宇宙自然生命简史 60：有故事的 DNA，从摩尔根到富兰克林
我们的身体特别热衷于制造 DNA，如果不是这样，我们也活不了。然而，DNA本身并没有生命。当然啦，所有的分子都不会有生命，DNA 就是一个有机大分子。但 DNA 分子尤其的不活跃，用遗传学家路翁亭（Richard Lewontin）的话来说，“DNA 是生物体中最不活跃的化学惰性分子。”这也是为什么在谋杀现场调查时，能从风干了很久的血迹或精斑中提取出 DNA，还能从远古的尼安德特人骨骼化石中提取出 DNA。这种物质神秘而低调，可以用“毫无生气”来形容，正因为此，才让科学家们花了那么长的时间认识到，它们居然是生命最核心的东西。
DNA 作为一种实体，存在的时间超乎你的想象。但它却一直要到 1868 至 1869年的那个冬天 ，才被一位在德国蒂宾根（Tubingen）大学工作的瑞士科学家米切尔（Johann Friedrich Miescher）所发现，当时他刚拿到博士学位，所以也有一种说法是，他是以学生的身份在实验室参与实验的。不过当时，这个米切尔虽然年纪轻轻，生活却过得并不顺利，他之前感染了伤寒，当中还休学了一年。不过好在他康复了，还拿到了博士学位。他有一次在用显微镜研究手术绷带中的脓液时，发现了一种他不认识的物质。他称其为“核素”（因为是在细胞核中发现的嘛）。在当时，米切尔仅仅只是注意到了它们的存在，却没有多想。但显然，米切尔一直没有忘记它们，因为 23 年后，在一封写给他叔叔的信中，他提出这种分子很可能就是遗传的载体。米切尔的叔叔也是一位科学家，却也没有把这当回事。可以说米切尔的洞察力是非凡的，但这个观点远远超出了当时科学的需要，所以根本没有引起什么注意。
图：米切尔从绷带的脓液中发现了“核素”
在这之后的半个世纪中，人们普遍认为，这种后来被称为脱氧核糖核酸（DNA）的物质，在遗传当中，充其量只是扮演了一个微不足道的角色。因为它的结构很简单，总共只有四种组件，被称为核苷酸，有点像一个只有四个字母的字母表。生命的故事难道可以用区区四个字母写就吗？这其中的奥秘很像你用摩斯码发电报，虽然只有点和划两种编码，但却可以用不同的组合来表达复杂的信息。但当时人们的认知有限，他们觉得 DNA 根本不做任何事情，只是静静地呆在细胞核中。它可能以某种方式约束染色体，也可能为体液或者血液增加一点儿酸度，或者完成一些未知的小任务。人们当时认为，生命所需的复杂性，只可能存在于细胞核的蛋白质中。
但是，关于 DNA，有两个问题又是人们所无法轻视的。
（忍不住插句题外话，我在这段的翻译稿的手稿中，写了一个括号，括号中是这么写的：我真的忍不住要吐槽比尔·布莱森了，他经常说“讲2个问题”，但往往只能找到“first”，再也找不到“second”了，得自己去猜哪里开始算第二个问题。以前还出现过“讲三点”，但第三点怎么也找不到的情况。我最受不了比尔的就是这个毛病。这是必须要尽量避免的科普写作中的槽点。吐槽完毕，继续）
图：比尔·布莱森
第一，DNA 的数量众多，几乎每一个细胞核中都有近 2 米长的 DNA，它对细胞的重要性由此可见一斑。尤其是，DNA 在实验中总是出现，就好像神秘谋杀案的嫌疑人。特别是在两个实验中，一个有关肺炎球菌，一个有关噬菌体（一种会感染细菌的病毒），这只能说明 DNA 这个角色的重要性被前人大大地低估了。第二，有证据表明蛋白质的生成与 DNA 有某种关系，这对生命来说，是至关重要的。但又令当时的人们想不通的是，蛋白质确定是在细胞核之外生成的，若要说它们是受 DNA 控制的话，它们离 DNA 实在也是远了一点。
当时，没人能搞清 DNA 是怎样将信息传给蛋白质的。今天我们知道，是一种叫作核糖核酸的物质，也就是 RNA 在两者之间起着翻译的作用。也就是说，DNA 和蛋白质讲的不是同一种语言，这在生物学中，是有名的怪事。在将近四十亿年的时间中，它们是生命舞台上两个最重要的演员，但却操着两种互不相容的密码，就好像一个人说中文，一个人说英语一样。它们需要 RNA 充当交流的媒介，在一种叫核糖体的化学物质的帮助下，RNA 将 DNA 中的信息传译给蛋白质，并让蛋白质以此为行动指令。
不过，为了给你把 DNA 的故事讲的更加透彻一点，我打算带你重新回到二十世纪初期。那个时候，离我们弄明白前面讲的这些事情还有好长的路要走。在当时，一切与遗传有关的事情都还是扑朔迷离的呢。
想要揭示遗传的奥秘，我们需要一个即有天赋又勤奋的人，但光有这个也不够，还需要他能灵光一现，想出一个很聪明的实验。令人高兴的是，这个人在 1904 年出现了。在更早几年，准确地说是 4 年前，孟德尔的豌豆实验重新引起了生物学界的关注，不过基因这个词的出现还要等上 10 年。我们说的这个人你大概猜出来了，他就是著名的摩尔根，在这一年，他下定决心，致力于染色体的研究。
染色体是在 1888 年被偶然发现的。之所以叫这个名字，是因为这种物质很容易被染上颜色，因此也就很容易在显微镜下看到。到了世纪之交时，它被高度怀疑与生物的特性传递相关。但是却没人能搞清楚它们作用的机理。
摩尔根是从 1909 年开始折腾果蝇的。果蝇就是一种苍蝇，只不过是那种喜欢在水果中而不是便便中孵化的苍蝇，这样养起来不会那么恶心。那你们可能想问：为啥要在苍蝇这种不招人喜欢的虫子身上做实验？其实摩尔根最早也是想在哺乳动物身上做实验，可是经费没批下来。他没钱啊，养小白鼠是要花很多钱的。但是他偶尔发现了果蝇这么个好东西。这东西吃得少，给点香蕉就能养一大帮子。而且繁殖快啊，这多便宜啊。第一只养果蝇的瓶子据说还是他从别人家门口顺手牵羊给顺来的。最早一批果蝇是从实验室门口的烂菠萝上抓来的，你看这都没花钱。作为实验对象，它们有一些无可比拟的优点：个头小，吃得少，很好养，随便一个牛奶瓶就能养出几万只，从虫卵到成虫只需要10天甚至更少的时间；另外，它们只有四对染色体，研究起来相对简单。
图：摩尔根
在纽约哥伦比亚大学的一间小小的实验室中，摩尔根和他的团队耐心细致地饲养果蝇，总共杂交出了几百万只之多。为了检查它们在遗传方面的微小变化，研究人员得用镊子夹着每一只果蝇，然后放到珠宝商人用的放大镜下面，仔细地观察。摩尔根想要在果蝇身上实现特征变异，比如生出来就缺胳膊少腿啊，或者多长出一对翅膀来。这一群苍蝇到了他手里可算是倒了血霉了。化学药品处理、高温处理、用放射线照射、拿X光照射。这简直是满清十大酷刑啊。到最后，也没搞出什么结果。摩尔根当时已经48岁了，他都开始失望了。但是皇天不负有心人啊，果蝇里面终于出现了一个变异——一只白眼的雄果蝇。其他果蝇的都是红眼的。后来经过一系列的繁殖实验，摩尔根到了 1911 年，确认白眼的基因位于 X 染色体上。这就迈 出了关键的一步，后边就好办了。1915 年，摩尔根的实验室已经发现了85种能遗传的突变基因。所以啊，能上中学课本的人物都是不含糊的。唯一要澄清一点，那只白眼的果蝇，不是摩尔根自己发现的。而是另外一位叫做布吉里斯的同事，他拿着一只装满果蝇的瓶子正要去销毁。突然看到一只白眼儿的变异。于是，这只果蝇就成了遗传学史上最著名的动物。要说这位眼神好吧，也不能这么说，因为布吉里斯是个色盲……
然而，问题并没有完全解决，当人们深入到生物学中更复杂的下一个层次时，便发现，基因以及构成基因的 DNA 很难分离出来，也很难探明具体作用。
直到 1933 年底摩尔根获得诺贝尔奖时，还是有很多研究人员不相信基因的存在。“基因到底是什么？它们是真实的存在还是纯粹的臆想？”摩尔根说这个问题在那时并没有共识。你可能会感到很吃惊，在我们今天看来，基因是细胞活动中起着如此基本作用的物质，简直连三岁小孩都知道，居然有很多科学家对它的真实性都迟迟不愿承认。实际上，在我看来这并不奇怪，科学家群体恰恰是一群质疑精神最大的群体，也正是因为这种苛刻的质疑，才能保证我们今天已知的这些知识是可靠的，是可以被后人直接拿来用的。
我再举个例子，像思考和记忆这样的精神活动，我们今天也大体处于和摩尔根那个时代对待基因相同的情形。毫无疑问，我们知道我们拥有它们，但是，我们却不知道它们以什么样的物理形式存在着，甚至是否真的是一种物理形式的存在我们也不敢下断言。对于很多摩尔根那个时代的人来说，从人身上取一个基因出来研究一下的想法是很荒唐的，就好像现在有些人也会讥笑一些科学家试图取一束思想或者记忆出来放到显微镜下面看看一样。但我还是想告诉你，不能因为基因这个例子就推导出思想和记忆也是同样的结局，或者推导出任何今天看来荒唐的假说都会有好的结局，100 个荒唐里面或许会出现 1 个反转，但毕竟 99% 还是荒唐的。关键问题不在于你信还是不信，而是你为什么信或者不信，只要能讲出为什么的道理，不管是信还是不信都是科学精神。
可以肯定的是，某种与染色体相关的物质主导了细胞的繁殖。终于，有一个团队在1944年取得了突破。他们来自曼哈顿的洛克菲勒学院，领头的是一位加拿大人，叫艾佛瑞（Oswald Avery）。此人才华横溢却生性羞涩。他带领团队用了15年成功地完成了一项极为困难的实验，让一株非致病的细菌与外来 DNA 融合，从而使该细菌产生了永久性的致病能力。这就证明了 DNA 不是一个摆设，几乎可以肯定它们是遗传信息的活跃载体。奥地利出生的生物化学家查伽夫（Erwin Chargaff）事后很严肃地认为，艾佛瑞的发现值得两次诺贝尔奖。
但艾佛瑞很不走运，他遭到了一位同事的反对。此人名叫米尔斯基（Alfred Mirsky），是一位狂热的蛋白质研究者，生性顽固，令人讨厌。他利用自己的权力，极尽一切所能贬低艾佛瑞的成果。据说，他还极力地游说位于斯德哥尔摩的卡罗林斯卡学院不要授予艾佛瑞诺贝尔奖。艾佛瑞当时已经 66 岁了，身心疲惫的他承受不了工作的压力，也没精力去跟人争，于是辞去了工作，再也没有返回实验室。不过，其他人的实验完全支持了他的结论，很快，DNA 的结构问题又成了科学家们新的竞赛内容。
如果你生活在上世纪五十年代，又好赌的话，那几乎可以肯定，你会赌加州理工的鲍林（Linus Pauling）赢得此次竞赛，破译 DNA 的结构。这位美国首屈一指的化学家，在确定分子结构方面无人能及，同时他也是 X 射线晶体学的先驱，正是这项技术成为了破译 DNA 结构的关键。鲍林的职业生涯堪称辉煌，他曾两获诺贝尔奖（1954年的化学奖和1962年的和平奖）。但是，鲍林却输掉了这场破译 DNA 的竞赛。因为他错误地确信 DNA 是三螺旋结构，而非双螺旋结构，因此从未走上正途。胜利从而落到了四位英国科学家头上，但这四人并不是一个团队，而是互不理睬，很大程度上都是该领域的新手。
这四个人中，专业最沾上边的是莫里斯·威尔金斯（Maurice Wilkins），他在二战时期花了大量时间协助设计原子弹。另外两人，罗莎琳·富兰克林女士（Rosalind Franklin）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）。他们在战时的好多年为英国政府的采矿业效力。克里克负责爆破技术，富兰克林负责采煤技术。
四人中最不平凡的人是吉姆·沃森（James Watson）。他是一个神童，小时候就在一档很流行的电台节目《儿童智力竞赛》（The Quiz Kids）中出尽风头。他 15 岁便考入芝加哥大学，22 岁又拿到了博士学位，进入著名的剑桥大学卡文迪许实验室工作。他有一张 1951 年的照片，那时他 23 岁，看上去像个傻大个，一头乱蓬蓬的头发，就好像在相框外面有一块强力磁铁拽着头发似的。
图：年轻时的沃森
克里克比沃森年长 12 岁，当时还没取得博士学位，头发也没有那么乱，但是更硬一点儿。在沃森的描述中，他是一个爱说大话，吵吵闹闹，喜欢争论，急于要求别人赞成一个观点，三天两头被别人呼来唤去的人。
他们认为，只要弄清楚了 DNA 分子的形状，就能明白它们是怎样工作的。后来证明，他们的想法是对的。而且，他们还希望尽可能用很少的一点儿必不可少的工作，就能达到目的。沃森在他的那本自传《双螺旋》（The Double Helix）中兴高采烈地说（多少带点夸耀），“我希望自己不用学习化学就能解答基因的问题。”实际上，当时领导没有安排他们从事 DNA 相关的研究，有一阵子还被勒令中止已经开展的工作。沃森装作是在研究晶体图案，克里克则谎称自己是在完成一篇有关大分子的 X 射线衍射的论文。
在普遍流行的说法中，解开 DNA 之谜的功劳，几乎全部都归给了沃森和克里克。其实，他们的突破离不开竞争对手所完成的实验，这对他们而言很关键。用科学史学家贾丁（Lisa Jardine）的话来说，他们的成果有“偶然性”。至少在起步阶段，伦敦国王大学的威尔金斯和富兰克林远远走在了他们的前面。
新西兰出生的威尔金斯是个不爱出门的人，几乎到了无人知道的程度。虽然他于 1962 年与沃森和克里克一同分享了诺贝尔奖，但是在 1998 年全美公共广播公司拍摄的一部有关 DNA 结构发现史的纪录片中，完全把他给忽略掉了。
罗莎琳·富兰克林是他们所有人中最神秘的角色。沃森在《双螺旋》一书中对她充满了调侃，也可以认为是讽刺和挖苦，他形容罗莎琳·富兰克林是一个不讲理、故作神秘、日常很难打交道的女人。他还说富兰克林疏于打扮、不施粉黛。他原话是这么说的，她“不算丑，只要对衣着稍加留意，或许还能惊艳到不少人”。但显然，富兰克林不会为了周围人的看法而刻意打扮自己。沃森惊讶地表示，她甚至都不用唇膏，她的衣品是“英国年轻女学究才有的低下的想象力”。你别说，我还真的去谷歌了一下罗莎琳的照片，沃森说了句实话，真的不丑。
图：不施粉黛的罗莎琳·富兰克林
不过，1968 年，在克里克和威尔金斯对这些带有人身攻击的语言做出投诉后，哈佛大学出版社终止了《双螺旋》一书的出版。贾丁称这些描述是“不安好心的贬损”。上面这些针对富兰克林的评论都是原文，而且是在沃森的态度软化之 后做出的。那我实在不知道，态度如果没软化，言辞还要有多激烈呢，哪来的这么大的深仇大恨呢？不知道我的听众当众有没有对沃森和富兰克林的过节熟悉的，不妨留言说说。
那么这四个人后来又发生了哪些故事呢？我们下期接着聊。
这期节目的配套视频是我找来的一个纪念摩尔根的视频，点击即可观看。
说明：
《宇宙自然生命简史》是我重译、改编的《万物简史》。
1、修正了原书中不准确的知识点。
2、更新了最近这 10 年来的科学进展。
3、补充新增大量相关知识点。
4、直接翻译自英文原著，没有使用原译。
今日思考题
在今天的故事中，哪个人给你留下了最深刻的印象？给了你怎样的启发？
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