生命编码背后的故事（十七）
德尔布吕克（Max Delbruck）与量子力学不期而遇时还只是一位19岁的大学生。那个1926年的春天，海森堡来到他所在的柏林大学讲学。德尔布吕克一窍不通，但看到前排就座的爱因斯坦很是兴致勃勃。他隐约意识到那个比他只大五岁的海森堡正在创造历史。
德尔布吕克出身于柏林的显赫家庭。他父亲是柏林大学的历史教授，曾经担任过国会议员和普鲁士王子的私人教师。母亲的爷爷是大名鼎鼎的李比希，现代化学创始人之一。德尔布吕克自己的梦想是成为天文学家，探索星星发光的秘密。他因而需要修习物理课程。当转学到哥廷根时，物理系的玻恩教授身边那群意气风发的青年吸引了他的注意。他们正热火朝天地进行量子力学计算，即使夜晚在酒吧暴饮狂欢时高谈阔论的也还是量子物理。德尔布吕克按捺不住地加入这个行列。自己摸索着发表一篇小论文后，他留在哥廷根继续攻读物理博士学位。
不凑巧，玻恩那时正因在学术上失去自信和家庭问题陷入中年危机，濒临精神崩溃。刚来到哥廷根担任助手的海特勒承担起玻恩的大部分职责，也成为德尔布吕克的实际导师。海特勒安排德尔布吕克运用他和伦敦求解氢分子的方法计算两颗锂原子之间的化学键。在照猫画虎的冗长繁复数学推导后，德尔布吕克没能得出有意义的成果，但至少收获了博士学位。之后，他踏上游学旅途，在1931年来到哥本哈根的玻尔研究所。
45岁的玻尔正如日中天。在刚刚过去的1920年代后期，量子力学经历过一场剧烈的生长痛。1926年7月，刚刚被泡利一句“没意思”惊醒的鲍林在慕尼黑亲眼目睹海森堡当面挑战来讲学的薛定谔。而更引人注目的思想冲突发生于玻尔和爱因斯坦之间。他们在1927和1930年两届索尔维会议上唇枪舌剑，展开激烈而友好的辩论。在海森堡、泡利等年轻一代辅佐下，玻尔大获全胜，一举成为当之无愧的量子力学旗手。1他的法宝是自己发明的“互补原理”（complementarity）。
量子的概念起始于普朗克在1900年提出的能量不连续可分。爱因斯坦随后在1905年运用这个概念解释光电效应，指出作为波动的光也具备粒子性，即有光子2的存在。20年后，作为“基本粒子”的电子也被证实具有波动性，正如薛定谔方程描述的电子云。光子和电子都具备所谓的“波粒二象性”（wave-particle duality），既是波又是粒子。海森堡的不确定原理更是火上浇油，令物理学家无所适从。量子物理始作俑者、在广义相对论成功后已经成为学界泰斗的爱因斯坦因而认为这样的量子力学有着致命缺陷，尚未完成。
玻尔的看法恰恰相反。他认为量子力学已经完整地描述微观的物理世界。人类必须同时运用波动和粒子的角度看待光子和电子，“互补”地获取整体图像。虽然没有人真正理解他这个对立统一的哲学观念，量子力学在实际应用上的成功已经证明其价值。在拥戴玻尔的同时，年轻一代物理学家可以心无旁骛地进行具体计算，解决实际问题。玻尔所在的哥本哈根因而也在1930年代到来之际成为量子力学圣地中的圣地。
德尔布吕克在家里是最小的孩子，上面有两个哥哥和四个姐姐。父亲在他出生时已经58岁高龄，又在他获得博士学位那年去世。在哥本哈根后，德尔布吕克发现比他年长20岁的玻尔既是比玻恩更为投入的导师，也如同一位更容易亲近的慈父。而玻尔对这位学术上表现平平，但思想活跃、言语直率并时常顶撞的小青年也心有戚戚。在玻尔研究所的半年里，德尔布吕克没有做出科学发现，却找到了一个家。在那之后，他只要有机会就回来看看。
1932年4月，玻尔研究所举行年度大庆。对诗歌、文学也颇有造诣的德尔布吕克借那年纪念德国大诗人歌德（Johann von Goethe）逝世100年之机改写他脍炙人口的戏剧《浮士德》3，将玻尔、爱因斯坦等一众物理学家编排成戏中角色由年轻学生扮演、调侃。这幕物理版的《浮士德》大受欢迎，青4。
四个月后的8月15日，德尔布吕克坐了一夜火车再次“回家”探望。他意外地看到玻尔的助手前来接站，要他立即赶往丹麦国家议会。那里正召开一个光在理疗中作用的国际会议，玻尔将发表主题演讲。作为丹麦最著名人物，玻尔经常有这样的社会活动，也乐此不疲。他已经认定由量子力学而来的互补原理是理解心理学、生理学、生命乃至人类社会的普适工具，是20世纪哲学和方法论的重大突破。只要有机会，他都会向物理学界之外的普罗大众宣讲。
这一次，玻尔的题目是《光与生命》5。他特意差遣助手将德尔布吕克接至会场，希望这位不羁的德国青年不至于错过演讲。
玻尔的父亲在世时是丹麦著名的生理学教授，曾两次被提名诺贝尔生理学或医学奖。他一生的追求是试图理解“介于有机生命和无机自然的边缘”。玻尔从小耳濡目染，也关注于生命和物理的边缘。互补原理正是他梦寐以求的工具。生物体由无以计数的原子、分子组成，它们遵从的是机械的物理定律。但作为整体的生物却有着自主的意识和目的性，无法用现有的物理定律描述、预测。玻尔认为那来自生命独有的、超越自然规律的“活力”。在物理学中，如果只持波动观念或只采用粒子观念都无法描述、理解光的行为，必须同时兼顾二者的对立统一。生命也是如此。只有“互补”地兼顾客观的物理、化学规律和超自然的活力，才能窥见生命之奥妙。
在庄重豪华的议会大厅里，德尔布吕克和丹麦王储、总理及满堂高座一起看着玻尔的身影在主席台的帷幕之后四处摸索，找不到出场的缝隙。好不容易露了面，玻尔站在讲台后面又无意中触碰了一个开关。伴随着他讲演的开始，讲台冉冉升高，直到完全遮住他高大的身躯。看着台上手足无措狼狈不堪的一代宗师，原本就对量子力学、互补原理茫然不知所云的听众哄笑不已，不再有心思聆听他的话语。
不负玻尔的期望，德尔布吕克很可能是那场演讲的唯一听众。
德尔布吕克也大为惊讶。与玻尔众多的弟子一样，他早已习惯导师语义不清的词句。已经演变成睿智哲人的玻尔擅长模棱两可的论断，既难以理解又不可能严格地证实或证否，正如他的互补原理。但在丹麦议会厅里，德尔布吕克听到玻尔阐述一个清晰的观点：生命现象中有着超越物理、化学自然规律的成分，需要来自“活力”的“互补”才能理解。年轻的德尔布吕克无法判断其对错，但直觉这是一个值得深入研究的课题。
那时的德尔布吕克也正面临个人的抉择。在先后师从玻恩、玻尔、泡利之后，他在物理专业中依然一事无成。与鲍林相似，他在量子力学的师生群体中自惭形秽，尤其觉得无力对付那越来越棘手的数学。玻尔的演讲启发了一条新思路：生命领域大概不会需要过于深奥的数学。
三思之后，德尔布吕克放弃去苏黎士担任泡利助手的机会，选择回老家柏林。他在那里可以陪伴自己寡居的老母亲，同时在物理学家迈特纳（Lise Meitner）的实验室里协助理论研究。但他醉翁之意不在酒。柏林是德国科学文化的中心。那里人才济济，他能有更多机会接触到生物学。
在那个量子力学成就辉煌的火红年代，玻尔也不是将目光投向生命科学的唯一物理学家。正如狄拉克所言，“化学的全部”已经能够通过物理定律理解。生物学是理所当然的下一个目标。
还在玻尔讲演《光与生命》的半年前，已经成为柏林大学教授的薛定谔在普鲁士科学院发表一场题为《为什么原子那么小？》6的演讲。
薛定谔承认他这个题目是故意耸人听闻，因为原子的大小本身没有意义。他的着眼点在于与生命体相比，原子是非常非常地小。且不论人体或其它常见的动植物，即使是肉眼看不见的细菌、细胞或病毒都有着百万亿颗的原子。生命现象似乎只会在那么复杂的细胞中才能出现。原子非常非常地小，才能有那么多的原子挤进同一个细胞。但真正的问题在于，生命体为什么要有那么多的原子？生命为什么需要那么多原子的共同参与？
作为物理学家的薛定谔认为这很值得探究。但他也只能提供一个极为粗浅的猜想。在经典物理中，单个原子、分子的运动相当随机。就像布朗在花粉中观察到的布朗运动，个体的行为毫无规律可循。只有在长时间或大样本的条件下，运动才会表现出确定的统计规律。爱因斯坦正是在布朗运动的统计分析中找出这样的规律，由佩兰的实验证实。
生命显然不是随机现象。即使作为最简单生命体的细胞也必须在分裂、繁殖过程中保持稳定，将生命的信息和指令完整、精确地传递给下一代。如果细胞中只有寥寥无几的原子，它们的状态由那些原子各自的随机运动主宰。这样的细胞分裂时，后代的细胞与前辈相比会面目全非，只是随机产物。因此，薛定谔觉得细胞中需要有着巨大数目的原子，才能克服个体的随机噪音，经历百亿次分裂始终保持如一的状态。于是，原子只能那么地小。
薛定谔的细胞虽然庞大而复杂，却仍然是物理的实在，不需要另外的生命活力。在那场量子力学大辩论之后，薛定谔与爱因斯坦一起沦为物理学界的少数派。他也不认可旗手玻尔的互补原理。
德尔布吕克回到柏林时，已经在那里的穆勒正紧锣密鼓地计划逃离德国。
穆勒没有跟随摩尔根和斯图尔特文、布里奇斯一起去加州理工学院。他与导师和师兄弟的关系每况愈下，已经无可挽回。更糟糕的是，他在美国也越来越没有立足之地。还在大学期间，穆勒迷上了年轻学生中流行的社会主义思潮，积极参与左倾激进的团体和活动，引来联邦调查局的注意。他不堪压力，在1932年底远赴欧洲另谋出路。在柏林的苏联生物学家梯莫菲也夫（Nikolay Timofeev-Ressovsky）收留了他。他们一起继续X射线导致果蝇突变的实验。
还在美国时，穆勒已经认识到X射线犹如毒药，超过一定剂量就会杀死果蝇。小剂量X射线照射后的果蝇不会死亡，它们的后代却会发育出各种令人不寒而栗的变异。穆勒和梯莫菲也夫在柏林进一步研究X射线的波长、剂量与果蝇发生突变之间的关系。他们惊奇地发现这时候剂量却并不重要。果蝇的变异更取决于X射线聚焦的区域，似乎是击中果蝇的某个靶位就能导致突变。这在生物学中没有现成的解释，却与爱因斯坦解释的光电效应有点相像。7穆勒听说过把X射线当作光子看待的量子力学，直觉可能有关系。他专程前往哥本哈根拜访玻尔。但在听了一番互补原理之后，穆勒非常失望。他没想到这位国际知名的大教授还在坚持着生物学界已经摈弃的“活力”，对他的实际问题毫无帮助。
那时的欧洲正处于剧变前夜，有犹太血统的穆勒在德国也感受到威胁。他再一次未雨绸缪，将全部家当和实验仪器打包托运，投奔社会主义的大本营苏联。
德尔布吕克因而与穆勒失之交臂。他回到柏林后很快与大他六岁的梯莫菲也夫结为好友。模仿玻尔的风格，德尔布吕克召集起一群物理、生物和医学专业的年轻人轮流在他与母亲同住的郊区豪宅和梯莫菲也夫在市中心的公寓中聚会。他们经常连续神侃、辩论十几小时，即使吃饭也不间断。在为迈特纳完成数篇物理论文的同时，德尔布吕克的注意力越来越转向他日渐熟悉的生物学，尤其是穆勒和梯莫菲也夫的实验。
他们的思想交锋也很快有了切实的成就。1935年，德尔布吕克、梯莫菲也夫和另一位更年轻的医生齐默尔（Karl Zimmer）一同发表论文，标题颇为引人注目：《基因突变和基因结构的本质》8。因为他们寄发的论文单印本带着绿色封面，这篇论文后来被昵称为“三人论文”或“绿皮书”。
从孟德尔到摩尔根，大量的实验结果已经让生物学界确信遗传基因的存在。基因隐藏在细胞核内的染色体之中，携带着生命活动所需的全部信息和指令。但除了这个抽象的描述，基因依然神秘莫测。生物学家对基因如何存在，如何被复制，如何发生变异一无所知。物理大师玻尔和薛定谔也只能从哲学、统计的角度泛泛而论。这三位初生牛犊却直接挑战基因的本质，旗帜鲜明地表明他们要为基因的结构和突变建立起能够经受实验检验的物理模型。
按照署名的顺序，三位作者梯莫菲也夫、齐默尔和德尔布吕克各有专长，分别为生物学家、医生和物理学家。在合作论文的开头和结尾之外，他们各自执笔撰写其中一章。德尔布吕克负责的第三章最为提纲挈领，并由他赋以“基因突变的原子物理模型”醒目标题。针对穆勒和梯莫菲也夫的实验，物理出身的德尔布吕克估算X射线在果蝇身上聚焦的部位非常之小，大约只是一纳米见方的立方体范围。这个尺度远远小于生命的细胞，只能容纳一字排开的十颗10个原子。X射线的照射因而不可能影响整个细胞的运作，只能改变其中个别原子的状态。这却永久性地改变了果蝇的基因，说明基因所携带的信息储存于原子的状态中。当X射线改变某个原子的状态时，它改写了果蝇的基因。
因为基因能在细胞分裂和代代遗传中保持恒定，作为信息载体的原子状态应该相当稳定，不至于随便被破坏、改变。德尔布吕克因而推测那些原子是在强有力的化学键约束下组成极为稳定的大分子。只有能量非常高的X射线光子才能冲破其化学键的束缚，改变原子状态而造成基因的突变。
这便是“基因突变的原子物理模型”。他们在论文中总结道，“我们将基因看作由原子装配而成，其中突变可以通过原子的重新排列或者化学键的破裂而发生。”9作为生命的密码和指令，基因是物理的实在，是由原子组成的大分子。与化学家熟悉的各种有机、无机分子一样，作为基因的分子完全可以用物理的方法分析研究。
论文完成后，德尔布吕克在给玻尔写信通报时不无歉意地解释：这篇论文完全没有提及互补原理。恰恰相反，他们的发现是能够建立一个完整描述分子稳定性和突变的原子物理理论。这样，物理学足以解释生命现象，不需要另外的“活力”或“互补”。
因为果蝇实验和染色体在遗传过程中关键角色的发现，摩尔根在1933年赢得他名至实归的诺贝尔生理学或医学奖。那是加州理工学院收获的第二个诺贝尔奖。在1934年6月发表的获奖演说中，摩尔根对基因研究的进展并不满意。他认为基因还只是一个“知识性”的贡献，在医学中不具实用价值，在可预见的未来不会对人类的健康发挥多大作用。所谓遗传学家协助医生诊断、治疗疾病的前景还只是一个美妙的幻想。
那时候，摩尔根不知道柏林的几个年轻人正在满怀激情地争论基因的本质。而即使德尔布吕克也不可能意识到，他们的创见——基因是实实在在的分子——会在不远的将来催生出又一个崭新的生物学分支：“分子生物学”（molecular biology）。
（待续）
“光子”这个名称最早还是化学家路易斯在1926年首先使用。
Faust
Light and Life
Why are Atoms so Small?
On the Nature of Gene Mutation and Gene Structure
we view the gene as an assemblage of atoms within which a mutation can proceed as a rearrangement of atoms or dissociation of bonds