遗传密码的破译

（五）遗传密码的破译

在一些科学家寻找那些神秘的“演奏者”的时候，还有一些科学家在探索另一个问题：生命之歌和遗传之歌的乐谱是什么样儿？音乐家们凭着七个音符创作出那么多动人的交响乐，那么多美妙的歌儿。那么，五光十色的生命之歌，同音乐家谱写的交响乐是否有某些共同的地方呢？科学家们思索着，实践着。

生物学“外行”的预言

最先企图回答这个问题的是一个生物学的“外行”、奥地利出生的著名物理学家、近代量子力学的奠基人薛定谔。第二次世界大战中，他从奥地利流亡到英国。坎坷的生活并没有中断他的科学研究。他用一双善于观察物质微观世界的慧眼，观察了千姿百态的生物界。他对生物界的遗传现象感到莫大的兴趣。生命体一代接一代地复制着自己的模型，培育出忠实于自己形象的新的生命体，这种复制过程是那么精确，就像工厂里的工人按照工程师设计绘制的蓝图制造机器一样。复制生命的工程师遵循着一种什么样的思维规律设计生命的蓝图？这种规律能不能为人类认识呢？

薛定谔想到了电报。

1844年5月24日，在美国华盛顿国家大厦的联邦法院会议厅里，人们相互低声地交谈着，兴奋而又焦急地等待着一个奇迹的出现。物理学家莫尔斯万分激动，他用颤抖的手揿动着发报机的按键，把他自己发明的，用“点点，线线”等符号组成的电文，发往40英里（1英里=1.61公里）外的巴尔的摩城。那里的收报机收到了莫尔斯的电码，按莫尔斯编制的电码本翻译出了电文。世界上第一份载着文明信息的电报诞生了。以后，电报广泛应用到生活上和军事上。在军事上，为了保密，人们编制了形形色色的密码电报。点、线两种符号，收报机里听到的长、短两种声音，竟然能够传递人们十分复杂的思想，这比音乐家用七个音符写乐谱还要简捷得多。

那么，在生物界，是否也是用某种我们至今还没有破译的密码在传递生命设计者的信息呢？薛定谔在《生命是什么》一书中，作了大胆的预言：“遗传物质有如莫尔斯电码的点和线那样，可取几种不同的状态，像用莫尔斯电码可以记述所有的语言那样，状态变化的顺序大概是表示着生命的密码文。生命的密码被复制，并像拷贝一样无误地传递给子孙。”

这一新颖的假设，究竟是一位伟人对于自己陌生领域的无知妄言，还是投向生物学的一缕新的光束？科学家们思索着，试验着，久久没有作出回答。

比德尔

生物学家要迎接物理学家的挑战，一个重要的问题是要搞清楚生命之歌的演奏者们在用什么办法弹奏生命交响曲，我们是怎样长出眼睛、鼻子、耳朵来的？科学家们在研究蛋白质的过程中，发现了一种特殊的蛋白质——酶。酶有着非凡的本领。我们吃饭的时候，食物被消化成为能为人体吸收的物质，就主要靠酶的作用。我们的口腔里、肠胃道中，含有大量的淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶。在口腔里，经过唾液中淀粉酶的作用，将食物中的淀粉分解为麦芽糖；在胃里，经过胃酸中胃蛋白酶的作用，将蛋白质分解为分子较小的蛋白胨、多肽和少量的氨基酸；在小肠中，通过胰酶、胆汁和小肠液中各种酶的共同作用，将未经消化的米饭、肉和其他食物中的营养成分分解为各种能为身体吸收的小分子化合物。这些小分子化合物被肠黏膜吸收，随着血液循环流到全身。营养物质在身体内经过各种酶的作用，或者转化为我们的眼睛、鼻子、心脏、肺、肾和四肢器官，或者放出能量来，使我们的心脏跳动，肺脏呼吸，供我们去参加劳动，攀登高山……

动物和植物的生命活动也是如此。牛吃了草，草在消化器官里特有的纤维素酶的作用下，分解成小分子的糖，被牛吸收后进入体内，再经过一系列酶的作用，变成牛奶、牛肉。绿色植物在灿烂的阳光下进行光合作用，也是靠的酶。它们将大气中的二氧化碳和从土壤里吸收来的水，通过一系列酶和阳光的共同作用，化合成碳水化合物，将太阳能转化为化学能储藏起来，供大多数生物，特别是动物利用。

可以说，有什么样的酶，就有什么样的眼睛、鼻子、耳朵。不同的生物，由于拥有不同的酶，便有不同的身体结构、不同的本领。人之所以没有鸟的翅膀，植物之所以固定在一个地方不能说话不能动，正是因为人、鸟、植物体内具有不同的酶的缘故。

可是，为什么人、鸟、植物具有不同的酶呢？这又要回到那个神秘的生命之歌的演奏者的问题上来了。孟德尔证明了生物体内存在着这么一群“演奏者”，摩尔根证实了这些“演奏者”藏在细胞核内的染色体上，艾福里进一步证实了核酸是这些“演奏者”的载体。那么，核酸和酶之间是什么关系呢？也就是说，基因和酶之间是什么关系呢？这成了解开生命之谜的一个至关重要的问题。

美国科学家比德尔和他的同事们回答了这个问题。也是第二次世界大战中，美国本土没有战火弥漫，科学家们得以继续进行他们所热爱的研究工作。1941年，在美国加利福尼亚理工学院的实验室里，比德尔在研究红色面包霉的时候，证实了基因同酶的关系。霉菌是人们常见的一种微生物，它们结构简单，生命力旺盛，很多是人类的朋友，像我们日常吃的豆腐乳、豆瓣酱，就是一些有益的霉菌为我们制造的。比德尔在用X射线照射一种普通的红色面包霉时，发现霉菌停止了生长。而当他加入一种特定的氨基酸的时候，这种霉菌又蓬蓬勃勃地生长起来。他经过很多次重复的实验，都得到了相同的结果。这是什么原因呢？比德尔凝视着透明的培养液中的红色霉菌，久久地思索着。通过思索和进一步的观察分析，他发现，X射线使染色体遭到了某种程度的破坏，以致不能产生一种酶。而正是由于缺少了这种酶，便不能产生那种特定的氨基酸。那种氨基酸又是霉菌生长不可缺少的东西。比德尔根据这一试验，提出了著名的“一个基因一个酶”的学说。也就是说，位于染色体上的生命交响乐大乐队中的每一个演奏者，管理着一种酶的形成，决定着生物的一个生命活动。

比德尔的实验和艾福里的工作共同找到了打开生命迷宫的另一把钥匙：位于染色体上的核酸是一张生命的蓝图，是一张记录着每一种生物演奏的生命交响乐的曲谱。同时，它还是一个演奏生命之歌的大型交响乐团。交响乐团的每一个称之为基因的“演员”根据乐谱弹奏出自己的那一部分曲子，从而产生一种酶，决定着一种生命活动。他们的研究，为分子遗传学的诞生奠定了基础，比德尔并为此获得了1958年度的诺贝尔奖金。

生物学家和物理学家携手合作

可是，核酸分子只有头发丝直径的四万分之一那么小。这么个小不点儿，何以能够指令如此复杂的生命活动呢？如果不把核酸分子的结构搞清楚，前面那些科学家的一系列理论都很难站住脚。然而，纵使在电子显微镜下，核酸都不肯露出它那神秘的面容。科学家们为了揭开核酸结构的秘密，整整徘徊了十年。

1953年，美国年轻的生物学博士沃森，身负着特殊的使命来到英国，在世界首屈一指的卡文迪许研究所学习。他受命前去学习X衍射法的新技术，这是一种经常用来探明物质原子结构的方法。在学习中，他结识了一位中年物理学家克里克。生物学家和物理学家决定携手合作，发挥各自的长处，去探索生命的奥秘，揭开生命活动的重要物质——核酸的结构之谜。经过他们两人的共同努力，核酸的结构终于被搞清楚了。原来，核酸很像一副螺旋状的梯子，一级一级的阶梯是由代号A、T、G、C的四种名叫核苷酸的物质组成的。核酸的分子虽然从宏观上看来很小，从微观看来分子量却很大，上面有数量非常巨大的核苷酸。比如，小小的大肠杆菌的核酸分子就由800万个核苷酸单体组成。人的一个细胞里的核酸分子中，包含了58亿个核苷酸单体，比目前的世界总人口数还要多。

沃森和克里克的研究工作使科学家们兴奋异常，人们可以从分子水平上来揭开生命的秘密了。对于生命规律的研究从定性走向了定量，一门全新的科学——分子生物学诞生了。这是值得人类永远纪念的一项伟大成就。

天文学家参战

生物学家和物理学家结合在一起，在探索生命奥秘的战斗中作出了意想不到的贡献，这鼓舞了大批生物学的外行进行生物学的研究。就在沃森和克里克提出核酸的双螺旋结构模型一年之后，美国的天文学家盖莫夫加入了生命秘密探索者的行列。

盖莫夫在研究沃森和克里克发表在英国《自然》杂志上的论文《核酸的分子结构》以后，开始苦苦地思索着这样一个问题：位于核酸分子上的这一张生命蓝图如何绘制？这一曲生命之歌的乐谱如何识别？它遵循一种什么样的规律？能不能翻译出来，使大家都看得懂，并使大家都能根据这种规律自行设计生命蓝图，谱写生命之歌新的乐章呢？他注意到了十年前薛定谔的预言。他想，螺旋形结构的核酸分子上，有数量巨大的核苷酸单体，而这些单体的种类只有四种。这四种核苷酸是否像电报的点点、线线一样，是一种生命的密码符号呢？于是，他进行了一些简单的数学运算，提出了一个十分大胆的假说。他设想，生命密码是由核酸分子上的四种核苷酸组成。A、T、G、C四种核苷酸就像电报密码的点、线，长声、短声一样，是一种密码符号。电报由“点点线线，点线点线”等等组成四联密码子。而生命的密码则是由“ATC、TGA”等等组成的三联密码子。这样的三联密码子有64个。生命的蓝图就是用这样的三联密码子绘制的，生命之歌的乐谱就由这64个三联音符谱写而成。

盖莫夫的假说是相当简单而完美的。人们简直难以相信，如此错综复杂的生命现象竟可以用这么简单的数学来解释。一个苦恼了千百万人的千古之谜，竟如此轻易地被一位生物学的“外行”解开了。

寻找不速之客

生物学家们并不是一下子就接受了天文学家关于生命秘密的解释的。那时候，生物学家们发现的核酸，只是核酸的一种，简称DNA。DNA集中在细胞核里，而蛋白质，包括特殊的蛋白质——酶的合成，则是在细胞核外的细胞质里进行的。细胞核和细胞质间隔着一层核膜。也就是说，DNA住的房间同酶的合成工厂之间隔着一堵墙。事实证明，DNA没有穿过这一堵墙的能力。那么，DNA怎么可能跑到隔壁的酶合成工厂去指挥生产呢？事实是如此显而易见，天文学家盖莫夫失去了招架之力，他的假说也在摇篮中奄奄一息。

时间在流逝，盖莫夫的假说逐渐被人们遗忘了。然而，科学的步伐仍在继续前进。又过了三年，美国的生物学家奥列金在观察一种病毒在大肠杆菌中的增殖时，偶然发现了一位奇怪的“客人”。“客人”的外貌和DNA十分相似，但是有点神出鬼没。它一会儿在酶合成工厂里出现，一会儿又失踪了。科学家们对这位不速之客产生了极大的兴趣，对它的来龙去脉进行了跟踪追击。经过克里克、雅各布等许多学者孜孜不倦的努力，人们终于揭示了这位“客人”的“庐山真面目”。原来，这位“客人”是DNA的同胞兄弟，另一种核酸，简称RNA。RNA能够穿越DNA和酶合成工厂中间的那堵墙。

1959年，当盖莫夫的假说几乎被遗忘的时候，克里克根据人们对RNA的认识，论证了盖莫夫的假说。从克里克的论证中，人们对生命现象获得了较为完整的认识。原来，DNA是一张生命的蓝图，一首生命交响乐的曲谱。这张蓝图，这首曲谱，是用密码写成的。RNA是懂得密码含意的工人、演员，它们根据蓝图、曲谱，在酶合成工厂里合成各种各样的酶。由于这些酶的活动，自然界便演奏出了动人心魄的生命交响乐。

破译生命密码

时间进入了20世纪60年代，探索生命秘密的战斗进入了白热化的阶段。由于两种核酸的秘密已经逐渐被人们认识，生命之谜和遗传之谜的谜底眼看就要揭晓，全世界许多科学家投入了探索生命之谜的最后一场重要的战斗——破译生命密码的战斗。虽然科学家们已经证实，生命活动是在用生命密码发出的遗传信息的指令下进行的，但是，生命密码的详情还未被人类掌握，64个密码子也还未被人们破译和证实。分子生物学家们在几个实验室里，同时开始了扣人心弦的破译生命密码的战斗。

20世纪60年代的第一个春天，美国著名学者尼伦伯格领导的生物化学小组首先告捷，他们破译了生命密码的第一个密码子——UUU。他们在试管里合成了这个密码子，用这个密码子指挥合成了组成蛋白质的一种氨基酸——苯丙氨酸。在这以后，尼伦伯格和另一些实验小组，用相似的方法破译了全部64个密码子。

然而，科学家们的探索并未结束。他们的试验是严密的。他们在思索着另一个问题，在生命体外破译的密码是否与生命体内的一致呢？美国的几个研究小组很快就解答了这个问题。他们在研究大肠杆菌和噬菌体的过程中，总结了大量的资料，并详尽地进行了分析、对照，从而推断出大肠杆菌和噬菌体的密码。令人兴奋的是，通过体外试验破译的密码，跟在大肠杆菌和噬菌体中测出的完全吻合。

更使人瞠目结舌的是，从大肠杆菌、噬菌体上发出的遗传信息使用的密码，竟然与地球上所有的生命体都毫无二致。也就是说，无论是最低等的苔藓、地衣，还是高等的哺乳动物大象、猩猩，直到人类，都毫无例外使用着同一种密码。有人把烟草花叶病毒的密码放入大肠杆菌中，大肠杆菌竟制造出烟草花叶病毒蛋白质。有人把鸭子血红蛋白的遗传信息植入兔子红血球中，兔子体内奇迹般地出现了鸭子的血红蛋白。有人甚至将人体细胞中的某些遗传信息植入老鼠的细胞中，结果在老鼠的细胞中居然产生了人细胞里才有的蛋白质。这说明，全世界的生物虽然成百万种，但它们都使用一种通用的生命密码。

至此，生命的主要秘密全部揭开。同时，生命活动重要组成部分的遗传之谜也有了谜底。原来，生物在繁殖后代时，只不过是将DNA上的那张生命施工蓝图复制一张而已。复制的过程也已经搞得一清二楚。

1966年初夏，来自世界各地的优秀生物学家，聚集在美国纽约市郊的冷泉港，总结这一场艰苦卓绝、成就非凡的探索生命之谜和遗传之谜的战斗。在这次会议上，生物学家们在20世纪60年代初期的生命密码字典基础上，编制了一本地球上生物通用的遗传密码字典。这标志着一个认识生命、改造生命的新阶段开始了！