DNA传递生物性状的有趣发现

我们已经知道，DNA能够传递生物的性状，但这只是通过间接的实验结果所归纳出来的结论。时代要求的是更加直接的证据。在埃弗里不断重复转化实验的时候，摩尔根的研究室不仅在开展果蝇实验，还在进行以微生物为实验对象的研究。这项研究的核心人物就是马克斯·德尔布吕克。

德尔布吕克本来研究的是宇宙物理学，于1930年在名校哥廷根大学获得了理论物理学（量子力学）的博士学位。他在研究了几年辐射物理学和原子核物理学之后，来到了摩尔根的研究室。

听说他从量子力学转而研究遗传学，可能会有读者惊讶：“这也差得太远了吧？”不过在那时，理论物理学家们研究生物学其实是一种潮流。

量子力学的创始人之一埃尔温·薛定谔那部经典名著《生命是什么》就是其中的代表。从20世纪初到20世纪中期，用物理学方法（尤其是从分子和原子层面）来研究生物学，正是时代的趋势。

标志性事件就是分子生物学的诞生。生物学的研究方法原本以博物学为主流，到了这时也终于开始以生物化学和生物物理学为基础，实验与理论相结合的研究方法也变得理所当然。尤其是遗传学需要大量统计，和理论（数学模型）结合起来十分顺畅。

第一个使用“分子生物学”一词的，是当时在洛克菲勒财团的自然科学部门担任负责人的数学家瓦伦·韦弗（他因提出机器翻译的概念而闻名）。1937年，德尔布吕克获得了韦弗推动的洛克菲勒财团的助学金（无须偿还的奖学金），开始在摩尔根的研究室用分子生物学这个新方法来研究遗传现象。

他的实验对象是噬菌体（bacteriophage）。噬菌体是微生物（bacteria）的吞噬者（phage），简而言之就是能够感染单细胞生物的病毒。关于病毒，我会在其他小节详细讲解，在这里大家做如下简要理解即可。

◆噬菌体的放大图

首先，病毒仅靠自己什么都做不成，它必须寄生在其他细胞（根据病毒不同而不同），并在细胞内大量自我复制。最终，病毒会破坏寄生的细胞，并向外扩散（这一过程叫作“溶菌”）。

病毒的结构非常简单，仅由核酸以及包裹在外面的胶囊状蛋白质构成。增殖所需的机制，则依靠于利用被寄生细胞内的物质。因为当时的细胞培养技术还不成熟，所以噬菌体这类寄生在微生物身上的病毒在操作上比较容易。

德尔布吕克刚来到美国的时候，也使用果蝇开展过研究，但生物分析并没有他这位理论物理学研究出身的学者想象的这么简单。

德尔布吕克想找到一种更简单的实验体系。在他的设想中，需要找到像是量子力学中的氢原子或是电子那么简单的物质。他发现的正是寄生在大肠杆菌内的噬菌体。他在培养皿内铺开一面白色的大肠杆菌上撒下适当稀释过的噬菌体溶液后，培养皿内出现了许多小斑点。

这是大肠杆菌被噬菌体溶解后形成的（被称作“噬菌斑”）。通过统计噬菌斑的数量，就能推断出感染大肠杆菌的噬菌体数目。大肠杆菌培养起来快速方便，被噬菌体溶解后几个小时内就能够观察到，速度很快。如果安排得当，一天可以重复实验两到三次。

通过这种极为简便且高效的实验体系，德尔布吕克接连取得了许多成果。他利用自己研究物理学时积累下的经验（统计和分布对他来说轻而易举）来分析噬菌体的性质。

然而，随着第二次世界大战的爆发，德尔布吕克无法回国，唯一的生活来源奖学金也停止发放，生活困窘至极，只能依靠向朋友借钱度日。最终能在范德堡大学当上物理学讲师，据说还是多亏了对其预见性大加赞扬的摩尔根的推荐和帮助。

萨尔瓦多·卢里亚被德尔布吕克的研究打动，并在之后与他一起研究，最终共同获得了诺贝尔奖。卢里亚出生于意大利，是一位犹太人，原名萨尔瓦拖雷·卢里亚。他之所以选择改名，是因为他也是被战争改变人生的人之一。

卢里亚从都灵大学医学系毕业之后，当过两年军医，后来又进入罗马大学教授辐射医学。他对物理学也很了解，这在医生中非常少见。拜此所赐，时任罗马大学物理学教授的恩利克·费米（主攻辐射物理学、核物理学）也以他为知己。费米是曼哈顿计划的核心人物，但这时的卢里亚恐怕想也没想过这份交情在关键时候竟然会挽救自己的研究生命。在这一时期，他还找到了打开未来大门的钥匙——他看到了德尔布吕克的论文。卢里亚正巧也认为，想要解开生命现象之谜，需要一种单纯的实验体系。

1938年获得诺贝尔奖的费米，在前往斯德哥尔摩参加颁奖典礼之后，就逃亡美国。他因为妻子是犹太人而遭到了墨索里尼政府的迫害。而卢里亚也因为人种歧视而从研究岗位上被撤职，在费米前往美国的同一时期逃亡法国。

卢里亚还没安顿下来，纳粹就开始侵略法国，他在逃往美国的过程中险些丧命（1940年）。卢里亚一抵达美国，就将名字和中间名改成了英语读法。他可能已经打定了主意，再也不回祖国去了。

多亏闻名世界的费米尽力相助，卢里亚成了哥伦比亚大学的公费留学生，他很快便与德尔布吕克取得了联络。当年冬天，德尔布吕克与卢里亚两人在费城举办的美国物理学会上会面，他们的交谈非常投机，难以想象这不过是他们的初次见面。

之后，两人便常常相互探访，到了第二年（1941年）夏天，他们开始在纽约郊外的冷泉港实验室一同开展试验。他们邀请对噬菌体感兴趣的研究者前来参观，逐渐积累起口碑，两人的噬菌体实验研究会不知不觉间开始被称作是每年惯例的“夏令营”。第二次世界大战结束后，以这个夏令营为中心的研究者团体在世界范围内扩散开来，他们被称作“噬菌体团队”。这个团体，是分子生物学最早期的一大浪潮。

德尔布吕克独具慧眼之处在于，统一了噬菌体团队在实验中所使用的大肠杆菌和噬菌体的种类，让团队成员们的实验数据可比较。实验生物的标准化在如今已经是理所当然的事情了，不过在那时，这一要求是非常先驱性的尝试。全世界的实验结果也因此能够整合起来，研究也得以顺利推进。

德尔布吕克接连拿出了许多研究成果，进入了加州理工学院工作；卢里亚也在全美历史最悠久的州立大学——印第安纳大学找到了一份工作。

在两人的共同研究中，最为重要的就是关于大肠杆菌突变的研究。大肠杆菌在感染噬菌体后会溶解，但其中也有一些会产生耐性（抗性）的。关于噬菌体变异出耐性的原因，有两种说法。(www.xing528.com)

其一，是大肠杆菌自身所具有的生理性环境响应机制（在这里特指对噬菌体的响应）；其二，是自然出现的突变。不过，即便发现大肠杆菌出现了变异，但却无法区分这究竟是突变，还是接触噬菌体所导致的变异。

卢里亚怎么也想不出个好法子来，为了散心，就和朋友一起去参加聚会游玩。聚会上，大家都围着老虎机^[1]欢闹个不停，唯有卢里亚很是清醒，“反正也肯定中不了”。朋友却很起劲地说“万一中了呢”，拉动着老虎机的拉杆，硬币却是越花越多。卢里亚苦笑着说“你看吧”，却没想到此时发生了奇迹。朋友竟然中了头奖。奇迹一次又一次地发生，朋友赚得盆满钵满。这时的卢里亚也意识到自己中了头奖。“原来是这样，我明白了！”卢里亚的喊声响彻聚会现场。他终于找到了能够分辨大肠杆菌变异情况的方法。

卢里亚灵光一闪的想法，可以简单地这样说明：如果大肠杆菌是因为接触噬菌体而变异出了耐性菌，那么只要保持噬菌体和大肠杆菌混合的浓度及培养条件不变，那么耐性菌出现的比例就总会是相同的；而如果耐性菌是因为突变产生的，那么即便培养条件相同，耐性菌也总会是随机出现的。这就像是在老虎机上抽中头奖一样！

实验数据显示，耐性菌的出现是随机的。德尔布吕克利用卢里亚的数据建立起了数学模型，史上首次计算出了突变率（1943年）。利用物理学的方法论来分析生命的奥秘，这正可谓是德尔布吕克和卢里亚两人的胜利。之后，又有其他许多研究者紧跟他们的步伐，利用耐药性和X射线来研究大肠杆菌的突变。大肠杆菌和噬菌体也作为遗传学、分子生物学的模式生物被确定下来。

再来为大家介绍卢里亚的两项成就：其一，是预言了限制性核酸内切酶的存在；其二，是用电子显微镜拍摄了寄生在大肠杆菌上的噬菌体的照片。限制性核酸内切酶是切割DNA的酶，对于重组DNA技术而言是不可或缺的，也是分子生物学中必需的一种工具。电子显微镜1939年发明于德国。商用版本的电子显微镜正巧在卢里亚前往美国时上市，并在1941年被进口至美国。

在当年12月，受卢里亚委托拍摄了大肠杆菌和噬菌体的照片的，其实是托马斯·安德森。这张电子显微镜照片，后来成了找到证明DNA就是遗传物质的决定性证据的关键。

找到这一证据的，是本节的第三位主角，阿弗雷德·赫希。他在德尔布吕克与卢里亚携手之初（1940年）就和他们一起利用大肠杆菌和噬菌体开展研究。他也取得了不少成绩，其中让他声名鹊起的那项研究，直接揭示了DNA正是传递生命性状的遗传物质本身，这就是著名的“赫希–蔡斯实验”。

赫希在1950年赴任冷泉港实验室（也就是召开“夏令营”的地方），他对噬菌体的电子显微镜照片很感兴趣。受卢里亚委托拍摄大肠杆菌的安德森同时也是赫希的朋友。通过细致观察几张照片，赫希发现噬菌体的头部呈正二十面体形，头下有细细的外鞘，外鞘的底部有名为“刺突”的足状结构。

噬菌体看来会凭借刺突附着在大肠杆菌表面，然后将外鞘插在大肠杆菌的细胞膜上。在大肠杆菌表面，还能看到噬菌体的破损残骸。

赫希心想，难道说噬菌体是通过外鞘将头部的内容物送入大肠杆菌内侧，从而溶解大肠杆菌的吗？（实际上，之后人们也的确在外鞘的顶端发现了能够在细胞膜上开洞的酶）。如果真的是这样，那么噬菌体在复制时所需要的，就只有噬菌体头部所储存的“某种物质”了。

通过对噬菌体进行化学分析，可知它是由核酸（此处为DNA）和蛋白质构成的。噬菌体送入大肠杆菌之中，并进行自我复制时所必需的“某种物质”，应该就是DNA或蛋白质其中之一，或者两者皆是。想要确认这一点，就需要给噬菌体的DNA和蛋白质做标记（贴标签）加以区分。

赫希选择的是当时最新的技术，使用放射性同位素作为“示踪剂”（tracer）。放射性同位素，简单来说就是比普通的元素拥有更多中子的元素。中子多的元素中，有一些原子核并不稳定，会崩溃并释放出能量（辐射和热）。这也就是核电的原理。同位素在生物体内基本上也发挥着同样的作用。因此，用少量放射性同位素来替换生物分子中的原子，就能够检出微量的辐射，从而确定生物分子在生物体内的位置。

赫希想到可以用DNA内含有而蛋白质不含的元素磷（P），以及蛋白质内含有而DNA不含的硫（S）来做标记。不过其实也存在含有磷酸根的蛋白质（比较有名的有牛奶中的酪蛋白和卵黄磷蛋白）。针对这个实验，更加准确的说法是噬菌体的蛋白质不含磷。

赫希让当时自己指导的研究生玛莎·蔡斯担任助手，开始实验（这也是实验被称作“赫希–蔡斯实验”的原因）。磷的同位素32P和硫的同位素35S放入培养液中，没想到噬菌体很轻易地就将其吸收了。

不过，困难才刚刚开始。大肠杆菌感染噬菌体后，赫希却找不到将做好标记的噬菌体顺利地从大肠杆菌表面分离的方法。如果噬菌体一直附着在大肠杆菌表面，那就无法判断示踪剂究竟是进入了大肠杆菌，还是残留在噬菌体身上。微生物大肠杆菌的表面实在是过于微观了，用手分离噬菌体当然是无法完成的工作。不过，赫希心想，毕竟都是在培养液里，要是用力搅拌的话，说不定能分离开来。

毕竟是全世界第一次有人开展这样的实验，自然没有什么专用的工具。赫希和蔡斯尝试了种种方法：搅拌如果太用力，会连大肠杆菌一起打碎；而如果单纯用手摇晃容器，也无法将噬菌体和大肠杆菌分离。他们不断尝试、摸索，失败了很多次。这种原创性的工作，是研究的艰辛之处，也是有趣的地方。

打破僵局的，是一位女同事随口说的一句：“家用搅拌机怎么样？”把能找到的实验器具全都试了个遍的赫希与蔡斯，恐怕也把这句话当作是救命稻草了吧。尝试一番之后却没想到，大肠杆菌和噬菌体的分离工作开展得异常顺利。

他们使用的是华林牌^[2]的搅拌机，作为冷泉港实验室一宝，被保管至今。这个实验也被称作“破壁机实验”，因为日语所指的搅拌机，其实在英语中是破壁机的意思。

成功分离大肠杆菌和噬菌体之后，分别分析两者，会发现噬菌体身上只有DNA进入了大肠杆菌当中，而蛋白质则没有进入。这也就意味着，噬菌体在复制时所使用的信息只有DNA。这个实验直接证明了生物的性状是由DNA决定的，基因是由DNA构成的。更详细地说，由蛋白质等物质构成的生物的形态，是由DNA的信息所决定的。

分子生物学自德尔布吕克始，因卢里亚的参与而获得极大发展，然后由赫希发现“基因是由DNA构成的”。他们三位获得诺贝尔奖也是理所应当的（1969年）^[3]。时代的天平，开始向DNA倾斜。

[1] 一种零钱赌博机，因筹码绘有老虎图案而得名。老虎机有三个玻璃框，框内有转盘，转盘上绘有多个不同的图案，投币之后拉下拉杆，转盘就会开始旋转，停止旋转后，如果三个转盘出现特定的图案（比如三个相同）就会吐钱出来，出现相同的图案越多，奖金则越高。

[2] 即Waring牌，又译“皇庭牌”，美国厨房电器品牌，产品包括破壁机、烤箱、咖啡机等。

[3] 但同样参与了实验的玛莎·蔡斯却与诺贝尔奖无缘。