吴明：美妙的科学研究园

10.11.1. 生活无处不科学，解用恁地皆妙方

拉瓦锡用精密天平推翻了“燃素”学说；牛顿用三棱镜发现太阳光是由赤橙黄绿青蓝紫7种光组成的；卡文第许从儿童用镜子玩具折射太阳光，频繁移动中得到启示，第一个计算出了地球的质量；赫塞夫人将制作果冻的厨艺，援引过来制作出了琼脂固体培养基，掀起了微生物学实验技术的一场革命，极大地促进了医学细菌学的研究进展，从而缩短了DNA的发现历程。要是当初没有赫塞夫人发明琼脂固体培养基，DNA发现的历程就不会这般顺利，还会延后，本书上述几章演绎出的一台台大戏也就唱不起来了。

赫塞夫人发明出琼脂固体培养基这一事实还说明，许多科学发明不一定非要在清华大学、北京大学、中国科学院及国外的哈佛大学、剑桥大学这样一流的科学殿堂、研究圣地才能取得。科学家能否成功，关键在科学家本人的研究风格，在于他们是否善于利用现有的实验室条件和已有的知识，如果善于利用的话，即使在二三流的大学里最大限度地应用手头的器材，一样能做出惊人的成就。

远一点说，当初居里夫人如果非要等到有了离心机和盖革氏计数器，再着手研究放射性元素镭，免得在恶劣的工作条件下受烟熏火燎、繁重体力劳作之苦，那么1902年她就发现不了镭，或者发现权轮不到她的头上。因为时间是争得发现权的头等筹码。即便当时市面上有这些仪器装置，她也无力购置。

近的说，除去已列举过的例子，在2010年诺贝尔物理学奖得主盖姆（Geim，A.）和诺沃肖洛夫（Novoselov，K.）二人还共同演绎出了一曲“玩”出来的诺贝尔奖。他们用廉价的透明胶带一层层剥离出只有一个碳原子的厚度，成功研制了宽度只有1nm的二维固体材料石墨烯，性能远高于单晶硅，导电性可与铜媲美，强度是钢的100倍，导热性超过任何已知的材料，透明、轻薄，成为微纳电子工业的支撑材料。将它用于制造各种新型电子产品，必将引发新一轮的电子工业革命。

10.11.2. 骑马找马

科学研究中有时也有骑马找马、选错了题、搭错了车的事件。重要的是，不要把不可能实现的，或实现概率极小的事件，当作有可能或很容易实现的事件。那样只会造成人力、财力的浪费，更可能误了大事。聪明的科学家在还未确定研究方向前，都是在“骑马找马”“吃在碗里，望着锅里”。

我们沿着DNA分子发现的线路图不难发现，凡进入这块科学研究园地的人无一不是“骑马找马”“吃在碗里，望着锅里”。孟德尔是个僧侣式的传教士，只缘于常见其老父整天在田间地头进行植物杂交，且发现获得的子代品种往往优于母本，遂萌生出投身于豌豆杂交试验研究的。摩尔根是研究“海蜘蛛”解剖学及系统发育的，他先后用小鼠、大鼠、鸽子、月见草、果蝇做材料，比来比去，唯果蝇符合他的要求。摩尔根选择果蝇还有另一层意思，即他对孟德尔运用数理统计学方法研究生物遗传，刚开始持质疑态度，后又认为用这一孟德尔教义来解释遗传确实是一件了不起的事件。

米歇尔本是从医的，迫于耳背，转攻化学。他遵从老师的安排，研究淋巴样细胞，后来出于方便，就近取材，自作主张研究脓细胞，从而发现了核素。艾弗利也是医生，也不是从一开始就研究DNA分子的，而是长期从事临床和医学细菌学的研究，但他只因不满足于格里菲斯的结论，遂将他的实验向深一层次推进，从而引导他一步步更加逼近生命本质DNA分子。

但基因到底是什么？DNA分子是什么样子？人们拿不岀证据来。DNA分子研究的历史长河又把物理学家卷进来了，德尔布吕克是一个理论物理学家，研究铀分离技术的，他是一个典型的“骑马找马”的人，他的研究方向变来换去，最终落在了噬菌体上。他在为分子生物学选定研究材料，创建“噬菌体研究组”这个吸引人才的平台发挥了关键作用。他的后继者薛定谔本是量子力学创始人之一，他的兴趣广泛，几乎没有他不想了解的知识，他到生命科学天地，只不过是他大智若愚的一次“短暂旅行”。他作为有声望的资深物理学家写了一本《生命是什么？》的小册子，无形中吹响了物理学家向生命科学进军的号角。

威尔金斯研究过电子在磷里面的热稳定性以及磷光理论，参加过“曼哈顿工程”，他就是在薛定谔的这本小册子的影响下步入生命科学天地的。烟草花叶病毒首次成功结晶，因为这项成果有他的好友斯坦利的一份功劳，所以他对病毒颗粒也有了兴趣。

弗兰克林原先是研究煤炭分子细微结构和石墨化及非石墨化碳研究的，她是什么课题最难、最具挑战性，她就研究什么。生物学分子量都很大，获得的X射线衍射图像很复杂，长期以来，一切可能的数学分析都对它无能为力。弗兰克林的机遇来了，她不放过这一用X射线衍射法研究生物材料的机遇，从而取得了巨大成就。

沃森是研究动物学的，对鸟类感兴趣，只不过在意大利休假时碰上一个学术讨论会，在会上看到了威尔金斯的DNA纤维的X射线衍射图。这还让他认识到，只有弄清楚基因的结构，才能知道基因是如何工作的，从此他就一门心思大跨度地投入到了DNA双螺旋立体结构模型的建立上，果然取得了巨大成果，轰动了世界。

最典型的当推克里克了，他先是研究肠促胰液肽和胰凝乳蛋白酶抑制物的，在这类课题之间转来转去，实际上他什么都没有干，却渐渐发现“交链的交链”是大多数生物大分子，特别是螺旋体中常见的特点。沃森来到剑桥大学后，他们两人很快想到一块儿，但他“骑马找马”，一直到“DNA碱基配对和双股链反走向”问题取得突破性进展，他这才从马身上跳下来，离开他原先从事的胰凝乳蛋白酶抑制物的研究，全身心地投入并与沃森一道共同谱写了一曲轰动于世的成功组建DNA双螺旋立体结构模型的凯歌。

查伽夫是研究生物化学的，他是从故纸文献堆里寻找到这匹“千里马”的；鲍林原是研究Vc和蛋白质α-螺旋的，后来也“骑马找马”，开始研究起了DNA双螺旋立体结构模型，而且临近成功只有几步路。本书第8章所列举的多位物理学家转向生命科学研究，也都是按照这个合逻辑的“骑马找马”思维模式，先后涌进生命科学研究园地的。

科学家所作的解释都是一些假说，所有的假说又都是试探性的。这些必须永远要接受检验，看其是否符合实际，一旦发现不合适，就必须马上加以修正。因此，科学家尤其是著名科学家，“骑马找马”“吃在碗里，望着锅里”，改变主意，不仅不是弱点，反而是由于不断关注有关问题和有能力一再检验其假说的明显证据。而当改变主意去另起炉灶，研究一个全新的问题时，其原因一般是他们不能提岀恰当的新问题，从而以为他们原来的研究路线已走到了尽头。最典型的例子是，1950年德尔布吕克意识到，从噬菌体繁殖寻找物理学新规律是不可实现的，现在需要用正统的化学技术来探索生物复制之谜，揭开受噬菌体侵染的细菌细胞的“黑箱”。如同当年他放弃了天体物理学转攻原子物理学，而后又研究起遗传学那样，现在他又灵机一动，放弃了遗传学，转向了感觉生理学。待到研究须霉时，才不得不学习起了生物化学。

10.11.3. 想象力与知识哪个更重要？——菌细胞内“大管家”的发现

爱因斯坦说过：“想象力比知识更为重要，因为知识是有限的，而想象力则概括了世界的一切。”法国现代分子生物学家莫诺充分发挥自己的想象力，认为可以将基因中的DNA分子转移到新的活有机体细胞中，并把这比喻为“一项庞大而繁复的系统工程”。如此庞大的工程若没有几个组织者带头，起关键作用，这项工程是无法正常有序进行的。他在研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制中，发现有结构基因和调节基因的差别，一个或数个结构基因与一个操纵基因联合起来，在结构与功能上构成一个协同活动的整体——操纵子[148]。

图中Z、Y和A是三个相邻基因，分别编码半乳糖苷酶、透性酶和转乙酰基酶的蛋白质结构。它们有一个共同的操纵基因O。基因P是编码阻遏蛋白结构的，它与基因O连接并关闭基因O。倘若有一种诸如乳糖之类的诱导物与之结合时，它就使诱导物钝化，阻止它关闭基因O，蛋白质合成就会继续进行。

为此，他大胆地提出“调控基因慨念”，即生成蛋白质的特定性质、数量以及时间顺序，某些特定基因何时开启、何时关闭，都是由这些类似“工头”的“操纵子”来实施调控的[148，149]。

[148]Jacob F, et al. Genetic Regulation Mechanisms in the Synthesis of Protein[J]. J.Mol. Biol., 1961, 1 (3):318-356.

[149]Fabius L. French Biotechnology in The New Regime[J]. Bio/Technology,1983, 1 (3):225.

这个受体细胞好比一座超微型的化学工厂，里面夜以继日地进行着2000多种生物化学反应，大的聚合态分子降解了，另外一些分子合成了。细胞从周围环境中选择较小种类的有机化合物用以合成细胞内所需的一切物质，包括合成高分子所需的单体；一些其他的分子则被降解，降解产物或向胞外分泌，或作为原料重新被利用。这座超微型“化学工厂”内发生的这2000多种化学反应，包括大多数已知的有机化学合成反应类型，如水解、脱水、醛醇缩合、烷化、氨解、酰化、氧化、还原等。每一项反应类型都被一种酶催化，酶的催化效率远高于简单的无机或有机催化剂，速率约为普通催化剂的108～109倍，等于空间人造卫星和蜗牛之间的速率关系[150，151]。

[150]Philip Handler. Biology & the Future of Man. Oxford University Press, 1970.

[151]邹承鲁等．生命本质的新探索．上海：知识出版社，1987：1-10．

现在的基因工程，通俗地说就是欲朝这个“细胞工厂”组入一些外源基因，形象地比喻，就好比上级领导部门要往这家所属工厂派进一些工作人员、一个工作组。派进去的是普通工人，还是总工程师或厂长、党委书记，对这家所属工厂的前途、命运和未来的经营开发关系极大。如果派进去的是普通工人，那么给整个工厂的生产、经营起不了多大作用，即便这位工人师傅很能干，是技术八级，充其量只能对提高全厂的生产率起一些微小的或局部的作用，对全局而言不能起关键作用。若是派到这家所属工厂去的是总工程师或厂长、党委书记，那么就能对提高全厂劳动生产率起到举足轻重的作用。

两种工厂的类型不同，道理是一样的。它们大到方圆数十公里，小到只有2×10-12cm3的地步，都必须有组织、有计划、有序地运行，才符合“科学发展观”这个举世皆知的硬道理。后来的实验证实，大肠杆菌及所有原核机体细胞内确实普遍存在“操纵子”形式的基因调控模式，“乳糖操纵子”即属此类。这是生物学中非常典型的转录调控系统，其真实的运行方式比上述的要复杂许多。染色体结构确实具备实现这套程序的手段，既具备实施这套程序的方案和能力，同时还有建筑师的蓝图以及现场施工的技术[31]，揭示“乳糖操纵子”调控模式的三位科学家莫诺、雅各布及鲁沃夫理所当然地获得1965年诺贝尔奖。

[31]吴明．生物工程学：过去—现在—将来[M]．上海：知识出版社，1989．

10.11.4. 科学研究中繁简“知识流”的美妙转换和互动

将果冻制作技术援引到制作琼脂固体培养基掀起了一场微生物学技术革命，是知识流由简到繁的转换。从一个复杂生命机体大系统中分隔出一个简单的生化反应，发现了一个用以调控基因开关的“乳糖操纵子”，是知识流由繁到简的转换。卢瑟福说过：“不能向酒吧侍应生解释清楚的理论，都不是好的理论。”人类社会的这种“知识流”繁简转换和互动是科学发展的历史必然。

赫塞夫人将一种简单朴实的小道理用于解决科学技术中复杂的大问题，实现将人类社会的“知识流”由简到繁的历史性转换。牛顿的万有引力定律拿苹果来说事儿，薛定谔的量子力学拿猫来说事儿，哥德巴赫（Goldbach，C.）猜想拿1+1=2来说事儿，摩尔根的基因论拿“实验室内的灰姑娘”来说事儿。热力学第一定律说的是能量原理，我们就拿“吃饭”来说事儿；热力学第二定律说的是熵原理，我们就拿“穿衣”来说事儿；热力学第三定律说的是热定则，又称能斯特（Nernst，W.）热定则，我们就拿绝对零度不可能达到来说事儿。这样就实现了将人类社会的“知识流”由繁到简的历史性转换，与由简而繁的“知识流”形成对照。

一切对科学怀有兴趣、对自然界怀有好奇心的人都在想：“那么，自然科学领域内的下一个基本规律在哪里呢？还会拿出什么简化形式来说事呢？”科学和科学社会不就是由这种将人类社会的“知识流”由简而繁，由繁而简，有简有繁、繁简互动、相辅相成、与时俱进的不断提升中构建起来的吗？

10.11.5. 走进美妙的科学乐园生活

1866年，孟德尔用他的著名的分离定律和自由组合定律这把沉甸甸的钥匙仅仅将遗传学大门的锁打开了，但门内的奥妙尚不为人知。1944年，艾弗利接着用他的著名的细菌转化实验这把更加沉甸甸的钥匙打开了遗传学的大门，人们这才知道起遗传信息传递作用的是DNA。1953年沃森—克里克的DNA双螺旋模型问世，1954年伽莫夫成功破译了用于解释上述模型的遗传密码，为我们提供了又一把“生物钥匙”。1961年，莫诺和雅各布用他们的乳糖操纵子模型，教会我们如何进行遗传调控，为我们提供了一种基因开关的按钮。人类在揭示生命奥秘的漫漫征途中，凭借这一把把钥匙、开关按钮，越过了无数崎岖险道，好不容易走进一条长廊，再往前走，长廊尽头有一扇门，门外有廊，廊外有门，科学研究就是在克服一个个障碍、越过一座座山头中，循环往复，不断改进而完善起来的。

那些研究高手、科学狂人和一些人尖子则是义无反顾地前赴后继，为现代分子生物学大厦添砖加瓦，做出了许多不朽贡献。科学家本人也在各种科学实践的同时不断完善自己，在美妙的科学乐园生活中、在一点一点的成就感中滋润了自己并且寻找到了与生俱来的乐趣。无尽的想象力、好奇心及求真求实的研究兴趣，会使科研成为生活的一部分，玩着玩着就把实验做出来了。艾弗利曾经说过：“研究探索中遇到的不顺心、烦恼事就是我每天的面包，我就是靠这些面包营养自己的。”不过现在还应加上一句，这也是他在科学乐园生活中顽强拼搏的精神支撑点。一位资深科学家豪情犹存、壮志未酬地叹息道：“个人的生命力是有限的，如果有来世，我愿把今生所从事的课题在来世继续深入下去。

*转载自“吴明.DNA是如何发现的？——一幅生命本质的探索路线图[M].北京：清华大学出版社，2019.”第10章 有待思考的几个方法论问题