第六十九回
黃碗豆綠碗豆 孟德爾詳察父和子，紅果蠅白果蠅 摩爾根細究雌與雄
 
——遺傳學說的創立　　上回說到巴甫洛夫臨終時提到遺傳問題。欲說清此事，我們還得先退回半個世紀，從遺傳學的奠基人孟德爾(1822－1884)講起。
 
 
 
　　凡一個偉人，在其成名之後，總可以從他長成的過程中尋找到一點成功的因素。若也用這個道理來分析孟德爾的少年時代，那麼可用兩個字來概括，一是「美」，二是「苦」。
 
 
 
　　孟德爾出生於奧地利一個叫海因申多夫的鄉村，這裡森林被野，鮮花遮徑，氣候濕潤溫和，有「多瑙河之花」的美名。孟德爾的父親在家鄉務農，也很留心於園藝。孟德爾從小就受這樣一個極美的自然環境的薰陶，對植物的生長、開花極感興趣。他經常想：為什麼不同的植物會開不同的花，結不同的果？而海因申多夫莊園的女主人瓦德堡伯爵夫人也是一個熱心科學事業的人，她堅持在本地學校中增加了一門《自然》課，這對孟德爾實在是一大幸事。
 
 
 
　　但是，孟德爾在這樣美的自然環境裡卻過著很清苦的生活。他小學畢業後進了附近的中學，父母供不起他的一日三餐，他半飢半飽地讀了六年，雖勉強畢業，身體卻大傷元氣，經常鬧病。雖然他在學校成績極好，人又聰明，但是他明白，家裡是無論如何再供不起他上大學了。恰在這時父親在一次砍樹時被砸傷，再無力氣種地，便索性將地買掉，將錢分給孟德爾和他的姐姐泰妮莎。泰妮莎的這份錢是準備作嫁妝的，但是她看到弟弟聰明好學，便說：「不要因為缺錢耽誤了你的前程，你把我這份錢拿去讀書吧。」孟德爾就靠著這點錢，又半飢半飽地讀了四年大學。正像在小學階段時多虧有一個熱愛自然的伯爵夫人一樣，在大學裡孟德爾又遇見一個好的數學老師——富克思博士。這一段打下的數學基礎，竟是他以後在生物學上有所發現的關鍵。
 
 
 
　　大學畢業時，吃盡了生活之苦的孟德爾決心要找一個再不為餬口操心的行業，以便能安心做學問。他去請教老師，老師說：「要是這樣的話，你最好去當修士。」於是，1843年10月9日，孟德爾進了設在郡爾特伯倫的修道院。說來也巧，在孟德爾來這裡之前，修道院裡就有一名叫薩勒的神甫極喜好植物。他主持在院裡開闢了一個很大的植物園，花草樹木一片蔥蘢，就和孟德爾小時候所在的莊園一般可愛。但是這薩勒有一樣壞毛病，就是極愛喝酒，常常在鎮上酒店裡深夜不歸。院長覺得這有損修道院的名聲，便在一天晚上等在院門口，見他搖搖晃晃地走來，便大喝一聲：「好大膽的薩勒，你這副樣子還配做一名神甫嗎？」這薩勒還沉迷在酒後的心蕩神搖之中，一聽這話，便向院長鞠了一躬說：「主啊，我是不配進你這個門了！」說罷竟揚長而去了，再不歸來。他這一去不歸，倒給孟德爾留下了一個園子，留下一塊好的實驗基地。
 
 
 
　　各位讀者，關於遺傳問題在孟德爾之前早有許多生物學家眾說紛紜，各抒己見了，但是都沒有實驗根據。許多國家的科學院還專門為此特設懸賞獎金。到孟德爾著手這一問題時，達爾文已就物種起源做了較透徹的研究，但是都未能回答生物進化中遺傳與變異的具體根據。於是孟德爾就決心站在達爾文的肩膀上，開始更上一層樓。
 
 
 
　　現在孟德爾有了修道院這個「鐵飯碗」，再不用為吃穿發愁，又有了薩勒留下的一座好園子，萬事俱備，就只等他一展抱負了。
 
 
 
　　他仔細分析了他的前輩們的工作，發現他們一是沒有抽出生物的主要性狀來研究，許多現象混雜在一起，很難分清遺傳的脈絡；二是大多局限於個體觀察。這樣偶然性很大，差異很大，難以概括出規律。於是，孟德爾就選了碗豆來做他的實驗材料，因為這種植物是自花授粉，不怕外界的干擾。他在窗後園子裡專辟了一塊地，從種子商人那裡收集了32個品系的碗豆，仔細種植、提純，最後選出22種。各位讀者，你道這22種碗豆是什麼樣子，其他次要的特徵不說，你只要往地里一站就看出它們有七對正好對應又截然不同的性狀，這就是種子有圓有皺；葉子有黃有綠；種皮有灰有白；豆萊有飽有癟；莢皮有綠有黃；花位有腋生頂生；莖杆有高有低。雖說是碗豆長在地里，可是倒像擺在商店裡的貨色一樣，這般齊全又這般巧合。說來容易，要知孟德爾為選出這些性狀明顯的品種已經整整費了七年心血，寒來暑往，其間辛苦自不必說了。但是，這才只是準備好了實驗材料。
 
 
 
　　現在孟德爾認為品種已經很純，實驗可以開始了。於是他就按照對應品種一一雜交，拋開其他特徵，先觀察最主要的性狀，若它們的雜交一代(F1)與父母到底有什麼不同。誰知這新長出來的子一代，只清一色的繼承父母之中一方的特性。比如高株和矮株雜交，所得全是高株；灰色和白色雜交，所得全是灰色。孟德爾把高、灰等這類保留下來的特徵叫做「顯性」，矮、白等叫做「隱性」，這些性狀被隱去了。但是他沒有灰心，第二年又用上年得到的雜交子一代(F1)進行自交(F1×F2)，所得的種子再播種，生成子二代(F2)。這一下奇怪的現象又出現了，和子一代的清一色不同，子二代不但有顯性性狀，而且曾經消失了的隱性性狀又出現了。孟德爾一口氣又種了278個雜交組合，授粉之後他給碗豆套上布袋，小心地觀察記錄。這樣又經過幾年的種了收，收了種，從花色上雜交對比，從種籽上雜交對比等等，翻來覆去地排列組合。現在他那間修士住的小屋裡除了聖經之外，架子上已堆滿了許多小布口袋，裡面鼓鼓囊囊全是碗豆，上面還標著F1、F2；高、矮；黃、綠等，只有他自己才能看懂的字和符號。
 
 
 
　　1865年，新年剛過，這天孟德爾又坐在桌子旁。他將聖經推到一邊，順手拾起一個種籽口袋，沉甸甸的，心頭一陣歡喜，忽然想起自己和這些圓滾滾的小傢伙打交道不覺已有十年。再看看架子上那些小布袋，還有那厚厚的一本本觀察記錄，覺得資料已經不少，也該分析整理一下了。
 
 
 
　　各位讀者，我們前面說過孟德爾在上大學時曾得到一位數學教授的指導，所以他與別的搞生物的人不同，除了勤於觀察之外，還特別留心數據的對比分析。現在他將記錄本搬開，將十年所得的數據抄在一張紙上，反來倒去地演算。不一會他就列出前面這樣一張表來。
 
 
 
　　
 
性狀　　　　　　 顯性植株數　　　　 隱性植株數　　　　F2一代的顯隱比例
 
種子的形狀　　　　5474 (圓)　　　　　1850 (縐)　　　　　　　2.96:1
 
子葉的顏色　　　　6022 (圓)　　　　　2001 (綠)　　　　　　　3.01:1
 
種皮的顏色　　　　705 (灰)　　　　　 224 (白)　　　　　　　 3.15:1
 
豆莢的形狀　　　　882 (膨大)　　　　 299 (皺縮)　　　　　　 2.95:1
 
未熟豆莢的顏色　　428 (綠)　　　　　 152 (黃)　　　　　　　 2.82:1
 
花的位置　　　　　651 (葉腋)　　　　 207 (頂端)　　　　　　 3.14:1
 
莖的高度　　　　　787 (高)　　　　　 277 (矮)　　　　　　　 2.84:1
 
 
 
　　
 
孟德爾仔細分析了表的最後一列，發現不管前面兩列數字多麼不同，但在這一列中比例卻都近似於3：1，他不覺高興地大喊一聲：「秘密原來在這裡！」從這些數字中孟德爾看到隱性性狀並沒有消失，它還是傳下來了。他假設，每個生物細胞中都有控制性狀的因子(我們今天叫基因)，因子在細胞中是成對的，到了受精時，精子與卵子就各帶一個因子，又結合成一對新的因子。這就是生物遺傳的分離定律，即遺傳學第一定律。
 
 
 
　　這就可以清楚地說明，在子一代時，隱性因子與顯性因子結合，它被掩蓋，所以全表現為顯性(加高莖)。但是掩蓋並不一定消失，到子三代時，就可能出現純顯性因子結合、顯隱性因子結合及純隱性因子結合三種情況，它在比例上是1:2:1，但顯、隱結合時外表仍是顯性，所以顯、隱的總比例就是3:1。再往下繁殖一代時，顯、隱結合的那一部分(即「2」)又可分成1:2:1，這樣顯性、隱性的近傳就會準確無誤地永遠傳下去。這就說明，為什麼高個子的父親和低個子的母親所生的孩子，不一定都是他們的平均高度。否則，全世界的人早就是一樣的高了。
 
 
 
　　一對性狀雜交的子三代是3:1，要是兩對性狀呢？比如黃色圓形種子和綠色皺皮種子，它們的子三代是什麼樣子呢？這就有四種情況：黃色圓形、黃色皺皮、綠色圓形、綠色皺皮，比例為9:3:3:1。純顯、隱性遺傳是3^2:1^2。要是三對性狀呢，正好是3^3:1^3，依此類推。就是說，這些性狀都會參加組合，進行遺傳。這樣孟德爾又得出一條自由組合定律，即遺傳學第二定律。
 
 
 
　　各位讀者，故事說到這裡，您也許會想起這套書第23回曾講到一個人，他的研究方法與孟德爾多麼相似。那就是克卜勒，他也是將多年測得的行星運行數據這樣列表推算，從最後兩列中發現了其中的規律，從而確立了克卜勒定律。這說明科學研究除了觀察、實驗之外還要善於運用數學統計分析。許多規律和發現不是直接用眼看見、手摸著的，而是用筆、用計算機算出來的。讀者諸君中也許有正在中學讀書就學的，千萬不敢看輕了數學的學習，現在看來枯燥的數字、字母，將來都是冶學的得力武器，請大家記住馬克思的這句名言：「一種科學只有成功地運用數學時，才算達到了真正完善的地步。」
 
 
 
　　再說孟德爾發現了遺傳規律後，1865年正好在布隆城召開一個奧地利自然科學會議，他就興沖沖地到會宣布了這一成果，但是台下的人沒有一人能聽懂他在說什麼。第二年，他又寫了一篇論文，公開發表，還把這論文分送到歐洲的120個圖書館裡去，但是誰也沒有注意這篇文章。孟德爾還是在園子裡安靜地擺弄那些花草、蜜蜂，他對自己的朋友尼斯爾說：「讓那些論文先睡上幾十年覺吧，我相信，承認我的一天終將到來。」
 
 
 
　　沒有人理孟德爾的論文，倒不是大家有什麼偏見，因為他超越時代實在太遠了。「超前性」是任何偉大理論的共同特點。麥克斯韋1864年發表電磁理論，1888年赫茲才證實電磁波的存在，他超前了24年，門捷列夫1869年發表元素周期律，1875年布瓦博朗德發現鎵，才證實了周期律，他超前了六年，愛因斯坦1905年提出質能互變E＝mc^2，1945年第一顆原子彈爆炸，他超前了40年。當孟德爾在1866年發表遺傳定律時，他奇怪為什麼沒有人響應，但是他不知道，他的理論比實踐超前了34年。只有等人們對微觀細胞有了進一步的研究後才能驗證他的理論。
 
 
 
　　果然，這一天來到了。1900年春天荷蘭的德弗里斯、德國的柯倫斯和奧地利的丘歇馬克都各自獨立地通過實驗得出如我們敘述過的哪種遺傳規律的結論。但是當他們在發表論文前查閱文獻資料時，又都同時發現孟德爾早已有言在先。孟德爾的論文在圖書館裡被塵土封埋了34年後又這樣戲劇性地被重新發現了。
 
 
 
　　孟德爾理論的重新被重視，還得感謝細胞學說的進步。原來1879年德國生物學家弗萊明發現了一種辦法，用鹼性染料可以把細胞核內的微粒狀物質染成黃色，而且再不會褪色。有了這個標記，觀察起來就十分方便。弗萊明發現這些微粒先變成絲狀，這細胞再斷裂成數目相同的兩半，一個細胞就變成兩個，細胞原來是這樣分裂的。1880年德國生物學家就把這種能染上色的微粒叫做「染色體」，就是我們現在常說的這個名詞。1900年孟德爾學說重新發現不久，過了四年，美國細胞學家薩頓突然想到，孟德爾說遺傳因子成只成對，我們細胞學界說染色體成雙成對，這兩個怕就是一回事吧？漸漸的遺傳規律就要到細胞內部來尋找根據了。
 
 
 
　　這時在美國有一個生理學家叫摩爾根，(1866－1945)他有間奇怪的實驗室，裡面只有幾張舊桌子和幾千隻瓶子。就靠這些瓶子，他培養了幾萬隻果蠅。這東西繁殖率高，生活史短，便於觀察。摩爾根本是不相信孟德爾學說的，但是1910年的一天，他偶然發現許多紅眼果蠅中出現了一隻白眼果蠅。他出於好奇，便想：我何不也做一次雜交試驗。他讓紅白果蠅雜交，結果，下一代全是紅眼，顯然紅對白來說表現為顯性，正合孟德爾的碗豆試驗。他不覺暗吃一驚。他又使子一代交配，子三代中的紅白比例正好是3:1，這下摩爾根對孟德爾五體投地了。
 
 
 
　　摩爾根決心沿著這條線索追下去，看看動物是怎樣遺傳的。他進一步觀察，發現子三代的白眼蠅全是雄性。這說明性狀(白)和性別(雄)的因子(後來叫基因)是「連鎖」在一起的。而細胞分裂時，染色體先由一變二，可見能夠遺傳性狀、性別的基因就在染色體上，通過細胞分裂一代代地傳了下去，染色體就是基因的載體。摩爾根和他的學生真的還推算出了各種基因在染色體上的位置，並畫出了一張果蠅的染色體位置圖。
 
 
 
　　摩爾根的染色體理論成功地解釋了性別遺傳。原來，性細胞，即精子和卵子，除可先一分為二，變成成倍的新細胞外，它還可以「減數分裂」。就是本來細胞中含有46個染色體，結果分裂後只剩23個。這樣兩個精子和卵子結合，又成為一個有46個染色體的新細胞了，這就是新的生命。男女雙方的23個染色體有22個是普通染色體，只有一個是決定性別的。這一個在女性一方都是X染色體，在男性一方則有可能是X也可能是Y。精子與卵子結合時，如果雙方都含X染色體，則生女孩，如果X卵子碰到一個Y精子則生男孩。這個謎到摩爾根這裡才終於揭破了。於是他終於創立了著名的基因學說，並獲得了1933年的諾貝爾生理學及醫學獎金。
 
 
 
　　各位讀者，遺傳學的規律自孟德爾到摩爾根，其間過了四十多年才逐漸摸清。先是由孟德爾提出一個遺傳因子的假說，然後由後人一步步驗證，再提出新的假說，再驗證，科學就這樣向前發展了。恩格斯有一段話專門談這種研究方法。他說：「只要自然科學在思維著，它的發展形式就是假說。一個新的事實被觀察到了，它使得過去用來說明和它同類的事實的方式不中用了。從這一瞬間，就需要新的說明方式了－它最初僅僅以有限數量的事實和觀察為基礎。進一步的觀察材料會使這些假說純化，取消一些，修正一些，直到最後純粹地構成定律。如果要等待構成定律的材料純化起來，那麼就是在此以前要把運用思維的研究停下來，而定律也就永遠不會出現。」
 
 
 
　　遺傳是由基因決定的，那麼基因又是由什麼構成的呢？生物學還有待向更微觀的領域開拓。孟德爾的假說被證實了，摩爾根接著又向後人提出一個假說，他在自己的名著《基因論》的末尾說道：「我仍然很難放棄這個可愛的假設：就是基因之所以穩定，是因為它代表著一個有機的化學實體。」
 
 
 
　　這個假設是否能夠成立，且聽下回分解。

第七十回
破密碼 遺傳謎底終揭曉，大溶合 科學深處無疆界
 
——生命科學的發展　　上回說到摩爾根在他的《基因論》一書的末尾預言了基因是化學實體的假設。但是摩爾根總是念念不忘他的老本行——胚胎發育學，他作此預言之後就離開對細胞遺傳學的研究而重操舊業去了。
 
 
 
　　這科學的研究總是從現象到本質，從宏觀到微觀，就如那物理從牛頓探討天體運行，直到盧瑟福打碎原子，這生物學自從達爾文創立進化論，孟德爾、摩爾根發現遺傳規律之後，又漸漸追根到細胞內，進而又研究細胞核的結構。就如物理學進入核物理階段一樣，生物學也進到了一個新階段－分子生物學，它要對生物細胞的分子結構進行探索，從而來破基因之謎。
 
 
 
　　其實在摩爾根之前就有人在作這樣的探索，不過當時未能引起人們的注意。1869年，瑞典人米歇爾發現細胞核主要由含磷物質構成，20年後人們發現這種物質是強酸，便稱為核酸。德國人科賽爾將核酸水解，又發現它含有三種成份：核糖、磷酸和有機鹼。而有機鹼又含有四種成份：胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)、腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)。這名字有點彆扭，我們只要記住那四個字母就行，下面還會有用。這細胞核真像一個竹筍，到此為止已被剝掉好幾層皮了。但是科賽爾的學生美國化學家萊文接過竹筍又剝了一層，他發現核酸里的糖比普通糖少一個碳原子，就叫它核糖。他又發現有些核糖少一個氧原子，就命為脫氧核糖。這樣，核酸就有了兩種：核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)。好，現在筍皮已經剝光，下一步且看摩爾根的繼承者怎樣在這個DNA上作文章。
 
 
 
　　科學發展到二十世紀，和十九世紀以前相比，其研究方式已有了明顯的不同。一是，一個課題很難由本學科單獨完成，出現了多學科交叉。比如原子核的裂變便需要許多費米、哈恩一流的物理學家、化學家共同參予才能發現。二是，一個難題由一個科學家單獨解決越來越不可能，需要有龐大的實驗室、研究中心，要有許多科學家的通力協作才能完成。這個DNA就在這樣的時刻被托到解剖台上，而首先舉起解剖刀的卻是幾個物理學家。
 
 
 
　　三十年代中期，正是玻爾領導的哥本哈根學派在與愛因斯坦大論戰，他們新創立的量子力學正蓬勃向上。這批物理學家不滿足於只用物理現象來解釋自己的理論，探索的觸角又向生物學伸來。
 
 
 
　　話說1932年夏天，哥本哈根正在召開一個國際光療會議。作為物理學家的玻爾不怕人說班門弄斧，竟到會在各國醫學家、生物學家面前作了一個《光與生命》的演講。他別出機杼，沒有就生物論生物，而是從量子力學出發，大談物理與生物的互補原理，使在場的許多專家聽得茅塞頓開，猶如久坐密室忽然打開窗戶，吹進一股清新的涼風。單說這時在台下有一位叫德爾布呂克(1906－1981)的青年。他雖然才26歲，但正是一位原子物理學家。德爾布呂克本是德國人，曾就讀於著名的哥廷根大學，這時正在丹麥玻爾的實驗室里工作。當時他聽了玻爾的講話，忽然覺得和物理學相比生物學的微觀世界遠遠沒有被人涉足，而物理學的一些研究方法和原理正可以用於這門新學科。生理現象是比物理現象複雜，這原因就是它是生命的體現，而生命之謎正在遺傳，這是一個多麼誘人的題目。於是，德爾布呂克暗下決心，改弦更張，由物理轉入生物學研究。
 
 
 
　　這次大會不久，歐洲大陸戰雲密布，科學家們紛紛避難美國。前面我們說到玻爾也去美國參加研究原子彈去了。他的學生德爾布呂克也到了美國，但是他並沒有參加曼哈頓工程，而是一頭扎到摩爾根的研究基地－加利福尼亞理工學院。這時他看到實驗室里在使用一種「噬菌體」做細菌和病毒研究的材料。這噬菌體是一種病毒，它的結構簡單得出奇。它有一個六角形的頭，頭部中心含有DNA，頭部後面拖著一條尾巴，尾巴稍上又有六根尾絲。當噬菌體感染細菌時，先用六根尾絲牢牢地粘附在細菌壁上。這時它的尾部放出一種譗，把細菌的細胞壁溶解開一個洞，然後就可鑽入。噬菌體與其他生物的細胞染色體的基因有一樣的物理、化學屬性，但是它又極簡單，就是一層蛋白質外殼包了一組基因。而且它繁殖得很快，侵入大腸桿菌內後，只要20分鐘就可繁殖數百個後代。德爾布呂克見到這東西心中不覺一喜。選擇最簡單而又典型的對象來研究，不是物理學中常用的方法嗎？要研究自由落體規律，就用一枚石子；要研究原子結構就先從只有一個質子、一個電子的氫原子入手。現在要研究基因，何不就從這個噬菌體身上突破呢？
 
 
 
　　噬菌體頭部含有DNA，其他部分都是蛋白質，現在的問題是要區分它進入大腸桿菌後是靠哪一部分遺傳繁殖的。好個搞原子物理的德爾布呂克，他立即從物理學的武庫里借來了放射性同位素標記法，和生物學家赫爾希等人設計了一個極妙的試驗。
 
 
 
　　原來DNA中只存在磷，不存在硫，而蛋白質中大多是硫，只有極少的磷。於是他們用放射性磷(P－32)和放射性硫(S－35)來分別給DNA和蛋白質作了記號。然後用作了記號的噬菌體去感染大腸桿菌。帶有放射性的噬菌體就像背了一個發報機一樣，人們隨時可以接收到它發回的信號，掌握其行蹤。果然，這一著很靈。他們發現，當噬菌體侵入細菌內部時是將身體外殼留在細胞壁外，而將DNA滲入細胞內，這通過記錄到的P－32和S－35就可以分得一清二楚。確實是只有DNA進入大腸桿菌內。但是20分鐘後生成的噬菌體仍和原來一模一樣，這就再清楚不過地證明只有DNA才是真正的遺傳物質，執行遺傳任務的並不是蛋白質。德爾布呂克因這項發明而獲得1969年的諾貝爾醫學和生理學獎。他半路出家，善借他山之石，終於有此殊勛，被後人尊稱為「分子生物學之父」。
 
 
 
　　DNA就是遺傳物質，那麼它是一個什麼樣的結構，怎樣實現遺傳呢？這個生物學中的大難題卻又是一個物理學家首先來作答案。讀者還記得，1900年這個年頭發生了兩件事，一是孟德爾遺傳學說被重新發現，二是普朗克創立能量子概念。想不到40多年後這兩條各不相干的河流卻流到了一起。1944年量子力學家薛定鍔寫了一本研究生物學的書《生命是什麼？》。他指出遺傳物質可能是由基本粒子連接起來的非周期結晶。它就像電報中的電碼，通過「•」和「——」組合成一種口令，這種生命的口令被複製，傳給後代，這就是遺傳。真是無獨有偶，薛定鍔這本書和玻爾的那篇演講同樣出手不凡，很快成為名著廣為流傳。在為這本書所激動的許多讀者中也有一位青年物理學家叫克里克(1916－)，他本畢業於倫敦大學曾專攻物理，但看到薛定鍔的書後就如德爾布呂克一樣決心轉攻生物，便來到劍橋的卡文迪許實驗室。這時克里克又遇到了從美國來的華生(1928－)，他本是學動物的，也是受到薛定鍔那本小冊子的影響來探索遺傳之謎。於是兩人合兵一處開始探求DNA的結構。
 
 
 
　　話說當時一起向DNA這個神秘王國進軍的共有三支人馬。
 
 
 
　　這第一支人馬是倫敦大學的威爾金斯領導的一個小組。他也是用物理辦法，請X射線來幫忙。因為DNA是生物高分子，普通光學顯微鏡根本看不到它的分子結構。X射線波長很短，穿過DNA分子時，射線打在分子的不同位置，造成在一些方向上加強，在另一些方向上減弱，這叫衍射。分析這種衍射圖樣，就可以確定原子間的距離和排列，這樣就可以弄清它的分子結構。威爾金斯就用這種辦法拍到了一張DNA晶體結構的照片，這上面是一片雲狀的圈圈點點，他不敢立即下結論，只猜想DNA的結構大概是螺旋形的。
 
 
 
　　這第二支人馬是美國的結構化學權威波林(1901－)領導的小組。1951年夏天他先用X射線探測蛋白質的結構，順利地得出阿爾法螺旋模型，眼看離探清DNA的結構也只有一步之遙了。
 
 
 
　　這第三支人馬就是半路出家的華生和克里克了。論實驗條件是威爾金斯實驗室最好，論知識底子是波林最雄厚，但是論年齡卻是華生和克里克最年輕，思想也最少保守。
 
 
 
　　卻說這兩個年輕人日夜苦幹，決心打破這三軍鼎立的局面，首先奪魁。也合該他們得勝，機會終於到來。1951年5月華生在一個科學會議上遇見威爾金斯，威爾金斯身邊正帶著幾張DNA的X光衍射照片。華生為喜異常，立即要了一張。威爾金斯倒不保守，同他們誠懇地談了自己的猜想。
 
 
 
　　再說華生得了這張照片，回到卡文迪許實驗室立即喊克里克快來。兩人伏在案頭好一陣切磋。DNA的結構是螺旋形，看來確定無疑了。這時華生拿起一個放大鏡仔細掃視圖面，突然他把目光停在一個十字狀的地方說道：「這地方有個交叉，我看這種螺旋很可能是雙層的，就像一個扶梯，旋轉而上，兩邊各有一個扶手。」
 
 
 
　　「對，很有道理。根據我們掌握的資料，威爾金斯小組的弗蘭克林也認為它是一種雙鏈同軸排列。現在看來這個問題就只差一層窗戶紙沒有捅破了。到底在這個雙螺旋體裡T、C、A、G這四種物質怎樣組合排列，弄清這個也就弄清了DNA的模型。」克里克說著也感到很興奮。
 
 
 
　　「看來我們現在的主攻方向就是要立即制出一個DNA模型。有了這個模型才能說清遺傳機理。」
 
 
 
　　他們找來金屬絞合線，又參考了弗蘭克林測得的數據，兩人在實驗室的車間裡做成又拆掉，拆了又重做，這樣連級十幾個月，總是找不到一個理想的模式。這天他們正在實驗室里累得汗流滿面，突然助手推門造來說：「有了一個新方案。」
 
 
 
　　「什麼方案？」
 
 
 
　　「波林已經宣布，他完成了DNA模型，是三股螺旋！」
 
 
 
　　這個消息可是非同小可，就是說在這場競賽中，對手已經超過他們衝到了終點。剛才還是一種迷惘的煩惱，現在更加一種失敗的沮喪。克里克一屁股坐在椅子上，順手將那些亂七八糟的木棒、線頭推到一旁。華生病呆呆地站在那裡，半天自語道：「三螺旋，這不大可能把？」
 
 
 
　　事實上他們是處驚一場。沒有多久各實驗室都證明三股螺旋的模型並不能解釋DNA的結構。
 
 
 
　　華生和克里克經這場虛驚之後對自己的想法更有把握，更加緊了製作，卡文迪許實驗室的車間也為他們幫了大忙。1953年元旦剛過，華生和克里克就制出了一個新模型，在兩股糖與磷酸的螺旋鏈之間，夾著一一相同的鹼基。A基與A基相對， T基與T基相對。這種模型倒是符合已知的資料，但是構型憋扭，因碳基分子大小不同，使兩條外骨架發生了扭曲。
 
 
 
　　華生坐在桌旁。對著這個奇怪的模型陷入沉思。他想神秘的DNA應該是有一種和諧的，美的結構，決不應該這樣歪歪扭扭，他這樣想了一會兒便把鹼基拆下來重新換了個位置，大小搭配，讓A和T配對；G和C配對。這樣一來面前的模型真如一條凌空翻舞的彩綢，那樣舒展自如，那樣輕鬆和諧。而且又符合前不久關於DNA結構的另一項發現：A、T兩基的數目與G、C兩基的數目都正好相等。DNA結構之謎從此解開。
 
 
 
　　讀者也許要問，物質的客觀形狀與人主觀的美感有什麼關係，那華生何以從美學角度出發倒找到了問題的根本。原來自然中的生物卻常常是以一種美的、合理的結構存在。你看那樹葉上對稱的葉脈，你看飛鳥對稱的雙翅，還有那蜜蜂為自己建造的蜂房都是標準的六角形小格，就是高明的建築師見了也嘆為觀止。所以這美感決不獨為藝術家所有，它又常常是科學家的一種素質。甚至現在還專門有一門工程美學。
 
 
 
　　再說華生和克里克得到這個美的、合理的模型，喜不自禁，便立即寫成一篇論文發表在1953年4月的英國《自然》雜誌上。他們在給編輯部的信中說：「這確是個奇特的模型。不過既然DNA是個不尋常的物質，我們也就敢作不尋常之想了。」的確，在這三支力量的競爭中，華生和克里克資歷最淺而首先奪魁，正得力於他們敢大膽想像，不循常規。後來，直到1974年，波林還遺憾地說：「我深知核酸內含有嘌呤和嘧啶，但為什麼就沒有想到給它們配對呢？我總在探討三螺旋，就是沒有去試一下雙螺旋。唉，那些極簡單的概念，有時竟是這樣難以捉摸。」華生他們的論文只千把來字，但是它足可以與達爾文的《物種起源》相媲美，它開創了分子生物學的新時代。華生、克里克和威爾金斯因此同時獲得1962年諾貝爾醫學和生理學獎金。
 
 
 
　　按照華生的模型，遺傳信息怎樣傳遞呢？在這條螺螺旋中兩股糖和磷酸組成梯子的兩側A－T、C－G連成梯子的橫槓。在一個人體細胞中，DNA梯子全長約有一米，所包含的橫槓就有60億條之多。一個人的基因，它可能是梯子的一段，約有2000條橫槓。
 
 
 
　　當細胞繁殖的時候，這條雙螺旋就從中間分開，猶如拉鏈一樣從中間分成兩半。這時每一個鹼基對都拆開了，但是這剩下的一半在浮游於細胞核內的分子中很快就找到了新的伴侶。A又與新的T結合，G又與新的C結合，這樣就形成兩個與原來的DNA一模一樣的復製品，這就是生命的遺傳。如果DNA在複製過程中出一點意外，就會造成物種的突變。
 
 
 
　　DNA上怎樣攜帶大量的遺傳基因呢？這正是薛定鍔假設的密電碼。構成DNA的四種核甘酸，每次取出三個構成一組，這樣排列組合，便有了足夠的遺傳基因。60年代末用電子顯微鏡攝到的放大了730萬倍的DNA照片已經證實了這一點。而科學家的一個目標就是被譯這些密碼了。
 
 
 
　　各位讀者，人類認識世界是為了改造世界。正如認識了原子核的結構就要設法讓它釋放能量一樣，現在既然知道了遺傳密碼就要讓生物按照人的意志來遺傳和變異了。這便是生物遺傳工程。1973年，美國科學家第一次實現了按人的意志來製造新的生物。他們將大腸桿菌的一個帶抗四環素，和一個帶抗鏈黴素的遺傳信息的基因重新組合，又放回大腸桿菌中複製，結果新的菌就同時既抗四環素又抗鏈黴素。
 
 
 
　　別看這個極小的實驗，它的意義就如費米當年發現核裂變就可引來以後的原子彈爆炸一樣，預示著人類在生命領域也將要大顯身手了。比如腦激素是治療糖尿病的良藥，但是過去要從牲畜腦槳中提取，十萬隻羊腦才能提取到一毫克，何等昂貴。1977年人們已經能人工合成腦激素遺傳基因，讓那個繁殖很快的大腸桿菌按照這個基因去複製腦激素，它果然順利完成了任務。提取一毫克腦激素，只需要兩升大腸桿菌培養液，從此就不用那麼多羊腦了，成本大大降低。
 
 
 
　　在農業方面，作物需要大量的氮，因此全世界每年要生產四干多萬噸氮肥。人們早就發現豆科植物可以自己依靠土壤中的根瘤菌來吸收空氣中的氮。如果我們能將這種遺傳密碼也送到小麥、水稻等作物中去，那麼全世界的氮肥廠就都可以關門了。
 
 
 
　　隨著人們解開遺傳之謎和生命科學的發展，在不遠的將來，人類將可以按自己的意志來製造新的生物，將可以通過修復和調節基因來治療疾病，改造生命自身。試想，當人類對大自然還不甚了解時，會是怎樣的盲目、被動，是怎樣地受著自然的嘲弄。但是隨著自然之謎的揭開，一天一天，人類終於成了自然的主人。當人類對自己的生命還不甚了解時，也曾是怎樣地受著疾病的折磨和嘲弄。現在，隨著生命之謎的揭開，人對自身的認識便出現了一個飛躍，其意義決不亞於當初哥白尼發現宇宙。從此，人類不但能改造世界、還能改造自己的生命，科學將使他們在宇宙間獲得最充分的自由。

第七十一回
究方法 說書人試談相似論，論精神 有志者不屈事竟成
 
——結束語　　尊敬的讀者，本書到這一回就要結束了。當我們合書默想之時，會發現一個問題，就是科學家費盡心機所探索到的自然現象，原來如此相似。你看那伽利略望遠鏡里的月亮和地球多麼相似；牛頓眼裡的月亮和蘋果多麼相似；盧瑟福發現的小小原子結構和哥白尼發現的龐大的太陽繫結構多麼相似；摩爾根發現的果蠅的遺傳和孟德爾發現的碗豆的遺傳多麼相似，甚至高檔的人的基因結構和那最簡單的噬菌體病毒的基因結構多麼相似；普朗克發現的能量的分束急跳和祖沖之發現的圓周可以看成正多邊形的無數個邊多麼相似；電場和磁場多麼相似；電波和光波多麼相似；柏克勒爾發現的天然放射性和倫琴發現的陰極射線多麼相似；德布羅意發現的物質波和光波多麼相似；達爾文和華萊士遠隔萬里之外，分別發現的生物進化現象多麼相似；戴維發現的鉀與鈉的化學特性多麼相似；拉姆賽等發現的氦、氛、氫、氟、氙等惰性元素多麼相似；還有焦爾發現的電流生熱和摩擦生熱之間的相似，法拉第發現磁變電和電變磁之間的相似，甚至我們乍一看來毫無關係的人血液中血紅素與樹葉里的葉綠素，其化學結構也很相似。
 
 
 
　　真是大至宇宙，小至原子，從動物到植物，從人到細菌， 好一個相似的世界！
 
 
 
　　這到底是為什麼呢？辯證唯物主義告訴我們，外部世界是客觀存在的，是互相聯繫發展的。別的不談，我們只說這「聯繫」的一種重要形式就是相似(當然還有對立、變異等形式的聯繫)。
 
 
 
　　原來客觀世界不管它多麼複雜都可以分解成一定的層次，每一層次又都有一定的單元。這種不同單元和層次的排列組合就是一個複雜的世界。我們觀察客觀世界時只要像剝竹筍一樣一層層剝去，就能發現它們各自間的相似關係，通過這種相似關係就能發現制約每一層次的規律。比如宏觀宇宙間，眾星圍繞太陽運動是一個相似的層次，有克卜勒定律管著；而在微觀原子內，核外電子是一個相似層次，其作用力是電磁力；再深入到原子核中，質子、中子等又是一個相似層次，其作用是強相互力和弱相互力。原子組成分子，分子組成各種物體，組成地球；眾星又組成太陽系；很多個星系又組成銀河系等。這樣一層一層組成世界。但是層次再多，我們只要找到其中的一層，就可以找到其中相似的聯繫。正如，世界上的人有幾十億，但總可以分為少年、青年、中年、老年等幾個層次，只要是青年人，他們之間總有一些相似的聯繫。
 
 
 
　　在人對自然的探討中，無論是牛頓還是達爾文，阿基米德還是愛因斯坦，他們都是力圖通過一些相似的現象去發現其中的聯繫，然後概括出某個層次上的規律。不過有的人只能在低層次、淺層次發現規律，管得範圍小一些；有的人可以在高層次、深層次發現規律，管得範圍大一些。當伽利略在比薩斜塔上一站時，他發現了地球上的自由落體定律，而1866年當牛頓迎著涼爽的秋風，在蘋果樹下仰望明月時，蘋果與月亮的相似，使他發現了萬有引力，完成了人類認識自然的第一次理論大綜合(天、地間規律的綜合)；當1847年焦爾分析了電、機械、化學等運動的做功發熱的相似性時，確定了能量守桓定律，完成了人類認識自然的第二次理論大綜合；當1873年麥克斯韋發現光、電、磁都是波的相似性時，將它們統一起來，建立了電磁理論，完成了第三次理論大綜合。科學史上的第四次理論大綜合，是迄今完成的一個最高層次，即1905年到1915年愛因斯坦創立的相對論。它揭示了「尺縮鍾慢」、「質能互變」等時間、物質在空間和運動中的相似變化，揭示了它們之間的本質的統一。
 
 
 
　　看來，自然界的事物常以相似(不是相同)關係來體現它們之間的聯繫，而抓住這種聯繫也就發現了規律。
 
 
 
　　人們在對相似規律的運用中又常表現為幾種方式。一是，從橫向看，通過相似形的擴大來加大研究的深度廣度。比如我們常見的白光，在牛頓之前，認為是一色的。牛頓第一次用三稜鏡分出從紅到紫的七色，創光譜學，光的範圍由一段到七段，以後的研究者又向兩邊做相似形的擴大，紫外又有x光、γ射線、β射線，紅外又微波、電視波、無線電波，不斷擴大戰果，就出現一個大的相似系列。
 
 
 
　　二是，通過發現兩事物間的相似聯接點，來開拓新的研究領域。比如本生發現不同元素都有自己的固定光譜，根據這一點相似聯繫便創立了光譜分析學，並得以發現銫、銣、鉈、銦、氦、氬等，開墾出一片新元素的處女地；居里夫人根據一些不同元素都有一定的放射性和相似聯繫，創立了放射化學，據此，人們發現了釙、鐳、鎂、錒、氡等，在元素王國里又拓出一片領地。作為物理學家的盧瑟福，在研究原子放射性時，卻發現了原子的衰變，從而發現「放射性是原子現象，又是生成新物質的化學變化的伴隨物。」他在這個十字路口上不自覺地走進化學領域。因此，當他獲得1928年的諾貝爾化學獎時，連他自己也大吃一驚。他說我一生經歷許多變化，想不到這一次從物理學家變成了化學家。量子力學興起後，這個相似點更是聯結了許多學科，出現了量子物理，量子化學，量子生物等。作為量子物理學家的薛定鍔寫出了《生命是什麼？》，玻爾寫出了《光和生命》將生物研究推向了一個新階段。事物間的相似點常常是暗渡陳倉出奇兵的好地方，只要選准，就會驟然取勝。
 
 
 
　　三是，從縱向看，通過事物發展的周期相似波，來預測方向，推動新的發現。比如化學元素的發現就由於新的研究方法的出現而相應出現了幾次相似的發現高潮：即化學分析法之後，電解法之後，光譜分析法之後，放射法之後等等。又如，人們對自然科學的研究，開始都包括在哲學裡面，後來又分成各門學科，研究再深入，又在分子水平、量子水平上得到統一，經歷了合——分——合的否定之否定的相似重複。前面說到，人類在認識自然過程中，每積累到一定程度就要出現一次相似的理論大綜合，已經出現了四次。按照這個規律，現在科學家們都在磨拳擦掌，希望能在第五次大綜合中立一頭功。
 
 
 
　　大自然中相似的單元和層次決定了其客觀存在的相似性，我們就可以按照「相似形」、「相似點」、「相似波」等各種方式去指導科學發現。開拓未知領域。
 
 
 
　　另一方面，大自然經過長期的進化，又篩選出了許多最優方案。所以我們還可以按照自然中的客觀存在去指導技術發明，創造新的文明。
 
 
 
　　人們千百年來的發明創造，實際上是通過「人工」來再現「天工」。是向自然求得相似。當美國政府費盡巨大的人力物力，試製成第一顆原子彈時，它不過是重複了太陽表面億萬年來就在進行的核制變；當艾菲爾完成了300多米高的巴黎鐵塔，全法國人都引為自豪時，人們發現其結構和人的一根小腿骨並無二致，甚至兩者的表面角度都相符合。莫斯科人也為自己的184.3米高的電視鐵塔而自豪，但人們仔細一分析，其結構不過是一根纖細的竹竿。飛機是1903年發明的，這是千百年來人類幻想與鳥相似的結果。而自從萊特兄弟的第一架飛機上天以來，這種飛行工具的每一次改進又都是從鳥身上繼續發現一些新的相似點。鳥的翅膀是拱形的，飛行時空氣會對它生成托舉力，飛機雙翅也是如此；鳥飛行時雙腿收到腹下，是為了減少阻力，於是飛機的起落架也就收起，蜻挺雙翅的前上方各有一塊深色的角質部分，這是為了消除飛行中空氣阻力造成的顫振，於是飛機機翼上也有與此相似的抗顫振配重部分。數學家和物理學家發現六角柱狀體是一種最經濟的形體。他們經過長時問的測算，算出這些柱狀體底面約三個菱形面積的銳角是73度32分，鈍角是109度28分，而這正是蜂窩的結構，竟連一分也不差。
 
 
 
　　我國生物學家貝時璋曾對生命下過一個定義：「『生命』就是物質、能量、信息三者的理化、協調和有機統一的動作。」那神奇的計算機正是靠著硬體、電源、快速數模等接收信息的裝置，相似於人的軀體、能量和視覺聽覺，然後用軟體將這些有機地統一起來。於是計算機能聽、能看、能寫，儼然是一個有「生命」的東西了。
 
 
 
　　我們平常說向老師學習，是因為老師積累了很多知識，而大自然在億萬年間篩選、積累下來的最優模式正是一個最理想的老師。
 
 
 
　　我們在認識自然，改造自然的過程中，不但有相似的規律可循，有相似的模式可借鑑，更有趣的是，同時還生成許多相似的研究方法，甚至許多科學家還有相似的遭遇。門捷列夫根據元素周期律準確地預言了元素鎵的性質，與勒維烈根據萬有引力準確地預言了海王星的位置多麼相似；法拉第由電變磁啟發而發現了磁變電與德布羅意由波是粒子啟發而發現粒子也是波多麼相似；本生利用不同元素有不同的光譜和居里夫人利用不同元素的放射性能使空氣生成不同的導電性來測量新元素多麼相似。正是因為有了這些相似，我們才可以將科研方法大致分成幾類，才生成了許多方法論方面的專著。
 
 
 
　　各位讀者，當我們順著科學史的長河順流而下，這樣飄行了一趟之後，我們知道了許多知識，也了解到一些學習方法和研究方法。但還有一樣是更重要的，這就是為我們開闢這條航道的科學家，他們在與大自然鬥爭中所表現出來的偉大精神。也許我們並不從事科學工作，有些知識和方法對我們並不直接有用，但是他們的這種精神將會如陽光一樣溫暖看我們的周身，無論走到哪裡，都會使我們受益無窮。擇要而說，大概有三種精神。
 
 
 
　　第一便是犧牲精神。對自然的認識是受無數代人連續不斷地工作才能完成的艱巨事業。所以凡是有志於從事自然科學研究的人就要準備將自己短暫的一生全部投入這無限的事業中去。這裡需要徹底的無私。除事業外，個人別無所求。只要能有一點發現，能為後人的再發現開闢一寸道路，他就心滿意足了。所以克卜勒在發現了天體運行規律後說：「大事告成，書已寫出，甚至可能要等一個世紀才有讀者，這我就管不著了。」愛因斯坦在完成了廣義相對論後說：「我死不死無關緊要。廣義相對論已經問世了，這才是真正重要的。」其甘為事業捐軀的心懷多麼坦然。只要有了這一點便無堅不可攻，無峰不可攀。因為治學猶如打仗，未知世界變幻無窮，總要有一點風險。這就要敢於冒險，要有先幹起來再說的膽量。正如歷史上不敢鋌而走險，揭竿而起，就永沒有農民起義的勝利。從沛縣的小吏劉邦到鳳陽的放牛娃朱元璋，無不是以這種冒險之勇而得天下的。而從達爾文在貝格爾艦上撈起第一塊貝殼到居里夫人在小木棚子裡第一天支起煉鐳的大鍋，任何一項科學發現。無不是以敢斗敢闖才有成功的。所以愛因斯坦說：「物理學是一種認識的冒險。」只不過它不如政治、軍事鬥爭那樣會大量的流血，所以這一點不大為人注意，但其道路是一樣的。
 
 
 
　　第二是創造精神。當我們開始登上治學之路時，第一是繼承，是將前人已掌握的知識接受過來。一般人做到這一步也就為止了。而科學家卻不甘心於只數別人的腳印，我們看牛頓、法拉第、巴斯德、達爾文、盧瑟福等這些偉人，他們讀了一些書，一旦接受到一種新思想的啟迪之後，便立即進入自己的創造軌道；去頑強追求前人沒有發現的東西。當愛因斯坦還是個16歲的中學生時就有了自己對於世界的獨特思考。一部科學發現年表幾乎全部為青年人所占有。只有不斷地創造，科學才能發展，才能延續。
 
 
 
　　創造是科學的生命，同時也是科學家的生命。科赫作為一名普通的鄉村醫生，經過頑強的觀察和實驗成了細菌學的開山鼻租，他發現了結核菌這個可怕的殺人犯，獲得了一種創造的飛躍。有人說得好：「這出人意料的一躍，科赫離開了許許多多無名醫生的隊伍，降落在最有獨創性的研究家之中了」。世界之大，歷史之久，曾湧現過多少學者專家，為什麼只有如牛頓、愛因斯坦這樣的少數偉人永存呢？這是因為他們有所創造，歷史才承認他，才肯回報他一席之地。他們在創造歷史中也創造了自己的價值，自己的生命(一個科學家的生命)。當居里夫人從八噸鈾礦渣中大海撈針般地尋找鐳時，當盧瑟福決心打碎原子看個究竟時，他們覺得不這樣做，活著就沒有價值。正是這種強烈的創造欲望支持著他們不斷發現，不斷開拓。一個人雲亦雲，毫無創新的人，可能在官場上還能混下去，甚至可以紅光滿面，榮寵一生。但是在科學的講壇上，他只要還是重複一遍昨天的話，就再沒有一個人聽。
 
 
 
　　第三是刻苦精神。就是要頑強、勤奮、認真。科學研究既然是從未知世界中探真知，就不會是囊中取物，瓮中捉鰲，不會易如反掌。它包含有比成功更多的失敗、犧牲和挫折。沒有這個思想準備就不要來敲科學的大門。但真正的學者既然抱定犧牲之心，吃苦也就算不得什麼了。達爾文考察生物，五年環球，櫛風沐雨；瓦特改進蒸汽機，20年含辛茹苦；弗萊明等人研究青黴素，17年不間斷，奔波於大西洋兩岸；瑞利、拉姆安等追蹤氦元素27年，從天上找到地下。當這些科學家在一個早晨突然宣布自己的新發現時，人們羨慕，敬佩甚至嫉妒，但是有誰知道他們已付出了十年、幾十年的心血呢？當居里夫人在八噸鈾礦渣中煉得0.1克鐳鹽，當盧瑟福在25000張基本粒子的照片中終於得到6張人工轉變元素的照片時，人們尊他們為第一批敲開原子物理大門的人。但是這些開拓者的腿上、手上已經被沿途的荊棘劃得傷痕斑斑：科學史上每一次光榮的發現背後都有一串兒浸滿血、淚、汗的腳印。正如地面上每一棵迎著陽光的綠樹，地下都有同樣大，同樣密的根系在艱難地穿過苦澀的土石，吸收養料和水分。
 
 
 
　　一個科學家當他不怕犧牲，善於創造，又特別能吃苦時，成功就在眼前了。
 
 
 
　　尊敬的讀者，眾位科學家發明創造的事故，講到這裡告一段落。相信他們創造的知識，他們的治學方法，和他們獻身事業的精神，一定能對您有所裨益。
 
 
 
　　大家在緊張地學習、工作之餘還能卒讀這本小書，作者謹表深深的謝意。