化学学家探索“生命奥秘”的甜蜜举动南京学院?社会科学版第22月出版数学学家探索"生命奥秘"的甜蜜举动程龙华(合肥大学数学系,广东九江)摘要:数学学向生命科学广泛溶入的结果,形成了例如生物热学,生物化学学,量子生物学或电子生物学等那些有着重大影响的边沿学科,不断地开拓着生命科学的新领域,而生命科学向数学学的反渗透,又形成了数学仿生学等新的交叉学科。扩而论之,在量子热学,信息论和控制论等新兴学科的巨大影响下,量子生物信息论和生物控制论等也象雪后莴笋般成长起长了:耐人寻味的是生命科学与人文科学的合流,还形成了人类生物学这样独特的边沿学科。关键词:化学学家;分子生物学;DNA双螺旋模型中图分类号:Q7—09文献标示码:A文章编号:1673-2359(2006)05-0101-05数学学研究的是物质运动最基本的和最普遍的规律,以及物质基本结构的学说。而生命是物质的,所以数学学的发展也必将要涉及到囊括生命物质的结构及其规律的研究。自从达尔文于l869年发表了被他本人戏称为"魔鬼的新约"——《物种的起源》一书后,"生物学自此站上去了!"(列宁语)但是随着岁月的流驶,生物学的发展由进化生物学,实验生物学过渡到了现代的分子生物学时期。
前者的一个显着的特征是:因为众多学科的影响,非常是20世纪数学学的新思路,新理论,新技术和新方式对生物学的广泛溶入,使生物学发生了"革命",引起了对生命现象的研究深入到了分子水平上,甚至向量子水平延展,因而更加深了人们对生命物质基础的认识。这么,数学学是怎么规范和促进着生物学的发展的呢?,开启分子生物学研究的先驱者化学学家对初期分子生物学的贡献主要表现在两个方面:一是关于在生物学思想方面所提出的精辟看法,以尼耳斯?玻尔(),薛定谔(?nger)和德尔布吕克()等为代表;二是关于生物大分子结构测定方式学的确立,以劳仑斯?克拉科夫(W。),肯德鲁(J。),佩鲁兹(M。)等为代表。艾伦(G。E。Allen)在他所着的《二十世纪的生命科学》一书手指出,分子生物学"最初的原动力"来自于一些脑子清醒的化学学家如尼耳斯?玻尔,薛定谔以及德尔布吕克等"要找寻无法飘忽的'生命奥秘'的甜蜜性举动"[113oo。从小就刻苦好学,才气出色的玻尔,在家庭环境的耳濡目染下,除了形成了互补性思想的萌芽,并且使他从青年到晚年,都是"怀着最沉痛的满足感跟随了分子生物学的显着进步"。
1215因为他对理解生命奥秘问题所发生的这么强烈的兴趣,最终造成他产生了丰富的生物学思想。其中主要包括生物学的机械论和目的论,自主论和分支论,整体收稿日期:2o06—03-28作者简介:程龙华(1945一),男,湖南茶陵人,合肥大学数学系院长l0l论和还原论以及人的心理和意识等问题。而他思索生物学问题的主要根据,则是他构建在海森堡的"测不准关系"基础上的"互补原理":"一些精典概念的应用,将排除了另一些精典概念的同时应用,而这另一些精典概念在另一种条件下却是阐述现象所同样必需的。"[31即玻尔的生物学思想就是他的互补性哲学在生命科学中的具体推广和应用。他在"作用量子和自然的描述"一文中就开始了这些尝试。他通过对原子化学学的分析与思索,敏锐地洞察到:"新的知识早已何等深刻地动摇了概念体系所根据的基础;在这种概念的基础上。不但建筑着数学学的精典描述,并且建筑着我们全部的普通思索形式。"[418不过,在玻尔看来,在主体参与的世界或在主客体互相作用及其关系的世界中,因为各学科领域或在人类生活的不同方面,其间的互斥互补关系分别具有自己质的特殊方式,只有以多元的"某些"来反映互斥互补的般",能够完备,可靠地阐述它们的本质和特点。
具体到在生物学的认识中,玻尔觉得,它既涉及到非生命的原子物理学家的浪漫,分子等层次,又牵扯到有生命性质的细胞,脏器,组织等层次。当主体通过"人一仪器"系统的观察手段去研究生物学中的数学,物理问题时,即对其中的分子,原子或亚原子等进行研究时,就要破坏生物的细胞,脏器,组织甚至整个生命,这时的生命就成了"死命",生命的特点就不复存在。并且,生物的细胞,脏器,组织乃至整个生命的规律又是不同于它们之中的分子,原子的规律,即不同于数学和物理的规律。所以,生物的这两个方面既互斥又互补,只有把两者统一,结合上去,才是对生命问题的完美描述。正是基于这些认识,玻尔主张应该把机械论和目的论,自主论和分支论,还原论和整体论这种既互斥又互补的关系,应用于生命科学。并认定互补性可以在更宽广的架构内,为彼此迥然不同的两种处理方法提供可能,并且两种处理方法都可以向有利的方面转化而不发生任何冲突。诸如,玻尔曾强调:"所谓机械论和目的论的心态,并不代表关于生物学问题的两种矛盾观点,倒不如说,它们指出了一些观察条件的互斥性,这种观察条件在我们追求生命的种越来越丰富的描述时同样不可缺乏。"[4122o因为受到玻尔生物学思想的启发和影响,玻尔的中学生德尔布吕克,早在20世纪30年代中期,l02就借助当时他在柏林从事铀分裂研究之余,经常出席一个由化学学家和遗传学家共同组成的大型讨论组,关注遗传学的前沿问题。
柏林小组的创立,标志着化学学家开始涉及遗传学领域。1937年,德尔布吕克遭到洛克菲勒基金会的赞助,到加利福尼亚研究生物学和遗传学。他还深深地意识到,在生物学中最有可能找到玻尔所预看到的理论和观点,宣称找寻生命的基本事实是隐藏在其所有研究工作背后的惟一动机。力图构建一种与最终必须对生命进行破坏的还原论方式相平行的生物学。玻尔强调:"生命的存在,恰恰就应当被觉得是生物学中的一种基本事实,就好似作用量子的存在应当被觉得是原子化学学中不能从一般的机械化学学推出的基本事实一样。"I41"。德尔布吕克就是一位企图实现玻尔这一思想的探寻者。于是,他就对一种/J,/J,的病毒——噬菌体形成了兴趣。由于德尔布吕克认为,从实验角度来看,噬菌体起码有两个优点:其三,便于饲养,在极短的时间和极小的空间内可以得到数以亿计的个体;其三,噬菌体只含两种生物大分子,蛋白质和核苷酸,最易于明白无误地认清在生命复制,世代繁衍的过程中,到底是蛋白质还是核苷酸起了遗传信息物质载体的作用。噬菌体是最简单的生命方式,其大小等同于一个基因,所以德尔布吕克觉得物理学家的浪漫,该种病毒的复制可看作为基因复制的一种方式,这一观点就意味着,"在每一有机体中,所发觉的许多高度复杂和特殊的分子,其起源问题。
有一个极大的简单性"嘲。正是紧紧捉住简单性这一特点,德尔布吕克能够做到慧眼识英雄,从错综无比的生命世界中,敏锐地挑出噬菌体作为研究材料。有了"揭露生命本质的奥秘,通往分子生物学的关键入口"这一明晰的研究目标之后,德尔布吕克首先与生物学家埃利斯(E。L。Ellis)一起。发展了研究噬菌体的实验方式,确立了剖析实验结果的物理系统。1943年之后,德尔布吕克又吸引了一大批热情的跟随者,如赫尔斯(Helss),蔡斯(M。Chase)等,产生了盛极一时的噬菌体学派。该学派经过常年的潜身研究,先后取得了一系列丰硕的成果,其中主要有:两个噬菌体之间有基因重组现象;基因突变与外界环境的诱导无关,完全是一个自发的随机事件。非常是她们于上个世纪50年代早期,用放射性示踪物对噬菌体感染过程中的分子变化情况所作的权威性研究结果表明,当一个噬菌体感染一个真菌细胞时,它把DNA注入寄主体内,而把蛋白质壳体留在外边。这就最终证明,正是DNA承当了遗传物质载体的角色,这一工作理所其实地成为沃森(),克里克(F。H。C。Crick)研究DNA结构的一个不可缺乏的背景知识。
所以,以德尔布吕克为首的信息学聚会噬菌体所做的研究工作,以及德尔布吕克所明晰坚持的"基因是一物理分子"的信念,成了分子生物学诞生和成熟过程中不可分割的部份。对此,诺贝尔颁奖委员会曾高度赞誉道:"德尔布吕克促使对噬菌体的研究从模糊的经验论转变为精确的科学,他剖析和鉴别了生物学效应的精确检测的条件,制订了定量技巧,构建了统计标准,致使后来的研究成为可能"。【5在玻尔的科学研究作风影响下所产生的务实精神,有人评论说:"德尔布吕克拒绝在构造和测试概念模型时的模糊性,这一心态从根本上帮助生物学家改变了生物学研究中的整个哲学味"。[61玻尔的生物学思想和德尔布吕克的生物学实践又殃及到了薛定谔。正如贾德森(H。F。)所认定的那样,德尔布吕克关于基因之化学特点的观点指使了薛定谔去写《生命是哪些?》这本书[715o。薛定谔在他于1944年出版的这本书中,就非常明晰地提出了三个问题:第一,觉得生命有其热力学基础,可以移植"熵"的概念,并改导致"负熵"来说明机体的有序性,其中的一句至理格言是:"生物赖负熵为生"嗍;第二,觉得遗传性状以"密码"方式,通过染色体传递,遗传的物质基础是有机分子;第三,觉得生命体系中也有"量子跃迁"现象,量子力学规律也适用于生命现象。
正是薛定谔在《生命是哪些?》这部伟大的着作中所阐述的三个基本观点,除了开拓了熵跨学科发展的新天地,赋于了熵概念闪动出生命科学的真理之光;并且使许多科学家依据遗传"密码"这一移植概念所提供的线索,开始了对遗传密码概念的整修,充实和建立工作,即破译密码的生物学内涵,它包括发觉DNA是遗传物质携带者的证明和探求DNA的内在结构;与此同时还拉开了理论生物化学的另一个发展方向——量子生物学的序幕。第二次世界大战结束后,正当w。L。克拉科夫开始施行重振卡文迪许实验室的宏伟计划之时,就对肯德鲁,佩鲁兹等关于举办生物分子结构的研数学学家探索"生命奥秘"的甜蜜举动究表示了极大的关注和倾力的支持。在他到处寻求经费,帮助佩鲁兹于1947年l0实验室外,即将组建了"医学研究委员会生物分子结构的小组"以后,自己便积极地涉足到了具体的蛋白质结构测定的工作之中。1950和佩鲁兹合作对氨基酸链形状进行了研究,提出了最有可能的形状是螺旋结构,遗憾的是因为她们没有认识到肽单位的平面构象特性以及每圈螺旋中的多肽数量为非整数的可能性,因此无法得出正确的结构。次年,L?鲍林(L。)基于这两个方面的正确认识提出了蛋白质的结构即为Ot旋。
虽然初试不利,但克拉科夫对蛋白质研究工作的热情却有增无减。1952年,克拉科夫和佩鲁兹发表了两篇讨论血红蛋白分子外型的论文,首次获得了其他量的信息。同年,她们又借助血红蛋白晶体为单斜晶体的特性以及其晶胞在结晶水浓度变化时形成的收缩和膨胀的特点,并应用随机函数的傅立叶变换所遵守的最小波长原理,确定了(001)反射的正负号,因而估算了分子的电子密度在C上的投影。这一方式虽然所得的相位信息不多,也不能普遍应用,但它作为一种补习方式为佩鲁兹日后应用同晶置换法于蛋白质结构测定的可行性提供了有利的旁证。假如说同晶置换法的成功应用彻底解决了相位问题因而最终为测定球形蛋白质的结构打开了通往胜利的房门,这么1954拉格与佩鲁兹完成的血红蛋白分子电子密度的平面投影便是步入房门后迈出的第一步。二,迎来了伟大的分子生物学时代因为化学学家对初期分子生物学所作的系列卓越贡献,极大地推动了数学学家与生物学家的优势互补,以及生物学与数学学的完美结合。尤其是1953年DNA双螺旋模型的成功成立,标志着巍峨壮丽的分子生物学时代的到来。这一模型的顺利降生,起码具有以下三点主要缘由:
