双螺旋

豌豆杂交提示了遗传因子颗粒，肺炎链球菌和噬菌体的研究证明了DNA就是遗传物质。遗传的秘密是不是就此大白于天下了呢？

并没有。不仅如此，甚至可以讽刺地说，DNA是遗传物质这件事，反而使得遗传的秘密更令人困惑不解了。因为对于遗传性状在世代之间传递这件事来说，最终极的问题不是遗传因子是什么物质——当然找到这种物质，理论上应该能帮我们解决最终的问题——而是遗传因子是怎样记录遗传性状的信息的，比如豌豆表皮应该是黄色的，或者肺炎链球菌的表面必须是光滑的。

打个比方大家会更容易理解这个问题。假设我们手里有一份报纸，是用一种我们不懂的外国语言出版的。我们想知道这份报纸的头条社论在说些什么，光靠分析报纸的大小、密度、纸张的化学元素构成、油墨的配方和印刷方法，是不会有什么决定性作用的。我们真正需要的是解读这种陌生语言的词典，只有它能够帮助我们理解文章里每个单词、每句话的含义。

确定了DNA就是遗传物质，就像我们手上终于拿到了这份报纸。但是对“黄色豌豆”“光滑型细菌”这样的信息是如何写在DNA上的，我们仍然一无所知。更要命的是，在当时人们的视野里，DNA可能是最不适合用来做信息载体的物质了！

为什么呢？当时人们已经知道，DNA分子由四种较为简单的脱氧核糖核苷酸分子组成（见图1-19）。这四种分子上分别带有一个名为碱基的标签，因此，人们很多时候干脆就用这四种标签的名字来指代它们（见图1-20）：分别是腺嘌呤（Adenine, A）、胸腺嘧啶（Thymine, T）、鸟嘌呤（Guanine, G）和胞嘧啶（Cytosine, C）。纯净的DNA分子之所以会呈现细长的纤维形态，正是因为这四种核苷酸分子首尾相连形成了超长链条，就像一个个金属圈嵌套形成的铁链。当时甚至有一种（尽管未经证实）观点认为，就连四种金属圈嵌套的先后顺序都是完全一样的，这样的一根铁链不管延伸多长、套多少个金属圈，能携带的信息量都少得可怜，更别说记录像豌豆表皮颜色和细菌表面形态这么具体的信息了。

在这里顺便插句话，为什么埃弗里的DNA提纯实验自1944年发表之后，很长时间里都没有被同行接受？我们说过，同行们质疑的首要原因是技术性的：埃弗里没有能力保证DNA样品绝对没有受蛋白质杂质的污染，也许就是那一点点蛋白质才是遗传信息的载体呢！但是在内心深处，大家很可能在感情上和逻辑上压根就难以接受DNA是遗传物质这个声明，因为这样会马上把遗传学家置于非常尴尬的境地——他们实在是无法想象如此单调的DNA长链，怎么可能是用来记载和传递复杂的遗传信息的。

不过，1952年赫尔希和蔡斯的噬菌体实验逼得遗传学家们不得不正视房子里的大象了。好了，DNA就是遗传物质，被大象逼到墙角的遗传学家们需要马上想出办法，解释遗传信息是怎么写在这根无聊的DNA长链里的。

伟大的夏洛克・福尔摩斯曾说过，当你已经排除了其他所有的可能性，不管看起来有多么不可能，剩下的那个就必须是真相（语出柯南・道尔的《斑点带子案》）。仅仅一年以后，1953年，DNA双螺旋模型横空出世。遗传信息的记录和传递方式从此大白于天下。四位科学家，詹姆斯・沃森（James D.Watson） 、弗朗西斯・克里克（Francis Crick）、莫里斯・威尔金斯（Maurice Wilkins）和罗莎琳德・富兰克林（Rosalind Franklin）也因此名扬四海（见图1-21）。

今天，作为象征人类最高智慧的代表作品，大大小小的DNA双螺旋模型矗立在地球上的各个学校、科技馆和公园。读者们应该也或多或少了解一些那段激动人心的科学历史。但是不知道大家有没有想过，为什么DNA双螺旋会被认为是现代生物学的开端？故事看到现在我们已经明白，在1953年时，通过埃弗里实验和赫尔希-蔡斯实验，我们已经确信DNA就是遗传物质。那么它究竟是一条长链还是两条，是优美的螺旋形还是一团乱麻，有那么重要吗？

有，还真就是这么重要（请原谅我的故弄玄虚）。围绕DNA双螺旋的发现，生物学历史上的英雄人物们悉数登场。在继相对论和量子力学刷新了人类的时空观和物质观之后，璀璨群星再一次照亮了人类世界最隐秘的角落。

在故事的一开始，被大象逼到墙角的生物学家们不得不首先抛弃原来那个很有说服力、但从未得到证实的理论。他们不得不先假定，构成DNA链条的四种碱基分子可能并不是以一种固定不变的排列顺序串联起来的。因为只有这样，DNA长链上才可能出现五花八门的碱基排列顺序，而这些序列本身是可以携带遗传信息的。

这一点不难理解。比如，如果构成DNA的四种碱基分子，每一种都能决定一种遗传性状，比如A代表“黄豌豆”，T代表“褶皱豌豆”，C代表“紫色豌豆花”，G代表“高茎豌豆”，那么它们携带的信息无疑是特别有限的——就连孟德尔曾经研究过的区区七种性状都代表不完。但如果两个碱基组合可以用来编码一种信息，那信息量一下子就从4种增加到了4 ² 种（AA、AT、AG、AC、CA、CT、CG、CC、TA、TT、TG、TC、GA、GT、GG、GC）。那么三个碱基的组合呢（那就是4 ³ 种）？四个碱基的组合呢（那就是4 ⁴ 种）？一万个碱基的组合呢（那就是4 ¹⁰⁰⁰⁰ 种）？不管实际情况如何，这么想来，DNA携带和传递遗传信息的能力至少在理论上是没有问题了。

那么实际情况如何呢？DNA双螺旋又能如何帮助我们理解遗传呢？晶体学家威尔金斯和富兰克林获得了DNA晶体的X射线衍射图谱（见图1-22）。根据这种射线穿透DNA晶体后在胶片上留下的黑色印记，沃森和克里克用硬纸板和铁丝手工制作搭建出了相互缠绕的DNA双螺旋模型（见图1-23）。更重要的是，他们敏锐地借鉴了生物化学家埃尔文・查加夫（Erwin Chargaff）的发现，意识到两条缠绕在一起的DNA长链应该遵循着非常朴素的配对规则。一条链上的A碱基总是需要和另一条链上的T碱基配对，而C碱基则一定要和G碱基配对，它们就像中式衬衫的纽扣结一样结合在一起，构成了稳定的双螺旋结构。而这一点也就意味着，从任意一条DNA长链的碱基序列出发（如A-T-C-C-G-C），可以完美预测出双螺旋中另一条DNA长链的碱基序列（G-C-G-G-A-T，两条链是以相反的顺序配对的）——两条链所携带的信息是完全等同的。

既然如此，遗传信息的代际传递至少从逻辑上就变得非常简单了。当一个小小的肺炎链球菌需要一分为二，产生两个体型较小的后代时，它的DNA双螺旋只需要从中分开，公平地为两个后代各自分配一条单链就可以了。当然了，后代的这条单链DNA总还是要变成双螺旋形状，才好继续下一次分裂和繁衍后代的过程（见图1-24）。这个过程并不难理解，只需要想象有一个微小的分子机器，能够根据这条单链的碱基序列（如A-T-C-C-G-C）和朴素的配对规则（A和T, C和G）工作，新的G-C-G-G-A-T链就能形成，DNA双螺旋也就可以重新产生了。这个过程不涉及任何新信息的输入，图纸已经就绪，搬砖砌瓦的工作虽然烦琐，但还在生物学家可以理解的范围内。

几乎是在一瞬间，人们就已经相信这就是遗传信息的传递法则。这套模型简直太简洁、太优美了！

有位科学家是这样评价科学发现和科学家同行的：看到一个科学发现，科学家们的反应一般只有两种，一种是“这有什么了不起”，另一种则是“我为什么没想到”。DNA双螺旋在科学界引发的反应毫无疑问是后者。作为公认的DNA双螺旋模型的创立者，詹姆斯・沃森和弗朗西斯・克里克在1953年发表的论文其实非常简短，简短到没有任何实际的实验数据，仅仅展示了一个他们猜测的DNA呈双螺旋缠绕的模型。DNA双螺旋的意义是如此简洁和清晰，在看到这篇论文的时候，世界上一定有数不清的聪明脑袋在懊悔地大喊：“我为什么没想到！”很快，这个优美的模型也获得了实实在在的证据支撑。

证据来自1958年，距沃森和克里克发表他们的双螺旋模型之后仅仅五年。马修・梅塞尔森（Matthew Meselson）和富兰克林・斯塔尔（Franklin Stahl）证明了双螺旋模型所揭示的DNA复制过程。在很多人眼里，梅塞尔森-斯塔尔实验可能是整个生物学历史上最漂亮的实验了。因此，在我们的故事里，它也理应获得一席之地。

让我们回头再审视一下双螺旋模型，看看它所提示的DNA自我复制和遗传信息传递的过程。两条相互缠绕的DNA长链首先解离螺旋，鉴于两者都忠实遵循着A-T和G-C的碱基配对规则，所以，它们所携带的信息是完全等同的。这样一来，只要存在某种分子机器，能够为分解开的两条单链再次匹配相应的碱基，就能够实现从一个DNA双螺旋到完全相同的两个DNA双螺旋的复制变化。在这种变化中，原本的两条DNA链被平均分配到两个后代中，两条新生的DNA链随之加入它们。因此，在后代的DNA双螺旋中，一半DNA保留自上一代，另一半则产生于子代自身。沃森把这种过程形象地称为“半保留”复制。

可是我们怎么证明这一点呢？DNA为什么必须要采用这种半新半旧的复制方式？我们同样也可以想象一种分子机器，能够根据DNA双螺旋的碱基顺序，直接制造出一个新的、完全一样的双螺旋来。甚至，为什么DNA一定要整条长链同时参与复制？难道不能首先把它断成一截一截再进行复制，之后再拼装起来吗？

你们可能已经看出来了，区分这三种可能性的核心在于，子代的DNA里面有多少成分是来自上一代。半保留模型预测，子代的DNA恰好有一半来自上一代，不多不少；全复制模型则预测子代的DNA全部是新生的，没有一点上一代的痕迹（尽管它们携带的信息是完全一致的）；而在“碎片化复制”模型里，子代和上一代的DNA由于频繁的断裂和拼接已经水乳交融，根本区分不开了。那么，想要通过实验验证DNA复制和遗传信息传递的法则，核心当然就是如何才能知道DNA分子是来自上一代还是由子代新生的呢？

借鉴了赫尔希-蔡斯实验的巧妙设计，梅塞尔森和斯塔尔也同样想到了用同位素标记DNA的方法，只不过他们这次利用的不是放射性，而是同位素原子之间的重量差异。他们首先把细菌在含有氮-15同位素的培养基上持续培养。我们已经知道，DNA分子中含有氮原子，因此，在经过许多代培养后，我们有理由相信细菌DNA分子的全部氮原子都已经被替换成了较为不常见的氮-15。在此之后，他们再把细菌转移到含有在自然界中常见的氮-14同位素的培养基上。从这个时间点开始，DNA复制将只能使用氮-14同位素。换句话说，任何新生的DNA分子和原本存在的DNA分子因为利用了不同的氮同位素，将会在密度上带有细微的差别。这些细微的差别就可以告诉我们，细菌子代的DNA到底从何而来。

在不同的时间点上，梅塞尔森和斯塔尔从一部分细菌中提取DNA分子，然后利用超高速离心的方法判断它们的密度。他们收获的第一代细菌DNA分子的密度，已经偏离了上一代DNA分子的密度，而且其密度恰好介于纯的氮-15DNA和氮-14DNA之间。随着分裂次数的增加，细菌DNA分子的密度继续降低，越来越多地出现在了氮-14DNA的密度区间。对这个结果唯一的解释就是半保留复制模型——每一次的分裂繁衍中，子代细菌获得的都是由一条上一代DNA和一条新生DNA缠绕而成的双螺旋链（见图1-25）！

就这样，在百年间，孟德尔实验、埃弗里实验、赫尔希-蔡斯实验、DNA双螺旋以及梅塞尔森-斯塔尔实验，分别从几个方向上共同完成了对遗传因子的解密过程。最终在猎人的捕兽网中剩下的，就是长得像一条长纤维的DNA双螺旋分子。DNA长链上紧密排列的碱基，用某种晦涩难懂的语言记录着生命的蓝图。在每一次生命的繁衍过程中，两条DNA长链都会解离螺旋构型各自为营，遗传信息就是这样代代相传、永不湮灭的。

从此，花朵像蝴蝶翅膀一样漂亮的豌豆、危险致命的肺炎链球菌、需要动用最强大的电子显微镜才得以一窥真容的噬菌体、每过20分钟就能一分为二繁衍生息的大肠杆菌，把它们的形象留在了一代代学生的生物学课本上。经过科学家上百年的孜孜求索，地球生物世代遗传的奥秘，从一类模糊的日常观察、一段神秘的哲学理论，变成了一种具体的化学物质、一个精妙的生物繁衍过程。这种物质从化学组成上说可谓是平淡无奇——氢、氧、碳、氮、磷，都是这个星球上最常见的化学元素，但在亿万年流淌的地球生命河道里，DNA就是源源不断的水流。它就像很多家族世代珍藏的族谱，将先辈们的特征和记忆代代流传，成就了子子孙孙与生俱来的骄傲和荣光。 +PIvlABMZhk2FDx7+MHo3u6mgusUYRQtHt+yh+dFdMdh2tnAzh3K2hBIidurPELE