教科書之外

基因的弔詭與物理學家的浪漫

20世紀上半葉,物理學界出現兩個信念:一、生命現象可以用物理和化學解釋;二、生命科學最深處可能隱藏著新的物理定律。這兩個信念有一個成真了。

撰文/、插畫/陳文盛

教科書之外

基因的弔詭與物理學家的浪漫

20世紀上半葉,物理學界出現兩個信念:一、生命現象可以用物理和化學解釋;二、生命科學最深處可能隱藏著新的物理定律。這兩個信念有一個成真了。

撰文/、插畫/陳文盛


談起遺傳學,當我告訴別人孟德爾是物理學家,大部份的人都很訝異,都反問說孟德爾不是生物學家嗎?我告訴他們孟德爾在中學教過物理,也在維也納皇家帝國大學攻讀物理學。事實上他若沒有物理學家的數學根柢,就不會從豌豆實驗數據中的數學關係推論出遺傳原理。


進入20世紀後,孟德爾遺傳學說開始被發揚光大,但都還是停留在數學定量分析。基因,只知道它存在於染色體;它是什麼樣子都不清楚,也不知道如何研究。要等到下一波革命才將遺傳學帶入細胞中,在分子層次研究基因。領導這場分子生物學革命的也是一群物理學家,始作俑者是德國量子物理學家戴爾布魯克(Max Delbruck)。


1935年戴爾布魯克和兩位合作者發表一篇有關X射線誘導果蠅突變的論文,他們發現X射線離子化範圍大約300立方埃(A=10-10公尺)就足以造成突變。這樣的體積涵蓋大約1000個原子。戴爾布魯克結論說:基因是單一的分子;突變是基因分子從一種穩定狀態「跳」到另一種穩定狀態。這篇論文發表在非常冷門、幾乎沒人注意的期刊,但是七年後,它的一份抽印本輾轉傳到客居愛爾蘭都柏林的量子力學大師薛丁格(Erwin Schrodinger)手中。薛丁格根據這篇論文的論點,在三一學院發表一系列演講,從物理學的角度討論基因;隔年集結為一本書《生命是什麼?》。


薛丁格從物理學的角度覺得基因的本質似乎存在深奧的弔詭。它雖然像是單分子,但是非常穩定,所以他發明「非週期性晶體」這名詞形容基因。「晶體」是穩定的,但基因晶體卻是「非週期性的」,才能具有遺傳資訊的變化性。他更提議基因中有以類似摩斯密碼的系統編寫的「遺傳密碼文」。這個密碼的假設在日後的DNA雙螺旋中得到印證。


薛丁格說:「從戴爾布魯克對遺傳物質的描述,可以看出生物體一方面沒有違背目前已確定的『物理學定律』,還可能涉及目前尚未知道的『其他物理學定律』。」這浪漫的預言吸引了戰後很多科學家(特別是物理學家)投入基因研究,包括日後發現DNA雙螺旋的華生和克里克。


這時候的戴爾布魯克已經遷居美國,展開分子生物學的研究,提倡用細菌和噬菌體(感染細菌的病毒)研究遺傳學。他漸漸成為這新領域的領袖。在接下來將近40年中,分子生物學家很快揭開基因的神秘面紗。在這面紗下,沒有真正的弔詭。基因的結構和功能都可以用物理和化學原理解釋,沒有新定律的必要。物理學家尋找新定律的夢想破滅了,但是完整的分子遺傳因此建立起來,更進一步帶來生物科技的革命。此外,現代快速的DNA定序技術解出了大量的基因體序列,動輒長達數十億鹼基對。新興的電算和資訊科學正好派上用場,展開了另一場跨領域的科學革命。


反顧生命演化最頂端的大腦資訊系統的研究,我們面臨無法超越的瓶頸已經好幾個世紀。來自各方面的跨領域努力都不能突破。我們還在等待腦科學界的孟德爾。


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