光,這或許是一切物理現象中最不複雜的一種;生命,它卻表現著一種科學分析所難以捉摸的多樣性。——玻爾
今天從兩位物理學家的演講開始。1932年8月,在哥本哈根國際光療學會議開幕式上,丹麥物理學家玻爾做題為《光和生命》的演講,次年同名文章發表。1943年,奧地利物理學家薛定諤在都柏林三一學院做系列演講,將其對生命的理解和思考公之於眾,次年整理成書出版,即《生命是什麼》。他們都試圖從更基本的層次來理解生命現象。
健客:我的個天啊,物理學家也來摻和進來了,真是大變局啊!
雲飛:這是生命科學的魅力。隨著對原子結構認識的深入,部分物理學家的興趣轉向生命和心靈領域,開啟分子生物學的新時代。
在分子生物學發展史上,有一個聞名遐邇的集體:美國長島冷泉港的噬菌體研究小組。噬菌體研究小組是由德裔美籍生物學家德爾布呂克創建的。1930年,他在哥廷根大學獲得物理學博士學位。之後,先到英國的布裏斯托爾大學做了一年半的博士後;獲得洛克菲勒基金會的學術獎金,又前往哥本哈根大學,在玻爾指導下做了半年研究……
健客:明白,當時流行遊學嘛。
雲飛:嗯。現在很多人以為畢業就業是成規,其實偏離了教育的傳統。遊學是世界各國、各民族文明中,最為傳統的一種學習教育方式,融“讀萬卷書,行萬里路,閱人無數,高人指路”于一體。孔子從55歲到68歲,帶著若干親近弟子,用了十幾年的時間在魯國周邊遊歷。“孔子週游列國”,用現在的眼光看,對孔子而言是治學濟世,對其弟子而言也可視為遊學。
也許當時的人們很難理解玻爾應用物理學的概念解釋生命現象,據説,一些聽他演講的生物學家甚至不知所云。然而,玻爾以一種天才的直覺能力,預感生物學將有新的重大突破。這無疑給德爾布呂克啟示,使其“對於廣闊的生物學領域將揭示的前景充滿熱忱,並準備迎接挑戰”。1935年,德爾布呂克與前蘇聯遺傳學家雷索夫斯基和物理學家齊默爾合作,應用物理學概念研究果蠅的X射線誘變現象,建立了一個突變的量子模型。他們三人共同署名的論文題為《關於基因突變和基因結構的性質》,刊登在德國哥廷根的科學協會通訊上,這篇論文代表了德爾布呂克早期生物學思想。
1937年,德爾布呂克懷揣洛克菲勒基金會的資助,前往美國加州理工學院——當時世界的遺傳學中心。他與摩爾根及其弟子過從甚密,並接過基因推演的接力棒,認為只有分子結構異常穩定,才能抵禦不確定性的降解。在德爾布呂克的想法中,看不到互補原理的痕跡;相反,卻看到生命的確定性和因果性。然而,摩爾根研究的果蠅使他感到一籌莫展,果蠅過於複雜,不符合物理學家化繁為簡的思維習慣。德爾布呂克想用最簡單的生物,探討基因的本質。
健客:等等,什麼是互補原理?
雲飛:玻爾的“互補原理”,簡單説,“世界是由意識決定的”。玻爾説,粒子的狀態非常奇特。它有時候是粒子,有時候會變成波,這叫“波粒二象性”。轉換的關鍵在於意識,當你觀察它時,它就變成粒子呈現在你面前;反之,它就變成波瀰漫于整個空間。波和粒子在同一時刻是互斥的,但它們在更高層次上統一。
健客:啊哦,聽説過,但在現實生活中看不見,很難想像。
雲飛:哈哈,在鬼故事中常見。
1938年,一種寄生於大腸桿菌中的小小病毒——噬菌體,闖入了德爾布呂克的生活。眾裏尋他千百度。驀然回首,那人卻在,燈火闌珊處。當噬菌體碰上德爾布呂克經過長期物理學方法論訓練的頭腦,真可謂“一見鍾情,兩廂情願,三生有幸”。噬菌體在分子生物學中的地位,猶如氫原子在量子力學模型中的地位,氫原子只有一個核外電子和一個核內質子。噬菌體只有蛋白質外殼和核酸內含物兩種生物大分子,結構比較簡單。用噬菌體作生物學研究材料有極大的優越性:它易於繁殖,在半小時內,就能依賴一個細菌細胞繁殖出數百個子代噬菌體;在培養基中,因為它們分解細菌而出現透明的噬菌斑,因而易於計數。噬菌體的特性符合德爾呂布克的想像,“在每一個有機體中,所發現的許多高度複雜和特殊的分子,其起源有一個極大的簡單性”。德爾布呂克與另一位生物學家艾利斯一道發展了研究噬菌體的方法以及分析實驗結果的數學方法,但開創性的發現期待著更多的精英加入。二戰爆發後,德爾布呂克留在美國與逃來避難的盧裏亞相遇。1941年夏天,他們應邀到冷泉港實驗室做實驗。就這樣一位德國物理學家和一位義大利遺傳學家在二戰期間一直進行合作,週游美國招聘新一代生物學家,後來這些人被稱為噬菌體研究小組。這些故事在《病毒傳》中慢慢聊。當時,德爾布呂克並不相信埃弗裏的結論,基於列文的四核苷酸假説,脫氧核糖核酸的基本結構是由4個含不同鹼基的核苷酸連接成四核苷酸分子,以此為基礎聚合成核酸。就像澱粉不能承載遺傳資訊一樣,四核苷酸分子的單調重復,怎麼可能是千變萬化的遺傳資訊的載體呢?反對埃弗裏的還包括他的同事、核酸研究權威米爾斯基。當時,洛克菲勒研究所的米爾斯基實驗室是細胞核結構和功能的研究中心。米爾斯基嘗試從多種生物材料中提取核酸和蛋白質。1946年,他重復了埃弗裏的實驗,但是很難獲得不含蛋白質的純脫氧核糖核酸。1949年,米爾斯基發現同種生物體細胞中的脫氧核糖核酸含量相同,但體細胞脫氧核糖核酸含量是精子含量的2倍。這個結論本可以支援脫氧核糖核酸是遺傳物質,但是米爾斯基仍然不相信僅靠脫氧核糖核酸而無蛋白質會攜帶遺傳資訊。
健客:為什麼“體細胞脫氧核糖核酸含量是精子含量的2倍”可以支援脫氧核糖核酸是遺傳物質。
雲飛:因為受精卵中脫氧核糖核酸一半來自精子,一半來自卵子,如此才能迴圈往復,代代相傳。
當時,生物學界對埃弗裏的結論,主要有以下三種質疑:
一是受四核苷酸假説的局限,很難設想它能在遺傳過程中起什麼作用;
二是即使轉化因子確實是脫氧核糖核酸,也可能脫氧核糖核酸只是對莢膜形成起著直接的化學效應,而不是充當遺傳資訊的載體;
三是轉化實驗中脫氧核糖核酸未能提得很純,還有蛋白質殘留,認為可能正是這些少量的特殊蛋白質在起轉化作用。
健客:我覺得一和二好像説的是一回事吧,都是不相信脫氧核糖核酸是遺傳資訊的載體。
雲飛:有道理,有見解。
面對質疑,埃弗裏團隊細化實驗,不斷地分離提純“轉化因子”;然後對純化的“轉化因子”進行鑒定,確認它就是脫氧核糖核酸。並不是像人教版高中生物必修2第三章第1節“DNA是主要的遺傳物質”中説的那樣,對S菌株中的各種成分進行提純,再用提純的各種成分去做轉化實驗測試。轉化因子中脫氧核糖核酸純度越高,轉化效率越高;當用脫氧核糖核酸酶處理轉化因子後,則沒有轉化功能。但即使用蛋白質酶處理轉換因子,轉化效率也不降低。1944年,提取的“最純”的脫氧核糖核酸中,仍有1%的氨基酸雜質。到1949年,提純的脫氧核糖核酸中僅含0.02%的氨基酸雜質,仍具有轉化能力。還證實了與莢膜無關的細菌性狀也能轉化。
健客:還不夠純嗎?
雲飛:後來的研究表明,“0.02%的氨基酸” 不是之前S菌株染色體組成成分的氨基酸,而是脫氧核糖核酸降解後的核苷酸經生化反應生成的氨基酸。
到 20 世紀中葉,科學界已經確定了關於細菌能力的幾個關鍵事實,一些細菌會導致危及生命的疾病;有些甚至對最強的抗生素也有耐藥性;而一些既沒有毒性也沒有耐藥性的細菌,突然間同時獲得毒性和耐藥性。
健客:真是見鬼了。
雲飛:這次捉鬼的既不是道士,也不是鍾馗,而是萊德伯格夫婦。
20世紀40年代,科學界認為一個細菌靠細胞壁橫向分裂,形成兩個子代,因此,細菌沒有與高等生物相似的遺傳機制。1944年,埃弗裏團隊發現脫氧核糖核酸是肺炎球菌中的遺傳物質,這證明細菌具有基因(雖然當時很多人質疑),揭示在細菌和高等生物之間可能存在相似的遺傳機制。受此啟發,1947年,22歲的萊德伯格在哥倫比亞大學醫學院放暑假期間,跑到耶魯大學遺傳學家塔特姆的實驗室當臨時工。通過對腸道細菌大腸桿菌不同菌株的初步實驗,萊德伯格估計,20 種菌株中有一種具有生育能力,並且如果細菌交配只會在其生命週期的特定階段進行。在對兩種大腸桿菌菌株進行雜交後,某種菌株産生突變,他發現一些子代已經恢復了親代缺失的營養合成功能。當這種能力繼續被後代繼承時,萊德伯格證明細菌不只有無性生殖方式。他和塔特姆將這種細菌交配過程命名為共軛。1948年,萊德伯格在耶魯大學獲得了博士學位,告別臨床醫學,從事細菌遺傳學研究。萊德伯格發現細菌交配不是平等交換基因,而是將部分遺傳物質從一個親本轉移到另一個親本。在耶魯大學進行開創性研究後,1950年,萊德伯格在加州大學伯克利分校擔任細菌學客座教授。
健客:又一個遊學的奇葩
雲飛:哈哈
隨著抗生素的發明和應用,細菌對抗生素的耐藥性很快就表現出來了。人們很容易認為,一定是細菌在抗生素的作用下,基因發生了突變,才導致耐藥菌的産生。曾有一個著名的實驗是這樣的:在細菌培養液中加入盤尼西林,當盤尼西林的濃度為300微克/毫升時,大多數細菌死亡,只有少數細菌可以存活。研究人員將這些細菌分離出來,繼續放在相同濃度的盤尼西林培養液中。一段時間後,開始逐慚增加盤尼西林的濃度。結果發現,在400微克、500微克/毫升的濃度下,細菌竟然也能逐漸存活下來。以濃度漸增的方法,研究人員對細菌進行耐藥性篩選,最終獲得了完全耐盤尼西林的菌種。
20世紀30年代,經典遺傳學理論確立後,拉馬克的“獲得性遺傳”理論就開始走向衰落了。但直到20世紀40年代,在細菌研究領域中,拉馬克主義仍大行其道。上述細菌耐藥實驗似乎更證明了拉馬克主義的觀點:環境的變化(盤尼西林)使細菌的性狀逐慚産生了變化(耐藥),細菌“獲得”的耐藥性逐漸遺傳下去,最終産生了完全耐盤尼西林的“新菌株”。
1952年,萊德伯格夫婦用“影印培養法”證明:細菌對盤尼西林的耐藥性是細菌自然隨機突變的結果,而與盤尼西林誘導無關。實驗是這樣的:先在普通的培養皿上培養細菌,等細菌長滿培養皿後,用一個與培養皿同樣大小的、無菌的“細菌影印器”壓在培養皿的細菌集落上,然後通過這個吸附了細菌的“影印器”,將細菌轉移到帶有盤尼西林的培養皿上。上述操作重復三次,萊德伯格夫婦獲得三塊影印了細菌的、帶有盤尼西林的培養皿。結果發現,在這三個培養皿上,大部分轉移過來的細菌都被盤尼西林殺死了,因而培養皿的大部分區域沒有細菌生長。但有少量的細菌仍能存活,並都在三個培養皿上的相同位置上長出了菌落。顯然,這些菌落是由抗盤尼西林的細菌生長而成的,而這些耐藥菌以前從來沒有接觸過盤尼西林,因此這就證明,細菌的耐藥性與盤尼西林存在與否無關。上述實驗還證明,在一個細菌群體中,細菌會産生某種自發的突變(這種隨機、無方向性的突變是經常發生的),其中一些是抗盤尼西林的突變,會讓細菌獲得對盤尼西林的耐藥性。因此,這種細菌對盤尼西林的耐藥性,在盤尼西林發明以前就存在了,與盤尼西林的使用並無關係。
健客:還是有點不明白,為什麼影印法能證明細菌的基因突變是隨機的呢?
雲飛:還記得之前講的細菌純培養技術嗎?
健客:記得啊,劃線法嘛,好久以前講的吧。
雲飛:嗯,在《細菌傳》第三章“看不見的生産力”第2篇“藝術啟迪”。萊德伯格夫婦先完成了純培養,也就是説,培養皿中的細菌是同一種細菌,按道理應該是一模一樣的克隆體。但是,它們是不同的,有的具有耐藥性,有的沒有耐藥性。為什麼會有這種區別呢?
健客:明白了,隨機突變。
雲飛:正確。
拉馬克主義的“用進廢退”和“獲得性遺傳”的觀點很直觀,很容易理解和接受,它的本質是強調環境在物種進化過程中的主導作用。這與達爾文的“隨機突變”、“自然選擇”在本質上是不同的。而上述關於細菌耐藥性産生機理的研究,將拉馬克主義逐出了細菌學這個“拉馬克主義的最後堡壘”。
健客:那麼細菌耐藥性與濫用抗生素之間的關係是什麼呢?
雲飛:現在認為,在某一細菌群體中,存在一些耐藥突變的菌株,但它們只是少數,在正常的群體生態中它們不可能無限擴張。因此,大多數感染人體的是非耐藥菌株,它們對抗生素敏惑,因此很容易被控制。而大量濫用抗生素會破壞細菌的群體生態平衡,敏感菌株都被殺滅了,耐藥菌則開始變為優勢菌株。這樣,整個菌種就産生了耐藥性。細菌耐藥性已經成為當代醫學的大難題。為有效遏制日益嚴重的細菌耐藥性問題,就應當在人類群體水準上防止抗生素濫用。但這不是一個簡單的問題。不少人認為,我們平時儘量少用抗生素,一旦感染了細菌,就可以保持自已對抗生素的敏感性。這實際上是一種認識上的誤區。因為耐藥菌的出現是群體水準的,一旦某種細菌(如肺炎球菌)對某種藥物(如盤尼西林)的耐藥性已經形成,那麼每個感染者感染的都是耐藥菌,它們可不管你平時是否“濫用抗生素”。因此,制止濫用抗生素應是人類的群體行為,只要有相當部分的人在濫用,並最終形成了耐藥菌種,所有人都要為因此産生的耐藥性買單。在盤尼西林發明之初,只要肌肉注射幾十萬單位的盤尼西林就能控制細菌感染,到現在初次使用就動則幾百萬、上千萬單位已成常規。防止細菌耐藥性這件事的艱巨性和嚴酷性就在這裡。因此,我們必需把細菌耐藥性與抗生素濫用的關係講清楚,使人人都能自覺避免濫用抗生素,這樣才能對付耐藥菌。
同年,萊德伯格與他的學生津德爾共同發現:噬菌體可以在沙門氏菌之間傳遞遺傳資訊。這個過程被他們命名為轉導,這是首次證明可以將新基因引入生物體並以其他方式操縱遺傳。這一發現也解釋了細菌為何如此迅速地對同一種抗生素産生耐藥性。
健客:噬菌體有點像小蜜蜂啊!
雲飛:哈哈,那麼細菌就是盛開的花朵。
健客:具體是怎麼做到的呢?
雲飛:噬菌體的本事可大了,咱們放在《病毒傳》中慢慢聊吧。
健客:之前講了“轉化”,現在又冒出來一個“轉導”,有點暈啊!
雲飛:簡單説,轉化指細菌吸收外源性遺傳物質而改變自身遺傳性狀的現象(如R菌株變成S菌株);轉導指以噬菌體為媒介,將細菌的小片段遺傳物質從一個細菌轉移到另一個細菌的過程(如耐藥性基因轉移的過程)。它們都是遺傳學上的術語,不必太理會。
還是1952年,噬菌體研究小組的成員打了創始人德爾布呂克的“臉”。
欲知後事如何,且聽下回分解。