20世紀20年代至40年代物理學界出現(xiàn)了一批著名學者,薛定諤便是其中之一。
薛定諤的“副業(yè)”
1926年從1月到6月,不到半年的時間,薛定諤連續(xù)發(fā)表了6篇關(guān)于量子理論的論文。其內(nèi)容囊括了量子理論、光譜學、物理光學等眾多物理學領(lǐng)域,概括了以往理論物理的成就和實驗,建立了薛定諤方程、薛定諤函數(shù)、創(chuàng)立了波動力學體系。當時一位著名的物理學家曾感嘆:在理論物理學中,還有什么比薛定諤在波動力學方面最早發(fā)表的那6篇論文更為壯觀的呢?這些成就構(gòu)成了薛定諤科學生涯中最輝煌的時期。為此,他與另一名物理學家獲1933年諾貝爾物理學獎。
然而,就是這樣一位集理論物理之大成的物理學家,在他的晚年另辟蹊徑,搞起了“副業(yè)”。1944年這位57歲的物理學家轉(zhuǎn)向生命科學,一一本《生命是什么》的小書震驚了西方科學界。一位功成名就的物理學家冒著可能被生物學家恥笑、被物理學家同行認為不務正業(yè)的風險,去探索另一門不熟悉學科的問題,這除了因為生命科學所具有的無限魅力使薛定諤為之傾倒之外,還因為他從祖先那里繼承了追求科學完美統(tǒng)一和相信科學之間一定是想通的這樣一種信念。
薛定諤是怎樣用量子力學的觀點來解釋生命的呢?首先,他提出作為遺傳物質(zhì)的基因,在外界無序干擾中能保持高度穩(wěn)定,是因為有一種相當于原子之間的一種鍵使它們穩(wěn)固地結(jié)合在一起,組成基因元素的排列濃縮了涉及生命未來發(fā)育的“遺傳密碼”,基因突變實際是由于基因分子中的量子躍遷引起的。這種躍遷變化相當于原子的重新排列,因而導致形成一些原子總數(shù)不變而原子結(jié)構(gòu)排列不同的物質(zhì),新的基因則表現(xiàn)為組成基因的元素數(shù)量不變,而元素排列結(jié)構(gòu)不同。這里薛定諤引入了“遺傳密碼”的概念來解釋遺傳信息的物理基礎(chǔ),這是最早的分子生物學對有關(guān)遺傳信息的解釋。
薛定諤提出“遺傳密碼”這一名詞后,遺傳密碼究竟是什么,科學家們并無明確的、具體的實物概念。
DNA——脫氧核糖核酸的奧秘
薛定諤的的《生命是什么》這本小書,吸引了年輕的生物學家沃森和物理學家克里克。由于共同受啟于薛定諤的思想,沃森和克里克用相似的觀點來探討生物學??死锟耸莻€物理學家,對遺傳學的興趣,使他熱衷于蛋白質(zhì)的研究,而且由于他是知識背景,他的主要興趣在于用物理方法把基因和生物學功能聯(lián)系起來。沃森是一位生物學家,對遺傳學的偏好使他急于了解遺傳分子的結(jié)構(gòu),弄清基因在分子水平上是如何活動的??死锟说哪且惶籽芯克悸穼ξ稚瓉碇v十分新鮮,而沃森的學識造詣又使克里克增加了對遺傳學思考的興趣。沃森和克里克從共同的興趣,不同的研究角度開始了他們的合作,他們選擇研究的目標也表現(xiàn)出極大的與眾不同,側(cè)重研究的是DNA,而不是蛋白質(zhì)。
沃森和克里克于1953年4月向公眾捧出了一座漂亮的DNA分子模型——DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型,從遺傳學、生物化學和結(jié)構(gòu)學上解釋了遺傳物質(zhì)儲存和傳遞遺傳信息的機制。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)一經(jīng)發(fā)現(xiàn),科學家紛紛把注意力集中到DNA上來,圍繞DNA的復制、密碼的破譯、傳遞等問題,大批的分子生物學家被吸引過來,不僅生物學家,還有相當數(shù)量的化學家和物理學家也加入生物學的研究行列。
薛定諤作為分子生物學的先驅(qū)之一,是諾貝爾獎獲得者;沃森和克里克作為分子生物學的開創(chuàng)者也獲得了諾貝爾獎;在這之后的分子生物學的發(fā)展過程中,由于分子生物學研究成果,獲得諾貝爾獎者達30名以上,在諾貝爾獎下,集合了一大批生物學界的科學精英。
擰麻花的大學問
沃森和克里克建立的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型外形很像天津的大麻花。組成單股麻花的主干是一種叫“核苷酸”的化學物質(zhì),由許多核苷酸“手”牽“手”連成一股“麻花”,這單股“麻花”的每個核苷酸又伸出一個“小鉤”,這個“小鉤”是核苷酸帶的堿基,兩股“麻花”上的核苷酸互相伸出的“小鉤”,把兩支單股的“麻花”鉤在一起,再擰成螺旋形的“大麻花”,這就是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。
有人用X射線衍射DNA分析結(jié)果指出:在DNA主體結(jié)構(gòu)中,堿基在其內(nèi)部,互相之間距離很近?!奥榛ā彼频?/span>DNA結(jié)果模型中,雙股“麻花”是靠堿基“鉤住”,再螺旋式旋卷,堿基被兩股“麻花”夾在中間,自然是在DNA結(jié)構(gòu)的中間并相距很近。在DNA分子中核苷酸的堿基有4種,分別用A、T、C、G表示。生物學家查伽福測得堿基A和T之比與C好G之比都是1:1,也就是講堿基A有多少堿基T一定與之相配也有多少,C好G也是如此。另外數(shù)學家在計算DNA中堆集在一起的堿基之間有相互吸引的趨勢,這個計算結(jié)果與查伽福的1:1的結(jié)果應該是同一事實。即:堿基是配對的。而擰麻花似的DNA結(jié)果模型正是基于這樣事實,靠堿基A和T,C和G之間的吸引力,以1對1的方式把兩股“麻花”擰在一起,這一點也與生化學家和數(shù)學家的結(jié)論相符。
其次,擰麻花的學問在解釋后來的DNA復制和轉(zhuǎn)錄、遺傳密碼上顯示了更大魅力。DNA作為遺傳信息的攜帶者,所有的遺傳信息都必須準確無誤地由母細胞傳遞到它的“孩子”子細胞中去,誰來保證它的準確無誤呢?是“堿基配對”,堿基A只能和T對應,C只能和G配對,沒有合適的搭配,兩股核苷酸“麻花”之間的堿基是不會結(jié)合的。當DNA開始傳遞遺傳信息時,先是雙螺旋解開成兩條單鏈,然后由它們的堿基“認親”,A找T,C找G,分別在散開的兩條單鏈上配上對子,由堿基帶著核苷酸一個個被安裝到兩條單鏈上并串接起來,因為堿基配對的固定性,散開后的單鏈上必然還是配上和原來另一條單鏈上一樣的核苷酸堿基。這樣兩條散開的單鏈都分別復制出了一條和原來完全一樣的新鏈。這就是DNA的復制,復制后的DNA的核苷酸排列順序依舊,所有的遺傳信息能隨DNA的準確復制,被傳遞到新形成的子細胞中去。
遺傳密碼在“麻花”上是怎樣得到合理解釋的呢?像電報密碼一樣帶有4種不同堿基的核苷酸類似電報密碼的10個阿拉伯數(shù)字,電報每4個數(shù)字為一個密碼,而核苷酸每3個為一個密碼,每一個密碼表達一種氨基酸,由氨基酸按不同次序“手”拉“手”組成氨基酸鏈,再由氨基酸鏈纏繞形成蛋白質(zhì),蛋白質(zhì)再表現(xiàn)出各種遺傳特征。組成“麻花”主干的DNA核苷酸的排列順序就是遺傳密碼,從1961到1969年科學家花了約10年時間,把64種密碼破譯出來,經(jīng)克里克的設計,排列出代表20種組成蛋白質(zhì)的不同氨基酸的遺傳密碼表,這個表稱為可以與化學元素周期表媲美的生物遺傳密碼表。(《叩開生命之門》)
基因中是怎樣蘊藏著陰陽(原理)的
在生物化學中,DNA 呈雙鏈“麻花”式結(jié)構(gòu),可以說呈現(xiàn)的是一陰一陽式的配對。每條單鏈上有4個堿基,它們是:A、T、G、C。
A:腺嘌呤核苷
T:胸腺嘧啶核苷
G:鳥嘌呤核苷
C:胞嘧啶核苷
其中的奧秘是一條鏈上的嘌呤堿必須與另一條鏈的嘧啶堿相匹配,就是“手”牽“手”,A-T
A、T、G、C其中每3個組合稱為密碼子,若干密碼子排序后,帶有遺傳信息的DNA片段,我們稱為“基因”。
那么,基因怎么生成的呢?它就是一陰一陽變化出來。至此,我們會想起“老子”的那段話:一生二,二生三,三生萬物。對照陰陽(原理):基因中,堿基為一,嘌呤和嘧啶為二(一陰一陽),密碼子是三個堿基組成的為三,三個密碼子排序后,就是基因,基因可以復制(拷貝)出萬千。所以,陰陽(原理)我們在生命科學中的最基本層面上也能找到它。
多余的幾句話:在《易學》系統(tǒng)研究中,應該倡導去“玄”化。陰陽(原理)是宇宙的根本大法,是自然法則。先賢們通過反復觀察自然“悟”出的大道理,它對任何事物都具有普適性。從基本粒子,生命科學,宇宙演化都是適用的。有人還探討過“陰陽說”與“矛盾說”的差異,筆者認為,這是非??扇〉?。