24岁的沃森,为何能够改变世界?
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11 十月 2016
作者  量子猫

每个人似乎都可以问一下自己,23、24岁的时候我在做些什么?那些年龄还小的,也可以估计一下,自己23、24岁的时候会做些什么。

这里介绍一个人23、24岁两年的经历。

从心智的发展来看,他只是一个普通人,普普通通的高智商、优秀、有才华的人,但不是天才,不是像牛顿、爱因斯坦那样的少年天才。那种天才,少年的时候就对世界或人自身的基本问题开始质疑,围绕问题吮吸了哲学和科学充分的营养,把人类的认识推进到了一个全新的台阶。

那种天才是独立特行的世外高人,绝顶高手,功力深厚,他们做什么事情,甚至没有什么人能插上手帮忙。举手抬足,稍有不慎,功力的余威就可能伤及好人。和他们,不用去比较什么,也没有竞争的余地可言。


虽然那种天才也只是一粒生命的普通种子,但是他们遇到了合适的土壤、水分、空气和阳光,自己长成了参天大树,为人类留下了永恒的福荫。那样的天才,即便对于人类漫长的历史,也只是可遇而不可强求的。

这个人不是这样的天才。他和许多中国时下优秀的大学高年级或刚毕业的学生没什么两样。

像几乎所有聪明、才华出众的男生一样,他执着、投入、充满激情,而又自命不凡、爱慕虚荣、甚至懒惰、贪玩。而且,不管是从50年前还是现在人们的观念中,有一点都可能会招人非议,他还是一个花花公子,很多的激情用来追逐漂亮女性,他自己也对此直言不讳!

就是这样一个人,在他23、24岁的两年里,他不安心踏踏实实、按部就班地做自己的实验,从美国跑到丹麦的哥本哈根,然后是英国的剑桥,没人清楚他到底要干些什么,看起来很有些“不务正业”,甚至“偷偷摸摸”,就这样“玩”了两年。当然,也没有人给他发工资,他靠原来在美国的奖学金维持生活。

但这两年的时间,让他的名字,永远地写在了科学的史册中,而且排名很靠前。在我看来,应该是前几名或前十几名吧。除去亚里斯多德、牛顿、爱因斯坦等为数不多的在第一排的几位,那么在第二排中,他处在最显眼的位置。当然,实在要有人让他坐在第一排,他自己可能会心虚,但他作为科学一个历史性的重要里程碑的代表,还是当之无愧的。

他是谁呢?他这两年到底都做了什么惊天动地的事情?了解清楚了,可能也会觉得没有什么,甚至没有玩一场高水平的电子游戏更精彩、刺激。所有的理论都是玩具,伟人、天才都是些贪玩的孩子。他们只是玩了一些比较有意义的游戏而已。仅此而已!

既然我们说的是科学史中为数不多的最重要的一页,那就让我们从科学的历史说起吧。

生物进化出现了感觉器官和神经系统,才能对周围事物的信息进行收集并支配肌体的活动,这种功能在环境因素的影响下仍然不断进化而强大,经过亿万年的积累,出现了可以直立行走并使用工具的人类。对周围事物及其变化的感觉经验的积累,产生了时间、空间的概念。在清醒、睡眠、做梦、谵妄时感觉经验的显著不同,产生了“自我”或“意识”、“灵魂”的概念。

古希腊时期的亚里斯多德和中国春秋战国的诸子百家,关于周围事物、人自身以及事物数量和空间关系(几何)的学说已经逐步建立了起来。但之后中国的研究基本停滞了。

西方在第谷的天体观察数据、开普勒继续的观察和分析的基础上,经过伽利略的实验,到牛顿,已经可以把地上的事物和天地运行的规律通过物理公式来描述,并可以根据某一个时刻的位置信息预测其一段时间之后的位置了。麦克斯韦也把闪电、生物电、地磁场等关于电磁的认识通过一组微分方程统一了起来。

人类的认识进入了严格意义上的科学时代,或者说经典物理学时代。人类的整个工业文明,从电器到汽车,从电话到电视,从爱迪生的通用公司到日本的松下等等,都是在这样一个基础上发展起来的。

爱因斯坦从小对指南针、钟表一类的东东为什么那样动很好奇,学生时候自学了当时集经典物理学、数理逻辑、心理学等科学之大成的康德哲学和几何的很多知识,开始继续对时间、运动的概念刨根问底。

举一个例子,我们现在都知道,闪电和打雷是同时发生的同一个事件,但我们总是先看到闪电、过一会儿才能听到雷声。我们坐在火车、轮船、电梯里,相对于站在地球上的人来说,是运动的,但相对于身边的人,是不动的。所以观察结果严格依赖于我们感受到的信息,而传递信息速度最快的是光。

据此,26岁的时候,爱因斯坦在业余时间建立了狭义相对论,几年以后,在黎曼几何的基础上,推广到系统相对之间处于加速运动的情况,建立了广义相对论,把时间空间表述为质量的分布,而运动正是这样的空间的一种必然特性,定量地回答了为什么牛顿定律可以描述千姿百态的物体的运动。

而电磁场方面,黑体辐射现象给理论带来了灾难,比如白炽灯丝温度越高,发的光越明亮,即发出的光波的能量越高,会无限高下去吗?事实上不可能,但理论上却不能解释。普朗克提出光的量子说,即能量是一份一份的不连续的,经历了爱因斯坦的光电效应、波尔的轨道能级理论,经过几个刚毕业没多久的毛头小伙子海森伯、薛定谔、狄拉克、泡利等等的杰出贡献,量子理论建立了起来,成为对原子、分子运动描述的基本工具。

爱因斯坦更是创造性地提出,相对论描述的引力场和量子理论描述的电磁场,是可以统一在一起的。这样的一种理念,后来发展成了规范场理论,目前物质的几种基本相互作用如弱相互作用和强相互作用与电磁理论已经大致统一在了一起,我们对物质世界有了一个基本上统一的图景。

半导体芯片、激光、超导、原子能等新的高科技产业,我们今天很多人都不能离开的计算机、互联网,便在相对论和量子理论的基础上快速发展了起来。

不同于上面提到的严谨、内敛、具有绅士风度的欧洲科学家,完全美国风格的科学家,富于冒险精神、直率、进取,也是美国本土有史以来最伟大的科学家之一,科学史上为数不多的两次诺贝尔奖获得者之一,化学家鲍林,把量子理论应用到经典化学中,并在通过X射线对225种分子结构的确定的经验之中,创建了结构化学。

在用X射线研究蛋白结构方面,走到了25岁就获诺贝尔奖、创立X射线衍射研究晶体结构技术的大物理学家布拉格领导的英国剑桥大学卡文迪许实验室小组的前面。

有了这样的背景基础,我们要叙述的故事就可以比较容易的进行下去了,那就是关于生命自身内在机制的科学认识的重大突破。

首先还是需要说明一下,对生命认识的一个重大的观念性的突破,首先要归功于达尔文。他出生于富裕之家,父亲要他学神学,将来当牧师,当时是很体面的职业。但他没有兴趣,因为很热爱收集各种动植物标本,后来就免费搭上了一艘海船,开始他的酷“驴”游天下,通过对收集的各个地方不同地质时期的标本的共同特征及其变化的分析、归纳,提出了进化论。所有的物种,不管是人还是猴子,都是从低等生物甚至更早的细菌进化过来了。

但决定进化的力量和机制到底是怎么回事呢?1865年,孟德尔通过观察分析若干代杂交豌豆的种子性状和开花的颜色的变化规律,提出了生物性状信息(如漂亮的眼睛、高高的鼻子、白晰的皮肤等等)由基因携带并在一代又一代之间传递。

摩尔根和助手的试验进一步揭示出,基因在染色体上呈线状排列,并在细胞分裂前复制为两份,平均分配在后代中传递性状信息。基因可能发生突然的永久性的变化,并导致后代性状的变化。如开红花的,可能开白花。

上个世纪二三十年代以后,对生命本质问题研究的接力棒开始传到物理学家手里。如果说起量子理论,波尔的名字不会不被提起。他不仅自己提出了能级和原子轨道理论,对量子理论的建立做出了重要贡献,还支持那些年轻的物理学家。

波尔的父亲是著名的生理学教授,所以他从小就对生命的基本问题感兴趣,并从物理学的角度,发表了“光与生命”的一系列演讲。他的一个学生叫德尔布吕克,在哥本哈根学习量子理论,但在这个领域似乎有点看不到机会了,那时候量子理论已经造就了普朗克、海森伯、薛定谔、爱因斯坦、波尔、波恩、德布罗意、泡利、狄拉克等十数位诺贝尔奖获得者了。

德尔布吕克是一个学生的时候,就对病毒颗粒的快速复制很着迷,他最初的想法很简单,病毒在很短时间就可以通过复制从一个变成几百个,只要改变实验条件,如温度、培养基、光照等,就可以通过可控制的试验,来研究基因复制的机制了。一个实验只需要几个小时,所以顶多几个月,问题就可能被解决。受波尔的影响,德尔布吕克对新的研究领域跃跃欲试。

我们现在看到的历史事实,是德尔布吕克移民到美国后,在加州理工学院,以噬菌体为研究对象,通过用放射性同位素照射后对噬菌体后代的定量的突变分析,来有控制地研究基因的复制和变异的问题,这些研究开创的方法极大地促进了美国生物遗传学的发展。放射性的剂量不同,噬菌体变异(突变)的程度不同,甚至高剂量会全部杀死噬菌体。

两年后,另一个学者卢利亚因战争避难从欧洲来到美国,还有一个学者,圣路易斯华盛顿大学的赫尔希,也加入了这项研究。1938年,德尔布吕克发表了基因突变与复制方面的研究报告。但这时的他还没有什么名气,影响力不是很大。

这时,已很著名的物理学家薛定谔在德国受纳粹迫害,辗转来到爱尔兰的都柏林。薛定谔和德尔布吕克在哥本哈根就是莫逆之交,自然很关心老朋友的研究。薛定谔在德尔布吕克基因突变研究基础上,以量子理论为基础,从物质都是由原子、分子构造的角度,思考了基因的可能构造,并提出了密码子的概念,以此为基础,思考了生命的本质问题。

因薛定谔方程的缘故,薛定谔的名气在科学的圈子里已经是太大的了,那个时代前几位的吧,他以这个主题在各个大学和研究所的演讲大受欢迎,他的演讲和后来编写成的一本薄薄的小册子《生命是什么》,不仅影响了很多大牌物理学家和实验室开始关注生命的基本构造和本质问题,也影响了一代年轻学生,其中就包括我们这篇文章要讲的主人公。

这个时候,1944年,我们的主人公还只是个高智商的孩子,16岁吧,但已经是美国芝加哥大学二年级的学生了。这也不太能说明什么,中国这个年龄进入大学的孩子,一度也很多。我大学时的一个同班同学,就是14岁进的大学。

在我们的主人公出场之前,还有一个重要的背景需要介绍一下。研究生命遗传问题的,除了德尔布吕克小组之外,另一个有重大贡献的是洛克菲勒研究所的艾弗里。

经过多年的研究,也是在1944年,他把正常肺炎菌的DNA提取出来,加入有异常肺炎菌的培养液之中,结果也出现了正常肺炎菌,这证明DNA就是遗传物质。
 
但太出乎意料,因为那时化学家莱文等的研究分析已发现,DNA仅由简单的4种核苷分子、糖和磷酸构成,要承载那么丰富的遗传信息,简直无法想象。

科学家们更能接受的观念,遗传信息可能由二十多种氨基酸组成、结构也更复杂的蛋白质传递。因为很难排除微量蛋白质的污染问题,所以这项至关重要的研究结果,没有被普遍接受。因为是相关主题的研究,德尔布吕克小组1941年就开始关注艾弗里的实验进展了。

现在,是我们的主人公沃森出场的时候了。

和现在的绝大部分学生一样,尽管他也崇拜伟大的科学家如薛定谔、德尔布吕克,也想发现基因的奥秘,但对自己脚下的路,仍然很模糊。

在学校,一度喜欢鸟类学,甚至把将来成为一个博物馆馆长作为自己的人生目标。为了拿到学位,还多读了一年动物学,到19岁大学毕业时,也不是事事如意。申请到哈佛大学、加州理工学院做研究生,也均被拒绝。

后来到了名气不是很大的印第安那大学,这个学校的研究生院院长还给他写了个很不客气的字条,如果他想继续学鸟类学,最好到别的学校去。但这个学校的遗传学还是不错,有名气很大通过X射线研究基因突变刚获诺贝尔奖不久的缪勒,还有到这里任教的德尔布吕克的合作者卢里亚。沃森申请到这里读研究生,基因奥秘的潜意识仍在起作用。他虽然学动物学,却成了卢里亚的学生,通过放射性研究噬菌体突变和复制。

使卢里亚大为赞赏的是,这个平时乱七八糟、衣冠不整、聪明而又古怪的学生,实验却处理得简洁漂亮。3年以后,一个不太复杂的研究项目完成,他博士毕业。

直到这时,还看不到他和“伟大”两个字有任何关系。继续沿着突变和复制的思路下去,不再会有实质性的突破了。解决生命本质问题的思路必须回到物理学那里,也就是薛定谔《生命是什么》一书的伟大启示:必须从基因的原子、分子等基本组成来考虑问题。

他的导师卢里亚,包括因薛定谔的影响力而名气大增的德尔布鲁克,很容易地帮他联系到丹麦的哥本哈根,除继续噬菌体的研究之外,同时把研究范围扩展到核酸(DNA)的化学研究。但由于合作者的一些个人问题,沃森并没有如愿,只是做了一些用放射性跟踪DNA的研究工作。

他在卢里亚那里三年研究噬菌体突变与复制、与艾弗里小组的交流、现在的工作,都使他倾向于认为,基因是DNA而不是蛋白质。这是至关重要的,这使得是沃森而不是其他更有资格和实力的研究者主导了科学这一伟大的进程。

但也只有在决定了下一步的何去何从之后,沃森才终于开始与科学历史上一项最伟大的突破直接联系了起来。

这时的欧洲仍是科学的中心,鲍林对蛋白质结构研究的突破是科学界最兴奋的主题。

作为一个著名导师的博士后,一个聪明、自信、雄心勃勃的年轻人,不关注这些东西是不可能。沃森虽然此时对X射线晶体学一窍不通,但他很容易知道,在欧洲,布拉格领导下的剑桥大学卡文迪许实验室是X射线晶体学研究分子结构的发源地和中心。在德尔布吕克的帮助下,他成了卡文迪许实验室从事血红蛋白结构研究的佩鲁茨(后来因这项研究获诺贝尔奖)的博士后,并认识了同样读过《生命是什么》的克里克。克里克从军队退役后已经31岁了,跟着佩鲁茨在这里读博士。

学术交流也使他知道了只有两小时车程的伦敦国王学院的威尔金斯在做DNA的X射线晶体结构研究,而能拍得最好DNA照片的是威尔金斯实验室的罗瑟琳德·富兰克林。至此,所有的要素都具备了。

但是能把所有这些要素组合在一起变成一个科学的伟大发现,仍然并不是一件容易的事情。详细叙述这个伟大历史过程即使几百页厚度的书也无能为力,我们在这里跳过细节直奔主题。

在沃森、克里克、威尔金斯、富兰克林这四个与DNA结构阐明直接相关的人中间,沃森对晶体结构方面的知识一无所知,但他清楚DNA结构对阐明突变和复制机理的意义,而这将带来对生命的认识的革命性突破。

克里克是学物理出身,对遗传问题和思维问题曾经都有很大的兴趣,在X射线晶体学方面的理论上也不时有一些小突破,但不清除DNA就是遗传物质。沃森使他认识到了这一点后,他的激情立刻就被点燃了。当然,这种激情来自于薛定谔那本小册子,来自于人类对生命自身到底是怎么回事的历史性疑问。

威尔金斯是个典型的英国绅士,大好人,但不是很进取很敏锐的那种个性。

富兰克林是富家大小姐,心高气傲,十足的女权主义者,是当时为数不多的处处敢与男性科学家争锋的大龄未婚女强人。她这样高傲的资本是她很清楚自己的勤奋、严谨和优秀,在英国以至欧洲只有她而不是别的男性科学家可以给出最清晰的X射线照片。

当沃森试探提出与她合作进行DNA结构的研究时,她断然拒绝。在她看来,沃森根本没有与她合作的资格。但因为没有认识到DNA结构的历史性意义,同时也缺乏一些理论分析方面的功底,伦敦国王学院的研究在按部就班的进行着。而沃森和克里克,他们炽烈的热情仿佛已可以熔化冰山。

沃森和克里克名义上的工作是跟佩鲁茨研究蛋白质结构,但他们很快把正事儿扔在了一边,开始了DNA结构解析的尝试。克里克买了鲍林最有影响力的书《化学键的本质》,签了名,送给沃森,给他扫盲。

他们也学着鲍林使用原子、分子模型的方法,让工人制作了磷酸分子、核苷分子、糖分子的塑料模型,雄心勃勃地在铁架台上去组装DNA的结构。这是这个伟大实验室的传统,从卡文迪许的经典物理学扭矩实验,到卢瑟福开始的原子核研究,到布拉格创立X射线晶体结构技术,在历史上最伟大的几代科学家的管理下,这里形成了最鼓励创造性的气氛。你只要有好的主意,不管你资历如何,或者甚至是学生,所有的资源你都可以支配,只要给出好的结果就可以。

1951年底,他们的第一个结构出炉,但在有经验的富兰克林看来是荒唐可笑的,他们失败了。布拉格和佩鲁茨知道了这件事,也警告他们不可以再做DNA结构的研究,因为DNA结构是伦敦国王学院正在进行的项目。

在当时的英国还是很讲究这一点的,布拉格的身份,也使他不能容许下面的人出现科学道德方面的争议,克里克和沃森的工作应该是老老实实地去做蛋白质结构的研究。

但两个年轻人并没有就此罢休,他们从各个方面审视问题所在,同时也在悄悄地寻找机会。

剑桥大学的数学家格里菲斯应他们的要求,对碱基之间相互作用进行了数学计算,表明是不同碱基而不是相同碱基之间相互吸引。这是他们后来设想碱基互补配对原则的基础。

1952年7月,化学家查伽夫访问剑桥大学,他是看到艾弗里工作隐含的重大意义的时候转向对核酸的组成进行化学分析的,他对许多物种的核酸碱基组成和比例做了充分的研究。

沃森和克里克从与查伽夫的交流中了解到,DNA所含四种碱基含量不相等,但嘌呤与嘧啶的比例总是1:1,这也为他们后来根据碱基配对来设想三维模型奠定了坚实的基础。

从美国的鲍林那里,也不断传来消息,他加快了解析DNA结构的步伐。前面的背景介绍说过,因为鲍林,把量子理论引入经典化学,同时也引入原子分子模型来组装结构的分析手段,使加州理工大学的X射线晶体结构研究方法和手段已走在了创立这项技术的剑桥大学的布拉格的前面,并且已经阐明了蛋白质的α-螺旋结构。沃森很清楚,鲍林是这个领域的雄狮,如果鲍林全力以赴的去做DNA结构,他和克里克就不可能会有机会。所以他们必须全力以赴、加快进度!

1952年冬天,鲍林还是先发表了DNA结构。两个年轻人得到消息,所受的打击可想而知!不过看过鲍林的手稿后,他们又看到了一线希望,他们一年多来在这方面的深厚的理论和知识积累以及各种尝试,使他们一眼就看出,鲍林的结构也是错的。但沃森明白,如果有人告诉鲍林他的结构是错的,或者他自己什么时候认识到自己错了,马上就会再做实验纠正。所以他们更加疯狂的工作,必须在一半个月的时间内,必须赶在鲍林在会议上讨论这个结构从而可能使这头雄狮清醒之前,得出他们自己的结构!

1953年2月,沃森访问伦敦大学的威尔金斯小组,看到了弗兰克林新拍的高清晰的DNA晶体照片,是一种含水比较多的新的构型,他们长时间沉迷在这个问题上的经验,使他有了新的结构设想。他立即找到克里克,根据照片资料,重新设计制作模型,计算、安排碱基位置和比例关系。最终,他们搭出了完美的模型,与X射线照片和碱基的化学分析数据都符合,如此简单、如此优美,最为重要的是,这是一种双螺旋碱基互补的结构,恰好揭示了DNA复制的机制。

不管是富兰克林,还是布拉格,所有的人都无话可说。布拉格感到由衷的高兴,不管怎么样,这项历史性的发现是在他领导下的卡文迪许实验室完成的,也是他毕生四十年致力于X射线晶体学研究结出的硕果。

沃森出生于1928年4月6日,这时的沃森,离他25岁生日还有两周时间。

沃森和克里克赶写了一篇只有900多单词的短文,布拉格很主动热情地写了一封推荐信,连同这篇文章一起寄给《自然》杂志。差不多是最快的速度,一个月后,1953年4月25日,他们的发现随着这期Nature杂志,传播到了世界各地的科学家那里。

为什么种瓜得瓜、种豆得豆?生命为什么可以代代相传?生命最神秘的、最基本的问题,终于因这个结构的发现而得以彻底的揭示。科学,可以开始深入到分子水平的基本构造单元,来探索生命的所有活动规律。

随后,也就是五十年来,分子生物学快速发展的历史,就不用多说了。我们看一下这场革命带来的新的科学和商业上的机会。像任何革命都会带来社会形态和人的命运的变化一样,这场革命,让很多人有机会进入了人类文明发展创新的历史,同时,也像开辟了一片充满阳光雨露而又水土肥沃的原野,造就了商业上新一轮的新型技术公司爆炸般诞生和成长的机会。

克里克仍参与了随后从基因到蛋白的中心法则的建立。接着,基因的人工合成和序列分析技术,蛋白质的人工合成(中国首先人工合成胰岛素)和序列分析技术,很快建立,并开发出全自动的仪器,由ABI公司实现了商业化。再以后,酶催化基因扩增技术建立,基因重组的广泛应用,生物芯片技术出现并大规模应用,人和很多模式生物或经济作物的基因组全序列测定完成,称为生物导弹的抗体药物大规模上市,具有优良性状的转基因作物大面积推广,各种疾病的快速准确诊断……

所有的这些重大突破,都是由DNA结构的解析直接衍生的机会,就对人类自身的认识和人类的生存状态来说,这五十年所发生的改变比过去人类所发生的进化积累的历史总和都要多。

历史从来就是写给今天和未来的人看的。历史是一面镜子,在用过去的轨迹折射出未来的道路,不管是对整体社会的发展,还是某个个体的人生。

DNA结构解析引发的人类文明史的一场历史性的革命的历程,尽管是由为数不多的几个个人为主角推动的,但我们知道这是人类认识积累的一种必然结果。

不是沃森和克里克,富兰克林研究小组,或者是鲍林,都有可能在不太久的时间里,把DNA的双螺旋结构解析出来。正像爱因斯坦在评价相对论的发现时讲的,“条件已经很成熟了”。

在完全未知的时候,解析DNA结构并不是一件容易的事情。首先,必须认识到它是遗传信息的载体,承载了人类生命的全部秘密,这是伟大激情的直接来源。
任何个人和这样一种机会联系起来的时候,我想都不会无动于衷,都会激情澎湃。

(本文刊于《新语丝月刊》第180期,原标题《科学史上最锐利的激情》,“腮红”限于篇幅有删节)

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