生命编码背后的故事（卅四）
1953年6月初的伦敦张灯结彩喜气洋洋。女王伊丽莎白二世（Elizabeth II）定于6月2日举行盛大加冕典礼。参加庆典的人们不会预料这位年方27的新君将持续在位70余年1，辉煌至今。
庆典当天又传来喜报。英国登山队的新西兰队员希拉里（Edmund Hillary）和尼泊尔向导诺盖（Tenzing Norgay）两天前成功征服珠穆朗玛峰，第一次在地球之巅留下人类的足迹。
沃森和克里克等人的DNA分子结构论文也已经发表一个多月。但这个也许更具显著意义的壮举还未被公众认知。女王加冕前一天，默默无闻的沃森从伦敦飞往美国。他随身携带着一个小型DNA分子实体模型。
那年年初，德尔布吕克收到沃森的信后不仅立即与在加州理工学院的同事鲍林分享，还急忙给远在哥本哈根的玻尔写信汇报。他在信中告诉偶像，沃森这一成功也许能够媲美卢瑟福1911年在曼切斯特大学发现原子核。
对于玻尔和德尔布吕克来说，曼切斯特是永远的物理学圣地。玻尔年轻时在那里接受卢瑟福言传身教，将导师的初始原子模型量子化。随后的玻尔原子模型不仅揭开量子物理学序幕，还第一次为化学键和元素周期表提供逻辑的解释。化学随之进入精准科学行列，实现哲学家康德认定的不可能。
七年前，德尔布吕克几乎接受曼切斯特大学的生物学教授席位。他最终决定加盟加州理工学院也是因为他认定鲍林和比德尔执掌的加州理工学院生物学正如1910年代卢瑟福的曼切斯特物理学，处于颠覆性科学革命的前夜。但出乎意料，他所期待的生物学革命竟在卢瑟福曾经领导过的卡文迪许实验室悄然发生，主角是自己的学生沃森和几位名不见经传的物理学家。突破点也并非他认作“生命原子”的噬菌体，恰恰是他从未重视过的DNA分子。
自从斯坦利将烟草花叶病毒像普通化学物一样结晶后，病毒表现出的既有生命又无生命“二象性”让量子物理出身的德尔布吕克着迷。他认定生物世界的秘密隐藏在这个神秘之中，亟需玻尔原子模型、量子力学那样的崭新思维才可能理解。物理大师薛定谔同样地在《生命是什么？》中预测会有新的科学在分子层面的生物学中诞生，激励克里克、威尔金斯等物理学家及年轻的沃森一头扎入这个新领域。玻尔也不例外，他始终坚持生物学中有着尚待发掘的“互补原理”。
但沃森和克里克的DNA分子结构却简单得令人窒息。它一目了然，既不需要新的科学也没有从德谟克里特、亚里士多德到玻尔一脉相承的生命“活力”藏身之地。所谓“互补”不过是其中碱基分子如同玩具积木式搭配的几何构造。虽然曾经协助鲍林猜想过这样的机制，德尔布吕克还是没料到生命的神秘竟会藏身于那直观清晰的简洁之中。
但他知道革命已然发生。在给沃森的回信中，德尔布吕克预测这个DNA结构如果属实，“一切将会彻底乱套”2，理论生物学将进入一个“喧嚣”的新时代。
那年，美国冷泉港实验室每年一度夏季研讨会的主题是病毒，正由德尔布吕克主持。他邀请沃森从伦敦赶来，在第一天做主题演讲。那是DNA的双螺旋第一次在新大陆亮相。沃森带来的模型成为会议真正的明星，被众人争先恐后围观。德尔布吕克更是将沃森和克里克的论文复印分发，270来位与会者人手一册。
过了25岁生日的沃森并没有改变做派。即使走上讲台时，他也像平日一样穿着短裤和不系鞋带的球鞋。他的衬衫只随意地扣着两粒扣子，下摆则自由自在地飘荡在裤子之外。在新落成的会议厅里，沃森不慌不忙地以一种美国中西部和英国剑桥口音的奇怪混合侃侃而谈。他终于梦想成真，进入曾经极为艳羡的莱德伯格式青年才俊行列。
沃森和克里克的论文简明扼要，只描述了DNA的双螺旋和碱基对结构。他们在末尾似乎意味深长地写道：“没有逃脱我们注意的是，我们所假设的配对方式直接提示着一种可能的遗传物质拷贝机制”3。
其实，克里克早就意识到作为遗传物质的DNA必须具备能够自我复制的分子结构。他正是在这一考量中开始思考其中的碱基配对，最终与沃森一起在格里菲斯、查戈夫和多诺霍的启发下一步步揭开谜底。但因为沃森对新模型还没有完全的信心，他们在第一篇论文中只是点到为止，留下一个后来被认作科学论文中最具悬念的结尾。
当沃森来到冷泉港时，他和克里克已经在《自然》发表后续论文，系统阐述DNA分子的自我复制功能。因为双螺旋中间连接两个碱基的只是氢键，DNA分子其实不是牢固的旋转楼梯而更像是一条拉链。那些氢键很容易在外力作用下断开，整条DNA就会像拉链似地逐步被拉开。断开的双螺旋两边各有一条同样的磷酸、脱氧核糖长链，上面挂着单个的碱基分子。与拉链两边分别有着上下齿的搭扣相似，打开的DNA长链两边的碱基分子有着互补的氢键位置。它们各自在细胞内捕获另外与之相配的游离碱基分子，形成新的、却又与原来毫无二致的碱基对。随着磷酸和脱氧核糖分子的加入，打开的拉链逐渐变成两条一模一样的新拉链。一个双螺旋DNA分子便成功地复制成两个如假包换的“后代”DNA分子。
当细胞发生有丝分裂时，细胞核中每一根染色体都突然变成两根，拥有完全相同的DNA分子。沃森和克里克的双螺旋分子结构第一次揭示出如此精确复制DNA分子的来历。正是依赖这一机制，生命的信息在细胞分裂中得以代代相传，保持恒定如一。
沃森在冷泉港的讲解非常顺利。听众们早已被他带来的模型折服。唯一让他措手不及的是来自西拉德的提议，让他考虑申请专利。
物理学家西拉德已经完成专业转变。他在芝加哥大学担任生物学教授，在那里开办着自己的噬菌体实验课程。每年夏天，他持之以恒地来冷泉港继续进修。早在1920年代，青年西拉德在柏林大学是劳厄的物理研究生。他在那里与国际知名的爱因斯坦教授合作发明新颖的冰箱制冷技术，成功出售好几个专利，获利颇丰。但因为技术限制和第二次世界大战，他们的发明未能取得商业成功。之后，西拉德还在电子显微镜、加速器等技术方面获取多项专利。战争期间，他曾坚持要为自己发明的核裂变链式反应申请专利，几乎被逐出美国的原子弹项目。
沃森直觉这个建议异想天开。DNA分子结构和复制功能都属于自然现象。他们不过是这一奥秘的发现者而非发明者，根本谈不上专利。酷爱专利的西拉德也不得不同意。
他们俩都没能料到短短几十年后，专利会成为基因科学家的兵家必争之地。
回到伦敦后，沃森和克里克收到一封来自物理学家伽莫夫的来信。学物理出身的克里克知道这个鼎鼎的大名。在那个1950年代初，剑桥几位物理学家正在建立宇宙的“稳定态模型”（steady-state model），与伽莫夫的大爆炸理论分庭抗礼。4他们都是克里克的好朋友，也经常关顾他和奥迪尔的家宴。克里克正是在听取一场稳定态宇宙讲座的启发下找到格里菲斯开始碱基分子以氢键配对的计算。
虽然大爆炸宇宙模型还没有被接受，伽莫夫却早已名闻遐迩。15年前，他年仅24岁时在哥廷根率先将量子力学应用于原子核，开创核物理学。伽莫夫也是一位畅销的科普作家，以虚构的汤普金斯（C G H Tompkins5）先生在物理世界的种种奇遇为大众读者通俗地描绘从相对论到量子世界的诸多神奇。
第二次世界大战后，伽莫夫的目光也转向生物学。在组织“生命物体的物理学”学术会议后，他出版了自己科普系列的最新作品：《汤普金斯获悉生命事实》6。
在致“沃森和克里克两位博士”的信中，伽莫夫谦虚地自我介绍自己只是物理学家，在生物学领域唯一可提起的只是那么一本科普小书。但在读了两位博士关于DNA双螺旋如何自我复制的论文后，他认为这一贡献能够将生物学带进康德所谓“真正科学”的行列。
当然伽莫夫的来信并不只是为了表示敬意和祝贺。他将在9月份来伦敦，希望能当面请教一些自己的思考和问题。假设DNA双螺旋模型正确，伽莫夫指出所有生物都能以一个巨大的整数完全表征。那是一个只由四个数字——伽莫夫习惯以1、2、3、4代替A、C、G、T代表四个碱基对——写成的数字串。也许一只猫之所以是猫，是因为猫的大数中腺嘌呤后面总是会跟着一个胞嘧啶。而腓鱼的大数里鸟嘌呤总是会成对出现。如此等等，每一种生物都有着其特定的数字模式。如果能模仿数学中的傅立叶变换手段分析大数中的模式，就能精确定量地辨别生物体的归属。生物的分类——达尔文生命之树的分叉——不再仰赖林奈、布朗、亨斯洛等前辈的主观猜测而满足精确定量的科学标准。
薛定谔在《生命是什么？》中曾明确指出染色体就是生命的“编码脚本”。假如人类有足够的智力，就能从一个受精卵的染色体结构中看出这么一个细胞将来会发育成“黑公鸡还是花母鸡，苍蝇或玉米，杜鹃花、甲虫，还是一只老鼠或者一位女人……”。他不知道染色体中的DNA才是这个脚本的记录纸，而编码是由四个碱基分子对写就。伽莫夫读了沃森和克里克的论文后立刻领悟到如果能读懂DNA中的编码，就能可靠地预测一个受精卵的未来。
克里克不仅知道伽莫夫作为物理学家、作家的大名，也对他乐于恶作剧的脾性有所风闻。他和沃森在老鹰酒吧拿着这封奇怪的短信琢磨半天，无法确定伽莫夫是不是即兴发挥，拿他们的论文开一个大玩笑。最终，他们决定置之不理。
年届半百的伽莫夫却是认真的。20来年前，伽莫夫和德尔布吕克是在哥本哈根玻尔研究所的老朋友，都视玻尔为偶像。与德尔布吕克一样，伽莫夫经常给玻尔写信汇报自己的生活和学术活动。在移情生物学后，他狡黠地解释自己依然是一位核物理学家，只是从原子核转为细胞核。蛋白质（protein）和质子（proton）听起来没啥区别，氢键（H-bond）与氢弹（H-bomb）也不过一字之差……
在这幽默诡辩背后，伽莫夫的确全身心投入对DNA的好奇。当他的两位学生在理论上推算出宇宙背景辐射（cosmic background radiation）的存在，足以实际验证他的大爆炸理论时，伽莫夫居然无暇顾及错失良机7。
尽管没有收到回音，伽莫夫的信件还是接踵而至。他的思考很快超越沃森和克里克的论文，自己琢磨出一个DNA如何利用双螺旋结构合成蛋白质的机制。
生命是什么？薛定谔的发问曾石破天惊，为量子力学之后的新一代物理学家指明下一个科学前沿。那是一个极为超前的问题，薛定谔只能提供泛泛的思路和启示。但仅仅十年后，他那类似莫尔斯电码的“非周期性晶体”编码猜想在DNA的分子结构中得到完美的印证。但“生命的秘密”还远远不止是一份被动消极的编码记录。
除非是专业行家，记录在电报纸上的莫尔斯电码只是一系列无意义、无规律的长短电脉冲信号，宛如天书不可理解。只有在被翻译之后，电码中的信息才成为日常的文字，表达出内中含义。然而，一颗受精卵发育成黑公鸡或杜鹃花时却没有、也不可能经过类似的翻译程序。
同样是一颗简单的细胞，受精卵可能发育成黑公鸡、杜鹃花或女人。这截然不同的命运显然早已预先存储在DNA的分子结构之中，不会受后天环境影响：一颗命中注定将成为黑公鸡的受精卵无论如何也不可能长成一株杜鹃花。在《生命是什么？》中，薛定谔已经指出生物染色体并非只存储被动的编码，还具备主动执行该编码的能力。发现双螺旋结构后，克里克也头脑清醒地指出，DNA之所以重要“不在于它看起来多么美丽，而在于对其功能的期望。”8亦即，DNA如何能促使一颗受精卵细胞分裂时将其所含的编码付诸实施，成为一只黑公鸡、一株杜鹃花或者一位亭亭玉立的少女？这才是“生命的秘密”之所在。
李比希和施旺等19世纪生物化学家早已明白生物体内“活力”的实际源泉和运作方式，其中当之无愧的主角无疑是形形色色丰富多彩的蛋白质。在动物的消化道里，各种各样的酶——蛋白质的一种——将食入的淀粉、蛋白质、脂肪等有机大分子切割、分解为单糖、氨基酸、脂肪酸（fatty acid）等消化产物。这些“小型”的分子随血液循环被送到身体每个角落，穿过细胞膜进入每一个细胞。同时，血液中的血红蛋白将吸入的氧也输送到各处的细胞中。在细胞内部，单糖、脂肪酸氧化“燃烧”提供能量，氨基酸则又被重新组装成动物自身需要的蛋白质。
植物没有同样的消化系统或血液循环，但也具备其水分、养料的输送管道。它们的代谢行为在细胞层次上与动物其实大同小异，只是依赖、生产着不同类别的蛋白质。如果一颗受精卵在发育期间只生产植物需要的蛋白质，它可能长成杜鹃花。而它要是在生产着骨骼、肌肉、羽毛所需的蛋白质，它的未来也许会是一只黑公鸡。
即使自身不具备消化、繁殖等生命功能的病毒也需要蛋白质作为保护其DNA或RNA的外壳和侵入宿主细胞的工具。无论在动物、植物还是微生物中，具备千奇百怪形状和功能的蛋白质无处不在，无所不能。尤其在动物体内，构成身躯的骨骼、伸缩有如的肌肉、抵御疾病的抗体、调控身体状态的激素（hormone）等等都是蛋白质的杰作，绝对无愧于这个由贝采利乌斯以希腊语“最重要”赋予的名字。相比之下，米歇尔最早发现的“核素”百无一用，在生命过程中不足挂齿。无怪乎，从霍普-塞勒到鲍林的绝大多数化学家、生物学家都曾认定蛋白质才是生命之本，对小小的DNA不屑一顾。
最初的受精卵只是一颗肉眼不可见的细胞。它的细胞核内有着分别来自上一代的染色体，其中含有着父母的全部DNA。在细胞分裂过程中，DNA以沃森和克里克发现的机制不断地自我复制，保持原初本色。但所有发育生长所需的蛋白质却必须依赖细胞的后期制造。当鲍林在1952年巴黎郊外的会议上听到赫尔希报告的噬菌体实验结果时，他立刻恍然大悟：生命的秘密其实就是DNA在指导细胞如何制造蛋白质。
细胞之所以“知道”应该制造、如何制造哪种蛋白质完全依赖于DNA以编码形式提供的蓝图。在赫尔希和蔡斯的实验中，噬菌体将自己的DNA注入细菌的细胞以假乱真。宿主细胞无法区分，同样兢兢业业地按照这外来DNA中的指令生产出噬菌体需要的蛋白质，以至于衍生出大量噬菌体后代而断送自己的性命。格里菲斯、艾弗里的肺炎细菌转化也是同样的原理。光滑肺炎球菌的DNA进入粗糙球菌的细胞，使得无毒的后者生产出剧毒的光滑球菌后代。比德尔和塔特姆早已发现的“一个基因一个酶”假说因而也有了自然而然的解释：每一个酶——蛋白质——对应于DNA中的一个特定的基因编码，才有可能成为细胞工厂的产品。
伽莫夫正是在仔细地观察、钻研双螺旋模型后发现其中一个惊人的奥妙，能够简单明了地解释DNA如何指导——甚至劫持——细胞工厂生产蛋白质。
与失败的三螺旋模型相反，DNA的双螺旋内部相当空旷。磷酸和脱氧核糖长链“扶手”和碱基对“梯级”之间有着大量空间，更像是一个稀疏的绳梯。因为螺旋形的扭曲，各个梯级互相并不平行。伽莫夫目光犀利地看到作为梯级的碱基对与它们上下邻近的两个碱基之间构成一个大致为菱形的空穴。这一个个的空穴沿着双螺旋的主轴一字排开，也如同一条长链。
他突发奇想，也许这些空穴是为氨基酸分子量身定制。因为构成空穴的碱基分子有四种不同种类，空穴的大小、形状也各有所异，可能正好对应着不同的氨基酸分子。当一个个氨基酸分子排排坐式地进入这些空穴时，它们与相邻的氨基酸分子发生脱水缩合反应，形成牢固的肽键（见《十一：分子结构》中氨基酸脱水缩合反应示意图）。如此，空穴中的氨基酸分子彼此连接成一条长长的肽链，正是一个崭新的蛋白质分子。如是组装而成的蛋白质中氨基酸的排列顺序与DNA双螺旋中空穴的顺序完全一致。于是，DNA中抽象的碱基对编码摇身一变，成为实实在在的蛋白质分子。
借助手头的生物化学手册，伽莫夫核实DNA中空穴的确有着与氨基酸分子不相上下的大小。每个菱形的空穴由四个碱基分子环绕而成。四种碱基分子的不同组合应该能形成256（4乘4乘4乘4）种空穴。但每个空穴的四个碱基分子中有两个其实是限定为A与T或C与G的互补碱基对，空穴的种类大大减少，其实只有区区20种。伽莫夫看到手册中氨基酸的种类比20略多，但其中有一些似乎微不足道。如果DNA中的20种空穴对应着20种最常见的氨基酸，正好可以依据其中的编码——空穴——制造出生物体所需的全部蛋白质。
这是一个足以与DNA双螺旋结构本身相提并论而毫不逊色的巧妙机制。伽莫夫非常得意。
这一次，沃森和克里克收到来自伽莫夫的不再是手写的短信，而是一篇正式的论文稿。他们照常带着它来到老鹰酒吧边吃午饭边讨论。显然，伽莫夫还只是一位物理学家，对生物化学基础知识确实所知寥寥。他们一眼就能看出这个机制中的几个大问题，知道它完全不具备现实的可行性。但伽莫夫的眼光却也让他们震惊。DNA双螺旋模型刚刚问世，这位理论物理学家已经敏锐地察觉分子生物学下一步最为关键的课题：DNA中的编码如何左右生命的进程。
他们尤其好奇伽莫夫提到的氨基酸——蛋白质的基本构件——的种类数目。克里克经过一番思索后发觉生物化学家对这个基本问题其实并无定论，就连伽莫夫参考的手册也不尽可靠。他和沃森在酒吧里凭记忆写下已知的20多种氨基酸，比较它们的物理和化学性质。有些氨基酸其实只是其它氨基酸的组合。另外有些则纯属重复。逐一剔除这些差错后，两人面面相觑目瞪口呆：氨基酸的种类不多不少，居然正好是20种。
（待续）
女王在典礼的一年多前已经上任。
all hell will break loose.
It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material.
这个名字中的C、G、H不是普通的缩写，而是物理学中分别代表光速、重力和普朗克常数的符号。
Mr Tompkins Learns the Facts of Life
It isn't that [DNA] looks so beautiful, it is the idea of what it does.