生命的旋梯

  DNA的双螺旋结构模型已成为分子生物学的象征:从课本的封面 到会议的标志;从公司赠送的茶杯、年历到生物系学生毕业时自行设 计的纪念T恤……甚至俨然成为高科技的象征,傲立中关村街头,睥 睨身旁的车水马龙。   这个模型的建立会使人们习惯性地想起半个世纪以前在卡文迪什 实验室上窜下跳以及40年前荣膺诺贝尔生理学或医学奖的两个年轻人: 詹姆斯·沃森(James D. Watson,1928- )和弗朗西斯·克里克(Francis Crick,1916- )。令我感到略有惊异的是,上世纪初以后,重大科学成 果已很少能使公众俄顷联想到这项成果的拥有者,比如病毒,比如宇 宙大爆炸,比如双螺旋结构本身,第三位科学家莫利斯·威尔金斯( Maurice Wilkins,1916- )的知名度远不如刚刚提到的两位。有一种颇为 流行的解释,当时对于经典遗传学的研究已经几近穷尽,对基因的研 究已是箭在弦上,威尔金斯和罗莎琳德·富兰克林(Rosalined Franklin, 1920-1958)拍出了DNA的高质量X光衍射照片,大化学家里努斯·鲍 林(Linus Pauling,1901-1994)凭借在分子结构研究方面的深厚造诣正 在建立模型,DNA的真实结构似乎呼之欲出。这两个年轻人再用一点 聪明才智,双螺旋结构模型的问世似乎就是水到渠成,瓜熟蒂落。这 无助于消除我的困惑。而且,我认为,每一项科学发现都是某一个或 某几个具体的科学家完成的,是这一个这几个而不是那一个那几个, 这似乎更多关乎到这些具体个人所异于他人的地方。认为“时势造英 雄”,毋宁说是对这些科学家的贬低甚或侮辱。那么,对于沃森和克 里克来说,是什么样的特点使得他们成为建立双螺旋结构的不二人选 呢?

沃森 克里克 威尔金斯

   詹姆斯·沃森     弗朗西斯·克里克      莫里斯·威尔金斯   要回答他们为什么是最合适的人选似乎要先认为他们是最不合适 的。因为,无论在当时还是事后,他们的成果都令人艳羡和叹服,也 更令人愤懑和不解。克里克当时已过而立却仍不谙世事,目中无人, 高傲自大,不善与人合作却动辄与人吵闹。其老板布喇格(W. L. Bragg, 1890-1971)几欲将其炒掉。沃森初入剑桥时却只有23岁,他美国人的 发型、衣饰与谈吐在欧洲的绅士群中也颇不受欢迎。而且他似乎无可 救药地贪恋享乐,他为取悦鲍林而与其子大套近乎,他搞到竞争对手 富兰克林那张DNA的X光衍射图片所用的手段根本无法拿到桌面上。 就从当年的老照片上看,比起威尔金斯的儒雅谦逊,鲍林的睿智深沉, 布喇格的恢弘雍容,我们这两位顽劣的天才倒更像是马戏团里的龙套。 何况,他们是那么年轻,他们毫无资历。克里克二战时期还在海军部 队研究水雷,是一个学物理出身的大学毕业生,刚开始与沃森合作时, 对于常人看来研究DNA所必备的生物化学知识,他既无背景亦无兴趣。 而沃森大学时代主修野生动物,最喜爱鸟类,大学高年级时却转而对 基因感兴趣,但他在印第安那大学的研究生院里却并没有修习研究生 物大分子的背景课程有机化学,一部分因为他的“懒惰”(沃森本人 语),一部分因为他的笨拙——他在有机化学实验室制造的爆炸使得 教授们对他退避三舍。他跟随萨尔瓦多·卢利亚(Salvador Luria, 1912-) 攻读博士期间,没有接触任何化学。是的,原因太多了,他们不应该 是双螺旋的缔造者。   然而,偏偏就是他们。首先是他们二人的合作。这次合作被成为 “现代生物学历史上的一次最富有创造性、最激动人心、或许也是最 神奇的合作”(加兰·E·艾伦语,Garlland E. Allen)。而沃森则这样 描述刚刚进入他视野中的克里克:   “(克里克)无疑是我曾合作过的人当中最有生机的一个人,而 且非常像我曾经见过的鲍林,事实上,他长得也很像鲍林。他总是不 停地谈话和思考,而且由于我在他家度过了许多时光——他有一位迷 人的法国妻子,她很擅长烹调——所以我觉得自己也变得富有生气了。 弗朗西斯吸引了许多有志向的年轻科学家,因此,我在他家的茶会上, 经常遇到许多剑桥的人物。”(摘自沃森1951年12月致马克斯·德尔 布吕克(Max Delbruck,1906-)的信件)   直接引起二人惺惺相惜的是对基因的分子本质的共同兴趣。这种 智力的共鸣是直接的和具有催化性的。克里克发现沃森是一位对遗传 学很有造诣的生物学家(克里克本人不太懂遗传学),并且急于要知 道基因是如何活动的。沃森则发现克里克是一位不仅了解X射线结晶 学,而且对基因的结构与生物学功能很感兴趣的物理学家。这使沃森 感到新奇和鼓舞,而其他人的努力,比如赫尔曼·考卡尔(Hermann Kalckar,1908- )小组,甚至威尔金斯,在沃森看来都不大可能取得 丰硕的成果。我看亦然。从此,这两个轻狂桀骜的家伙居然亲密无间 地合作,直至他们在1953年4月的《自然》杂志上发表了那篇改变世 界科学史进程的短文。在这期间,他们互补的性格消除了对方的缺陷, 他们迥异的专业背景也是那么相得益彰。克里克极具天赋,执著,睿 智,眼界开放而不囿于成见,思想深刻而不流于肤浅,在权威面前绝 无缩手缩脚之态,他还习惯于谈论和思考;而沃森则眼光独到,观察 事物有一种敏锐的穿透力,因为年轻,他也是那样得无拘无束,甚至 他还有一些心眼,会一些算计。更要命的是,他们还拥有一种旁人无 法企及的敏捷。而这种敏捷贯穿于他们合作的始终,也贯穿于他们学 术生涯的始终,甚至布喇格爵士为沃森的回忆录《双螺旋——发现DNA 结构的个人经历》所作的序言中戏称沃森和克里克是“站在巨人的脚 趾上”,也可看出这种敏捷。牛顿以降,学者名满天下之后总是迫不 及待义不容辞地宣称,自己是站在巨人的肩膀上,而这两个小子却站 在巨人的脚趾上。是怠惰(懒得爬高)?是油滑(爬不了高)?难道 竟是标榜和吹嘘(自己本是巨人)?这种底气十足得说法终究来自二 人的敏捷。

     X射线照片

       富兰克林摄得的X射线照片   在具体的研究过程中,这种敏捷也使得他们能够找到最短的途径, 最有力的证据,最丰富的材料,以及最精当的表述,使得他们在一场 开始阶段远远落后的竞赛中于冲刺阶段突然发力并最终率先撞线。他 们的DNA双螺旋的实证论据来自富兰克林和威尔金斯的X衍射图,他 们的模型建造方法来自于鲍林,他们对氢键的计算来自于约翰·格里 菲斯(John Griffith),对DNA构型的认识来自杰里·多纳休(Jerry Donohue,1920- ),而自奥地利流亡英伦的生化学家埃尔文·查迦夫 (Erwin Chargaff, 1905- )所发现的A(腺嘌呤)与T(胸腺嘧啶)、 G(鸟嘌呤)与C(胞嘧啶)在DNA中的含量分别相等的结论,也使 克里克认识到不同类型的碱基配对可能是DNA分子结构的基础。似乎 只有双链核苷酸才是他们首创。对待知识的态度,他们好像显得颇为 功利,什么有用,才去学什么。而就是这种驳杂,使沃森和克里克在 别人关注树木的时候将整个树林尽收眼底。弗兰克林没有想到DNA的 化学动力学问题,鲍林没有想到DNA的晶体构型,他们也都没有想到 碱基的构型和氢键的数学关系,而沃森和克里克则将一切都想到了。 也许正是当年的卑微身份使得他们能够抛下面子四处搜罗情报?最终, 他们成功了。让我们通过克里克本人的回忆来体味那伟大而美妙的一 刻吧:   “杰里(即多纳休)和吉姆(即沃森)在黑板旁,我在书桌旁, 我们突然想到‘噢,对了,也许我们可以用碱基配对来解释1:1的比 例’。这似乎恰当的令人难以置信。于是,在这一时刻(2月20日, 星期五)我们三个都想到应该将碱基放在一起,并用氢键结合。”

 沃森、克里克和DNA模型

          站在生命的旋梯上   我很难想象,如果不是这两个人,如果这两个人没有走到一起, 让那些巨头们在自己的 实验室中一条道走到黑地走下去的话,双螺 旋要推迟多久才会被世人所认识?   而且,再看看沃森和克里克在建立双螺旋模型后的学术活动,他 们并没有象有些科学家那样一鸣惊人之后江郎才尽泯然众人,我们更 有理由相信,不是时势造英雄,而是两位英雄共同开创了生命科学史 上迄今为止最璀璨辉煌最浩荡磅礴的分子生物学时代。沃森和克里克 利用双螺旋模型的本身,预见到了DNA的半保留复制。60年代,沃森 提出了分子生物学的中心法则尽管在以后的岁月中,新的生命现象一 次再次地冲击了这条法则,但沃森所构造的天才框架却经过改造,优 雅地接纳了这些现象;90年代 ,沃森成为第一个主持人类基因组计划 的首席科学家,而这一计划的意义,也许我们现在还无法完全领会。 令人感到遗憾的是,沃森的性格并未随年龄与学养的增长而变的沉稳, 他以花甲之龄口吐无忌童言,说什么越肥胖的人越聪明。“我本楚狂 人,凤歌笑孔丘”,也许,我们不该苛责他太多。克里克在模型建立 以后8年,便译解了遗传语言,读懂了三联密码。此后他并未在自己开 创的分子生物学领域中盘桓过多,在托马斯·库恩(Thomas Kuhn, 1922~1996)的范式中,他好象永远愿意充当一个革命者而不想去埋 头解难题。60年代中期,克里克转向研究生命起源,提出了生命的化 学起源并非地球上惟有的事件,至少与太阳系的形 成有关,这种观点 在当时是一个异端,甫一出笼便招来骂声一片,直到80年代,才为多 数人支持。而总想回答“生命是什么”的克里克,此时已转向研究脑 神经信号的形成与传输,并提出了“惊人的假说”:人的神经活动完 全由神经细胞、胶质细胞的行为和构成及影响它们的原子、离子和分 子的性质所决定(一笑同志对此已有系列文章专门论及,不再赘述)。 “十步杀一人,千里不留行,事了拂衣去,深藏身与名。”克里克多 么像一个科学界中的游侠啊!   分子生物学在以后的发展中已经昭示了进化论、遗传学、胚胎学、 生物化学以及解剖学(以分子解剖学的新姿态出现)概念之间的统一, 这种统一的方式可能会使恩斯特·海克尔(Ernst Haeckel,1834-1919) 和奥古斯特·魏斯曼(August Weismann,1834-1914)感到欣慰。这是 一种真正的统一,这种统一将所有现象都分解到生命所共同具有的最 低层次,对于上个世纪的生物学家来说,这个层次就是分子层次。现 代分子生物学的中心思想已经表明,它所进行的将生命研究统一起来 的努力,可以与达尔文在一个世纪以前所做的努力相媲美。DNA双螺 旋模型就像一座盘旋而上的扶梯,通向人类的终极梦想。而能够在生 命的旋梯上拾阶而行,我得由衷的承认,这是我的福气。   走笔至此,应该是到了结尾的地方了。可是,我总觉得自己漏掉 了什么。是的,不可饶恕。让我做个补充吧,为了我的不吐不快,也 为了您,我亲爱的读者。

     薛定谔

          埃尔文·薛定谔   在前文中我竟然无意地埋下了一个伏笔,为什么克里克从物理学 专业转投生物学;又是什么使原本学习动物学的沃森一心想要揭开基 因的奥秘呢?在很大的程度上,这要缘于一本叫做《生命是什么?》 的书。该书作者埃尔文·薛尔谔(Erwin Schrodinger,1887-1961)1938 年逃离纳粹铁蹄下的故土奥地利,迁居都柏林。1943年在都柏林的一 次学术报告会上,薛定谔发表了自己关于基因本质的观点。 会后的 1945年,他将自己的报告辑成《生命是什么?》一书。在书中,薛定 谔提出基因是一种有特殊地位的分子,并天才地预见到基因中藏有一 种化学密码。薛定谔指出的极具诱惑力的方向与留下的无穷无尽的想 象空间,足以令每一个人着迷。克里克读完此书写道,他有一个印象, “伟大的事情就在角落里”。克里克看来,其中的一个“伟大的事情” 就是此前J·D·伯尔纳(J. D. Bernal,1901-1971)利用X射线结晶法对 蛋白质和DNA的研究。而后来双螺旋的建立也正是基于X结晶方面的 工作。沃森则说:“从我读到薛定谔的《生命是什么?》那一刻起, 我就希望发现基因的秘密。”我们可以想象,还有多少年轻人在这本 书的感召下将自己的智慧奉献在基因研究这个可以发挥创造力甚至还 带有浪漫倾向的领域中。二战以后,DNA研究领域的万千气象,先知 薛定谔居功至伟。

     Franklin

          罗莎琳德·富兰克林   还有一位,上文提到过不止一次的女科学家罗莎琳德·富兰克林。 1951年,她作为一名X射线晶体衍射技术专家加入威尔金斯在伦敦国 王学院的实验小组。在这里,弗兰克林亲手建起了自己的实验室,很 快便得到了效果极佳的DNA的X射线衍射照片。她提出了DNA分子可 能的螺旋状构型,甚至区别出了DNA的A型结构和B型结构。 到了 1952年,她已经运用帕特林重叠法证明磷酸基团必定是在DNA分子的 外部。虽然与沃森和克里克是竞争对手,她却并不保守,她提供的清 晰照片很大程度上帮助了沃森和克里克。然而,就是这样一位优秀的 科学家,却总是被公众遗忘,荣誉的光环总不肯浮现在她的头顶。就 连沃森在自己的《双螺旋》一书中,对这位可敬的科学家也说了许多 挖苦甚至是——轻佻的话语。当然,沃森在这本书的后记中,表达了 自己的悔意与愧疚,并对弗兰克林的工作进行了高度的评价。然而, 这能有多大用呢?弗兰克林已于成书前十年——1958年溘然长逝。需 要指出的是,她生于1920年。