10.11.1. 生活無處不科學(xué)，解用恁地皆妙方

拉瓦錫用精密天平推翻了“燃素”學(xué)說；牛頓用三棱鏡發(fā)現(xiàn)太陽光是由赤橙黃綠青藍(lán)紫7種光組成的；卡文第許從兒童用鏡子玩具折射太陽光，頻繁移動(dòng)中得到啟示，第一個(gè)計(jì)算出了地球的質(zhì)量；赫塞夫人將制作果凍的廚藝，援引過來制作出了瓊脂固體培養(yǎng)基，掀起了微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的一場革命，極大地促進(jìn)了醫(yī)學(xué)細(xì)菌學(xué)的研究進(jìn)展，從而縮短了DNA的發(fā)現(xiàn)歷程。要是當(dāng)初沒有赫塞夫人發(fā)明瓊脂固體培養(yǎng)基，DNA發(fā)現(xiàn)的歷程就不會(huì)這般順利，還會(huì)延后，本書上述幾章演繹出的一臺(tái)臺(tái)大戲也就唱不起來了。

赫塞夫人發(fā)明出瓊脂固體培養(yǎng)基這一事實(shí)還說明，許多科學(xué)發(fā)明不一定非要在清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國科學(xué)院及國外的哈佛大學(xué)、劍橋大學(xué)這樣一流的科學(xué)殿堂、研究圣地才能取得?？茖W(xué)家能否成功，關(guān)鍵在科學(xué)家本人的研究風(fēng)格，在于他們是否善于利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室條件和已有的知識(shí)，如果善于利用的話，即使在二三流的大學(xué)里最大限度地應(yīng)用手頭的器材，一樣能做出驚人的成就。

遠(yuǎn)一點(diǎn)說，當(dāng)初居里夫人如果非要等到有了離心機(jī)和蓋革氏計(jì)數(shù)器，再著手研究放射性元素鐳，免得在惡劣的工作條件下受煙熏火燎、繁重體力勞作之苦，那么1902年她就發(fā)現(xiàn)不了鐳，或者發(fā)現(xiàn)權(quán)輪不到她的頭上。因?yàn)闀r(shí)間是爭得發(fā)現(xiàn)權(quán)的頭等籌碼。即便當(dāng)時(shí)市面上有這些儀器裝置，她也無力購置。

近的說，除去已列舉過的例子，在2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主蓋姆（Geim，A.）和諾沃肖洛夫（Novoselov，K.）二人還共同演繹出了一曲“玩”出來的諾貝爾獎(jiǎng)。他們用廉價(jià)的透明膠帶一層層剝離出只有一個(gè)碳原子的厚度，成功研制了寬度只有1nm的二維固體材料石墨烯，性能遠(yuǎn)高于單晶硅，導(dǎo)電性可與銅媲美，強(qiáng)度是鋼的100倍，導(dǎo)熱性超過任何已知的材料，透明、輕薄，成為微納電子工業(yè)的支撐材料。將它用于制造各種新型電子產(chǎn)品，必將引發(fā)新一輪的電子工業(yè)革命。

10.11.2. 騎馬找馬

科學(xué)研究中有時(shí)也有騎馬找馬、選錯(cuò)了題、搭錯(cuò)了車的事件。重要的是，不要把不可能實(shí)現(xiàn)的，或?qū)崿F(xiàn)概率極小的事件，當(dāng)作有可能或很容易實(shí)現(xiàn)的事件。那樣只會(huì)造成人力、財(cái)力的浪費(fèi)，更可能誤了大事。聰明的科學(xué)家在還未確定研究方向前，都是在“騎馬找馬”“吃在碗里，望著鍋里”。

我們沿著DNA分子發(fā)現(xiàn)的線路圖不難發(fā)現(xiàn)，凡進(jìn)入這塊科學(xué)研究園地的人無一不是“騎馬找馬”“吃在碗里，望著鍋里”。孟德爾是個(gè)僧侶式的傳教士，只緣于常見其老父整天在田間地頭進(jìn)行植物雜交，且發(fā)現(xiàn)獲得的子代品種往往優(yōu)于母本，遂萌生出投身于豌豆雜交試驗(yàn)研究的。摩爾根是研究“海蜘蛛”解剖學(xué)及系統(tǒng)發(fā)育的，他先后用小鼠、大鼠、鴿子、月見草、果蠅做材料，比來比去，唯果蠅符合他的要求。摩爾根選擇果蠅還有另一層意思，即他對(duì)孟德爾運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究生物遺傳，剛開始持質(zhì)疑態(tài)度，后又認(rèn)為用這一孟德爾教義來解釋遺傳確實(shí)是一件了不起的事件。

米歇爾本是從醫(yī)的，迫于耳背，轉(zhuǎn)攻化學(xué)。他遵從老師的安排，研究淋巴樣細(xì)胞，后來出于方便，就近取材，自作主張研究膿細(xì)胞，從而發(fā)現(xiàn)了核素。艾弗利也是醫(yī)生，也不是從一開始就研究DNA分子的，而是長期從事臨床和醫(yī)學(xué)細(xì)菌學(xué)的研究，但他只因不滿足于格里菲斯的結(jié)論，遂將他的實(shí)驗(yàn)向深一層次推進(jìn)，從而引導(dǎo)他一步步更加逼近生命本質(zhì)DNA分子。

但基因到底是什么？DNA分子是什么樣子？人們拿不岀證據(jù)來。DNA分子研究的歷史長河又把物理學(xué)家卷進(jìn)來了，德爾布呂克是一個(gè)理論物理學(xué)家，研究鈾分離技術(shù)的，他是一個(gè)典型的“騎馬找馬”的人，他的研究方向變來換去，最終落在了噬菌體上。他在為分子生物學(xué)選定研究材料，創(chuàng)建“噬菌體研究組”這個(gè)吸引人才的平臺(tái)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。他的后繼者薛定諤本是量子力學(xué)創(chuàng)始人之一，他的興趣廣泛，幾乎沒有他不想了解的知識(shí)，他到生命科學(xué)天地，只不過是他大智若愚的一次“短暫旅行”。他作為有聲望的資深物理學(xué)家寫了一本《生命是什么？》的小冊子，無形中吹響了物理學(xué)家向生命科學(xué)進(jìn)軍的號(hào)角。

威爾金斯研究過電子在磷里面的熱穩(wěn)定性以及磷光理論，參加過“曼哈頓工程”，他就是在薛定諤的這本小冊子的影響下步入生命科學(xué)天地的。煙草花葉病毒首次成功結(jié)晶，因?yàn)檫@項(xiàng)成果有他的好友斯坦利的一份功勞，所以他對(duì)病毒顆粒也有了興趣。

弗蘭克林原先是研究煤炭分子細(xì)微結(jié)構(gòu)和石墨化及非石墨化碳研究的，她是什么課題最難、最具挑戰(zhàn)性，她就研究什么。生物學(xué)分子量都很大，獲得的X射線衍射圖像很復(fù)雜，長期以來，一切可能的數(shù)學(xué)分析都對(duì)它無能為力。弗蘭克林的機(jī)遇來了，她不放過這一用X射線衍射法研究生物材料的機(jī)遇，從而取得了巨大成就。

沃森是研究動(dòng)物學(xué)的，對(duì)鳥類感興趣，只不過在意大利休假時(shí)碰上一個(gè)學(xué)術(shù)討論會(huì)，在會(huì)上看到了威爾金斯的DNA纖維的X射線衍射圖。這還讓他認(rèn)識(shí)到，只有弄清楚基因的結(jié)構(gòu)，才能知道基因是如何工作的，從此他就一門心思大跨度地投入到了DNA雙螺旋立體結(jié)構(gòu)模型的建立上，果然取得了巨大成果，轟動(dòng)了世界。

最典型的當(dāng)推克里克了，他先是研究腸促胰液肽和胰凝乳蛋白酶抑制物的，在這類課題之間轉(zhuǎn)來轉(zhuǎn)去，實(shí)際上他什么都沒有干，卻漸漸發(fā)現(xiàn)“交鏈的交鏈”是大多數(shù)生物大分子，特別是螺旋體中常見的特點(diǎn)。沃森來到劍橋大學(xué)后，他們兩人很快想到一塊兒，但他“騎馬找馬”，一直到“DNA堿基配對(duì)和雙股鏈反走向”問題取得突破性進(jìn)展，他這才從馬身上跳下來，離開他原先從事的胰凝乳蛋白酶抑制物的研究，全身心地投入并與沃森一道共同譜寫了一曲轟動(dòng)于世的成功組建DNA雙螺旋立體結(jié)構(gòu)模型的凱歌。

查伽夫是研究生物化學(xué)的，他是從故紙文獻(xiàn)堆里尋找到這匹“千里馬”的；鮑林原是研究Vc和蛋白質(zhì)α-螺旋的，后來也“騎馬找馬”，開始研究起了DNA雙螺旋立體結(jié)構(gòu)模型，而且臨近成功只有幾步路。本書第8章所列舉的多位物理學(xué)家轉(zhuǎn)向生命科學(xué)研究，也都是按照這個(gè)合邏輯的“騎馬找馬”思維模式，先后涌進(jìn)生命科學(xué)研究園地的。

科學(xué)家所作的解釋都是一些假說，所有的假說又都是試探性的。這些必須永遠(yuǎn)要接受檢驗(yàn)，看其是否符合實(shí)際，一旦發(fā)現(xiàn)不合適，就必須馬上加以修正。因此，科學(xué)家尤其是著名科學(xué)家，“騎馬找馬”“吃在碗里，望著鍋里”，改變主意，不僅不是弱點(diǎn)，反而是由于不斷關(guān)注有關(guān)問題和有能力一再檢驗(yàn)其假說的明顯證據(jù)。而當(dāng)改變主意去另起爐灶，研究一個(gè)全新的問題時(shí)，其原因一般是他們不能提岀恰當(dāng)?shù)男聠栴}，從而以為他們原來的研究路線已走到了盡頭。最典型的例子是，1950年德爾布呂克意識(shí)到，從噬菌體繁殖尋找物理學(xué)新規(guī)律是不可實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)在需要用正統(tǒng)的化學(xué)技術(shù)來探索生物復(fù)制之謎，揭開受噬菌體侵染的細(xì)菌細(xì)胞的“黑箱”。如同當(dāng)年他放棄了天體物理學(xué)轉(zhuǎn)攻原子物理學(xué)，而后又研究起遺傳學(xué)那樣，現(xiàn)在他又靈機(jī)一動(dòng)，放棄了遺傳學(xué)，轉(zhuǎn)向了感覺生理學(xué)。待到研究須霉時(shí)，才不得不學(xué)習(xí)起了生物化學(xué)。

10.11.3. 想象力與知識(shí)哪個(gè)更重要？——菌細(xì)胞內(nèi)“大管家”的發(fā)現(xiàn)

愛因斯坦說過：“想象力比知識(shí)更為重要，因?yàn)橹R(shí)是有限的，而想象力則概括了世界的一切?！狈▏F(xiàn)代分子生物學(xué)家莫諾充分發(fā)揮自己的想象力，認(rèn)為可以將基因中的DNA分子轉(zhuǎn)移到新的活有機(jī)體細(xì)胞中，并把這比喻為“一項(xiàng)龐大而繁復(fù)的系統(tǒng)工程”。如此龐大的工程若沒有幾個(gè)組織者帶頭，起關(guān)鍵作用，這項(xiàng)工程是無法正常有序進(jìn)行的。他在研究大腸桿菌乳糖代謝的調(diào)節(jié)機(jī)制中，發(fā)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因的差別，一個(gè)或數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)基因與一個(gè)操縱基因聯(lián)合起來，在結(jié)構(gòu)與功能上構(gòu)成一個(gè)協(xié)同活動(dòng)的整體——操縱子[148]。

圖中Z、Y和A是三個(gè)相鄰基因，分別編碼半乳糖苷酶、透性酶和轉(zhuǎn)乙酰基酶的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。它們有一個(gè)共同的操縱基因O?；騊是編碼阻遏蛋白結(jié)構(gòu)的，它與基因O連接并關(guān)閉基因O。倘若有一種諸如乳糖之類的誘導(dǎo)物與之結(jié)合時(shí)，它就使誘導(dǎo)物鈍化，阻止它關(guān)閉基因O，蛋白質(zhì)合成就會(huì)繼續(xù)進(jìn)行。

為此，他大膽地提出“調(diào)控基因慨念”，即生成蛋白質(zhì)的特定性質(zhì)、數(shù)量以及時(shí)間順序，某些特定基因何時(shí)開啟、何時(shí)關(guān)閉，都是由這些類似“工頭”的“操縱子”來實(shí)施調(diào)控的[148，149]。

[148]Jacob F, et al. Genetic Regulation Mechanisms in the Synthesis of Protein[J]. J.Mol. Biol., 1961, 1 (3):318-356.

[149]Fabius L. French Biotechnology in The New Regime[J]. Bio/Technology,1983, 1 (3):225.

這個(gè)受體細(xì)胞好比一座超微型的化學(xué)工廠，里面夜以繼日地進(jìn)行著2000多種生物化學(xué)反應(yīng)，大的聚合態(tài)分子降解了，另外一些分子合成了。細(xì)胞從周圍環(huán)境中選擇較小種類的有機(jī)化合物用以合成細(xì)胞內(nèi)所需的一切物質(zhì)，包括合成高分子所需的單體；一些其他的分子則被降解，降解產(chǎn)物或向胞外分泌，或作為原料重新被利用。這座超微型“化學(xué)工廠”內(nèi)發(fā)生的這2000多種化學(xué)反應(yīng)，包括大多數(shù)已知的有機(jī)化學(xué)合成反應(yīng)類型，如水解、脫水、醛醇縮合、烷化、氨解、?；?、氧化、還原等。每一項(xiàng)反應(yīng)類型都被一種酶催化，酶的催化效率遠(yuǎn)高于簡單的無機(jī)或有機(jī)催化劑，速率約為普通催化劑的108～109倍，等于空間人造衛(wèi)星和蝸牛之間的速率關(guān)系[150，151]。

[150]Philip Handler. Biology & the Future of Man. Oxford University Press, 1970.

[151]鄒承魯?shù)龋举|(zhì)的新探索．上海：知識(shí)出版社，1987：1-10．

現(xiàn)在的基因工程，通俗地說就是欲朝這個(gè)“細(xì)胞工廠”組入一些外源基因，形象地比喻，就好比上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)部門要往這家所屬工廠派進(jìn)一些工作人員、一個(gè)工作組。派進(jìn)去的是普通工人，還是總工程師或廠長、黨委書記，對(duì)這家所屬工廠的前途、命運(yùn)和未來的經(jīng)營開發(fā)關(guān)系極大。如果派進(jìn)去的是普通工人，那么給整個(gè)工廠的生產(chǎn)、經(jīng)營起不了多大作用，即便這位工人師傅很能干，是技術(shù)八級(jí)，充其量只能對(duì)提高全廠的生產(chǎn)率起一些微小的或局部的作用，對(duì)全局而言不能起關(guān)鍵作用。若是派到這家所屬工廠去的是總工程師或廠長、黨委書記，那么就能對(duì)提高全廠勞動(dòng)生產(chǎn)率起到舉足輕重的作用。

兩種工廠的類型不同，道理是一樣的。它們大到方圓數(shù)十公里，小到只有2×10-12cm3的地步，都必須有組織、有計(jì)劃、有序地運(yùn)行，才符合“科學(xué)發(fā)展觀”這個(gè)舉世皆知的硬道理。后來的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，大腸桿菌及所有原核機(jī)體細(xì)胞內(nèi)確實(shí)普遍存在“操縱子”形式的基因調(diào)控模式，“乳糖操縱子”即屬此類。這是生物學(xué)中非常典型的轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)，其真實(shí)的運(yùn)行方式比上述的要復(fù)雜許多。染色體結(jié)構(gòu)確實(shí)具備實(shí)現(xiàn)這套程序的手段，既具備實(shí)施這套程序的方案和能力，同時(shí)還有建筑師的藍(lán)圖以及現(xiàn)場施工的技術(shù)[31]，揭示“乳糖操縱子”調(diào)控模式的三位科學(xué)家莫諾、雅各布及魯沃夫理所當(dāng)然地獲得1965年諾貝爾獎(jiǎng)。

[31]吳明．生物工程學(xué)：過去—現(xiàn)在—將來[M]．上海：知識(shí)出版社，1989．

10.11.4. 科學(xué)研究中繁簡“知識(shí)流”的美妙轉(zhuǎn)換和互動(dòng)

將果凍制作技術(shù)援引到制作瓊脂固體培養(yǎng)基掀起了一場微生物學(xué)技術(shù)革命，是知識(shí)流由簡到繁的轉(zhuǎn)換。從一個(gè)復(fù)雜生命機(jī)體大系統(tǒng)中分隔出一個(gè)簡單的生化反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)用以調(diào)控基因開關(guān)的“乳糖操縱子”，是知識(shí)流由繁到簡的轉(zhuǎn)換。盧瑟福說過：“不能向酒吧侍應(yīng)生解釋清楚的理論，都不是好的理論。”人類社會(huì)的這種“知識(shí)流”繁簡轉(zhuǎn)換和互動(dòng)是科學(xué)發(fā)展的歷史必然。

赫塞夫人將一種簡單樸實(shí)的小道理用于解決科學(xué)技術(shù)中復(fù)雜的大問題，實(shí)現(xiàn)將人類社會(huì)的“知識(shí)流”由簡到繁的歷史性轉(zhuǎn)換。牛頓的萬有引力定律拿蘋果來說事兒，薛定諤的量子力學(xué)拿貓來說事兒，哥德巴赫（Goldbach，C.）猜想拿1+1=2來說事兒，摩爾根的基因論拿“實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的灰姑娘”來說事兒。熱力學(xué)第一定律說的是能量原理，我們就拿“吃飯”來說事兒；熱力學(xué)第二定律說的是熵原理，我們就拿“穿衣”來說事兒；熱力學(xué)第三定律說的是熱定則，又稱能斯特（Nernst，W.）熱定則，我們就拿絕對(duì)零度不可能達(dá)到來說事兒。這樣就實(shí)現(xiàn)了將人類社會(huì)的“知識(shí)流”由繁到簡的歷史性轉(zhuǎn)換，與由簡而繁的“知識(shí)流”形成對(duì)照。

一切對(duì)科學(xué)懷有興趣、對(duì)自然界懷有好奇心的人都在想：“那么，自然科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的下一個(gè)基本規(guī)律在哪里呢？還會(huì)拿出什么簡化形式來說事呢？”科學(xué)和科學(xué)社會(huì)不就是由這種將人類社會(huì)的“知識(shí)流”由簡而繁，由繁而簡，有簡有繁、繁簡互動(dòng)、相輔相成、與時(shí)俱進(jìn)的不斷提升中構(gòu)建起來的嗎？

10.11.5. 走進(jìn)美妙的科學(xué)樂園生活

1866年，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僅僅將遺傳學(xué)大門的鎖打開了，但門內(nèi)的奧妙尚不為人知。1944年，艾弗利接著用他的著名的細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)這把更加沉甸甸的鑰匙打開了遺傳學(xué)的大門，人們這才知道起遺傳信息傳遞作用的是DNA。1953年沃森—克里克的DNA雙螺旋模型問世，1954年伽莫夫成功破譯了用于解釋上述模型的遺傳密碼，為我們提供了又一把“生物鑰匙”。1961年，莫諾和雅各布用他們的乳糖操縱子模型，教會(huì)我們?nèi)绾芜M(jìn)行遺傳調(diào)控，為我們提供了一種基因開關(guān)的按鈕。人類在揭示生命奧秘的漫漫征途中，憑借這一把把鑰匙、開關(guān)按鈕，越過了無數(shù)崎嶇險(xiǎn)道，好不容易走進(jìn)一條長廊，再往前走，長廊盡頭有一扇門，門外有廊，廊外有門，科學(xué)研究就是在克服一個(gè)個(gè)障礙、越過一座座山頭中，循環(huán)往復(fù)，不斷改進(jìn)而完善起來的。

那些研究高手、科學(xué)狂人和一些人尖子則是義無反顧地前赴后繼，為現(xiàn)代分子生物學(xué)大廈添磚加瓦，做出了許多不朽貢獻(xiàn)。科學(xué)家本人也在各種科學(xué)實(shí)踐的同時(shí)不斷完善自己，在美妙的科學(xué)樂園生活中、在一點(diǎn)一點(diǎn)的成就感中滋潤了自己并且尋找到了與生俱來的樂趣。無盡的想象力、好奇心及求真求實(shí)的研究興趣，會(huì)使科研成為生活的一部分，玩著玩著就把實(shí)驗(yàn)做出來了。艾弗利曾經(jīng)說過：“研究探索中遇到的不順心、煩惱事就是我每天的面包，我就是靠這些面包營養(yǎng)自己的。”不過現(xiàn)在還應(yīng)加上一句，這也是他在科學(xué)樂園生活中頑強(qiáng)拼搏的精神支撐點(diǎn)。一位資深科學(xué)家豪情猶存、壯志未酬地嘆息道：“個(gè)人的生命力是有限的，如果有來世，我愿把今生所從事的課題在來世繼續(xù)深入下去。

*轉(zhuǎn)載自“吳明.DNA是如何發(fā)現(xiàn)的？——一幅生命本質(zhì)的探索路線圖[M].北京：清華大學(xué)出版社，2019.”第10章 有待思考的幾個(gè)方法論問題