光,这或许是一切物理现象中最不复杂的一种;生命,它却表现着一种科学分析所难以捉摸的多样性。——玻尔
今天从两位物理学家的演讲开始。1932年8月,在哥本哈根国际光疗学会议开幕式上,丹麦物理学家玻尔做题为《光和生命》的演讲,次年同名文章发表。1943年,奥地利物理学家薛定谔在都柏林三一学院做系列演讲,将其对生命的理解和思考公之于众,次年整理成书出版,即《生命是什么》。他们都试图从更基本的层次来理解生命现象。
健客:我的个天啊,物理学家也来掺和进来了,真是大变局啊!
云飞:这是生命科学的魅力。随着对原子结构认识的深入,部分物理学家的兴趣转向生命和心灵领域,开启分子生物学的新时代。
在分子生物学发展史上,有一个闻名遐迩的集体:美国长岛冷泉港的噬菌体研究小组。噬菌体研究小组是由德裔美籍生物学家德尔布吕克创建的。1930年,他在哥廷根大学获得物理学博士学位。之后,先到英国的布里斯托尔大学做了一年半的博士后;获得洛克菲勒基金会的学术奖金,又前往哥本哈根大学,在玻尔指导下做了半年研究……
健客:明白,当时流行游学嘛。
云飞:嗯。现在很多人以为毕业就业是成规,其实偏离了教育的传统。游学是世界各国、各民族文明中,最为传统的一种学习教育方式,融“读万卷书,行万里路,阅人无数,高人指路”于一体。孔子从55岁到68岁,带着若干亲近弟子,用了十几年的时间在鲁国周边游历。“孔子周游列国”,用现在的眼光看,对孔子而言是治学济世,对其弟子而言也可视为游学。
也许当时的人们很难理解玻尔应用物理学的概念解释生命现象,据说,一些听他演讲的生物学家甚至不知所云。然而,玻尔以一种天才的直觉能力,预感生物学将有新的重大突破。这无疑给德尔布吕克启示,使其“对于广阔的生物学领域将揭示的前景充满热忱,并准备迎接挑战”。1935年,德尔布吕克与前苏联遗传学家雷索夫斯基和物理学家齐默尔合作,应用物理学概念研究果蝇的X射线诱变现象,建立了一个突变的量子模型。他们三人共同署名的论文题为《关于基因突变和基因结构的性质》,刊登在德国哥廷根的科学协会通讯上,这篇论文代表了德尔布吕克早期生物学思想。
1937年,德尔布吕克怀揣洛克菲勒基金会的资助,前往美国加州理工学院——当时世界的遗传学中心。他与摩尔根及其弟子过从甚密,并接过基因推演的接力棒,认为只有分子结构异常稳定,才能抵御不确定性的降解。在德尔布吕克的想法中,看不到互补原理的痕迹;相反,却看到生命的确定性和因果性。然而,摩尔根研究的果蝇使他感到一筹莫展,果蝇过于复杂,不符合物理学家化繁为简的思维习惯。德尔布吕克想用最简单的生物,探讨基因的本质。
健客:等等,什么是互补原理?
云飞:玻尔的“互补原理”,简单说,“世界是由意识决定的”。玻尔说,粒子的状态非常奇特。它有时候是粒子,有时候会变成波,这叫“波粒二象性”。转换的关键在于意识,当你观察它时,它就变成粒子呈现在你面前;反之,它就变成波弥漫于整个空间。波和粒子在同一时刻是互斥的,但它们在更高层次上统一。
健客:啊哦,听说过,但在现实生活中看不见,很难想象。
云飞:哈哈,在鬼故事中常见。
1938年,一种寄生于大肠杆菌中的小小病毒——噬菌体,闯入了德尔布吕克的生活。众里寻他千百度。蓦然回首,那人却在,灯火阑珊处。当噬菌体碰上德尔布吕克经过长期物理学方法论训练的头脑,真可谓“一见钟情,两厢情愿,三生有幸”。噬菌体在分子生物学中的地位,犹如氢原子在量子力学模型中的地位,氢原子只有一个核外电子和一个核内质子。噬菌体只有蛋白质外壳和核酸内含物两种生物大分子,结构比较简单。用噬菌体作生物学研究材料有极大的优越性:它易于繁殖,在半小时内,就能依赖一个细菌细胞繁殖出数百个子代噬菌体;在培养基中,因为它们分解细菌而出现透明的噬菌斑,因而易于计数。噬菌体的特性符合德尔吕布克的想象,“在每一个有机体中,所发现的许多高度复杂和特殊的分子,其起源有一个极大的简单性”。德尔布吕克与另一位生物学家艾利斯一道发展了研究噬菌体的方法以及分析实验结果的数学方法,但开创性的发现期待着更多的精英加入。二战爆发后,德尔布吕克留在美国与逃来避难的卢里亚相遇。1941年夏天,他们应邀到冷泉港实验室做实验。就这样一位德国物理学家和一位意大利遗传学家在二战期间一直进行合作,周游美国招聘新一代生物学家,后来这些人被称为噬菌体研究小组。这些故事在《病毒传》中慢慢聊。当时,德尔布吕克并不相信埃弗里的结论,基于列文的四核苷酸假说,脱氧核糖核酸的基本结构是由4个含不同碱基的核苷酸连接成四核苷酸分子,以此为基础聚合成核酸。就像淀粉不能承载遗传信息一样,四核苷酸分子的单调重复,怎么可能是千变万化的遗传信息的载体呢?反对埃弗里的还包括他的同事、核酸研究权威米尔斯基。当时,洛克菲勒研究所的米尔斯基实验室是细胞核结构和功能的研究中心。米尔斯基尝试从多种生物材料中提取核酸和蛋白质。1946年,他重复了埃弗里的实验,但是很难获得不含蛋白质的纯脱氧核糖核酸。1949年,米尔斯基发现同种生物体细胞中的脱氧核糖核酸含量相同,但体细胞脱氧核糖核酸含量是精子含量的2倍。这个结论本可以支持脱氧核糖核酸是遗传物质,但是米尔斯基仍然不相信仅靠脱氧核糖核酸而无蛋白质会携带遗传信息。
健客:为什么“体细胞脱氧核糖核酸含量是精子含量的2倍”可以支持脱氧核糖核酸是遗传物质。
云飞:因为受精卵中脱氧核糖核酸一半来自精子,一半来自卵子,如此才能循环往复,代代相传。
当时,生物学界对埃弗里的结论,主要有以下三种质疑:
一是受四核苷酸假说的局限,很难设想它能在遗传过程中起什么作用;
二是即使转化因子确实是脱氧核糖核酸,也可能脱氧核糖核酸只是对荚膜形成起着直接的化学效应,而不是充当遗传信息的载体;
三是转化实验中脱氧核糖核酸未能提得很纯,还有蛋白质残留,认为可能正是这些少量的特殊蛋白质在起转化作用。
健客:我觉得一和二好像说的是一回事吧,都是不相信脱氧核糖核酸是遗传信息的载体。
云飞:有道理,有见解。
面对质疑,埃弗里团队细化实验,不断地分离提纯“转化因子”;然后对纯化的“转化因子”进行鉴定,确认它就是脱氧核糖核酸。并不是像人教版高中生物必修2第三章第1节“DNA是主要的遗传物质”中说的那样,对S菌株中的各种成分进行提纯,再用提纯的各种成分去做转化实验测试。转化因子中脱氧核糖核酸纯度越高,转化效率越高;当用脱氧核糖核酸酶处理转化因子后,则没有转化功能。但即使用蛋白质酶处理转换因子,转化效率也不降低。1944年,提取的“最纯”的脱氧核糖核酸中,仍有1%的氨基酸杂质。到1949年,提纯的脱氧核糖核酸中仅含0.02%的氨基酸杂质,仍具有转化能力。还证实了与荚膜无关的细菌性状也能转化。
健客:还不够纯吗?
云飞:后来的研究表明,“0.02%的氨基酸” 不是之前S菌株染色体组成成分的氨基酸,而是脱氧核糖核酸降解后的核苷酸经生化反应生成的氨基酸。
到 20 世纪中叶,科学界已经确定了关于细菌能力的几个关键事实,一些细菌会导致危及生命的疾病;有些甚至对最强的抗生素也有耐药性;而一些既没有毒性也没有耐药性的细菌,突然间同时获得毒性和耐药性。
健客:真是见鬼了。
云飞:这次捉鬼的既不是道士,也不是钟馗,而是莱德伯格夫妇。
20世纪40年代,科学界认为一个细菌靠细胞壁横向分裂,形成两个子代,因此,细菌没有与高等生物相似的遗传机制。1944年,埃弗里团队发现脱氧核糖核酸是肺炎球菌中的遗传物质,这证明细菌具有基因(虽然当时很多人质疑),揭示在细菌和高等生物之间可能存在相似的遗传机制。受此启发,1947年,22岁的莱德伯格在哥伦比亚大学医学院放暑假期间,跑到耶鲁大学遗传学家塔特姆的实验室当临时工。通过对肠道细菌大肠杆菌不同菌株的初步实验,莱德伯格估计,20 种菌株中有一种具有生育能力,并且如果细菌交配只会在其生命周期的特定阶段进行。在对两种大肠杆菌菌株进行杂交后,某种菌株产生突变,他发现一些子代已经恢复了亲代缺失的营养合成功能。当这种能力继续被后代继承时,莱德伯格证明细菌不只有无性生殖方式。他和塔特姆将这种细菌交配过程命名为共轭。1948年,莱德伯格在耶鲁大学获得了博士学位,告别临床医学,从事细菌遗传学研究。莱德伯格发现细菌交配不是平等交换基因,而是将部分遗传物质从一个亲本转移到另一个亲本。在耶鲁大学进行开创性研究后,1950年,莱德伯格在加州大学伯克利分校担任细菌学客座教授。
健客:又一个游学的奇葩
云飞:哈哈
随着抗生素的发明和应用,细菌对抗生素的耐药性很快就表现出来了。人们很容易认为,一定是细菌在抗生素的作用下,基因发生了突变,才导致耐药菌的产生。曾有一个著名的实验是这样的:在细菌培养液中加入青霉素,当青霉素的浓度为300微克/毫升时,大多数细菌死亡,只有少数细菌可以存活。研究人员将这些细菌分离出来,继续放在相同浓度的青霉素培养液中。一段时间后,开始逐惭增加青霉素的浓度。结果发现,在400微克、500微克/毫升的浓度下,细菌竟然也能逐渐存活下来。以浓度渐增的方法,研究人员对细菌进行耐药性筛选,最终获得了完全耐青霉素的菌种。
20世纪30年代,经典遗传学理论确立后,拉马克的“获得性遗传”理论就开始走向衰落了。但直到20世纪40年代,在细菌研究领域中,拉马克主义仍大行其道。上述细菌耐药实验似乎更证明了拉马克主义的观点:环境的变化(青霉素)使细菌的性状逐惭产生了变化(耐药),细菌“获得”的耐药性逐渐遗传下去,最终产生了完全耐青霉素的“新菌株”。
1952年,莱德伯格夫妇用“影印培养法”证明:细菌对青霉素的耐药性是细菌自然随机突变的结果,而与青霉素诱导无关。实验是这样的:先在普通的培养皿上培养细菌,等细菌长满培养皿后,用一个与培养皿同样大小的、无菌的“细菌影印器”压在培养皿的细菌集落上,然后通过这个吸附了细菌的“影印器”,将细菌转移到带有青霉素的培养皿上。上述操作重复三次,莱德伯格夫妇获得三块影印了细菌的、带有青霉素的培养皿。结果发现,在这三个培养皿上,大部分转移过来的细菌都被青霉素杀死了,因而培养皿的大部分区域没有细菌生长。但有少量的细菌仍能存活,并都在三个培养皿上的相同位置上长出了菌落。显然,这些菌落是由抗青霉素的细菌生长而成的,而这些耐药菌以前从来没有接触过青霉素,因此这就证明,细菌的耐药性与青霉素存在与否无关。上述实验还证明,在一个细菌群体中,细菌会产生某种自发的突变(这种随机、无方向性的突变是经常发生的),其中一些是抗青霉素的突变,会让细菌获得对青霉素的耐药性。因此,这种细菌对青霉素的耐药性,在青霉素发明以前就存在了,与青霉素的使用并无关系。
健客:还是有点不明白,为什么影印法能证明细菌的基因突变是随机的呢?
云飞:还记得之前讲的细菌纯培养技术吗?
健客:记得啊,划线法嘛,好久以前讲的吧。
云飞:嗯,在《细菌传》第三章“看不见的生产力”第2篇“艺术启迪”。莱德伯格夫妇先完成了纯培养,也就是说,培养皿中的细菌是同一种细菌,按道理应该是一模一样的克隆体。但是,它们是不同的,有的具有耐药性,有的没有耐药性。为什么会有这种区别呢?
健客:明白了,随机突变。
云飞:正确。
拉马克主义的“用进废退”和“获得性遗传”的观点很直观,很容易理解和接受,它的本质是强调环境在物种进化过程中的主导作用。这与达尔文的“随机突变”、“自然选择”在本质上是不同的。而上述关于细菌耐药性产生机理的研究,将拉马克主义逐出了细菌学这个“拉马克主义的最后堡垒”。
健客:那么细菌耐药性与滥用抗生素之间的关系是什么呢?
云飞:现在认为,在某一细菌群体中,存在一些耐药突变的菌株,但它们只是少数,在正常的群体生态中它们不可能无限扩张。因此,大多数感染人体的是非耐药菌株,它们对抗生素敏惑,因此很容易被控制。而大量滥用抗生素会破坏细菌的群体生态平衡,敏感菌株都被杀灭了,耐药菌则开始变为优势菌株。这样,整个菌种就产生了耐药性。细菌耐药性已经成为当代医学的大难题。为有效遏制日益严重的细菌耐药性问题,就应当在人类群体水平上防止抗生素滥用。但这不是一个简单的问题。不少人认为,我们平时尽量少用抗生素,一旦感染了细菌,就可以保持自已对抗生素的敏感性。这实际上是一种认识上的误区。因为耐药菌的出现是群体水平的,一旦某种细菌(如肺炎球菌)对某种药物(如青霉素)的耐药性已经形成,那么每个感染者感染的都是耐药菌,它们可不管你平时是否“滥用抗生素”。因此,制止滥用抗生素应是人类的群体行为,只要有相当部分的人在滥用,并最终形成了耐药菌种,所有人都要为因此产生的耐药性买单。在青霉素发明之初,只要肌肉注射几十万单位的青霉素就能控制细菌感染,到现在初次使用就动则几百万、上千万单位已成常规。防止细菌耐药性这件事的艰巨性和严酷性就在这里。因此,我们必需把细菌耐药性与抗生素滥用的关系讲清楚,使人人都能自觉避免滥用抗生素,这样才能对付耐药菌。
同年,莱德伯格与他的学生津德尔共同发现:噬菌体可以在沙门氏菌之间传递遗传信息。这个过程被他们命名为转导,这是首次证明可以将新基因引入生物体并以其它方式操纵遗传。这一发现也解释了细菌为何如此迅速地对同一种抗生素产生耐药性。
健客:噬菌体有点像小蜜蜂啊!
云飞:哈哈,那么细菌就是盛开的花朵。
健客:具体是怎么做到的呢?
云飞:噬菌体的本事可大了,咱们放在《病毒传》中慢慢聊吧。
健客:之前讲了“转化”,现在又冒出来一个“转导”,有点晕啊!
云飞:简单说,转化指细菌吸收外源性遗传物质而改变自身遗传性状的现象(如R菌株变成S菌株);转导指以噬菌体为媒介,将细菌的小片段遗传物质从一个细菌转移到另一个细菌的过程(如耐药性基因转移的过程)。它们都是遗传学上的术语,不必太理会。
还是1952年,噬菌体研究小组的成员打了创始人德尔布吕克的“脸”。
欲知后事如何,且听下回分解。