37 生命的構建單元
隨著時間推移，科學家轉向各自選擇的專長領域發展。按照慣例，生物學家研究生物，化學家研究化學，物理學家研究物理。但是，一九三〇年代，有一批化學家，後來又有一群物理學家認為，他們出手解決生物問題的時機到了。當時，人們已經清楚地意識到活生生的有機體——生物學家的研究對象——是由元素週期表裡的某些化學元素組成的，比如碳、氫、氧和氮。化學研究的跟物質的結合和相互作用有關，而物理則在探索滿載著原子和亞原子粒子的物質和能量。難道這不是多了一條理解化學元素的途徑嗎？簡而言之，是不是可以用化學反應和物理的原子結構解釋生命體呢？也許還能找到科學史上最古老問題的答案：生命是什麼？
二十世紀前幾十年，摩爾根用小果蠅證明，細胞核裡的染色體攜帶著遺傳「原料」，「原料」用在這裡恰如其分。遺傳學者把這些「原料」的作用分析得很透徹。他們描述了在染色體不同位置的不同基因怎樣影響眼睛或翅膀的發育。他們甚至展示了X射線引發的異形翅膀突變，因為他們相信自己改變了基因。但是他們那時還不知道基因是什麼。
蛋白質是基因的原料嗎？蛋白質是人體內很多反應的基礎。它是分子生物學家系統研究的第一組化合物。正如名字顯示的那樣，分子生物學是闡述分子在生命體中的化學性質和功能的科學。蛋白質可以算是最大、最複雜的分子，由比它小、比它單純的化合物——胺基酸組成。要瞭解蛋白質，可以從易到難，先用化學的合成法和分析法檢驗胺基酸的成分。大約有二十種胺基酸是構建單元（building-blocks），透過不同的組合組成動植物體內全部的蛋白質。
這些胺基酸是如何搭配出蛋白質的，這是個更棘手的問題。物理學家就是從這裡入手——仍然是X射線提供了線索。首先他們製出蛋白質晶體，接下來用X射線轟擊晶體。穿過晶體的射線會彎曲，或者以某種特定的形式反射回去，就像我們知道的繞射一樣。乾版底片可以捕獲這些圖像。
讀取這些圖像是高難度的技術工作，因為它們就是一片讓人眼花繚亂的小點和陰影。你要把看到的平面二維圖像想像成立體的，即使戴上一副3D眼鏡也幫不上忙。就算你能看出來，還需要運用化學知識去解釋這些元素是怎樣連結在一起的。當然，數學也要強。牛津大學的化學家桃樂絲．霍奇金（Dorothy Hodgkin，一九一〇－一九九四）接下這個燙手山芋。我們對青黴素、維生素B12和胰島素結構的掌握，部分要歸功於她對X射線晶體學的研究貢獻。一九六四年，她獲得了諾貝爾化學獎。
破解基因的分子結構萊納斯．鮑林（Linus Pauling，一九〇一－一九九四）也是使用X射線分解複雜的化學化合物結構的高手。他和同事透過一系列巧妙的實驗得出，哪怕我們紅血球的血紅素分子上只缺少一個胺基酸，也會患上一種嚴重的疾病：鐮狀細胞貧血症（這種病症的紅血球不是正常的圓形，而是鐮刀狀）。這個分子缺陷在瘧疾流行的非洲最為常見。現在，我們知道那些有這種缺陷的人因禍得福了，因為正是鐮狀細胞防禦了最嚴重的瘧疾。他們只帶有父母一方的特點（單個基因，孟德爾的豌豆實驗顯示的遺傳方式），即輕度貧血，但是遠離了瘧疾。這是人類演化的實例。繼承父母雙方鐮狀細胞基因的人則患有嚴重的貧血症。鐮狀細胞貧血症的症狀早在二十世紀初期就已經確認，五十年後，鮑林運用新的分子生物技術破譯了病情的發展，同時開啟了醫學的新時代：分子醫學。
鮑林取得了蛋白質的勝利之後，距離「破解基因的分子結構」這個最高獎項只有一步之遙了。他的X射線實驗證明很多蛋白質都有著特殊的形狀，比如生成頭髮和肌肉的蛋白質，以及攜帶氧氣的血紅素分子的蛋白質。它們通常纏成漩渦狀（螺旋結構）。直到一九五〇年代初期，很多科學家認為基因是由去氧核糖核酸組成的，也就是我們更熟悉的說法DNA。實際上，一八六九年DNA就被發現了，但是人們花了很長時間去瞭解它的作用和面貌。一九五二年，鮑林提出DNA是一條三股纏繞在一起長長的螺旋形分子，稱為「三螺旋」。
鮑林在加州廢寢忘食地工作的時候，英國的兩個小組也在緊隨他的腳步。倫敦國王學院的物理學家莫里斯．威爾金斯（Maurice Wilkins，一九一六－二〇〇四）和化學家羅莎琳．富蘭克林（Rosalind Franklin，一九二〇－一九五八）投身到分子生物學之中。富蘭克林尤其擅長運用X射線晶體學成像進行分析。在劍橋，年輕的美國人詹姆斯．華生（James Watson，生於一九二八年）放棄以前對鳥類學的興趣，改和法蘭西斯．克里克（Francis Crick，一九一六－二〇〇四）合作。克里克曾經學習物理，在二戰期間是英國海軍部的物理專家，後來作為成年學生回大學攻讀生物學。華生和克里克將成為科學史上赫赫有名的雙人搭檔。
克里克貢獻了他用X射線分析蛋白質結構的經驗。他和華生都知道，在細胞核裡的染色體上發現的DNA和三十年前摩爾根所分析的為同一物。為了有助於看出DNA可能的結構，他們製作了紙模型。受到富蘭克林圖像的啟發後，他們又在一九五三年年初製作了一個對應所有X射線數據的新模型，他們認為，這一次錯不了。傳聞說當晚他們在酒吧的慶功會上大聲宣布自己揭開了「生命之謎」。
如果當晚和他們一起喝酒的人還有點搞不清楚，不懂他們的意思，那麼科學週刊《自然》[1]的讀者可謂茅塞頓開。在一九五三年四月二十五日那一期，克里克和華生發表了他們的成果，同期雜誌還刊登了倫敦的威爾金斯和富蘭克林團隊的一篇論文。不過，是克里克和華生證明DNA是雙股螺旋形結構，而不是像鮑林說的那樣。兩條鏈子中間有橫向物連接，所以它看起來像一條長長的彎曲梯子扭成螺旋狀。梯子的支柱是「D」，即分子和磷酸鹽「去氧核糖」的部分。梯子每一級橫檔都是一對分子：腺嘌呤（adenine）與胸腺嘧啶（thymine），或者是鳥嘌呤（guanine）和胞嘧啶（cytosine），這就是分子的「鹼基對」。那麼，如果結構如此，那麼怎樣用它解釋「生命之謎」呢？
連接鹼基對的是氫鍵。細胞分裂的時候，螺旋還沒有形成，它們並沒有絞在一起。那兩部分現在是模板，供細胞造就完全相同的雙鏈。華生和克里克利用這一點證明了從父輩到子輩的基因傳遞，以及「子細胞」如何獲得與最初的「母細胞」相同的基因組。這個解釋簡潔明瞭、一步到位。一九六二年，科學界完全認同了DNA的結構和作用，克里克、華生和威爾金斯共同獲得了諾貝爾獎。官方允許最多三個人分享獎項，但是人們沒有忘記羅莎琳．富蘭克林：一九五八年，她死於卵巢癌，年僅三十八歲。
理解了千萬年來演化的動力克里克等人知道基因在遺傳上的作用以後，繼續尋找它對活體如此重要的原因所在。基因每天的工作就是合成蛋白質。「基因密碼」由鄰近的三個梯級組成，每三級一組（密碼子），其中每一組代表一種胺基酸。胺基酸生成血紅素和胰島素一類的蛋白質。克里克講解了這些DNA分子上的一小部分物質是如何為胺基酸提供密碼的。遺傳學者意識到DNA分子鹼基對的順序是關鍵，因為它決定了哪種胺基酸參與蛋白質的形成。蛋白質是非常複雜的分子，有時包含幾十種胺基酸，這時就需要一條長長的DNA序列。
科學家基於對DNA的初步瞭解，終於明白了摩爾根「蠅室」裡的機密。摩爾根一直觀察的是整個有機體的可見特徵——在他眼裡就是那些長著普通的白眼睛，或者是那些突變成紅眼睛的果蠅。這種肉眼能夠看出來的特點被稱作「表現型」。此後，科學家開始進入整個有機體底下的另一個層面，即基因的研究——現在被稱作「基因型」。
發現DNA結構是現代生物學歷史的巨大轉折點。它證明了生物學家可以讀取細胞裡分子的內容，而在以前，這些都是化學家的事。現在人人都想觸類旁通。後來的研究發現，胺基酸和蛋白質都是在細胞核外的液態細胞質裡生成的。科學家在觀察這座小蛋白質工廠生產過程的同時發現了RNA——核糖核酸。它和DNA類似，但只有單股，而非雙股，是另一種糖。對於將細胞核裡的DNA資訊流傳遞到細胞質內的蛋白質工廠，RNA起著重要作用。
分子生物學家改變了我們對病因的認識。他們揭示了蛋白質，比如胰島素調節血糖的過程；他們對我們最忌憚的現代疾病癌症也有了更深入的瞭解。雖然所有的癌症都可能擴散成全身性疾病，但是它們也是從單個細胞突變開始，在應該停止分裂的時候仍然一意孤行，肆無忌憚。這些如脫韁之馬的細胞貪婪無比，它們無休止地消耗體內的營養，一旦侵入要害器官就開始擾亂器官功能，加重病情。在研發出更好的藥品延緩、甚至阻止細胞分裂前，當務之急是從分子的層級找出發生的源頭。
在人類這種大型而複雜的動物身上進行如此繁複的研究困難重重，所以很多分子生物學家依靠相對簡單的有機體展開研究。大量早期驗證DNA和RNA實際功能的研究都是利用細菌完成的，癌症的實驗對象則是老鼠一類的動物。把研究成果轉移到人體並非易事，不過現代科學遵循的就是這樣的規律：從簡單到複雜。這個方法幫助我們理解了千百萬年來演化的動力。至此，我們終於認識了主宰我們命運的分子——「DNA」。
《自然》（ Nature）為世界上歷史悠久、最有名望的科學雜誌之一，於一八六九年創辦，很多最重要、最尖端的科學研究結果都在此發表。——編注