3.6　艾弗利的影響力和查伽夫的巨大功績

3.6.1　遺傳轉(zhuǎn)化實驗的影響力

艾弗利的論文本來只是出于醫(yī)學目的供研究肺炎雙球菌的醫(yī)學家看的，而不是提供給遺傳學家選擇研究材料閱讀的^[23]。豈知無心插柳柳成蔭，他的研究竟從此敲開了理論生物學的大門，開創(chuàng)了分子生物學的新時代。這門新學科不再沿襲過去經(jīng)院式的自然選擇進化過程、外形直觀描述、分門別類，做些蛙類和胡蘿卜切片實驗，一旁再反復(fù)背拉丁文學名表的生物學。艾弗利的論文發(fā)表預(yù)示著傳統(tǒng)生物學的這種慢條斯理、一成不變的局面將要改變，預(yù)示著生物學這塊園地內(nèi)將發(fā)生重大轉(zhuǎn)折，也許是一次生物學革命。

過去認為用選擇自發(fā)突變的方法進行育種，其產(chǎn)生新組合性狀的速度比自然界中緩慢的進化過程快1萬倍；如今運用艾弗利的實驗中醞釀的遺傳操縱技術(shù)，亦即“基因工程”技術(shù)按人的愿望、社會需要、用人工方法重新安排、設(shè)計新的生命程序，實現(xiàn)定向育種，比自然界中緩慢的進化過程則要快1億～10億倍。“基因工程”是最節(jié)約能源的，也是最有效的調(diào)節(jié)機制，具有無可爭議的優(yōu)勢，所帶來的巨額經(jīng)濟效益可望與物理學、化學當年創(chuàng)建的諸如交通運輸業(yè)、電子工業(yè)、原子能、有機合成、塑料工業(yè)等產(chǎn)業(yè)部門的效益看齊。新興的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為能和物理學、化學當年創(chuàng)建的產(chǎn)業(yè)平起平坐，具有生物學特色的、事關(guān)國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)^[31]。正如當年恩格斯所說，“社會一旦有技術(shù)方面的需要，則這種需要比10所大學更能將科學向前推進”^[32]。

所以不能埋怨巴斯德從一開始就將微生物學引向醫(yī)學領(lǐng)域的研究，使有益微生物的研究和應(yīng)用被延誤了50年之久。辯證地說，正是由于醫(yī)學微生物學的興起和奇跡般發(fā)展，這才促進了DNA的研究和發(fā)現(xiàn)，進而誕生了基因工程技術(shù)，也促進了與DNA整個研究過程不可或缺的運載工具——噬菌體及質(zhì)粒的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。科學史中這種曲徑通幽、別有洞天、柳暗花明又一村的例子屢見不鮮。

艾弗利的實驗結(jié)果，理論意義也十分明顯，因為它開啟了探討遺傳物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的窗口。此后愈來愈多的人承認個體生長和繁衍所必需的遺傳信息，是編碼在DNA長長的纖維細絲上的。絕大多數(shù)細胞里存在的這種成分，是細菌、病毒、動植物乃至人類的遺傳記憶，把確定DNA功能的各個時段都連接起來了。生物在一代代繁殖過程中保持其整體上的穩(wěn)定性，其信息以一種特殊的形式一代代地傳遞下去。打個比喻，1g重的DNA相當于250萬張光盤存儲的信息量，可以儲存幾乎無窮無盡的數(shù)據(jù)和資料，可以說有多少史料都能留存。人們稱此為“DNA衛(wèi)星導(dǎo)航，助你尋根問祖”。

艾弗利的重大發(fā)現(xiàn)是通往DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)道路上的最重要的發(fā)現(xiàn)，是一系列成就的頂峰。這些成就包括確定酶的作用、抗原性以及轉(zhuǎn)化化學基礎(chǔ)。在這一時期內(nèi)，人們從它的某種解釋中可能預(yù)期獲得遺傳機理的闡明，乃至向生物工程學進行演變。從此，微生物學超脫了原來以防治傳染病為基本目的的窠臼，轉(zhuǎn)而專注于分子生物學。這就是根植于醫(yī)學微生物學研究，以細菌作為研究材料，開創(chuàng)了分子生物學時代所帶來的具有巨大理論和實踐意義的結(jié)果^[33]。

如果說孟德爾用他的著名的分離定律和自由組合定律這把沉甸甸的鑰匙將遺傳學的大門上的鎖打開了，那么大門卻未被推開，門內(nèi)的奧秘尚不為人們所知。那么現(xiàn)在輪到艾弗利運用他的遺傳轉(zhuǎn)化實驗證實，起遺傳信息傳遞作用的是DNA這把更沉甸甸的鑰匙，撬開了這門科學的大門。意大利細菌學家，即本書下一章將敘述的噬菌體研究組的“第二號”人物盧利亞（Luria，S.E.）亦曾評價道：“艾弗利關(guān)于細菌遺傳轉(zhuǎn)化需要少量DNA遺傳物質(zhì)的論述尚未發(fā)表前，我就已經(jīng)體會到這一出色工作的意義了。”噬菌體研究組的主要創(chuàng)始者、德國理論物理學家德爾布呂克（Delbr ck，M.）曾專門訪問過艾弗利的實驗室。盧利亞的學生沃森（Watson，J.）自己也承認：“艾弗利的實驗使我們嗅到了DNA是基礎(chǔ)遺傳物質(zhì)的氣息。”

今天看來，艾弗利的細菌轉(zhuǎn)化實驗稱得上從0—1的科學創(chuàng)新，其意義要比1953年沃森和克里克（Crick，F(xiàn).）的DNA分子模型更為重要。由于艾弗利的發(fā)現(xiàn)，才使得微生物學從原來單純以防治傳染病為宗旨，開始轉(zhuǎn)向為分子生物學的發(fā)展服務(wù)。

3.6.2　查伽夫的1：1定則推翻了萊文的四核苷酸假說

查伽夫（Chargaff，E.）生于奧地利布科維納（現(xiàn)屬烏克蘭），早年就讀于維也納工業(yè)大學，專攻化學。博士畢業(yè)后，他先后在耶魯大學、柏林大學、巴斯德研究所工作過。1935年移居美國，除專業(yè)知識外，他還具有語言學方面的天賦，他對英語的熟諳程度優(yōu)于他的美國同事。在后艾弗利時代，查伽夫?qū)怂嵘锘瘜W的研究，尤其是對有關(guān)核苷酸比例關(guān)系的研究，功不可沒。

他從許多不起眼的醫(yī)學文獻堆里，捕捉到艾弗利1944年發(fā)表在《實驗醫(yī)學雜志》上的那篇《關(guān)于引起肺炎雙球菌類型轉(zhuǎn)化物質(zhì)的化學性質(zhì)研究》文章。查伽夫像眾多生物化學家及組織化學家一樣，從那篇論文里清楚地認識到研究核酸生物化學的重要意義，因此他放下手頭的一切工作，立即把自己的研究轉(zhuǎn)向了核酸生物化學領(lǐng)域。在那時，查伽夫等還沒有試圖證明DNA就是基因，而只是想確認DNA能傳遞遺傳特性。這就需要找到這種功能的化學基礎(chǔ)，當時已經(jīng)有人就此提出過四核苷酸假說，因此他們的工作興趣在于采用新的方法，重新探討核酸的生物化學性質(zhì)及生物學特性。查伽夫等利用濾紙色譜法分析了DNA的核苷酸成分，所得數(shù)據(jù)特別精確。在任何類型的生物中，腺嘌呤A和胸嘧啶T的比值及鳥嘌呤G和胞嘧啶C的比值總是接近于1，A+T對G+C的比值，則因生物種類不同而異。這些結(jié)果導(dǎo)致他們后來推翻了萊文提出的，其時算是居權(quán)威地位的“四核苷酸學說”。當時研究探討核酸的生物化學性質(zhì)及生物學特性最積極的是細胞化學家，而并不是那些屬于噬菌體研究組的結(jié)構(gòu)化學家、生物物理學家或遺傳學家。

萊文的模式是根據(jù)四個堿基的等分子比例建立起來的，他認為，DNA結(jié)構(gòu)是一個以糖—磷酸為骨架，并帶有四個為一組的嘌呤和嘧啶交替著。這樣的結(jié)構(gòu)所能具備的特異性是不夠的，特別是與染色體相聯(lián)系的蛋白質(zhì)比起來，情況更是如此。查伽夫認為，四種核苷酸的比例關(guān)系是依DNA取材的生物種的來源而異的；它們沿著多核苷酸鏈特異地排列，構(gòu)成DNA分子所包含的千變?nèi)f化的遺傳信息，成為分子遺傳學的核心內(nèi)涵。他首先注意到DNA成分的規(guī)律性，由于DNA來源不同，其堿基的化學成分也有差異。他解析了嘌呤的總和等于嘧啶的總和，含氨基的堿基（腺嘌呤和胞嘧啶）的總和等于含酮基（氧基）的堿基（鳥嘌呤和胸腺嘧啶）的總和，腺嘌呤和胸腺嘧啶的克分子量相同而鳥嘌呤和胞嘧啶的克分子量也相同。他的許多具有重大意義的研究開始深入到核酸結(jié)構(gòu)里去了，A和T以及G和C的這種克分子量相等，此即稱為查伽夫定則，亦即堿基1：1。他的這一定則為日后沃森和克里克的DNA雙螺旋立體結(jié)構(gòu)模型的建立提供了關(guān)鍵性啟示。

查伽夫發(fā)表在1950年《實驗》（Experientia）雜志上的文章^[34]，題目是《核酸的化學特異性》。這篇文章結(jié)論部分確認：“生物學的各個學科在‘分子’這個層次上與化學聯(lián)系在一起，達到了‘前所未有’的一體化效果。分子科學將各個生物學知識領(lǐng)域與少數(shù)不容許有半點含糊的定義結(jié)合成一體，而且只有蛋白質(zhì)和核酸這兩種聚合物的分子有生物學意義，它們兼具化學和生物學的兩種特性。蛋白質(zhì)和核酸對一位化學家來說是最復(fù)雜的分子，對生物學家來說則是非常簡單的體系，因為再進一步簡化它們，就要失去生物學特性。換言之，因為分子生物學已經(jīng)是一個明確的實體，所以，亞分子、原子或量子生物學等就都是毫無意義的術(shù)語了。”

自然界存在著數(shù)目十分巨大的核酸種類，它們在結(jié)構(gòu)上都不一樣，這一數(shù)字大大高于目前我們采用的分析手段所能揭示的。查伽夫曾估計過，一股由100個核苷酸組成的DNA鏈，可能有10⁵⁶種序列；由2500個核苷酸組成的鏈，其序列就可能有10¹⁵⁰⁰種，真是巨大的天文數(shù)字！查伽夫在1950年舉行的一次“細胞化學”學術(shù)會議上，引用了薛定諤（Schr?dinger，E.）的有關(guān)遺傳密碼的著作。他還用實例支持這一學說，指出DNA與遺傳密碼的文本相關(guān)聯(lián)。他特意提請聽眾注意，應(yīng)將艾弗利的著名實驗推廣應(yīng)用到大腸桿菌和流感嗜血桿菌實驗中。會上他還介紹了自己的研究實驗，其中包括把DNA分成AT型和GC型。這些事實足以證明，艾弗利的著名實驗對查伽夫本人所獲得的成就有著直接的影響，對當時的核酸化學研究也起到一種最具影響力的推動作用。

但從20世紀50年代起，他開始大談分子生物學的未來發(fā)展趨勢，并認為：“人類的知識會受到自然界復(fù)雜程度的限制，人類為之付出的努力也是不合理的。那種認為自然界只是一部機器的想法本身也是相當危險的，最終將引導(dǎo)分子生物學走向混亂、失敗。”他的這種充滿悲情的心態(tài)與他所取得的科研成就相比，頗令后人費解。

沃森和克里克1962年榮獲諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，他對此大為不滿，牢騷滿腹。一方面，他為弗蘭克林未能獲此大獎鳴不平，另一方面，他認為他和弗蘭克林都應(yīng)當獲此大獎，因此憤而離開了他當時所在的實驗室。查伽夫的許多研究確實具有重大意義，他的研究實際上在開始扣敲核酸分子結(jié)構(gòu)的大門，甚至深入核酸結(jié)構(gòu)里去了，最終于1974年獲得美國國家科學獎。

查伽夫說過：“一兩重的證據(jù)，重于一斤重的預(yù)測。”他確實強調(diào)過，他本人的研究實驗是具有重大意義的；認為“核酸中的不同堿基比例及序列可能是形成基因特異性的原因”。可是，查伽夫畢竟沒能在結(jié)構(gòu)上來解釋他所開創(chuàng)的核苷酸比率關(guān)系^[35]。

3.6.3　化學遺傳論也一樣舉步維艱

早在1880年就曾有某位生物學家預(yù)言過，基因是化學分子，但在1944年前還只是一個假說。到了1950年，DNA的化學和生物學特異性研究悄然出現(xiàn)，但很多人仍對這些研究進展一無所知。那時說什么的都有，有對這些研究進展表示懷疑的，認為艾弗利那篇1944年發(fā)表在《實驗醫(yī)學雜志》上的文獻是天方夜譚；更有模棱兩可的說法，認為基因是蛋白質(zhì)也是DNA。人們真正接受這些新進展還需要幾年時光。一直到沃森和克里克的DNA雙螺旋立體結(jié)構(gòu)模型問世，才縮短被接受的過程。連沃森和克里克他們兩位自己也承認開始壓根兒就沒有閱讀過核酸化學方面的文獻，直到1952年，他們有關(guān)DNA和蛋白質(zhì)的大部分化學知識，其實也都來源于噬菌體研究組。奇妙的是，一方面這個研究組成員那時已經(jīng)不再糾纏于染色質(zhì)，認識到在轉(zhuǎn)化實驗時進入寄主細胞內(nèi)的是核酸，但還是懷疑可能也有蛋白質(zhì)滲入進去了。另一方面，他們又瞧不起化學家，這可真是不可思議。沃森并不是從噬菌體研究組得知堿基比率信息的，而是1952年在英國劍橋大學，由克里克設(shè)法與查伽夫交談時套出來的。

3.6.4　DNA發(fā)現(xiàn)人為什么會是艾弗利

艾弗利一生勤奮，全身心埋頭于他的事業(yè)，但在文獻中找不岀幾篇他發(fā)表的文章。他的那種近乎神經(jīng)質(zhì)般的謹慎和執(zhí)著固不可取，但其自始至終嚴格的科學態(tài)度、嚴謹?shù)膶W術(shù)風格仍是值得稱道的。在探尋、發(fā)現(xiàn)DNA分子這類前人從未走過的漫漫征途中，一道道爬升的階梯上可能正需要有艾弗利式的執(zhí)著、嚴謹?shù)娘L格。他是單身漢，實驗室就是他的第二個家，即便是星期日，他也是從早上7點一直干到深夜。他常常將在研究、探索過程中遇到過的無數(shù)挫折看成他每日必需的面包，并自稱他就是靠這樣的“面包”獲取營養(yǎng)，從而能夠在研究、探索的道路上不斷取得成果的。

研究和發(fā)現(xiàn)DNA分子這樣難度巨大的科研項目，好比在一望無垠的荒野上尋找金礦。一些人東挖一個坑，西挖一個洞，有時倒也能不費多大力氣，在埋藏不深的地質(zhì)構(gòu)造層中撿到一些零星金塊，也能小有成就，于是便忘乎所以，頗為得意；再忙著撰寫、發(fā)表文章，申請這個獎項、那個專利的，這樣的人是頗多的。艾弗利則是另一種人，他不緊不慢、腳踏實地、一步一個腳印，步步為營，用他自己的話說“全能的上帝都是不慌不忙的，我為什么要那么急呢？”他憑著思考問題的睿智和嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L，耐著性子通過化學、酶學的方法，仔細而又謹慎地“定好礦位”，每日深挖不已，這樣整整挖了10年，終于在1944年抱出了一個特別巨大的“金礦娃娃”，掀開了現(xiàn)代生物學研究序幕，敲開了理論生物學的大門。

科學史上凡有作為的科學家，其成就無不是得力于嚴謹、審慎的科學研究態(tài)度，它標志著人類文明崇高的科學精神，表達的是一種敢于堅持科學思想的勇氣和不斷探求真理的意識。具體表現(xiàn)為求實精神、實證精神、探索精神、理性精神、創(chuàng)新精神、懷疑精神、獨立精神和原理精神。我們所處的任何時代，這一類精神都會構(gòu)成社會發(fā)展的動力學要素，人類社會不僅要不斷激活這一類精神，更需要持續(xù)“挖掘”這一類精神。

牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律，從提出問題到解決問題整整經(jīng)過了20年，直到全部計算都能做到無懈可擊才公之于世。達爾文經(jīng)過5年的環(huán)球考察，基本形成生物進化學說思想，但他謝絕朋友們的催促，在經(jīng)過10多年的反復(fù)斟酌、充實之后，才公布研究成果。1961年諾貝爾獎得主卡爾文（Calvin，M.）潛心研究了15年，只不過弄清楚了一件事——植物是如何吸收太陽能而使二氧化碳和水變?yōu)樘妓衔锏摹Ｓ弥袊囊痪渲V語“十年磨一劍”來說，卡爾文用他寶貴的15年，才磨得這把“利劍”。科學家首先考慮的是科學的真實性，其他如名利、榮譽等都是次要的。

艾弗利取得如此輝煌的成績，除他自身固有的因素是第一要素外，不能排除當時艾弗利占有天時、地利、人和等得天獨厚的優(yōu)勢。二戰(zhàn)期間，當全世界許多大學、研究機構(gòu)、研究中心遭受到空前的浩劫、破壞、經(jīng)費拮據(jù)、人員流失等沖擊時，艾弗利所在的洛克菲勒醫(yī)學研究所（紐約）卻能像和平時期一樣運轉(zhuǎn)，擁有全球最先進的儀器裝置和充足的研究經(jīng)費。美國工業(yè)生產(chǎn)從1894年以來一直居世界首位，1853—1979年的科研經(jīng)費累計約6200億美元。這些都為他提供了理想的研究環(huán)境，為他獲得如此出色的成果提供了物質(zhì)保證，這些正是世界其他研究實體所缺少的。所以說，艾弗利稱得上是當時科學界為數(shù)不多的幸運者。

艾弗利晚年（1954年）進一步認識到“運用已知的一種化學物質(zhì)，有可能使細胞發(fā)生事先設(shè)定好的、屬于可遺傳的變異”。這與下一章將要敘述的蘇聯(lián)遺傳學家里索夫斯基（Timoféeff-Rossovsky，N.W.）第一個提出“基因工程”的概念^[36]如出一轍，使生物產(chǎn)生定向突變，這恰恰是遺傳學家長期以來所期盼的事。他的大部分發(fā)現(xiàn)都被納入理論生物學和醫(yī)學知識寶庫中，因為在那個時期人們采用X射線和紫外線誘導(dǎo)的突變都是不可預(yù)見的、隨機的、偶然的。他所認為的“對肺炎雙球菌侵染的抗性是來自被侵染的人或動物血清對肺炎雙球菌酶的抑制作用”，一直沒有得到肯定；他從代謝角度研究免疫性的問題也是不成功的。這些工作一方面屬于開創(chuàng)性研究；另一方面，他從心理上想建立生物學現(xiàn)象的藍圖，這就影響到他對科學現(xiàn)象的真實窺見。

我們在敘述當年發(fā)生在西歐和北美一些科學家身邊的事件時，不可小看了科學認知上的偶然性，例如艾弗利的一些合作者不辭而別、戰(zhàn)爭、科學家服兵役等情節(jié)。還有，艾弗利本身特有的性格，以及在科學研究中表現(xiàn)出來的韌性與不屈不撓。他學養(yǎng)深厚，人格高尚，在平易中出成果；他待人處世十分厚道、寬容，也十分尊重同事對科研課題的選擇，理解各自職業(yè)性格上的偏執(zhí)，他總是順其自然，認為人人享有充分自由選擇的權(quán)利。肺炎雙球菌“遺傳轉(zhuǎn)化因子”的提純和檢測計劃中途夭折的事件也曾多次發(fā)生，再加上當時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了能夠抵御肺炎雙球菌引發(fā)多種疾病的磺胺藥物，使得他的研究計劃幾乎落空，或改變既定的研究方向^[37]。但是，只有他和他的少數(shù)幾位合作者能把這一劃時代的科學實驗堅持下來，取得令學術(shù)界震撼的成就。

艾弗利淡泊名利，從不公開作演講、作報告，是一個不善張揚的人。他生活也極其低調(diào)，終生沒有婚配，無兒無女，晚年在他老弟家中走完默默無聞但卻十分光彩的一生。他在學術(shù)上的不朽貢獻世人是不會忘記的，幾乎任何一本涉及分子遺傳學、分子生物學、微生物學乃至新興的生物工程學等學術(shù)著作無不對他的史詩般貢獻大加記述和贊賞，這是今人對前賢的一份尊重，也是對后人的一份激勵。后之視今，亦猶今之視昔。

艾弗利發(fā)現(xiàn)了遺傳轉(zhuǎn)化與細菌細胞內(nèi)存在的DNA有關(guān)聯(lián)，在接下來近一個世紀中人們也認識到DNA存在于細胞核內(nèi)，并弄清楚了它的全部組成。可是，人們還是不知道DNA究竟起什么樣的作用，也不知道它的分子結(jié)構(gòu)到底是什么樣子。專業(yè)的人也回答不出來基因到底是什么、基因的性質(zhì)是什么，以及DNA作為遺傳轉(zhuǎn)化因子的具體證據(jù)是什么。人們期盼能夠拿出看得見、摸得著的具體實物或證據(jù)。但是，這就不是單單依靠當時具備的遺傳學、化學和醫(yī)學微生物學概念、方法和技術(shù)能做到的了。

DNA分子研究的歷史長河又將物理學家卷入進來了。