论文,鲍林认为DNA分子结构为3螺旋。沃森在认真考虑并向同事们请教后,果断的地否定了权威的结论。在不到两个月内终于取得了后来震惊世界的成果。

  1953年他俩提出了DNA双螺旋分子结构模型。文章不长,大概900多字吧,但是引起了轰动。遗传物质到底怎么回事儿被揭开了神秘的面纱。原来DNA是个双螺旋结构。这个模型成功地说明了DNA通过双螺旋的解旋,以每条单链为模板合成互补链而复制,长链上的碱基序列是怎么构成遗传编码的。就这样,他们沃森、克里克、威尔金斯因对核酸分子结构和生物中信息传递的意义的发现,而获得了1962年诺贝尔生理学或医学奖。从此,分子生物学诞生了。


  罗莎琳德·富兰克林

  当然啦,其中也伴随着一系列的冲突、误会,以及江湖恩怨。真正拍到那张至关重要照片的罗莎琳德·富兰克林根本没被提到。后来过了好久,才确认了她的贡献。这时候罗莎琳德·富兰克林已经故去多年了。

  也许大家会问:沃森和克里克为什么会成功?从X射线衍射分析技术看,沃森和克里克显然不及威尔金斯和富兰克林的。就结构化学知识而言,沃森和克里克更不是鲍林的对手。沃森和克里克能拔得头筹,靠的是两人的合作,靠的是知识和能力的互补,靠的是博采众家之长。这对组合最强的优势是把物理和化学的研究资料都放到生物学背景上去考虑,时刻牢记DNA是遗传物质,搞清楚DNA分子结构,就是为了在分子水平上阐明基因的自体催化(复制)和异体催化(编码蛋白质)。迄今为止,搞清楚结构的大分子不计其数,结构之复杂、精度之高都大大超出双螺旋模型,有不少也得了诺贝尔奖。但全世界唯独把4月25日定为国际DNA日,就是因为这个模型深刻的生物学内涵——它揭示了生命的分子本质,揭示了DNA的生物学之魂!

  大约就是薛定谔写《生命是什么》的时候。一个年轻的日本人进入京都大学求学。1944年嘛,那时候日本鬼子已经江河日下,兵源枯竭。有经验的老兵们早就打光了。这个年轻人当然也就躲开能为战争服务错的学科。他去研究遗传学了。这个年轻人叫木村资生。当克里克和沃森研究出DNA的双螺旋结构的时候。木村君恰好去美国深造。在美国深造了3年以后,他回了日本。


  在当时,利用分子遗传学来研究进化论是一条新路。有不少人认为,新的理论恐怕会从根子上动摇达尔文的理论。哪知道分子遗传学和达尔文的理论可以说完全相符,有力的支持了达尔文的学说。所有生物的都是用同一套机制来控制遗传变异,具有共同的分子结构基础。这就明显表明达尔文的共同祖先理论应该是正确的。生物信息可以从核酸传递给蛋白质,但是没办法从蛋白质传递给核酸。这等于就否定了拉马克的获得性遗传。基本是从根子上断了念想。

  分子生物学还提供了不少的工具。比如说,可以比较重要基因的核苷酸序列来判定两个物种亲戚关系远近。这种信息是包含在生物体的身体内,要比化石准确地多。也方便的多。

  木村资生研究的就是分子生物学。他也是自然选择学说的忠实信徒。但是到了1968年,鼓捣出麻烦来了。他得出一个结论,那就是在分子层面,自然不选择,好像自然选择失效了。这是怎么回事儿呢?

  下回再说……

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