华生和克里克的大名将永远与DNA双螺旋联系在一起。这一举世瞩目的科学成就仅仅是两位天才人物的科研成果,还是那一时代科学发展的必然产物?对此,美国伯克利加州大学分子细胞生物学系的冈瑟 · 斯腾特(Gunther Stent)自有一番见解。
1949年夏,当马克斯 · 德布吕克在纽约长岛冷泉港实验室介绍我与詹姆斯 · 华生认识时,他正在印地安那大学的S · 卢里亚指导下研究作用于噬菌体的x射线效应,并在攻读博士学位。而我呢,则是一个刚获博士学位,涉足于物理化学领域的新手。当时,我准备在去加州理工学院攻读德布吕克第一个博士后学位之前,先在这年夏天研究一下噬菌体。
与我一样,华生也是从《生命是什么?》这本书中首次了解德布吕克的。该书的作者薛定谔是量子力学的创始人之一,他深受德布吕克有关基因理论的鼓舞,于本世纪30年代提出了遗传密码是遗传信息的携带者这一新思想。后来,华生之所以选择卢里亚为其导师,就是因为他听说这位出生于意大利的生物学家是德布吕克实验合作者之一。
到了40年代,德布吕克就成为著名的“噬菌体小组”领导人,这个由物理学家、化学家和生物学家共同组成的小组,通过对噬菌体复制现象的研究而奠定了分子生物学的基础。早在1937年,当接受过物理学系统训练的德布吕克以博士身份从柏林来到加州理工学院时,才刚刚知道一个小小的噬菌体居然能感染细菌,并能在半小时内复制出成百上千个与亲代一模一样的后代。
1950年夏,华生获得了博士学位,而我也完成了2年的博士后研究,德布吕克将我俩推荐给其好友,就职于哥本哈根的荷曼 · 克拉克,目的是为了让我俩学习有关DNA的化学知识。这时的德布吕克已意识到,DNA可能与噬菌体如何携带可复制的遗传信息有关。但他对DNA知之甚少,因此,他亦根本无法理解克拉克的研究成果:细胞新陈代谢的能量携带者ATP与DNA没有联系。这样,我们在哥本哈根几乎没学到任何有关DNA的化学知识。可有一件事却令人难忘:我和华生曾到丹麦皇家学会聆听了劳伦斯 · 布拉格的科学演讲,这个演讲成为DNA研究的转折点。
德布吕克的“噬菌体小组”(或称信息学派)着力于研究生命遗传信息的传递过程,而分子生物学的另一创立者——结构学派,则致力于用有机分子的三维结构来说明细胞的形成。这一学派起源于威廉和劳伦斯 · 布拉格父子有关x射线晶体衍射研究,布拉格父子使英国成为分子结构研究的故乡,他们的追随者用x射线拍摄了大量复杂的分子(包括蛋白质在内)的结构。
然而,结构学派所取得的第一个伟大成就并不是由发明x射线衍射技术的英国学者作出的,而是由加州化学家L · 鲍林作出的。这位在50年代发现蛋白质螺旋结构的学者虽然擅长用模型和猜测来研究分子结构,却没能运用当时新兴的晶体衍射技术。这样,鲍林的工作也不可能真正发现蛋白质的起源及其作用。
作为一个胸襟博大的科学家,劳伦斯 · 布拉格在讲演的最后一刻介绍了鲍林尚未发表的工作。华生听了这个演讲之后十分振奋,决定采用鲍林的方法进行研究。当我俩离开演讲大厅时,华生叫道,他准备研究DNA三维结构。正是因为生物学家缺乏对DNA三维结构的认识,才使得有关噬菌体的实验研究变得徒劳无益。我当时想,他可能疯了,因为他对x射线衍射技术的了解比我还少,如何能发现DNA结构?
这样,在哥本哈根的这段日子,意味着我与华生走上了截然不同的道路,华生加入了剑桥大学约翰 · 肯德鲁实验室学习x射线衍射知识。正是在剑桥,华生遇见了弗兰西斯 · 克里克。克里克博士认为,基因的根本性质取决于DNA的三维结构。于是,华生和克里克开始了其著名的科学合作,而余下的历史,华生在其《双螺旋》一书中已作了详尽叙述。
乍一看,华生和克里克有关DNA双螺旋的发现似乎与鲍林2年前发现的蛋白质螺旋结构十分相似,特别是氢键在这两种结构中都起了重要作用。但是,深入研究则会发现,DNA双螺旋的传播是作为一个与众不同的特征事件出现的。在发现双螺旋过程中,华生和克里克为生物学引入一种新观念:生命分子的三维结构是由线性密码中所蕴含的信息所决定。这一双螺旋模型要求高度有序的DNA三维结构必须由两股核苷酸碱基的任意排列顺序所决定。
1953年4月23日,华生和克里克在《自然》杂志上发表了《DNA双螺旋》一文,这一成果导致了原本独立的信息学派和结构学派的联姻,其后代就是“分子生物学”。如今,我们已看到这一事件构成了20世纪生命科学中最辉煌的一页。随着华生和克里克的论文为人熟知,绝大多数对遗传机制感兴趣的生物学家意识到,可以用诸如携带信息的分子之类的术语来研究遗传机制。
华生和克里克借助于DNA双螺旋的发现打开了分子生物学的新纪元,并在此后10年成为该学科的带头人。同时,他们又为建立分子生物学中心法则作出了重要贡献。中心法则阐述了遗传结构如何表达其携带的遗传信息进而复制的内在机制。
到了60年代中期,中心法则已得到证实,遗传密码亦已被译解,科学家们还了解到,信使 RNA(mRNA)可携带遗传信息从DNA进入核糖体表面,在核糖体中,mRNA通过转移RNA(tRNA)将DNA的遗传信息转译为氨基酸,以形成蛋白质多肽链。这样,最初困扰信息学派的问题——生物分子是如何传递遗传信息的——就得到了解答。
华生和克里克划时代的科学发现是不是科学史上一个独特的事件?如果没有生生和克里克的合作成果,分子生物学是否会沿一条不同的道路发展?
1968年,几位编辑出版《双螺旋》一书的学者开始思考上述问题。其中一位胚胎学家克罗德 · 华廷顿认为,华生和克里克的贡献被人们过分夸大了,真正对分子生物学作出具有影响深远贡献的是少数几个具有远见卓识的学者(包括华廷顿在内)在30年代作出的,华生和克里克仅仅是站在(像华廷顿这样的)巨人肩膀上,方才认识到DNA结构是解决这些问题的关键。《周六文摘》的科学编辑约翰 · 李也认为,DNA双螺旋的发现并非是一个重大事件。而在华生发现DNA故事中起重要作用的生化学家埃尔温 · 查伽夫则说,华生和克里克的工作并无什么独特之处,因为“不是人类造就了科学,而是科学造就了人类”。而且,科学发现不同于艺术创造。“假如没有莎士比亚,就不会有《雅典的泰门》这一剧作;假如没有毕加索,亦不会有《少女》一画的问世。”他总结道,现今存在着两种相互矛盾的历史观,其一是强调历史由某些特殊人物的贡献构成的“伟人史观”,它适于艺术领域;其二是马克思主义“决定论史观”,它主张历史具有其内在动力,而不是由人类的偶然行为构成,它适用于科学领域。
当初,我曾怀疑,查伽夫提出上述论点是不是为了贬低华生和克里克工作的重要性,但不久却发现,许多朋友和同事都同意他的观点。他们都确信,假如没有莎士比亚的话,就不会有《雅典的泰门》,但假如没有华生和克里克,我们仍可发现双螺旋。正如克里克所述,并不是华生、克里克发现了DNA,而是DNA结构的发现造就了他们。
显然,艺术和科学研究各特色。通俗地讲,假如没有华生和克里克,不久其他科学家也会发现DNA双螺旋结构,如马里尤斯 · 威尔金斯和罗莎琳 · 弗兰克休。而有关《雅典的泰门》的情形则不同,尽管戏剧史上也会有各种表演剧本,它们亦能从人类对自己的善行和恶行来阐述人类的责任,但它们都不可能用相同的修饰语言写出与《雅典的泰门》相同的剧作,故我们有理由将《雅典的泰门》视为莎士比亚个人的杰作。可是,我们却不能将此推及科学,并得出下述结论:若其他科学家发现了DNA双螺旋结构,也会以与华生和克里克相同的语言形式发表论文,向公众传递这一信息,并导致20世纪的生物学革命。据我对那一时期分子生物学家的了解,我相信,若没有华生、克里克的话,他俩在那篇简短的论文中所阐述的一切可能会较慢出现,大约要推迟若干月乃至若干年。
威尔金斯和弗兰克林可能会发现DNA双螺旋,但我却怀疑他俩能否从DNA结构来探讨DNA复制机制。德布吕克也可能发现DNA结构,因为他曾见过威尔金斯和弗兰克林的模型,可我以为,他却不具备华生和克里克那种天才的直觉,这种天才直觉使后者建立了中心法则。
我这样说,并非指现今有关生命过程的认识都依赖于华生和克里克的发现。今天,我们已了解DNA结构,遗传信息的复制和传递,即便没有华生和克里克,生命科学家仍可做出相同的发现,正如没有莎士比亚,同时期的剧作家一样能写出好剧本一样。
但这两者又有着根本不同:那些日积月累形成的引导我们进入当今科学世界的众多发现并未成为20世纪生物学发展的分水岭,而获得这些发现的科学家的大名仅为某些专家所熟悉,而不像华生和克里克的名字那样家喻户晓。
彼特 · 梅达沃在其所撰《双螺旋》的书评中指出:“华生和克里克发现的伟大之处在于其完整性和终极性……假如华生和克里克已经寻求到某种答案,假如这种答案乂是逐渐找到,而不是突如其来的理解,那么,它将成为生物学史上一个新纪元。”事实上,它的确是生物学史上引人瞩目的成就。
[New Scientist,1993年4月24日]