3.6　艾弗利的影响力和查伽夫的巨大功绩

3.6.1　遗传转化实验的影响力

艾弗利的论文本来只是出于医学目的供研究肺炎双球菌的医学家看的，而不是提供给遗传学家选择研究材料阅读的^[23]。岂知无心插柳柳成荫，他的研究竟从此敲开了理论生物学的大门，开创了分子生物学的新时代。这门新学科不再沿袭过去经院式的自然选择进化过程、外形直观描述、分门别类，做些蛙类和胡萝卜切片实验，一旁再反复背拉丁文学名表的生物学。艾弗利的论文发表预示着传统生物学的这种慢条斯理、一成不变的局面将要改变，预示着生物学这块园地内将发生重大转折，也许是一次生物学革命。

过去认为用选择自发突变的方法进行育种，其产生新组合性状的速度比自然界中缓慢的进化过程快1万倍；如今运用艾弗利的实验中酝酿的遗传操纵技术，亦即“基因工程”技术按人的愿望、社会需要、用人工方法重新安排、设计新的生命程序，实现定向育种，比自然界中缓慢的进化过程则要快1亿～10亿倍。“基因工程”是最节约能源的，也是最有效的调节机制，具有无可争议的优势，所带来的巨额经济效益可望与物理学、化学当年创建的诸如交通运输业、电子工业、原子能、有机合成、塑料工业等产业部门的效益看齐。新兴的生物技术产业已经成为能和物理学、化学当年创建的产业平起平坐，具有生物学特色的、事关国民经济的重要支柱产业^[31]。正如当年恩格斯所说，“社会一旦有技术方面的需要，则这种需要比10所大学更能将科学向前推进”^[32]。

所以不能埋怨巴斯德从一开始就将微生物学引向医学领域的研究，使有益微生物的研究和应用被延误了50年之久。辩证地说，正是由于医学微生物学的兴起和奇迹般发展，这才促进了DNA的研究和发现，进而诞生了基因工程技术，也促进了与DNA整个研究过程不可或缺的运载工具——噬菌体及质粒的发现和应用。科学史中这种曲径通幽、别有洞天、柳暗花明又一村的例子屡见不鲜。

艾弗利的实验结果，理论意义也十分明显，因为它开启了探讨遗传物质内部结构的窗口。此后愈来愈多的人承认个体生长和繁衍所必需的遗传信息，是编码在DNA长长的纤维细丝上的。绝大多数细胞里存在的这种成分，是细菌、病毒、动植物乃至人类的遗传记忆，把确定DNA功能的各个时段都连接起来了。生物在一代代繁殖过程中保持其整体上的稳定性，其信息以一种特殊的形式一代代地传递下去。打个比喻，1g重的DNA相当于250万张光盘存储的信息量，可以储存几乎无穷无尽的数据和资料，可以说有多少史料都能留存。人们称此为“DNA卫星导航，助你寻根问祖”。

艾弗利的重大发现是通往DNA双螺旋结构道路上的最重要的发现，是一系列成就的顶峰。这些成就包括确定酶的作用、抗原性以及转化化学基础。在这一时期内，人们从它的某种解释中可能预期获得遗传机理的阐明，乃至向生物工程学进行演变。从此，微生物学超脱了原来以防治传染病为基本目的的窠臼，转而专注于分子生物学。这就是根植于医学微生物学研究，以细菌作为研究材料，开创了分子生物学时代所带来的具有巨大理论和实践意义的结果^[33]。

如果说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将遗传学的大门上的锁打开了，那么大门却未被推开，门内的奥秘尚不为人们所知。那么现在轮到艾弗利运用他的遗传转化实验证实，起遗传信息传递作用的是DNA这把更沉甸甸的钥匙，撬开了这门科学的大门。意大利细菌学家，即本书下一章将叙述的噬菌体研究组的“第二号”人物卢利亚（Luria，S.E.）亦曾评价道：“艾弗利关于细菌遗传转化需要少量DNA遗传物质的论述尚未发表前，我就已经体会到这一出色工作的意义了。”噬菌体研究组的主要创始者、德国理论物理学家德尔布吕克（Delbr ck，M.）曾专门访问过艾弗利的实验室。卢利亚的学生沃森（Watson，J.）自己也承认：“艾弗利的实验使我们嗅到了DNA是基础遗传物质的气息。”

今天看来，艾弗利的细菌转化实验称得上从0—1的科学创新，其意义要比1953年沃森和克里克（Crick，F.）的DNA分子模型更为重要。由于艾弗利的发现，才使得微生物学从原来单纯以防治传染病为宗旨，开始转向为分子生物学的发展服务。

3.6.2　查伽夫的1：1定则推翻了莱文的四核苷酸假说

查伽夫（Chargaff，E.）生于奥地利布科维纳（现属乌克兰），早年就读于维也纳工业大学，专攻化学。博士毕业后，他先后在耶鲁大学、柏林大学、巴斯德研究所工作过。1935年移居美国，除专业知识外，他还具有语言学方面的天赋，他对英语的熟谙程度优于他的美国同事。在后艾弗利时代，查伽夫对核酸生物化学的研究，尤其是对有关核苷酸比例关系的研究，功不可没。

他从许多不起眼的医学文献堆里，捕捉到艾弗利1944年发表在《实验医学杂志》上的那篇《关于引起肺炎双球菌类型转化物质的化学性质研究》文章。查伽夫像众多生物化学家及组织化学家一样，从那篇论文里清楚地认识到研究核酸生物化学的重要意义，因此他放下手头的一切工作，立即把自己的研究转向了核酸生物化学领域。在那时，查伽夫等还没有试图证明DNA就是基因，而只是想确认DNA能传递遗传特性。这就需要找到这种功能的化学基础，当时已经有人就此提出过四核苷酸假说，因此他们的工作兴趣在于采用新的方法，重新探讨核酸的生物化学性质及生物学特性。查伽夫等利用滤纸色谱法分析了DNA的核苷酸成分，所得数据特别精确。在任何类型的生物中，腺嘌呤A和胸嘧啶T的比值及鸟嘌呤G和胞嘧啶C的比值总是接近于1，A+T对G+C的比值，则因生物种类不同而异。这些结果导致他们后来推翻了莱文提出的，其时算是居权威地位的“四核苷酸学说”。当时研究探讨核酸的生物化学性质及生物学特性最积极的是细胞化学家，而并不是那些属于噬菌体研究组的结构化学家、生物物理学家或遗传学家。

莱文的模式是根据四个碱基的等分子比例建立起来的，他认为，DNA结构是一个以糖—磷酸为骨架，并带有四个为一组的嘌呤和嘧啶交替着。这样的结构所能具备的特异性是不够的，特别是与染色体相联系的蛋白质比起来，情况更是如此。查伽夫认为，四种核苷酸的比例关系是依DNA取材的生物种的来源而异的；它们沿着多核苷酸链特异地排列，构成DNA分子所包含的千变万化的遗传信息，成为分子遗传学的核心内涵。他首先注意到DNA成分的规律性，由于DNA来源不同，其碱基的化学成分也有差异。他解析了嘌呤的总和等于嘧啶的总和，含氨基的碱基（腺嘌呤和胞嘧啶）的总和等于含酮基（氧基）的碱基（鸟嘌呤和胸腺嘧啶）的总和，腺嘌呤和胸腺嘧啶的克分子量相同而鸟嘌呤和胞嘧啶的克分子量也相同。他的许多具有重大意义的研究开始深入到核酸结构里去了，A和T以及G和C的这种克分子量相等，此即称为查伽夫定则，亦即碱基1：1。他的这一定则为日后沃森和克里克的DNA双螺旋立体结构模型的建立提供了关键性启示。

查伽夫发表在1950年《实验》（Experientia）杂志上的文章^[34]，题目是《核酸的化学特异性》。这篇文章结论部分确认：“生物学的各个学科在‘分子’这个层次上与化学联系在一起，达到了‘前所未有’的一体化效果。分子科学将各个生物学知识领域与少数不容许有半点含糊的定义结合成一体，而且只有蛋白质和核酸这两种聚合物的分子有生物学意义，它们兼具化学和生物学的两种特性。蛋白质和核酸对一位化学家来说是最复杂的分子，对生物学家来说则是非常简单的体系，因为再进一步简化它们，就要失去生物学特性。换言之，因为分子生物学已经是一个明确的实体，所以，亚分子、原子或量子生物学等就都是毫无意义的术语了。”

自然界存在着数目十分巨大的核酸种类，它们在结构上都不一样，这一数字大大高于目前我们采用的分析手段所能揭示的。查伽夫曾估计过，一股由100个核苷酸组成的DNA链，可能有10⁵⁶种序列；由2500个核苷酸组成的链，其序列就可能有10¹⁵⁰⁰种，真是巨大的天文数字！查伽夫在1950年举行的一次“细胞化学”学术会议上，引用了薛定谔（Schrödinger，E.）的有关遗传密码的著作。他还用实例支持这一学说，指出DNA与遗传密码的文本相关联。他特意提请听众注意，应将艾弗利的著名实验推广应用到大肠杆菌和流感嗜血杆菌实验中。会上他还介绍了自己的研究实验，其中包括把DNA分成AT型和GC型。这些事实足以证明，艾弗利的著名实验对查伽夫本人所获得的成就有着直接的影响，对当时的核酸化学研究也起到一种最具影响力的推动作用。

但从20世纪50年代起，他开始大谈分子生物学的未来发展趋势，并认为：“人类的知识会受到自然界复杂程度的限制，人类为之付出的努力也是不合理的。那种认为自然界只是一部机器的想法本身也是相当危险的，最终将引导分子生物学走向混乱、失败。”他的这种充满悲情的心态与他所取得的科研成就相比，颇令后人费解。

沃森和克里克1962年荣获诺贝尔生理学或医学奖，他对此大为不满，牢骚满腹。一方面，他为弗兰克林未能获此大奖鸣不平，另一方面，他认为他和弗兰克林都应当获此大奖，因此愤而离开了他当时所在的实验室。查伽夫的许多研究确实具有重大意义，他的研究实际上在开始扣敲核酸分子结构的大门，甚至深入核酸结构里去了，最终于1974年获得美国国家科学奖。

查伽夫说过：“一两重的证据，重于一斤重的预测。”他确实强调过，他本人的研究实验是具有重大意义的；认为“核酸中的不同碱基比例及序列可能是形成基因特异性的原因”。可是，查伽夫毕竟没能在结构上来解释他所开创的核苷酸比率关系^[35]。

3.6.3　化学遗传论也一样举步维艰

早在1880年就曾有某位生物学家预言过，基因是化学分子，但在1944年前还只是一个假说。到了1950年，DNA的化学和生物学特异性研究悄然出现，但很多人仍对这些研究进展一无所知。那时说什么的都有，有对这些研究进展表示怀疑的，认为艾弗利那篇1944年发表在《实验医学杂志》上的文献是天方夜谭；更有模棱两可的说法，认为基因是蛋白质也是DNA。人们真正接受这些新进展还需要几年时光。一直到沃森和克里克的DNA双螺旋立体结构模型问世，才缩短被接受的过程。连沃森和克里克他们两位自己也承认开始压根儿就没有阅读过核酸化学方面的文献，直到1952年，他们有关DNA和蛋白质的大部分化学知识，其实也都来源于噬菌体研究组。奇妙的是，一方面这个研究组成员那时已经不再纠缠于染色质，认识到在转化实验时进入寄主细胞内的是核酸，但还是怀疑可能也有蛋白质渗入进去了。另一方面，他们又瞧不起化学家，这可真是不可思议。沃森并不是从噬菌体研究组得知碱基比率信息的，而是1952年在英国剑桥大学，由克里克设法与查伽夫交谈时套出来的。

3.6.4　DNA发现人为什么会是艾弗利

艾弗利一生勤奋，全身心埋头于他的事业，但在文献中找不岀几篇他发表的文章。他的那种近乎神经质般的谨慎和执着固不可取，但其自始至终严格的科学态度、严谨的学术风格仍是值得称道的。在探寻、发现DNA分子这类前人从未走过的漫漫征途中，一道道爬升的阶梯上可能正需要有艾弗利式的执着、严谨的风格。他是单身汉，实验室就是他的第二个家，即便是星期日，他也是从早上7点一直干到深夜。他常常将在研究、探索过程中遇到过的无数挫折看成他每日必需的面包，并自称他就是靠这样的“面包”获取营养，从而能够在研究、探索的道路上不断取得成果的。

研究和发现DNA分子这样难度巨大的科研项目，好比在一望无垠的荒野上寻找金矿。一些人东挖一个坑，西挖一个洞，有时倒也能不费多大力气，在埋藏不深的地质构造层中捡到一些零星金块，也能小有成就，于是便忘乎所以，颇为得意；再忙着撰写、发表文章，申请这个奖项、那个专利的，这样的人是颇多的。艾弗利则是另一种人，他不紧不慢、脚踏实地、一步一个脚印，步步为营，用他自己的话说“全能的上帝都是不慌不忙的，我为什么要那么急呢？”他凭着思考问题的睿智和严谨的工作作风，耐着性子通过化学、酶学的方法，仔细而又谨慎地“定好矿位”，每日深挖不已，这样整整挖了10年，终于在1944年抱出了一个特别巨大的“金矿娃娃”，掀开了现代生物学研究序幕，敲开了理论生物学的大门。

科学史上凡有作为的科学家，其成就无不是得力于严谨、审慎的科学研究态度，它标志着人类文明崇高的科学精神，表达的是一种敢于坚持科学思想的勇气和不断探求真理的意识。具体表现为求实精神、实证精神、探索精神、理性精神、创新精神、怀疑精神、独立精神和原理精神。我们所处的任何时代，这一类精神都会构成社会发展的动力学要素，人类社会不仅要不断激活这一类精神，更需要持续“挖掘”这一类精神。

牛顿发现万有引力定律，从提出问题到解决问题整整经过了20年，直到全部计算都能做到无懈可击才公之于世。达尔文经过5年的环球考察，基本形成生物进化学说思想，但他谢绝朋友们的催促，在经过10多年的反复斟酌、充实之后，才公布研究成果。1961年诺贝尔奖得主卡尔文（Calvin，M.）潜心研究了15年，只不过弄清楚了一件事——植物是如何吸收太阳能而使二氧化碳和水变为碳水化合物的。用中国的一句谚语“十年磨一剑”来说，卡尔文用他宝贵的15年，才磨得这把“利剑”。科学家首先考虑的是科学的真实性，其他如名利、荣誉等都是次要的。

艾弗利取得如此辉煌的成绩，除他自身固有的因素是第一要素外，不能排除当时艾弗利占有天时、地利、人和等得天独厚的优势。二战期间，当全世界许多大学、研究机构、研究中心遭受到空前的浩劫、破坏、经费拮据、人员流失等冲击时，艾弗利所在的洛克菲勒医学研究所（纽约）却能像和平时期一样运转，拥有全球最先进的仪器装置和充足的研究经费。美国工业生产从1894年以来一直居世界首位，1853—1979年的科研经费累计约6200亿美元。这些都为他提供了理想的研究环境，为他获得如此出色的成果提供了物质保证，这些正是世界其他研究实体所缺少的。所以说，艾弗利称得上是当时科学界为数不多的幸运者。

艾弗利晚年（1954年）进一步认识到“运用已知的一种化学物质，有可能使细胞发生事先设定好的、属于可遗传的变异”。这与下一章将要叙述的苏联遗传学家里索夫斯基（Timoféeff-Rossovsky，N.W.）第一个提出“基因工程”的概念^[36]如出一辙，使生物产生定向突变，这恰恰是遗传学家长期以来所期盼的事。他的大部分发现都被纳入理论生物学和医学知识宝库中，因为在那个时期人们采用X射线和紫外线诱导的突变都是不可预见的、随机的、偶然的。他所认为的“对肺炎双球菌侵染的抗性是来自被侵染的人或动物血清对肺炎双球菌酶的抑制作用”，一直没有得到肯定；他从代谢角度研究免疫性的问题也是不成功的。这些工作一方面属于开创性研究；另一方面，他从心理上想建立生物学现象的蓝图，这就影响到他对科学现象的真实窥见。

我们在叙述当年发生在西欧和北美一些科学家身边的事件时，不可小看了科学认知上的偶然性，例如艾弗利的一些合作者不辞而别、战争、科学家服兵役等情节。还有，艾弗利本身特有的性格，以及在科学研究中表现出来的韧性与不屈不挠。他学养深厚，人格高尚，在平易中出成果；他待人处世十分厚道、宽容，也十分尊重同事对科研课题的选择，理解各自职业性格上的偏执，他总是顺其自然，认为人人享有充分自由选择的权利。肺炎双球菌“遗传转化因子”的提纯和检测计划中途夭折的事件也曾多次发生，再加上当时已经发现了能够抵御肺炎双球菌引发多种疾病的磺胺药物，使得他的研究计划几乎落空，或改变既定的研究方向^[37]。但是，只有他和他的少数几位合作者能把这一划时代的科学实验坚持下来，取得令学术界震撼的成就。

艾弗利淡泊名利，从不公开作演讲、作报告，是一个不善张扬的人。他生活也极其低调，终生没有婚配，无儿无女，晚年在他老弟家中走完默默无闻但却十分光彩的一生。他在学术上的不朽贡献世人是不会忘记的，几乎任何一本涉及分子遗传学、分子生物学、微生物学乃至新兴的生物工程学等学术著作无不对他的史诗般贡献大加记述和赞赏，这是今人对前贤的一份尊重，也是对后人的一份激励。后之视今，亦犹今之视昔。

艾弗利发现了遗传转化与细菌细胞内存在的DNA有关联，在接下来近一个世纪中人们也认识到DNA存在于细胞核内，并弄清楚了它的全部组成。可是，人们还是不知道DNA究竟起什么样的作用，也不知道它的分子结构到底是什么样子。专业的人也回答不出来基因到底是什么、基因的性质是什么，以及DNA作为遗传转化因子的具体证据是什么。人们期盼能够拿出看得见、摸得着的具体实物或证据。但是，这就不是单单依靠当时具备的遗传学、化学和医学微生物学概念、方法和技术能做到的了。

DNA分子研究的历史长河又将物理学家卷入进来了。