生命的本质,如何被发现?
媒体几乎天天有关于DNA神奇功效的报道,就连农村老婆婆赶上儿女亲翁对簿公堂,也学会了运用DNA亲子鉴定来讨回公道或验证一身清白。但是DNA当初是如何被发现的?其间又经历过哪些曲折?我们从中能获取到哪些可借鉴的启示呢?
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这些人有不同的文化传统、不同的专业背景,所以,他们显现出了各具特色的研究风格、学养乃至行事之道,既有成功的经验,也有失败的教训。
DNA是如何发现的?其间经历过哪些曲折?我们从中能获取到哪些可借鉴的启示呢?
翻开生命核心信息之书
人们常常发出似有哲思的感慨:世间万物皆如何如何,而往往忽略了其实世间万物即非寻常又不简单。从地球向太空望去,各个星球全都一片荒芜,最多也只有元素周期表上百余种元素的极简单的组合。当天文学家们在火星上偶然探测到一小股10亿分之21的“高浓度”的甲烷,就让整个学界为之一振的时候,生物学的研究者们就有些幸福的尴尬了,因为数以万计的物种,数以亿计的细胞类型,不可胜数的生物大分子以及生物代谢物并非在数亿光年之外,而生物学家并不敢说对自己的研究对象比天文物理学家更清楚。
没错,地球上因有生命而有无穷无尽的万物,而生命的核心,几乎都是一种从化学上说比较简单的脱氧核糖核酸(Deoxyribo Nucleic Acid),也就是DNA。DNA用四种碱基排列成不同的编码序列,每种碱基只不过因几个氢碳氧氮原子的组成相异而略有不同,却造就了无比复杂的生物圈,所以,发现DNA的意义之重大——我们必须实事求是地说—是无可复加的!
相比牛顿和爱因斯坦的逸闻和理论几乎家喻户晓,DNA发现历程中的人物故事和科学思想就不是那么众所周知了。甚至我作为一名生命科学的研究者,如果让我说出一些科学家的名字,也是想起物理学家多一些。因为生物学上纷繁复杂的内在关系,不像砸在头上的苹果那么直观,也不能描述成尺缩钟慢那么简洁,于是这里有了一本中国学者写作的关于DNA发现历程的书。
从孟德尔先生的豌豆,到摩根先生的果蝇;从核素的化学提炼,到物理学家对基因的估算;从DNA遗传物质的确认,到量子思维对生命的思考;进而到反向双链螺旋结构的发现以及生命中心法则的提出:这本书描述了DNA被猜测,被发现,被重视,被认识的过程。
常说读史使人明志,读科学史同样使人更能把握科学的走向。在很长一段时期,生物学以形态观察和区分物种为目的,发展十分缓慢。书中虽然没有提到,但是我作为读者可以领悟到,DNA发现的诸多关键过程相当依赖于精确的定量研究。
孟德尔豌豆实验的成功在于他发现各个类型子代的数量,符合亲代特征的数学乘式。德尔布吕克将噬菌体引入到DNA的研究,最初的根源是他对DNA大小的计算(虽然并不准确)。沃森和克里克认识到查伽夫发现的嘌呤碱基和嘧啶碱基保持1:1的数值意义,从而很快产生了碱基对互补的猜想,而他们对DNA晶体结构的解析本身就是数学计算。20种氨基酸和4种碱基的配合使用三联密码子,虽然最终需经实验证实,但是数量的准确确实使猜想更容易形成,最终归纳出了DNA-RNA-蛋白质相互关系的中心法则。
目前,分子生物学领域经过30多年来定性和半定量的反复积累,终于迎来了以测定蛋白序列和核酸序列为基础的精确定量的大数据时代。生物学中的核酸序列数据成为当今数据时代三大数据来源之一(另两个分别是天文学的光谱电磁信号数据,以及人们的社交生活行为数据),可以预见分子生物学正在迎来一个快速发展的时期。
本书中物理学家对DNA的发现占了相当的篇幅,除了德尔布吕克的噬菌体研究,还有爱因斯坦对生物实验的兴趣,以及最重要的薛定谔的《生命是什么?》一书。大名鼎鼎的薛定谔或许激励了很多其他领域的学者在20世纪中期进入生物化学与分子生物学领域,其中就有可能包括后来DNA双螺旋结构的发现者,本是物理学家的克里克。
用量子理论的视角看待基因问题,似乎并不科学,因为二者应用的层面完全不同,或许只是量子论弱势之时广泛寻求论据支持的行为。但是从哲学观点出发,把包含全部DNA的基因组看做一份份不连续的信息,或者把一个基因内的不同区域看做一份份不连续的信息,确实相当给人以启发,因为每份信息都是重要的,这样能更好的理解小小的基因突变引起表型剧烈变化。
这本书在脉络上遵循着历史的发展轨迹,可读性强;而在深度上其实是可以看作分子生物学导论的,但并非难懂,以我对大学新生的了解,现在高中的生物学课程已经相当深入于分子机制,所以它的受众可以推广到几乎所有的年轻人。
书中对科学研究方法、经验教训的总结和思考,很有助于加强对实验科学的理解,以及对科学研究这一职业的理解。煌煌的科学理论背后,是极大量的用血汗垒筑的实验数据,读此书或许可以使读者理解享用科研成果和以科研为职业的区别,如同看电影与当演员的区别一样,精彩的背后必是艰辛的付出和激烈的竞争。顺便多类比一句,大科学家和大明星一样稀少,而默默无闻的研究者们大约和群众演员相仿。
对于非生物学背景的读者,读此书或可以了解一些生物学思维方法,必有益处,因为我自己也常常借鉴它学科的视角来揣摩自己领域的问题。这本书的作者似乎长期从事了科技情报工作,他对DNA发现过程中各个科学家成功与失败经验进行了独到的讨论,尤其是对科技论文的发表与科研成果被学界认可的关系方面,见解颇深,开卷有益。
或许是出于避免太过艰深的考虑,这本书对于很多实验的设计和解读并没有深入展开。当然,这可能是我作为专业读者的苛求了。一本好的科学史或者科普读物,还是应该有好的却不难懂的科学论述。不过如同霍金在《时间简史》里提到的,每多一个公式就少一半的读者,要取得平衡着实不易。
不可否认,科学史的著作往往是欧美的作者们写得更丰富一些。写作科学史需要的原始文献资料年代久远,存量稀少,在国内尤其不易获得,而且还不见得是我们多数人相对熟悉的英文,一个中国作者要跨越文化和时代的差异来体会一个世纪前外国科学家的思维形成过程,是相当困难的。这其实是这些重要科学发现与我国关系甚少的一个不良后果,我们必须努力让这样的遗憾永远成为历史。
值得注意的是,对于DNA的发现和认识还远远没有完结,仅以人类基因组而言,还有大量的问题知之甚少,比如基因组中大量存在的非编码序列的生物学功能的问题,DNA碱基和DNA结合蛋白的修饰问题,还远未明晰。更不要说每个物种的基因组都是独特的,要解析所有物种的DNA信息真是遥遥无期。
在DNA被发现之前,生物学乃至人类社会最重要的理论之一,进化论已经被达尔文提出,而DNA的发现为之提供了最为坚实的论据。在DNA双螺旋结构发现之前,迄今为止医学上最重要的贡献,疫苗与抗生素已经被发明发现,但是后来基于DNA技术的生物工程将这两者对人类的贡献发挥到了最大。现在DNA在考古、分类、环境保护、法医鉴定,研究民族变迁等方方面面都起着重大作用。将来,个人健康的一切方面,包括癌症,衰老相关疾病等一系列病症的征服,必定依赖对DNA更深入的了解。我们怎么能不了解《DNA是如何发现的》呢?
我们为什么要读科学史
在博大精深的科学论说史这类历史遗产面前,学以致用、引以为鉴,只是研读科学史的一个方面,而不是全部意义。一个真正的科学史研究者不仅要鉴史,还要鉴人、鉴事、鉴细节。 《DNA是如何发现的?一幅生命本质的探索路线图》
赛先生
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