化學學家探索“生命奧秘”的甜蜜舉動南京學院?社會科學版第22月出版數學學家探索"生命奧秘"的甜蜜舉動程龍華(合肥大學數學系,廣東九江)摘要:數學學向生命科學廣泛溶入的結果,形成了例如生物熱學,生物化學學,量子生物學或電子生物學等那些有著重大影響的邊沿學科,不斷地開拓著生命科學的新領域,而生命科學向數學學的反滲透,又形成了數學仿生學等新的交叉學科。擴而論之,在量子熱學,信息論和控制論等新興學科的巨大影響下,量子生物信息論和生物控制論等也象雪后萵筍般成長起長了:耐人尋味的是生命科學與人文科學的合流,還形成了人類生物學這樣獨特的邊沿學科。關鍵詞:化學學家;分子生物學;DNA雙螺旋模型中圖分類號:Q7—09文獻標示碼:A文章編號:1673-2359(2006)05-0101-05數學學研究的是物質運動最基本的和最普遍的規律,以及物質基本結構的學說。而生命是物質的,所以數學學的發展也必將要涉及到囊括生命物質的結構及其規律的研究。自從達爾文于l869年發表了被他本人戲稱為"魔鬼的新約"——《物種的起源》一書后,"生物學自此站上去了!"(列寧語)但是隨著歲月的流駛,生物學的發展由進化生物學,實驗生物學過渡到了現代的分子生物學時期。
前者的一個顯著的特征是:因為眾多學科的影響,非常是20世紀數學學的新思路,新理論,新技術和新方式對生物學的廣泛溶入,使生物學發生了"革命",引起了對生命現象的研究深入到了分子水平上,甚至向量子水平延展,因而更加深了人們對生命物質基礎的認識。這么,數學學是怎么規范和促進著生物學的發展的呢?,開啟分子生物學研究的先驅者化學學家對初期分子生物學的貢獻主要表現在兩個方面:一是關于在生物學思想方面所提出的精辟看法,以尼耳斯?玻爾(),薛定諤(?nger)和德爾布呂克()等為代表;二是關于生物大分子結構測定方式學的確立,以勞侖斯?克拉科夫(W。),肯德魯(J。),佩魯茲(M。)等為代表。艾倫(G。E。Allen)在他所著的《二十世紀的生命科學》一書手指出,分子生物學"最初的原動力"來自于一些腦子清醒的化學學家如尼耳斯?玻爾,薛定諤以及德爾布呂克等"要找尋無法飄忽的'生命奧秘'的甜蜜性舉動"[113oo。從小就刻苦好學,才氣出色的玻爾,在家庭環境的耳濡目染下,除了形成了互補性思想的萌芽,并且使他從青年到晚年,都是"懷著最沉痛的滿足感跟隨了分子生物學的顯著進步"。
1215因為他對理解生命奧秘問題所發生的這么強烈的興趣,最終造成他產生了豐富的生物學思想。其中主要包括生物學的機械論和目的論,自主論和分支論,整體收稿日期:2o06—03-28作者簡介:程龍華(1945一),男,湖南茶陵人,合肥大學數學系院長l0l論和還原論以及人的心理和意識等問題。而他思索生物學問題的主要根據,則是他構建在海森堡的"測不準關系"基礎上的"互補原理":"一些精典概念的應用,將排除了另一些精典概念的同時應用,而這另一些精典概念在另一種條件下卻是闡述現象所同樣必需的。"[31即玻爾的生物學思想就是他的互補性哲學在生命科學中的具體推廣和應用。他在"作用量子和自然的描述"一文中就開始了這些嘗試。他通過對原子化學學的分析與思索,敏銳地洞察到:"新的知識早已何等深刻地動搖了概念體系所根據的基礎;在這種概念的基礎上。不但建筑著數學學的精典描述,并且建筑著我們全部的普通思索形式。"[418不過,在玻爾看來,在主體參與的世界或在主客體互相作用及其關系的世界中,因為各學科領域或在人類生活的不同方面,其間的互斥互補關系分別具有自己質的特殊方式,只有以多元的"某些"來反映互斥互補的般",能夠完備,可靠地闡述它們的本質和特點。
具體到在生物學的認識中,玻爾覺得,它既涉及到非生命的原子物理學家的浪漫,分子等層次,又牽扯到有生命性質的細胞,臟器,組織等層次。當主體通過"人一儀器"系統的觀察手段去研究生物學中的數學,物理問題時,即對其中的分子,原子或亞原子等進行研究時,就要破壞生物的細胞,臟器,組織甚至整個生命,這時的生命就成了"死命",生命的特點就不復存在。并且,生物的細胞,臟器,組織乃至整個生命的規律又是不同于它們之中的分子,原子的規律,即不同于數學和物理的規律。所以,生物的這兩個方面既互斥又互補,只有把兩者統一,結合上去,才是對生命問題的完美描述。正是基于這些認識,玻爾主張應該把機械論和目的論,自主論和分支論,還原論和整體論這種既互斥又互補的關系,應用于生命科學。并認定互補性可以在更寬廣的架構內,為彼此迥然不同的兩種處理方法提供可能,并且兩種處理方法都可以向有利的方面轉化而不發生任何沖突。諸如,玻爾曾強調:"所謂機械論和目的論的心態,并不代表關于生物學問題的兩種矛盾觀點,倒不如說,它們指出了一些觀察條件的互斥性,這種觀察條件在我們追求生命的種越來越豐富的描述時同樣不可缺乏。"[4122o因為受到玻爾生物學思想的啟發和影響,玻爾的中學生德爾布呂克,早在20世紀30年代中期,l02就借助當時他在柏林從事鈾分裂研究之余,經常出席一個由化學學家和遺傳學家共同組成的大型討論組,關注遺傳學的前沿問題。
柏林小組的創立,標志著化學學家開始涉及遺傳學領域。1937年,德爾布呂克遭到洛克菲勒基金會的贊助,到加利福尼亞研究生物學和遺傳學。他還深深地意識到,在生物學中最有可能找到玻爾所預看到的理論和觀點,宣稱找尋生命的基本事實是隱藏在其所有研究工作背后的惟一動機。力圖構建一種與最終必須對生命進行破壞的還原論方式相平行的生物學。玻爾強調:"生命的存在,恰恰就應當被覺得是生物學中的一種基本事實,就好似作用量子的存在應當被覺得是原子化學學中不能從一般的機械化學學推出的基本事實一樣。"I41"。德爾布呂克就是一位企圖實現玻爾這一思想的探尋者。于是,他就對一種/J,/J,的病毒——噬菌體形成了興趣。由于德爾布呂克認為,從實驗角度來看,噬菌體起碼有兩個優點:其三,便于飼養,在極短的時間和極小的空間內可以得到數以億計的個體;其三,噬菌體只含兩種生物大分子,蛋白質和核苷酸,最易于明白無誤地認清在生命復制,世代繁衍的過程中,到底是蛋白質還是核苷酸起了遺傳信息物質載體的作用。噬菌體是最簡單的生命方式,其大小等同于一個基因,所以德爾布呂克覺得物理學家的浪漫,該種病毒的復制可看作為基因復制的一種方式,這一觀點就意味著,"在每一有機體中,所發覺的許多高度復雜和特殊的分子,其起源問題。
有一個極大的簡單性"嘲。正是緊緊捉住簡單性這一特點,德爾布呂克能夠做到慧眼識英雄,從錯綜無比的生命世界中,敏銳地挑出噬菌體作為研究材料。有了"揭露生命本質的奧秘,通往分子生物學的關鍵入口"這一明晰的研究目標之后,德爾布呂克首先與生物學家埃利斯(E。L。Ellis)一起。發展了研究噬菌體的實驗方式,確立了剖析實驗結果的物理系統。1943年之后,德爾布呂克又吸引了一大批熱情的跟隨者,如赫爾斯(Helss),蔡斯(M。Chase)等,產生了盛極一時的噬菌體學派。該學派經過常年的潛身研究,先后取得了一系列豐碩的成果,其中主要有:兩個噬菌體之間有基因重組現象;基因突變與外界環境的誘導無關,完全是一個自發的隨機事件。非常是她們于上個世紀50年代早期,用放射性示蹤物對噬菌體感染過程中的分子變化情況所作的權威性研究結果表明,當一個噬菌體感染一個真菌細胞時,它把DNA注入寄主體內,而把蛋白質殼體留在外邊。這就最終證明,正是DNA承當了遺傳物質載體的角色,這一工作理所其實地成為沃森(),克里克(F。H。C。Crick)研究DNA結構的一個不可缺乏的背景知識。
所以,以德爾布呂克為首的信息學聚會噬菌體所做的研究工作,以及德爾布呂克所明晰堅持的"基因是一物理分子"的信念,成了分子生物學誕生和成熟過程中不可分割的部份。對此,諾貝爾頒獎委員會曾高度贊譽道:"德爾布呂克促使對噬菌體的研究從模糊的經驗論轉變為精確的科學,他剖析和鑒別了生物學效應的精確檢測的條件,制訂了定量技巧,構建了統計標準,致使后來的研究成為可能"。【5在玻爾的科學研究作風影響下所產生的務實精神,有人評論說:"德爾布呂克拒絕在構造和測試概念模型時的模糊性,這一心態從根本上幫助生物學家改變了生物學研究中的整個哲學味"。[61玻爾的生物學思想和德爾布呂克的生物學實踐又殃及到了薛定諤。正如賈德森(H。F。)所認定的那樣,德爾布呂克關于基因之化學特點的觀點指使了薛定諤去寫《生命是哪些?》這本書[715o。薛定諤在他于1944年出版的這本書中,就非常明晰地提出了三個問題:第一,覺得生命有其熱力學基礎,可以移植"熵"的概念,并改導致"負熵"來說明機體的有序性,其中的一句至理格言是:"生物賴負熵為生"嗍;第二,覺得遺傳性狀以"密碼"方式,通過染色體傳遞,遺傳的物質基礎是有機分子;第三,覺得生命體系中也有"量子躍遷"現象,量子力學規律也適用于生命現象。
正是薛定諤在《生命是哪些?》這部偉大的著作中所闡述的三個基本觀點,除了開拓了熵跨學科發展的新天地,賦于了熵概念閃動出生命科學的真理之光;并且使許多科學家依據遺傳"密碼"這一移植概念所提供的線索,開始了對遺傳密碼概念的整修,充實和建立工作,即破譯密碼的生物學內涵,它包括發覺DNA是遺傳物質攜帶者的證明和探求DNA的內在結構;與此同時還拉開了理論生物化學的另一個發展方向——量子生物學的序幕。第二次世界大戰結束后,正當w。L。克拉科夫開始施行重振卡文迪許實驗室的宏偉計劃之時,就對肯德魯,佩魯茲等關于舉辦生物分子結構的研數學學家探索"生命奧秘"的甜蜜舉動究表示了極大的關注和傾力的支持。在他到處尋求經費,幫助佩魯茲于1947年l0實驗室外,即將組建了"醫學研究委員會生物分子結構的小組"以后,自己便積極地涉足到了具體的蛋白質結構測定的工作之中。1950和佩魯茲合作對氨基酸鏈形狀進行了研究,提出了最有可能的形狀是螺旋結構,遺憾的是因為她們沒有認識到肽單位的平面構象特性以及每圈螺旋中的多肽數量為非整數的可能性,因此無法得出正確的結構。次年,L?鮑林(L。)基于這兩個方面的正確認識提出了蛋白質的結構即為Ot旋。
雖然初試不利,但克拉科夫對蛋白質研究工作的熱情卻有增無減。1952年,克拉科夫和佩魯茲發表了兩篇討論血紅蛋白分子外型的論文,首次獲得了其他量的信息。同年,她們又借助血紅蛋白晶體為單斜晶體的特性以及其晶胞在結晶水濃度變化時形成的收縮和膨脹的特點,并應用隨機函數的傅立葉變換所遵守的最小波長原理,確定了(001)反射的正負號,因而估算了分子的電子密度在C上的投影。這一方式雖然所得的相位信息不多,也不能普遍應用,但它作為一種補習方式為佩魯茲日后應用同晶置換法于蛋白質結構測定的可行性提供了有利的旁證。假如說同晶置換法的成功應用徹底解決了相位問題因而最終為測定球形蛋白質的結構打開了通往勝利的房門,這么1954拉格與佩魯茲完成的血紅蛋白分子電子密度的平面投影便是步入房門后邁出的第一步。二,迎來了偉大的分子生物學時代因為化學學家對初期分子生物學所作的系列卓越貢獻,極大地推動了數學學家與生物學家的優勢互補,以及生物學與數學學的完美結合。尤其是1953年DNA雙螺旋模型的成功成立,標志著巍峨壯麗的分子生物學時代的到來。這一模型的順利降生,起碼具有以下三點主要緣由:
