達爾文的麻煩

“遺傳”，聽起來是個人人都能理解的科學名詞。中國人說“種瓜得瓜，種豆得豆”“老鼠的兒子會打洞”，英美人說“like father like son”（有其父必有其子）。這些俗語里反映的生物代際之間的相似性，就是遺傳。其實從這幾句俗語就能看出來，先人們大概早就發現，不管是動物還是植物，不管是生物的外形、行為，還是性格，這些性狀都能在一代代的繁衍中頑強地延續和保留下來。

實際上，早在人類文明開始之前，人類就已經充分——盡管也許是下意識——觀察到了遺傳現象的存在，甚至已經開始利用遺傳規律改善自己的生活了。

現代人類的祖先可以追本溯源到數百萬年前的非洲大陸。2015年，古生物學家在東非埃塞俄比亞發現的下頜骨化石，將人屬生物出現的時間又一次大大前推至距今280萬年前。在200多萬年的無盡歲月里，先祖們在非洲大陸上采集植物果實、捕獲動物，過著靠天吃飯、隨遇而安的日子。人類文明的曙光出現在距今十幾二十萬年前。那時，現代人的直系祖先——人屬智人種——出現在非洲大陸，并且很快一批批地走出非洲，在全世界的各個大陸和主要島嶼上開枝散葉，也把采集和狩獵的固有天性帶到了世界各地。在那個時候，還壓根看不出我們這些身材矮小、面相平凡的先祖會在日后成為整個地球的主宰。

然而，就像突然擁有了某種未知的魔力一般，差不多從10 000年前開始，在世界各地快樂采集和狩獵的智人先祖們，幾乎在一眨眼間就改變了賴以生存的生活方式。這些變化開啟了農業時代，也最終催生了今天建立在發電機、汽車、互聯網和生物技術基礎上的全新人類社會。而這一切變化的開端，就是祖先們對于遺傳規律的利用。

在賈雷德?戴蒙德（Jared Diamond）的名著《槍炮、病菌與鋼鐵》中對此有著生動詳盡的討論。就在人類先祖走出非洲的必經之路上，地中海東岸生長著繁茂的野生小麥，它們的種子富含蛋白質和淀粉。因此我們不難想象，當生活在中東新月沃地的人類先祖們在偶然間發現這種植物后，一定會如獲至寶地將它們作為日常采集和儲藏的對象。對于先祖們來說，這和他們數百萬年來在非洲大陸進行的日常采集工作并無分別。

但是如果先祖們想要把這些野生小麥挖出來，栽培在自己村莊的周圍，為他們提供穩定的食物來源，就會遇到一些棘手的問題。野生小麥的麥穗會在成熟后自動從麥稈上脫落，將種子盡力播撒到周圍的泥土里。這是這些禾本科植物賴以生存繁衍的性狀之一，但這也使得人類先祖想要大規模收獲小麥種子變得非常困難。畢竟，總不能一天到晚盯著快要成熟的麥穗，在它們剛要成熟尚未脫落的短暫時間窗口里眼疾手快地收割吧？

后來，在某個不知名的具體年代，生活在中東地區的遠古居民們無意間發現了一些偶然出現的遺傳變異小麥。這些小麥的麥穗即便成熟以后，也不會自動脫落。我們可以很容易想象，如果這些變異小麥出現在野外，將注定只有死路一條。因為它們完全無法通過脫落的麥穗散播自己的后代。但這些變異植株對于我們的先祖們來說卻無比珍貴，因為這樣的遺傳突變小麥會大大方便他們在固定時間大批收割麥穗、儲存麥粒（見圖1-1）！

更要緊的是，先祖們一定也在無意間發現了遺傳的秘密——種瓜得瓜，種豆得豆，因此這些仿佛是上天賜予般的神奇的小麥種子，也將會頑強地保留這種對人類先祖而言——而不是對小麥自身，極其有利的性狀。所以我們可以想象，先祖們可能會將這些奇怪的植物小心移植到村莊周圍，用心呵護，直到收獲第一批成熟的種子。這些種子將成為下一年擴大種植的基礎。就這樣，伴隨著一代代人類先祖們的細心發現、栽培和收獲，符合人類需要的優良性狀被保留了下來，一直保留到今天。

在中東、黃河兩岸以及中美洲的叢林里，對遺傳現象的理解和利用給我們的先祖帶來了籽粒更飽滿、發芽和成熟時間更統一的小麥和大麥，豆莢永不會爆裂的豌豆和大豆，有著超長纖維的亞麻和棉花，還有綿羊和雞鴨等各種家禽家畜。人類的文明時代就這樣開始了。因為這些遺傳現象，人類祖先們得以告別隨遇而安的狩獵采集生活定居下來，靠小心侍弄作物和家畜過活。也因為這些遺傳現象，人類祖先們可以生產出多余的糧食來養活四體不勤、五谷不分的神父、僧侶、戰士和科學家，可以組織起復雜的政府和廣闊的國家，建造輝煌的神廟和宮殿，并最終孕育出了神跡般的現代人類社會。

但是遺傳的本質究竟是什么呢？為什么是“種瓜得瓜，種豆得豆”“老鼠的兒子會打洞”呢？反過來，如果遺傳的力量是如此強大，為什么我們仍然可以在自然界看到各種各樣的豐富變異？為什么生長在中東新月沃地的野生小麥，百萬年來遵循著成熟即脫落的繁衍規則，卻還是能偶然產生麥穗不會脫落的后代，而這種奇特性狀又可以穩定地遺傳下去？為什么經過一代代的篩選后，長得像狗尾巴草一樣的野生玉米會變成今天穗壯粒滿的模樣（見圖1-2）？

最早從理性高度思考遺傳現象本質的，是同樣生活在地中海邊的古希臘人。

在古希臘哲學家德謨克利特和希波克拉底看來，遺傳現象必然有著現實的物質基礎，不需要用虛無縹緲的神祇來解釋。在他們的想象里，遺傳的本質是一種叫作“泛生子”（pangene）的微小顆粒。這種肉眼不可見的顆粒在先輩的體內無處不在，忠實記錄了先輩從形態到性格的各種性狀，并且會在交配過程中進入后代體內。以泛生子顆粒承載的信息為藍圖，子代得以表現出對先輩們的忠實模仿。

必須承認，泛生子的概念本身，其實并沒有解決任何實際問題。或者刻薄點說，這只是把人們習以為常的遺傳現象用一個聽起來晦澀難懂的名詞概括了出來而已。但是這個從現象到概念的抽象過程絕非毫無用處。至少，借用這個概念，人們可以把許多看起來很不一樣的現象聯系起來。例如，無性生殖——微小的細菌和酵母能夠一分為二產生兩個后代；有性生殖——雌雄家畜交配后會生出一群嗷嗷待哺的小崽兒；甚至還包括果樹的嫁接——為什么果樹嫁接后的果實會帶有接穗（用來嫁接的枝條或嫩芽）和砧木（用來承接接穗的樹木）的共同特征，不就是因為泛生子顆粒能夠從砧木毫無障礙地流動到接穗里面去，和接穗的泛生子合二為一嘛！因此，這個生命力頑強的概念從古希臘時期一直流傳到了近代。甚至在19世紀中期，在達爾文創立進化論，為地球生命和人類的起源找到科學解釋的時候，他仍然借用泛生子的概念作為自然選擇理論的遺傳基礎。

在達爾文看來，一個生物個體的所有器官、組織乃至細胞，都擁有自己專屬的泛生子顆粒。手的泛生子記錄著每個動物的手掌大小、寬窄、掌紋乃至毛發的生長位置，眼睛的泛生子當然少不了記錄眼睛的大小、虹膜的顏色、視力的好壞，等等。在交配過程中，來自父母雙方的泛生子融合在一起，共同決定了后代們五花八門的遺傳性狀——就像紅藍墨水混合以后產生的紫色液體，仍舊帶著紅色和藍色的印跡（見圖1-3）。

更要緊的是，泛生子攜帶的生命藍圖一旦出錯，就會導致后代遺傳性狀的“突變”，而這些突變，就是達爾文進化論中自然選擇和最適者生存的物質基礎。正是因為有突變，一代代生物個體才會具有微小但能夠穩定遺傳的差異，而這些遺傳差異影響著生物個體在環境中生存和繁衍的能力，并最終導致最適者生存。

就像許多讀者早在中學時期就耳熟能詳的那樣，達爾文的進化論在誕生后遭到了猛烈攻擊。特別在宗教界人士和虔誠的信徒們看來，達爾文的學說褻瀆了人類萬物之靈的神圣性，也把傳說中按照自己的模樣造人的上帝置于可有可無的尷尬地位。牛津主教塞繆爾?威爾伯福斯（Samuel Wilberforce）的那個著名問題：“尊敬的赫胥黎先生，你是否愿意承認自己的祖父或祖母是猿猴變來的”也因此進入了中小學教科書。

但很少有人知道的是，進化論同樣遭遇了嚴肅的科學批評。熱力學創始人之一、物理學家開爾文勛爵（Lord Kelvin，原名威廉?托馬森）當時估算出地球的年齡至多不會超過一億年，而這點時間遠遠不夠積累出達爾文進化論所需要的五花八門的遺傳突變（當然，后來人們意識到地球的年齡遠大于此）。古生物學家們對此發出了詰難，按照進化論，地球上必然存在許許多多物種之間的中間形態，但是它們的化石又在哪里呢？（越來越多的化石發掘已經填補了大量進化過程的所謂“缺環”。）有一個批評可能是最致命的，因為它聲稱發現了進化論和遺傳融合理論的深刻矛盾，換句話說就是，達爾文辛辛苦苦為進化論找到的遺傳基礎，可能根本不支持進化論的聲明！

這一批評來自蘇格蘭工程師、愛丁堡大學教授亨利?弗萊明?詹金（Henry Fleeming Jenkin）。他評論說，按照達爾文的進化論，生物的遺傳物質需要經歷漫長、微小的突變過程，才能產生足夠顯著的性狀變化，最終造就地球上千萬種五花八門的物種（見圖1-4）。

打個比方，就像有一頭小豬，今天替換掉鼻子，明天替換掉尾巴，幾個月后（如果在這個過程中不考慮小豬的感受的話），我們就能把它變成一頭小牛。但如果泛生子融合理論是正確的，那么任何生物個體中出現的一點點微小的遺傳變異，都會在交配繁衍的過程中湮滅不見——就像一滴墨汁滴入一大杯牛奶，黑色很快會消失不見。

我們立刻可以看出，小豬變小牛和墨汁滴入牛奶，是完全無法相容的兩套理論。如果前者是正確的，就像在說一滴墨汁——不管多么微小——都可以讓整杯牛奶變黑；而如果后者是正確的，那么小豬根本就不會失去任何原有的特征，因為所有微小的遺傳變異都會像牛奶里的一滴墨汁一樣，會被毫不留情地稀釋消失。

達爾文也許并沒有多么嚴肅地看待詹金的辯駁。數年后，達爾文發表了他的另一本巨著《人類的由來和性選擇》，正式把人類開除出伊甸園，成為猿猴們的近親，他的依據仍然是自己的進化論。而達爾文和詹金都不知道的是，就在他們為泛生子融合理論反復辯駁詰難的同時，在數百英里之外的歐洲大陸一座不起眼的修道院里，人類的目光已經穿透紛繁壯美的地球生命，第一次看到了遺傳的真正秘密。

遺傳的秘密隱藏在黑暗之中。

上帝說，請讓豌豆開花結果，于是一切有了光明。

種豌豆的神父

在抽象的哲學思辨——想想德謨克利特、希波克拉底和達爾文——之外，世界各地的農牧民們也在自覺不自覺間研究著遺傳的秘密。

當然，這里頭的緣由是很樸素的。農民和牧民們擔心的問題也許只是，怎樣能培育出更符合人類需要的動物或植物？如果發現了有益于人類的生物性狀，怎樣保證這樣的性狀能穩定存在下去為我們所用？一個很經典的例子是達爾文曾經在自己的《物種起源》中討論過的“安康羊”（見圖1-5）。1791年，美國馬塞諸塞州的一位牧民偶然在自家的羊圈里發現了一只腿短、跳躍能力極差的小羊。這只小羊立刻被用來繁育更多的后代，因為它的后代根本無法翻過低矮的羊圈，這使得羊群管理變得方便了許多。

當然了，農牧民們還有一些在技術層面上更復雜的目標，例如怎樣把不同的優良性狀整合起來（當然，這里的“優良”一詞仍然僅對人類適用，對于動植物而言就不一定是什么好事了，比如短腿的安康羊和麥穗不會自動脫落的小麥）。以另一種重要的馴化動物家豬為例，脂肪含量比野豬高、體型比野豬小、圈養在一起也從不打架斗毆的家豬是遠古農民們夢寐以求之物。而繁育出這樣的豬并不容易。農民們經常會發現，試圖把幾種優良性狀集中起來的嘗試往往以失敗告終，而成功一般只會在漫長的等待和無數次的失敗中偶然且隨機地出現（見圖1-6）。

打個比方吧。假設農民手中現在有了兩種還算差強人意的家豬：一種肥肉較多，但脾氣暴躁，不易于集中飼養，我們叫它“肉豬”；一種脾氣倒是不錯，可惜骨瘦如柴，我們叫它“乖豬”。當然，又肉又乖的豬是最完美的啦。一個簡單的思路就是，選一頭公肉豬，一頭母乖豬（當然也可以選公乖豬和母肉豬），讓它們交配產仔。按照泛生子融合理論，后代豈不是應該同時具備來自父母的兩種優良屬性？然而現實往往是，生出來的小豬有很大概率不會是又肉又乖，反而連原本的“肉/乖”屬性也會減弱。更可氣的是，可能還會有一些小豬居然整合了兩種較差的性狀，變得又瘦又暴躁。往往需要反復多次的交配繁殖，農民們才能得到真正整合了兩種優良性狀的小豬；而往往他們還需要同樣長的時間，才能找到把這兩種生物性狀穩定遺傳下去的小豬，真正開始他們繁育“肉+乖”豬的偉大事業。

為什么有的性狀能夠穩定遺傳，而有的出現了一次就消失不見了呢？為什么有的性狀看起來黑白分明，有的就會出現各種復雜的數量變化？為了搞清楚遺傳的秘密，1854年，一位瘦削的中年神父在奧匈帝國邊陲的圣托馬斯修道院的后院種下了一批豌豆。他的名字叫格里高利?孟德爾（Gregor Johann Mendel）。

那個時候，我們故事的第一位主角達爾文早就結束了貝格爾號上的環球旅行（見圖1-7）。他從非洲、美洲和太平洋小島上采集的無數珍奇標本早已讓他作為博物學家享譽天下。而旅途中，達爾文曾在厄瓜多爾以西的加拉帕戈斯群島短暫停留了一個月。在那里，達爾文看到了許多讓他困惑不已的現象。一些體型不大、毛色暗淡的小鳥（這些鳥后來以“達爾文地雀”為名名垂史冊）吸引了他的注意。這些地雀分屬十幾個物種，嘴巴形態不一，有的更圓鈍，有的較尖銳，而其他性狀都非常接近，這暗示它們有著很近的親緣關系。所以，達爾文自然而然地設想，這些鳥兒應該有著共同的祖先，在漫長的世代繁衍中逐漸出現了各種遺傳變異，影響了鳥嘴的形狀，進而進化出了不同的物種。這個現象對于篤信《圣經》教義的達爾文來說是個重大危機，因為按照《圣經》所言，地球上所有物種都是上帝在創世紀的幾天里創造的，是一成不變的。《圣經》并沒有給地球生物的任何細微變化留出空間，更不要說全新物種的出現了！可能也正是基于這樣的觀察和思考，讓達爾文在結束旅行后的20年里離群索居，直到1859年出版了那本注定要震驚世界的《物種起源》。

而作為我們故事的第二位主角，孟德爾神父的目標遠沒有達爾文那么宏大（見圖1-8）。和我們剛剛提及的農牧民一樣，他大概僅僅希望從自己的豌豆田里，看看能否發現遺傳的秘密——就像我們剛剛說過的，生物的性狀究竟是按照什么樣的規律遺傳下去的，為什么有時穩定，有時不見蹤影，有時黑白分明，有時又呈現出黑白之間的各種灰色地帶呢？

而這時候，我們馬上可以看到孟德爾和達爾文的不同，可能也正是這種不同確保了前者的成功。

孟德爾并沒有像達爾文那樣，從古希臘哲學中借鑒來“泛生子”的概念，并試圖拓展這個概念，用來解釋遺傳的所有秘密——我們已經知道，這樣的做法固然可以自圓其說，但并不能為解釋遺傳現象提供任何新的線索。畢竟，談論了上千年之久，達爾文仍然不知道這種肉眼不可見的“泛生子”到底是個什么東西，又有著怎樣的特性。

孟德爾的做法幾乎完全相反，他拋開了一切預設的學說和假定，單純從豌豆雜交的現象出發，試圖發現隱藏的遺傳規律。

孟德爾神父首先選擇了一些看起來涇渭分明、非常容易確認和定量統計的性狀，例如豌豆種子的表皮是光滑的還是褶皺的，種子表皮是黃色還是綠色，豌豆花（見圖1-9）的顏色是白色還是紫色，等等。然后選出性狀截然不同的一對“父親”和“母親”豌豆，把“父親”花朵的花粉小心翼翼地收集起來，輕輕播撒在“母親”花朵的雌蕊上，開始了他的雜交試驗。

豌豆開著像蝴蝶翅膀一樣的花朵。豌豆是一種典型的自花授粉植物，花瓣密閉，在自然狀態下只有自身的雄蕊可以為雌蕊授粉。這可能也是孟德爾挑中豌豆的原因之一。這樣一來他可以完全控制授粉過程，不需要擔心隨風飄散的花粉的干擾。

第一輪試驗的結果就足夠讓人震驚了：在孟德爾挑選的全部七種性狀方面——不管是種子表皮的顏色、花朵的顏色還是植物的高度，雜交后代都表現出了高度一致的性狀來。比如說，黃豌豆和綠豌豆雜交的后代全部是黃豌豆（見圖1-10），紫花豌豆和白花豌豆的后代全部是紫花豌豆，高豌豆和矮豌豆的后代全部是高豌豆。換句話說，在雜交一次之后，來自“父親”或者“母親”一方的某種性狀就徹底消失了，這似乎已經在挑戰人們習以為常的融合遺傳理念了：難道孩子不是會從父母那里分別繼承一些性狀才對嗎？難道不是父母的泛生子水乳交融構成了孩子的一切嗎？

孟德爾的做法仍然是非常實用主義的。看到這樣的結果，他想到的不是去修補看起來出了問題的遺傳融合理論，而是做了一個非常技術性的處理：他把雜交后消失的性狀稱為“隱性”的，而把雜交后仍然頑強顯現出來的性狀稱為“顯性”的。

“你看，”孟德爾解釋說，“性狀只能有一個——種子不可能又黃又綠，而來自父母的遺傳性狀卻有兩個。那么我們看到的結果就說明，來自父母的遺傳性狀如果互相矛盾，則只有一個會勝出——就像黃色的種子、紫色的花朵，以及高高的莖稈，而另一個就會被‘隱藏’起來。很簡單，不是嗎？”

嗯，確實挺簡單。不過，你可能會馬上反駁，和泛生子的概念一樣，顯性和隱性的概念也并沒有提供任何新的信息，只不過是把孟德爾看到的現象換了個名詞描述一下而已。他看到黃色種子的雜交后代，于是黃色種子就是顯性的；他沒有看到白色花朵的雜交后代，白色花朵就是隱性的，僅此而已。

但是如果你仔細想想，就會發現顯性、隱性的概念不但能解釋孟德爾已經看到的現象，而且還可以給出某些他尚未觀察到的現象的預測。

比如，按照這套顯/隱性的遺傳邏輯，我們馬上可以想象，在孟德爾收獲的雜交豌豆中，必然同時存在來自父母雙方的兩套遺傳物質，而這兩套遺傳物質并沒有像紅色和藍色墨水一樣均勻混合在一起變出非紅非藍的紫色，而是其中顯性的一套“壓制”了隱性的一套。那么問題就來了，如果我們栽培這樣的雜交豌豆，等待它們再次開花，再讓它們繼續雜交一次，會看到什么現象呢？

簡單起見，我們來考慮一下黃色和綠色豌豆雜交的產物。這些長著黃色種子的第一代雜交豌豆如果自己和自己交配會出現什么情況呢？第二代雜交豌豆又會是什么樣子的？它們結出的種子會是黃色還是綠色呢？

孟德爾確實這么做了。第二年，他細心交配了258株結著黃色種子的第一代雜交豌豆，并在當年收獲了超過8 000顆新一代（也就是第二代）的豌豆種子。果然如他的顯/隱性假說所料，綠色豌豆又重新出現了！這個發現已經毋庸置疑地證明，綠色豌豆這一性狀并沒有在第一次雜交中被永久性地稀釋和消失。即便在一律呈現黃色的第一代雜交豌豆中，綠色豌豆的遺傳藍圖仍然頑強地存在著。

而且更有意思的是，在第二代雜交豌豆種子中，孟德爾發現了一個相當有趣的比例關系：6 022顆為黃色，2 001顆為綠色，比例為3.01:1（見圖1-11）。

這個數字是如此接近3:1的簡單配比，已經很難用巧合來解釋了。而且這個比例還出現在孟德爾所關注的全部七種豌豆性狀中。不管是豌豆表皮的光滑或褶皺，豌豆花是紫色或白色，豌豆莖稈是高還是矮，每一次試驗中，3:1這個比例都在反復出現。

我相信讀者們可能對中學課本里的孟德爾遺傳定律仍舊記憶猶新，因此完全能夠條件反射般地說出這個3:1比例關系背后的原因。但是在這里，我倒是建議你們干脆忘記課本上的知識，我們一起來想一想，站在孟德爾神父的立場上，我們該如何試圖去理解3:1背后的規律，甚至進一步通過試驗來證明它呢？

首先我們已經知道，綠色豌豆在第二次雜交中重新出現這個事實，已經證明了在豌豆交配和繁殖過程中，來自上一代豌豆的遺傳信息并沒有被稀釋和丟失。記錄著“綠色豌豆”的遺傳信息仍然頑固存在于黃色的第一代雜交豌豆的種子里。而孟德爾對此提供的解釋是他的顯/隱性理論：黃色是顯性，綠色是隱性，兩者都存在的時候顯性壓制了隱性。

因此我們馬上可以推出，第一代雜交出現黃色豌豆，必然是黃/綠遺傳信息同時存在；而第二代中出現的占比1/4的綠色豌豆，肯定擁有綠/綠遺傳信息，因為只有這種組合才會顯現出“隱性”的綠色嘛。

好了，黃/綠豌豆和黃/綠豌豆雜交，會出現占比1/4的綠/綠豌豆，以及占比3/4的黃色豌豆。當然了，根據孟德爾的假說，我們目前還不知道這些黃色豌豆究竟是黃/黃還是黃/綠——兩種情形下豌豆表皮都會是“顯性”的黃色。

第一代雜交：黃/綠=黃/綠

第二代雜交：黃/綠×黃/綠=3　黃/?：1綠/綠

或者我們可以借用孟德爾的方法，用大小寫字母代替顯性或隱性的遺傳性狀（見圖1-12）：

第一代雜交：AA（黃色）×aa（綠色）=Aa（黃色）

第二代雜交：Aa（黃色）×Aa（黃色）=3A?（黃色）：1aa（綠色）

看到這里，3:1比例背后的邏輯已經昭然若揭。要在Aa雜交的后代中產生aa，唯一的可能性，是父母雙方分別給出一個a類型的遺傳信息，從而組合出aa來。可以想象，如果Aa父母能給出a類型的遺傳信息，自然也可以給出同等數量的A類型遺傳信息。因此，后代遺傳信息的組合至少有三種：AA、Aa和aa。三者的比例關系很明顯是1:2：1。考慮到顯性A相對隱性a的“壓制”，3:1的比例關系也就自然而然出現了！

那么有沒有辦法直接驗證這個推理呢？

有，而且并不復雜，把第二次雜交的豌豆繼續做第三次雜交就可以了。如果上面的推理正確，我們馬上可以推算出，所有的綠色豌豆（aa）雜交的產物必然全部是綠色豌豆（aa），而黃色豌豆雜交的結果就會較為復雜：接近1/3的黃色豌豆（AA）雜交將會產生清一色的黃色豌豆后代（AA），而剩下2/3黃色豌豆（Aa）雜交的后代中，將會再一次浮現3:1這個簡潔的比例關系。

事實上，孟德爾把這樣的雜交試驗一共進行了五六代。在長達8年的時間里，孟德爾神父照料著上萬株豌豆，在豌豆開花的季節小心收集雄蕊的花粉，撥開緊閉的花瓣進行人工授粉，仔細清點收獲的種子……每一次，豌豆后代的性狀都完美符合這些簡單的數字分配規律。

這就是孟德爾雜交試驗所揭示的遺傳秘密。這秘密并不僅僅關于豌豆，也不僅僅關系到種子表皮的顏色或者褶皺。上述推理的最大價值，在于說明遺傳信息在一代代的傳遞過程中不存在像液體一樣的融合和稀釋，而是以某種堅硬的“顆粒”形態存在。每一次生物交配，都意味著遺傳信息“顆粒”的重新分離和組合。遺傳信息的組合方式可以五花八門，但遺傳信息本身卻始終頑強存在著，并且隨時準備在允許的場合影響生物體的性狀。

一個歷史的遺憾是，盡管達爾文進化論和孟德爾顆粒遺傳理論幾乎出現在同一時代——達爾文的《物種起源》和孟德爾的《植物雜交實驗》發表相距僅有短短6年，但事實上直到70多年后的20世紀30年代兩者才真正被聯系在一起。然而我們完全不需要替他們兩位感到遺憾。站在科學的高度上，顆粒遺傳理論使得詹金的責難不復存在，不管是多么微小的遺傳變異，都仍然可以以這種顆粒的形式頑強地存在下去，不被稀釋。從某種意義上說，孟德爾為達爾文的學說提供了堅實的物質基礎，而達爾文則為孟德爾的發現找到了壯麗的用武之地。兩位生活在同時代卻緣慳一面的科學巨人，如果在天堂相見，一定會對此無比欣慰。

圍獵遺傳因子

孟德爾的豌豆雜交試驗有一個直白的推論，那就是在父母親的體內存在許多顆粒狀的、攜帶著父母遺傳信息的物質——例如“黃豌豆”遺傳物質和“綠豌豆”遺傳物質——這些物質會在交配過程中同時進入后代的體內。而在此之后，在這些后代每一次繁衍的時候，都會重復一次分離再組合的過程，孟德爾把這些物質簡單稱為“遺傳因子”。到了20世紀初，孟德爾的遺傳因子又被重新命名為“基因”（gene）。“gene”這個單詞明顯是從“泛生子”（pangene）簡化而來的，反倒是“基因”這個來自中國第一代遺傳學家談家楨先生的中文翻譯頗具神韻。基因基因，不就是攜帶著遺傳信息的最“基”本單元的“因”子嘛。

有些讀者可能會馬上想到，基因分離和組合的過程有點類似于化學反應的過程。比如說，將氫氣和氧氣混合后點燃，在爆炸聲中就產生了水。在此過程中四個氫原子和兩個氧原子反應生成兩個水分子，化學反應式可以寫成下面的樣子（見圖1-13）。

在此過程中，不論是氫原子還是氧原子本身都沒有發生什么變化，反應前我們有四個氫原子、兩個氧原子，反應之后仍然有同樣多的氫原子和氧原子。發生變化的只是這些原子之間連接的方式。

同樣，按照顆粒遺傳理論，不管在哪一代豌豆體內，也不管豌豆表皮是黃是綠，“黃豌豆”遺傳因子和“綠豌豆”遺傳因子也都始終如一，發生變化的是它們組合的方式。

就像原子論極大地推動了化學的發展一樣，至少在科學意義上，顆粒狀的基因要比像液體一樣混合的泛生子方便處理得多。從我們對豌豆雜交結果的討論就能看出來，顆粒狀的基因能簡單用各種字母代替，而我們甚至難以想象能自由融合的泛生子到底是一種什么東西。

隨之而來的問題是，這種顆粒狀的基因到底是什么呢？它們當然非常微小——否則也不可能隱藏在豌豆花粉之中隨風飄散。既然每一代生物體內都有它的存在，我們是不是可以用某種方法把它提取出來，就像我們從成噸的金礦石中通過破碎、研磨以及化學反應提取出區區幾克黃金一樣？

進入20世紀，特別是在孟德爾的顆粒遺傳理論被重新發現，正式進入人類的主流科學認知之后，一代代最聰明的頭腦投入到獵取基因顆粒的工作中。

當然了，與淘金相比，獵取基因顆粒要困難得多。我們至少早早就見到了天然存在的純金的樣子，也知道它具備的許多物理化學性質：它的密度很大，超過了大部分礦石；它很難和酸堿發生化學反應；它能溶解在由三份鹽酸和一份硝酸配比成的王水里；等等。利用這些信息，我們可以設計出提取純金的程序，也可以設計出檢驗最終黃金成色的方法。而基因呢？基因長什么樣我們可是一無所知啊。

在孟德爾的試驗里我們已經知道了基因的一個至關重要的屬性，比如“黃豌豆”基因能夠讓豌豆表皮呈現黃色。那么我們是不是可以這么做——找一堆黃豌豆，切碎磨細，用各種化學方法將其分離成各種各樣的物質，然后把每種提取出來的物質再通過某種方法放到一顆綠豌豆里面去。如果這顆綠豌豆從此就能結出黃色的種子，我們是不是就可以反推這種物質就是傳說中的“黃豌豆”基因？

這么說下來你們可能會覺得很可笑，這方法聽起來一點也不高明，而且也沒什么“科學”的影子。基因這么高大上的科學概念，難道不是該有一套更先進、更現代的研究方法嗎？傳說中的顯微鏡、離心機、培養皿這些電視上常見的生物研究設備呢？不過仔細想想你就會明白，這幾乎是唯一能夠幫助我們獵取基因的辦法了！因為關于這種被叫作基因的東西，我們唯一知道的就是它存在于生物體內，能夠產生某種特別的性狀（例如“黃豌豆”基因能夠讓豌豆長出黃色的表皮）。我們當然必須靠這一點來尋找和理解它。

獵取基因的第一個重大突破發生于20世紀20年代的英國。為英國政府工作的病理學家弗雷德?格里菲斯（Fred Griffth）試圖發明出疫苗來對抗當時肆虐全歐的細菌性肺炎。當時人們已經知道，想要獲得對某種傳染病的免疫力，一個辦法是讓人先接觸某種較弱的傳染源。英國醫生愛德華?琴納（Edward Jenner）正是讓孩子們先感染對人危害較小的牛痘病毒，從而讓他們獲得對致死性的人類天花病毒的免疫力。格里菲斯當然也想重復琴納的成就。因此，他也試圖尋找毒性較弱的肺炎鏈球菌，人工催生人體對肺炎的免疫力。

格里菲斯手里有兩種從病人那里收集來的肺炎鏈球菌（見圖1-14），一種外表光滑，一種表面粗糙（是不是又讓你想到了孟德爾手里表皮光滑或褶皺的豌豆）。前者能夠引起肺炎，對實驗老鼠來說是致命的，但后者并沒有什么毒性。當然我們現在知道，表面光滑的細菌外層包裹著一層多糖外殼。實際上，并不是細菌本身，而是這層多糖外殼引發的劇烈免疫反應殺死了病人和實驗動物。

所以自然而然的，格里菲斯產生了兩個想法：給老鼠注射表面粗糙的細菌，或者注射已經殺死的表面光滑的細菌，這兩種“較弱”的刺激是不是能夠催生老鼠對抗致命性肺炎的免疫力？

結果讓格里菲斯很失望（見圖1-15），實驗老鼠看起來很健康，這說明這兩種刺激確實“較弱”，老鼠也并沒有獲得什么免疫力。于是他再接再厲，干脆把兩種較弱的刺激混合在一起注射給老鼠。也許這樣能好一點？與其說格里菲斯的想法是順理成章，不如說是破罐破摔。

可是混合注射的結果大大出乎了格里菲斯的意料——老鼠居然很快就死掉了，就像它們真的患了肺炎一樣！可這肺炎是從何而來的呢？能夠致病的光滑型細菌已經徹底煮熟死掉了，活著的粗糙型細菌又明明沒有任何致病性。而且更要命的是，格里菲斯從死亡的老鼠體內，居然發現了活著的光滑型細菌！煮熟的光滑型細菌“菌死不能復生”，那這些活著的光滑型細菌又是從何而來的呢？

看到這里大家大概已經明白了，格里菲斯無意間做的這個混合注射試驗，不就是我們剛剛假想過的尋找“黃豌豆”基因試驗的翻版嗎？已經死掉的光滑型細菌和活著的粗糙型細菌放在一起，能讓后者干脆“變成”光滑型細菌，并且殺死可憐的小老鼠。這不就正好說明，細菌表面是光滑還是粗糙，就和豌豆表皮是黃還是綠一樣，是由某種基因決定的嗎？而且，既然死掉的光滑型細菌能讓活著的粗糙型細菌華麗變身（格里菲斯把這種現象叫作“轉化”），豈不是說明光滑型細菌基因能夠輕松進入粗糙型細菌，并且改變它的遺傳性狀？更進一步說，如果能夠利用這個簡單的實驗系統，從光滑型細菌里提取出能讓粗糙型細菌變身的物質，我們不就能看到基因的真面目嗎？

也正是因為這個原因，獵取基因的進展在格里菲斯的偶然發現之后驟然加速了。至少，在這個系統里，科學家需要處理的僅僅是微小的細菌，而不是豌豆這種一年才開一次花的龐然大物。在大洋彼岸的美國紐約洛克菲勒醫學研究所，幾位科學家的接力賽跑在十幾年后終于為我們揭示了基因的真面目。而他們的做法其實就和我們剛剛假想的“黃豌豆”基因分離實驗差不多。

在那個時代，人們已經對組成生命的幾大類物質——蛋白質、脂肪、碳水化合物及核酸（特別是DNA和RNA）——有所了解了。洛克菲勒醫學研究所的奧斯瓦德?西奧多?埃弗里（Osward Theodore Avery Jr.）在將光滑型肺炎鏈球菌煮沸之后，從中提取了可溶于水的物質（這樣就首先去除了不溶于水的脂肪），再利用三氯甲烷將蛋白質去除，之后又利用乙醇沉淀出了某種纖維狀的透明物質（見圖1-16）。他證明，這種纖維狀物質能夠將粗糙型的肺炎鏈球菌成功轉化為光滑型。也就是說，光滑型細菌的基因就是這種纖維！

埃弗里有足夠的信心認定這種纖維分子就是已知的化學分子DNA。他首先證明，這種纖維狀分子的化學組成和人們熟知的DNA別無二致，都含有一定比例的碳原子、氫原子、氮原子和磷原子。更重要的是，他發現一種能特異性消化DNA分子的酶能夠破壞掉纖維的轉化能力，而如果用能消化蛋白質或者RNA分子的酶來處理，則不會對這種轉化能力產生任何影響。

因此，在孟德爾提出顆粒遺傳理論近百年后，我們終于開始對遺傳因子顆粒的物質屬性有了了解。解釋遺傳真相，我們再也不需要泛生子這樣的抽象理論了。遺傳信息的載體是一種叫作DNA的化學物質！它攜帶著來自父親和母親的遺傳信息進入后代的機體中，作為生命藍圖決定了后代豐富多彩的性狀（從豌豆表皮的顏色到肺炎鏈球菌的外殼）。

當然，我們這么說有點事后諸葛亮的樂觀主義。實際上，在20世紀40年代，盡管埃弗里的實驗很快得到了同行的重復驗證，但大家對于DNA就是遺傳物質這件事還是有點將信將疑。

甚至對于埃弗里實驗最低程度的接受——DNA至少在遺傳過程中起著很重要的作用——都不是很普遍。同行們質疑的原因倒是也很直白：埃弗里實驗有一個邏輯上無法克服的缺陷，他是依靠化學提取從光滑型細菌中得到纖維狀DNA分子的。盡管從技術上說，他可以盡量優化提取過程，保證提取出來的DNA純而又純，不包含任何雜質（埃弗里和同事也證明了這一點），但是從邏輯上說，反對者總是可以質疑也許埃弗里提取出的DNA攜帶了極其微量的、現有技術無法檢測出來的蛋白質。因此，質疑者總是可以說，是這些蛋白質“雜質”傳遞了遺傳信息。DNA只不過是碰巧在那里出現，卻因為數量巨大、長相又抓人眼球，才竊取了遺傳因子的美名。

想要嚴肅排除微量蛋白質雜質的干擾，光靠實驗技術的改進是不可能的——不管埃弗里將蛋白質去除得多么干凈，反對者都可以用同一個邏輯來反問：“你怎么知道里面不存在現有技術檢測不出來的微量蛋白質？”想要真正徹底排除蛋白質的干擾，我們需要換一個方法來思考問題。

當然，必須得說埃弗里實驗已經讓一部分人先明白起來了。他們突然意識到，DNA分子是遺傳物質這件事，雖然聽起來像是天方夜譚，但似乎并不是沒有蛛絲馬跡可循。早在此前40年，人們就已經知道生物體的細胞中隱藏著一種能被堿性染料染成深色的絲狀物質——也就是我們今天熟悉的染色體。在動物產生生殖細胞的時候，這些細絲會小心翼翼地平均分配到兩個后代細胞中去（見圖1-17）。而當兩個生殖細胞——精子和卵子——融合，開始發育時，兩個生殖細胞中的這種絲狀物質又會很有默契地配對到一起。

這個過程聽起來是不是和孟德爾對遺傳因子的猜測有點像？染色體的分離對應著父母遺傳信息的分離，而精子和卵子內的染色體的重新配對又對應著后代體內遺傳信息的重新組合。因此，當時就有人猜測，基因其實就定位在染色體上。而繼孟德爾之后最偉大的遺傳學家，托馬斯?亨特?摩爾根（Thomas Hunt Morgan）進一步發展了這個猜測，他利用果蠅證明了基因——比如決定果蠅的眼睛顏色是紅還是白的“白色”基因，就定位在果蠅性染色體的某個特定位置上。

而關于染色體的化學組成人們是很清楚的——就是DNA和蛋白質！

DNA這種物質連續兩次出現已經不太像是巧合了。難道說，埃弗里實驗的結論是正確的，DNA真的就是遺傳物質？

距此約10年后的1952年，兩位美國科學家，艾爾弗雷德?赫爾希（Alfred Hershey）和他的助手瑪莎?蔡斯（Martha Chase）用完全不同的思路重新證明了DNA就是遺傳物質（見圖1-18）。為了避免蛋白質的干擾，他們走了一條和埃弗里完全不同的路，非常巧妙地利用了基因的另一個特性——世代間的傳遞。

我們已經知道，遺傳因子的一大特性是能夠影響后代的各種性狀，比如豌豆表皮是黃色還是綠色，以及肺炎鏈球菌表面是光滑還是粗糙。埃弗里正是利用了這一點，首先證明了DNA就是這種遺傳因子。我們稍微思考一下就會發現，遺傳因子的這個特性需要一個前提條件，就是它必須能夠有效地從父母那里傳遞給子女，再由子女傳遞給孫輩，世世代代傳遞下去。它就像一張藍圖，一個標簽，一個設計師，決定了后代豌豆和后代肺炎鏈球菌的性狀。反過來說，如果一種物質壓根不能在世代之間傳遞，那它當然就不可能是遺傳因子。赫爾希和蔡斯就是利用這一點，證明了是DNA而非蛋白質才能夠在世代之間傳遞，因此，我們也就根本沒有必要擔心埃弗里實驗中大家假想出來的所謂蛋白質雜質的污染了。

他們的實驗用到了一種比細菌還要微小的生物——噬菌體，這是一種依靠入侵細菌為生的病毒顆粒。人們當時已經知道，DNA的化學組成中含有磷元素而沒有硫元素，蛋白質則恰好相反。因此赫爾希和蔡斯利用了這點微小的差別，用兩種不同的放射性同位素——磷-32和硫-35——分別標記了噬菌體的蛋白質和DNA。當這種病毒入侵細菌，瘋狂復制繁衍時，遺傳因子就會進入它們后代的體內。可以想象，如果病毒后代帶有磷-32的放射信號，那么DNA就更像遺傳物質；反過來，如果病毒顆粒帶有硫-35的放射信號，那么蛋白質才更有資格做遺傳物質的候選。赫爾希和蔡斯的實驗結果表明，病毒后代體內磷-32的放射性要顯著地超過硫-35。換句話說，相比眾望所歸的蛋白質，DNA才更像那個能夠在病毒世代之間傳遞遺傳信息的分子。DNA就是遺傳物質，我們苦苦尋覓的基因，一定是以DNA分子形式存在的！

雙螺旋

豌豆雜交提示了遺傳因子顆粒，肺炎鏈球菌和噬菌體的研究證明了DNA就是遺傳物質。遺傳的秘密是不是就此大白于天下了呢？

并沒有。不僅如此，甚至可以諷刺地說，DNA是遺傳物質這件事，反而使得遺傳的秘密更令人困惑不解了。因為對于遺傳性狀在世代之間傳遞這件事來說，最終極的問題不是遺傳因子是什么物質——當然找到這種物質，理論上應該能幫我們解決最終的問題——而是遺傳因子是怎樣記錄遺傳性狀的信息的，比如豌豆表皮應該是黃色的，或者肺炎鏈球菌的表面必須是光滑的。

打個比方大家會更容易理解這個問題。假設我們手里有一份報紙，是用一種我們不懂的外國語言出版的。我們想知道這份報紙的頭條社論在說些什么，光靠分析報紙的大小、密度、紙張的化學元素構成、油墨的配方和印刷方法，是不會有什么決定性作用的。我們真正需要的是解讀這種陌生語言的詞典，只有它能夠幫助我們理解文章里每個單詞、每句話的含義。

確定了DNA就是遺傳物質，就像我們手上終于拿到了這份報紙。但是對“黃色豌豆”“光滑型細菌”這樣的信息是如何寫在DNA上的，我們仍然一無所知。更要命的是，在當時人們的視野里，DNA可能是最不適合用來做信息載體的物質了！

為什么呢？當時人們已經知道，DNA分子由四種較為簡單的脫氧核糖核苷酸分子組成（見圖1-19）。這四種分子上分別帶有一個名為堿基的標簽，因此，人們很多時候干脆就用這四種標簽的名字來指代它們（見圖1-20）：分別是腺嘌呤（Adenine, A）、胸腺嘧啶（Thymine, T）、鳥嘌呤（Guanine, G）和胞嘧啶（Cytosine, C）。純凈的DNA分子之所以會呈現細長的纖維形態，正是因為這四種核苷酸分子首尾相連形成了超長鏈條，就像一個個金屬圈嵌套形成的鐵鏈。當時甚至有一種（盡管未經證實）觀點認為，就連四種金屬圈嵌套的先后順序都是完全一樣的，這樣的一根鐵鏈不管延伸多長、套多少個金屬圈，能攜帶的信息量都少得可憐，更別說記錄像豌豆表皮顏色和細菌表面形態這么具體的信息了。

在這里順便插句話，為什么埃弗里的DNA提純實驗自1944年發表之后，很長時間里都沒有被同行接受？我們說過，同行們質疑的首要原因是技術性的：埃弗里沒有能力保證DNA樣品絕對沒有受蛋白質雜質的污染，也許就是那一點點蛋白質才是遺傳信息的載體呢！但是在內心深處，大家很可能在感情上和邏輯上壓根就難以接受DNA是遺傳物質這個聲明，因為這樣會馬上把遺傳學家置于非常尷尬的境地——他們實在是無法想象如此單調的DNA長鏈，怎么可能是用來記載和傳遞復雜的遺傳信息的。

不過，1952年赫爾希和蔡斯的噬菌體實驗逼得遺傳學家們不得不正視房子里的大象了。好了，DNA就是遺傳物質，被大象逼到墻角的遺傳學家們需要馬上想出辦法，解釋遺傳信息是怎么寫在這根無聊的DNA長鏈里的。

偉大的夏洛克?福爾摩斯曾說過，當你已經排除了其他所有的可能性，不管看起來有多么不可能，剩下的那個就必須是真相（語出柯南?道爾的《斑點帶子案》）。僅僅一年以后，1953年，DNA雙螺旋模型橫空出世。遺傳信息的記錄和傳遞方式從此大白于天下。四位科學家，詹姆斯?沃森（James D.Watson）、弗朗西斯?克里克（Francis Crick）、莫里斯?威爾金斯（Maurice Wilkins）和羅莎琳德?富蘭克林（Rosalind Franklin）也因此名揚四海（見圖1-21）。

今天，作為象征人類最高智慧的代表作品，大大小小的DNA雙螺旋模型矗立在地球上的各個學校、科技館和公園。讀者們應該也或多或少了解一些那段激動人心的科學歷史。但是不知道大家有沒有想過，為什么DNA雙螺旋會被認為是現代生物學的開端？故事看到現在我們已經明白，在1953年時，通過埃弗里實驗和赫爾希-蔡斯實驗，我們已經確信DNA就是遺傳物質。那么它究竟是一條長鏈還是兩條，是優美的螺旋形還是一團亂麻，有那么重要嗎？

有，還真就是這么重要（請原諒我的故弄玄虛）。圍繞DNA雙螺旋的發現，生物學歷史上的英雄人物們悉數登場。在繼相對論和量子力學刷新了人類的時空觀和物質觀之后，璀璨群星再一次照亮了人類世界最隱秘的角落。

在故事的一開始，被大象逼到墻角的生物學家們不得不首先拋棄原來那個很有說服力、但從未得到證實的理論。他們不得不先假定，構成DNA鏈條的四種堿基分子可能并不是以一種固定不變的排列順序串聯起來的。因為只有這樣，DNA長鏈上才可能出現五花八門的堿基排列順序，而這些序列本身是可以攜帶遺傳信息的。

這一點不難理解。比如，如果構成DNA的四種堿基分子，每一種都能決定一種遺傳性狀，比如A代表“黃豌豆”，T代表“褶皺豌豆”，C代表“紫色豌豆花”，G代表“高莖豌豆”，那么它們攜帶的信息無疑是特別有限的——就連孟德爾曾經研究過的區區七種性狀都代表不完。但如果兩個堿基組合可以用來編碼一種信息，那信息量一下子就從4種增加到了4²種（AA、AT、AG、AC、CA、CT、CG、CC、TA、TT、TG、TC、GA、GT、GG、GC）。那么三個堿基的組合呢（那就是4³種）？四個堿基的組合呢（那就是4⁴種）？一萬個堿基的組合呢（那就是4¹⁰⁰⁰⁰種）？不管實際情況如何，這么想來，DNA攜帶和傳遞遺傳信息的能力至少在理論上是沒有問題了。

那么實際情況如何呢？DNA雙螺旋又能如何幫助我們理解遺傳呢？晶體學家威爾金斯和富蘭克林獲得了DNA晶體的X射線衍射圖譜（見圖1-22）。根據這種射線穿透DNA晶體后在膠片上留下的黑色印記，沃森和克里克用硬紙板和鐵絲手工制作搭建出了相互纏繞的DNA雙螺旋模型（見圖1-23）。更重要的是，他們敏銳地借鑒了生物化學家埃爾文?查加夫（Erwin Chargaff）的發現，意識到兩條纏繞在一起的DNA長鏈應該遵循著非常樸素的配對規則。一條鏈上的A堿基總是需要和另一條鏈上的T堿基配對，而C堿基則一定要和G堿基配對，它們就像中式襯衫的紐扣結一樣結合在一起，構成了穩定的雙螺旋結構。而這一點也就意味著，從任意一條DNA長鏈的堿基序列出發（如A-T-C-C-G-C），可以完美預測出雙螺旋中另一條DNA長鏈的堿基序列（G-C-G-G-A-T，兩條鏈是以相反的順序配對的）——兩條鏈所攜帶的信息是完全等同的。

既然如此，遺傳信息的代際傳遞至少從邏輯上就變得非常簡單了。當一個小小的肺炎鏈球菌需要一分為二，產生兩個體型較小的后代時，它的DNA雙螺旋只需要從中分開，公平地為兩個后代各自分配一條單鏈就可以了。當然了，后代的這條單鏈DNA總還是要變成雙螺旋形狀，才好繼續下一次分裂和繁衍后代的過程（見圖1-24）。這個過程并不難理解，只需要想象有一個微小的分子機器，能夠根據這條單鏈的堿基序列（如A-T-C-C-G-C）和樸素的配對規則（A和T, C和G）工作，新的G-C-G-G-A-T鏈就能形成，DNA雙螺旋也就可以重新產生了。這個過程不涉及任何新信息的輸入，圖紙已經就緒，搬磚砌瓦的工作雖然煩瑣，但還在生物學家可以理解的范圍內。

幾乎是在一瞬間，人們就已經相信這就是遺傳信息的傳遞法則。這套模型簡直太簡潔、太優美了！

有位科學家是這樣評價科學發現和科學家同行的：看到一個科學發現，科學家們的反應一般只有兩種，一種是“這有什么了不起”，另一種則是“我為什么沒想到”。DNA雙螺旋在科學界引發的反應毫無疑問是后者。作為公認的DNA雙螺旋模型的創立者，詹姆斯?沃森和弗朗西斯?克里克在1953年發表的論文其實非常簡短，簡短到沒有任何實際的實驗數據，僅僅展示了一個他們猜測的DNA呈雙螺旋纏繞的模型。DNA雙螺旋的意義是如此簡潔和清晰，在看到這篇論文的時候，世界上一定有數不清的聰明腦袋在懊悔地大喊：“我為什么沒想到！”很快，這個優美的模型也獲得了實實在在的證據支撐。

證據來自1958年，距沃森和克里克發表他們的雙螺旋模型之后僅僅五年。馬修?梅塞爾森（Matthew Meselson）和富蘭克林?斯塔爾（Franklin Stahl）證明了雙螺旋模型所揭示的DNA復制過程。在很多人眼里，梅塞爾森-斯塔爾實驗可能是整個生物學歷史上最漂亮的實驗了。因此，在我們的故事里，它也理應獲得一席之地。

讓我們回頭再審視一下雙螺旋模型，看看它所提示的DNA自我復制和遺傳信息傳遞的過程。兩條相互纏繞的DNA長鏈首先解離螺旋，鑒于兩者都忠實遵循著A-T和G-C的堿基配對規則，所以，它們所攜帶的信息是完全等同的。這樣一來，只要存在某種分子機器，能夠為分解開的兩條單鏈再次匹配相應的堿基，就能夠實現從一個DNA雙螺旋到完全相同的兩個DNA雙螺旋的復制變化。在這種變化中，原本的兩條DNA鏈被平均分配到兩個后代中，兩條新生的DNA鏈隨之加入它們。因此，在后代的DNA雙螺旋中，一半DNA保留自上一代，另一半則產生于子代自身。沃森把這種過程形象地稱為“半保留”復制。

可是我們怎么證明這一點呢？DNA為什么必須要采用這種半新半舊的復制方式？我們同樣也可以想象一種分子機器，能夠根據DNA雙螺旋的堿基順序，直接制造出一個新的、完全一樣的雙螺旋來。甚至，為什么DNA一定要整條長鏈同時參與復制？難道不能首先把它斷成一截一截再進行復制，之后再拼裝起來嗎？

你們可能已經看出來了，區分這三種可能性的核心在于，子代的DNA里面有多少成分是來自上一代。半保留模型預測，子代的DNA恰好有一半來自上一代，不多不少；全復制模型則預測子代的DNA全部是新生的，沒有一點上一代的痕跡（盡管它們攜帶的信息是完全一致的）；而在“碎片化復制”模型里，子代和上一代的DNA由于頻繁的斷裂和拼接已經水乳交融，根本區分不開了。那么，想要通過實驗驗證DNA復制和遺傳信息傳遞的法則，核心當然就是如何才能知道DNA分子是來自上一代還是由子代新生的呢？

借鑒了赫爾希-蔡斯實驗的巧妙設計，梅塞爾森和斯塔爾也同樣想到了用同位素標記DNA的方法，只不過他們這次利用的不是放射性，而是同位素原子之間的重量差異。他們首先把細菌在含有氮-15同位素的培養基上持續培養。我們已經知道，DNA分子中含有氮原子，因此，在經過許多代培養后，我們有理由相信細菌DNA分子的全部氮原子都已經被替換成了較為不常見的氮-15。在此之后，他們再把細菌轉移到含有在自然界中常見的氮-14同位素的培養基上。從這個時間點開始，DNA復制將只能使用氮-14同位素。換句話說，任何新生的DNA分子和原本存在的DNA分子因為利用了不同的氮同位素，將會在密度上帶有細微的差別。這些細微的差別就可以告訴我們，細菌子代的DNA到底從何而來。

在不同的時間點上，梅塞爾森和斯塔爾從一部分細菌中提取DNA分子，然后利用超高速離心的方法判斷它們的密度。他們收獲的第一代細菌DNA分子的密度，已經偏離了上一代DNA分子的密度，而且其密度恰好介于純的氮-15DNA和氮-14DNA之間。隨著分裂次數的增加，細菌DNA分子的密度繼續降低，越來越多地出現在了氮-14DNA的密度區間。對這個結果唯一的解釋就是半保留復制模型——每一次的分裂繁衍中，子代細菌獲得的都是由一條上一代DNA和一條新生DNA纏繞而成的雙螺旋鏈（見圖1-25）！

就這樣，在百年間，孟德爾實驗、埃弗里實驗、赫爾希-蔡斯實驗、DNA雙螺旋以及梅塞爾森-斯塔爾實驗，分別從幾個方向上共同完成了對遺傳因子的解密過程。最終在獵人的捕獸網中剩下的，就是長得像一條長纖維的DNA雙螺旋分子。DNA長鏈上緊密排列的堿基，用某種晦澀難懂的語言記錄著生命的藍圖。在每一次生命的繁衍過程中，兩條DNA長鏈都會解離螺旋構型各自為營，遺傳信息就是這樣代代相傳、永不湮滅的。

從此，花朵像蝴蝶翅膀一樣漂亮的豌豆、危險致命的肺炎鏈球菌、需要動用最強大的電子顯微鏡才得以一窺真容的噬菌體、每過20分鐘就能一分為二繁衍生息的大腸桿菌，把它們的形象留在了一代代學生的生物學課本上。經過科學家上百年的孜孜求索，地球生物世代遺傳的奧秘，從一類模糊的日常觀察、一段神秘的哲學理論，變成了一種具體的化學物質、一個精妙的生物繁衍過程。這種物質從化學組成上說可謂是平淡無奇——氫、氧、碳、氮、磷，都是這個星球上最常見的化學元素，但在億萬年流淌的地球生命河道里，DNA就是源源不斷的水流。它就像很多家族世代珍藏的族譜，將先輩們的特征和記憶代代流傳，成就了子子孫孫與生俱來的驕傲和榮光。

中心法則

我們的故事還沒講完。

“好了，我相信DNA分子確實就是遺傳物質了，”你也許會說，“它的堿基順序能夠記錄信息。它的半保留復制能夠保證這些信息被完美復制和傳遞，甚至它的螺旋結構都是那么優美動人。可是這些到底和遺傳有什么關系呢？講了這么久，我還是不知道為什么‘種瓜得瓜，種豆得豆’，還是不知道黃色豌豆和綠色豌豆的區別，不知道為什么孩子總是長得像爸爸媽媽呀？”

這個疑問的核心其實是，遺傳信息到底是以什么形式寫進DNA的，或者反過來說，DNA上攜帶的信息是怎樣決定生物性狀的？就像我們剛剛舉過的例子，如果把DNA看成是用一種外國語言出版的報紙，報紙上的文章究竟該怎么讀，又說明了什么事情呢？

還是拿孟德爾的豌豆來舉例吧，我們現在已經知道，必須有一種“黃豌豆”基因能夠決定豌豆的表皮顏色，而且這個基因就在DNA分子長鏈上。甚至我們都可以設計些簡單的方法，準確地把它給找出來。但是一段由四種簡單的堿基分子組裝成的長鏈，怎么就能夠決定豌豆的表皮顏色呢？

這個環節的主角，正是剛剛被遺傳學家拋棄的分子——蛋白質。

從某種程度上來說，蛋白質就像是更加復雜的DNA。和DNA的組成方式類似，地球生物中的蛋白質分子是由20種氨基酸小分子首尾相連形成的長鏈——當然復雜程度明顯要高得多。大多數地球生物的DNA分子總是呈現雙螺旋的簡潔結構，而蛋白質分子的三維結構則變化多端、復雜莫測。插句話，其實這也是為什么在埃弗里實驗之后，很多生物學家拒絕相信DNA是遺傳物質的原因——他們下意識覺得更加復雜和多樣的蛋白質分子才是遺傳物質。而人們對蛋白質的認識歷史也要遠遠早于DNA。

早在20世紀初人們就已經知道，生命體中存在著許多能加速各種化學反應的催化物質，而這些物質就是蛋白質（圖1-26是一個非常復雜的蛋白質三維結構）。就在沃森和克里克看著DNA分子的X射線衍射圖譜，用硬紙板和鐵絲搭建雙螺旋模型的時候，他們的同事馬克斯?佩魯茨（Max Perutz）和約翰?肯德魯（John Kendrew）也在試圖用同樣的方法分析蛋白質分子的三維結構。他們的成功來得更晚一些，到了1959年，他們才成功獲得了血紅蛋白——血液中負責運輸氧氣的蛋白——的三維結構，而這也充分說明了蛋白質的高度復雜性。因此，在遺傳的秘密終于得到解答以后，人們有理由做出這樣的假設，即生命體的各種性狀是由各種各樣的蛋白質分子實現決定的。

不難想象，也許有一種蛋白質分子能夠合成黃色色素，所以會讓豌豆種子長出黃色的表皮；也許有一種蛋白質分子能夠制造厚厚的多糖，從而讓肺炎鏈球菌具備光滑的外殼——這一類有著幾乎無窮無盡的組合（可以心算一下，一個由20個氨基酸組成的蛋白質就可以有20²⁰種可能），有著復雜空間結構的大分子，給人們留足了想象的空間。

于是我們的問題就變成構成方式較為單調、結構也很簡潔的DNA分子，是怎樣指導生命體生產出各種各樣的蛋白質，從而決定生命性狀的？

說起來有點驚人，對這個問題最初的回答居然不是在實驗室里，而是在演算紙上完成的，這一點對于生物學這門絕大多數時候仍然依賴經驗的科學來說非比尋常。大爆炸理論的發明者、物理學家喬治?伽莫夫（George Gamow）對DNA雙螺旋也非常著迷，他試圖用物理學家的思維方式幫助解決從基因到蛋白質的難題——這可能部分解釋了為什么我們是從紙上而不是試管里得到問題的答案的。

在和克里克的通信中，伽莫夫推測，DNA如果能夠指導蛋白質的準確合成，就意味著四種堿基A、T、C、G的排列順序必須能夠指導20種氨基酸的排列順序。就像我們在故事里提到的，一個簡單的思路就是，數個堿基的序列共同決定一個氨基酸。如果是兩個堿基分子構成一個氨基酸“密碼”，那么僅有的4²（16）種組合不足以代表全部的氨基酸；如果是三個堿基形成一個氨基酸“密碼”的話，那么4³（64）種組合，僅僅比氨基酸數量略高；而如果是四個堿基形成一個氨基酸“密碼”的話，那么4⁴（256）種組合似乎就太過浪費了（見圖1-27）。因此，伽莫夫推測，DNA指導蛋白質合成的基本原則是相鄰三個堿基的序列形成一個獨特的密碼子，用來指代一種獨一無二的氨基酸。

我們現在知道，伽莫夫的簡單推理精確得不可思議，所有地球上的生命都使用了三堿基密碼子來指導氨基酸的裝配序列和蛋白質的生產。這其實也是對生命進化之美的一次絕妙展示，在無數種可能的編碼機制中，生命恰恰選擇了足夠多樣而又非常節約的一種編碼方式！

而解密密碼子的實驗也同樣精巧美妙。如果三個相鄰的堿基順序能夠決定蛋白質分子中一個氨基酸的身份，那么我們就可以用一串人工合成的DNA序列，生產出任何一種我們想要的蛋白質分子來。1961年，馬歇爾?尼倫伯格（Marshall Nirenberg）證明，一長串人工合成的尿嘧啶核酸序列，會指導生產出一個由一串苯丙氨酸相連而成的蛋白質分子。（要說明一下的是，尼倫伯格實驗中實際使用的是RNA而非DNA。RNA中的尿嘧啶對應的是DNA中的胸腺嘧啶。）隨后尼倫伯格和他的同事們又相繼證明，一長串腺嘌呤對應的是全部由賴氨酸組成的蛋白質，一長串鳥嘌呤則是脯氨酸。堿基序列和氨基酸序列的對應關系得到了初次證明（見圖1-28）。

當然，嚴格說起來，尼倫伯格實驗只能證明DNA序列對應氨基酸序列，還不能證明到底是幾個堿基對應一個氨基酸。而在此后不久，哈爾?霍拉納（Har Khorana）又利用更復雜的長鏈核酸序列，證明了只能是3堿基序列對應一個氨基酸（見圖1-28）。在接下來的幾年里，許多研究機構之間的白熱化競爭最終解密了3堿基密碼子全部64種組合所攜帶的信息。最終我們知道了，大多數氨基酸都對應著兩到三種密碼子，與此同時，還有三種密碼子不負責編碼任何氨基酸。它們作為終止信號，豎立在基因DNA序列的盡頭，標志著氨基酸裝配工作的完成。

好了，說到這里，我們大概可以再回頭說說孟德爾神父的豌豆了。

我們現在已經知道，組成DNA分子的堿基排列順序能夠決定氨基酸的特定排列順序，從而指導蛋白質的合成。那么想象豌豆里有這么一個“黃豌豆”基因就沒有那么困難了。我們完全可以想象，豌豆里會有一種蛋白質，它的功能是幫助豌豆表皮生產一種黃色色素，從而把豌豆表皮變成淡黃色。而這種生產色素的蛋白質中氨基酸的排列順序，都被一絲不茍地以三個堿基對應一個氨基酸的形式寫在豌豆的DNA里。這段“黃豌豆”基因會隨著豌豆的交配過程進入子孫后代的體內，再隨著子孫后代的生長，不斷地一分為二，二分為四，四分為八，進入每一個豌豆細胞的內部，從而讓這些后代結出的千千萬萬顆豌豆都變成黃色。考慮到不管是豌豆還是人類，細胞內蘊藏的DNA分子都是由數十億堿基所組成的，而與此同時，蛋白質一般是由數十個至數千個氨基酸構成的——這個數字乘以3就是編碼所需的堿基長度。也就是說，復雜生物的遺傳物質足以編碼數以萬計的蛋白質分子。這個龐大的數字，也就是豐富多彩的生物性狀的物質基礎。

●DNA是遺傳信息的載體。

●遺傳信息的最小單位——基因，以堿基序列的形式存在于細長的DNA分子上。

●DNA分子通過一輪又一輪的半保留復制，將遺傳信息忠實地傳遞給了每一個后代。

●基因通過3堿基對應一個氨基酸的形式，決定了氨基酸的裝配序列和蛋白質的生產。

●蛋白質催化了生物體內各種各樣的化學反應，從而讓生物體呈現出豐富多樣的性狀。

這，可能就是遺傳的秘密。

當然，在我們今天的生物學認知里，遺傳的秘密比這幾條簡單的原則要復雜得多。從某種程度上說，今天的地球生命正是在此基礎上疊床架屋，增加了許多層次的復雜度，來保證對遺傳信息的精確傳遞，以及對生物性狀的復雜控制。

比如說，我們現在知道，大多數復雜生物的DNA并不是單純用來編碼RNA和蛋白質的。人類的基因組DNA中有多達90%的堿基序列并不用來制造任何蛋白質。單純從蛋白質生產的角度而言，人類的基因組里充滿了“垃圾”，效率驚人得低下。但是這些看似無用的“垃圾”DNA為遺傳的秘密提供了新的復雜度。我們已經知道，很多不直接參與蛋白質制造的DNA能夠通過各種方式參與到蛋白質合成的調節中去，是它們保證了生物可以在合適的時間和地點生產出合適數量的蛋白質分子。

再比如說，早在雙螺旋模型剛剛誕生的時候，克里克就已經預言，DNA并不會直接指導蛋白質的合成，而必須借助一個中間橋梁——RNA。DNA首先要根據堿基互補的原則，以自己為模板制造一條RNA長鏈；然后RNA再根據3堿基對應一個氨基酸的原則制造蛋白質。這個假說之后也被證明了，DNA→RNA→蛋白質的遺傳信息流動規律，被冠以了“中心法則”的鼎鼎大名（見圖1-29），站在了全部生物學發現的巔峰。RNA為遺傳的秘密提供了又一層新的復雜度。因為RNA的存在，蛋白質生產的時空調節可以通過RNA來進行。比如我們可以想象，如果細胞大量合成某個特定的RNA分子，就可以極大地促進其對應的蛋白質分子的生產。

還比如說，我們今天也知道，蛋白質分子自身的結構和功能也能夠被精密地調控。許多蛋白質分子需要特定氨基酸位置上發生化學修飾——例如磷酸化、甲基化、乙酰化，等等——才能夠發揮特定的功能。與此同時，我們也知道了生物體內的蛋白質分子并非永生不死，它們也有自己的生命周期，有誕生和獨立存活，也有死亡和降解。正因為此，遺傳的秘密可謂非常復雜。

但是如果拋開這些所有的復雜調節，DNA→蛋白質的核心原則，始終存在于地球上的每個生命體內。

這個原則細細想來可謂意味深長。

對于地球生命而言，這無疑是傳遞遺傳信息最簡潔高效的辦法。我們可以把一個活的生物體看成許許多多化學物質在三維空間里的時空分布——對于人體而言，這意味著差不多有近10²³個原子，在以納米為空間精度、微秒為時間精度的約束下完成排列組合。其中蘊含的信息量遠遠超過人類文明的理解范圍。即便在遙遠的將來，它對于人類文明來說也可能是永久的秘密。所有這些時空組合的源頭，卻不過是區區30億個堿基對組成的DNA長鏈。在DNA長鏈上，遺傳信息以堿基組合變化的方法存儲，呈簡單的一維線性排列，而且精確到在世代傳遞中幾乎不發生任何錯誤！可想而知，在生物世代繁衍的過程中，想要準確復制一條DNA分子的難度——就像我們剛剛講過的那樣——要遠遠低于臨摹先輩三維空間里的全部生物性狀。而DNA復制和傳遞過程中出現的偶然錯誤——概率大約是1/10⁹，反過來也可以賦予生物體足夠的多樣性，為達爾文的進化論提供基礎，讓地球生命在嚴酷多變的地球環境中熬過自然選擇的洗禮。

而對于渴望理解生命、理解人類自身的我們而言，DNA為我們的探尋提供了方便的入口。對于剛剛走進生命大廈的一樓大廳卻渴望探索大廈里每一處神秘角落的我們而言，DNA就像建筑師的藍圖，為我們提供了最可靠的指南。人類遺傳學手段幫助我們理解了許多人類基因的功能。簡單來說，當我們發現某個疾病患者體內存在某個基因的功能缺失，我們就可以將這個基因與這種疾病聯系在一起。類似的例子包括先天性色覺障礙、白化病、血友病，以及更為復雜的某些癌癥和代謝疾病。而反過來，我們馬上也可以想象，如果有一天我們期望能夠改造人類本身，消滅某些頑疾，甚至是增強某些機能，直接在人類的基因組上下手將是最快捷和高效的做法。

路漫漫其修遠兮。

在過去的億萬年里，是遺傳規律促成了地球生命的開枝散葉，并呈現出了五彩斑斕的模樣。基因就像億萬年間從未止息的河流，把地球生命帶向一個又一個新的港灣。

在過去的一萬年間，對遺傳現象的認識和利用催生了農業社會的到來，人類這種不起眼的靈長類生物也正是基于此建立起輝煌的文明大廈，開始了認識自身、認識世界、認識宇宙的漫漫征程。

而在過去的一兩百年中，我們才真正開始理解遺傳的秘密，理解在一代代生命的繁衍中，是什么樣的規律主宰了遺傳信息的流動，這些信息又如何塑造了每個獨一無二的生物體。我們甚至已經開始利用這些規律來改造地球生物，甚至改造我們自己。

在即將到來的未來，遺傳的秘密又將把我們帶往何處？人類有一天會不會操起上帝的手術刀，主動修改自身的遺傳信息，就像在河流上建壩修堤，讓生命的河流順著我們自己的意愿流淌？