教科書之外

跳過黑盒子

2020-10-01 撰文、插畫/陳文盛
不管你的理論多漂亮,不管你多聰明,如果它和實驗不吻合,它就不對。
——費曼(Richard Feynman,美國物理學家)


我跟學生講孟德爾的豌豆遺傳研究時,常常說孟德爾的研究策略是跳過生理學的黑盒子,直接從雜交實驗的數據找出背後的抽象原理。我的意思是,他完全不理會豌豆的花為什麼會是白色或紫色,種皮為什麼會是皺或圓;他只在乎白花和紫花植株的數目,或者皺種皮和圓種皮植株的數目,以及這些數字的規律性。


孟德爾相信,這些性狀出現的規律隱藏著大自然的法則(他日後在論文中如此說),他依據二項分佈的觀念,提出決定這些性狀的因子是成雙成對地存在於各親代中,透過交配在子代重新組合。這成對遺傳因子的觀念在染色體與減數分裂的發現後,就得到具體的物理架構。美國遺傳學家摩根(Thomas Morgan)的研究室進一步把基因排列在染色體上,接下來發現基因的訊息是儲藏在DNA的鹼基序列中,而且會轉錄為信使RNA,再轉譯為蛋白質。


接下來科學家面臨另一個黑盒子:RNA的鹼基序列如何編碼蛋白質的胺基酸序列?RNA的鹼基有四種,蛋白質的胺基酸有20種;四種鹼基如何編碼20種胺基酸?中間媒介的「遺傳密碼」是什麼?對這個充滿挑戰性的課題,物理學家伽莫夫(George Gamow)在1953年提出「鑽石密碼」的假說,認為DNA雙螺旋上四個鹼基圍成的菱形鑽石框,可以塞進一個胺基酸,總共有20種框對應20種胺基酸。鑽石密碼很漂亮,但是很短命,沒多久就由當時已知的少許蛋白質序列推翻。儘管如此,伽莫夫開創的理論解碼路線誘引很多科學家(大多是物理學家)投入研究,把解碼當做抽象問題,用理論的角度來思考,如何讓四種鹼基編碼20種胺基酸,又不違背已知的實驗數據。


這理論路線進行了八年(和孟德爾研究豌豆的時間一樣長),花費了龐大的人力與財力,得到的只是克里克所說的「一大堆討論遺傳密碼的爛論文」。一直到1961年美國國家衛生研究院的尼倫伯格(Marshall Nirenberg)發表他們在試管中解出的第一個密碼子,才讓其他人從夢中驚醒,原來黑盒子可以直接用實驗研究。六年後,整個遺傳密碼全部在實驗室解出來,這些遺傳密碼完全出乎之前理論的預期......


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