第五章 对德尔布吕克模型的讨论和检验56

    的确，正如光明显出了它自身，也显出了黑暗，真理既是它自身的标准，也是谬误的标准。


    ——斯宾诺莎，《伦理学》，第二部分，命题43


    40.对遗传物质的一般描述


    由这些事实可以很简单地回答我们的问题：这些由少量原子组成的结构能否长时间经受住遗传物质不断受到的那种热运动的干扰影响？我们将假定基因的结构是一个巨大的分子，只能发生不连续的变化，这种变化就是原子重新排列，导致同分异构的分子。 注20 这种重新排列也许只影响基因的一小部分区域，可能有大量不同的重新排列。与一个原子的平均热能相比，把实际构形从任何可能的同分异构体中分离出来的阈能一定很高，从而使这种转变成了罕有事件。这些罕有事件就是自发突变。


    本章的后面几部分将通过与遗传学事实作详细比较，检验这种关于基因和突变的一般描述（主要归功于德国物理学家德尔布吕克）。在此之前，我们不妨对该理论的基础和一般性质作些评论。57


    41.这种描述的独特性


    找到最深的根底，把这种描述建立在量子力学的基础之上，对于这个生物学问题来说是绝对必要的吗？基因是一个分子，我敢说这样的猜测在今天已经司空见惯了。无论是否熟悉量子论，很少有生物学家会不同意这种猜测。我们在第32节大胆让一位前量子物理学家把它说出来，作为对观察到的持久性的唯一合理解释。随后是关于同分异构现象、阈、W∶kT在确定同分异构跃迁概率方面的重要作用等等的思考，所有这些都可以在纯经验的基础上来介绍，而不必利用量子论。既然在这本小书中我无法真正讲清楚量子力学的观点，而且还可能使许多读者感到厌烦，那我为什么还要如此强烈地坚持它呢？


    量子力学是根据一些第一原理来解释自然界中实际碰到的各种原子集合体的第一种理论。海特勒-伦敦键是该理论的一个独特特征，但并不是为了解释化学键而发明的。它在很大程度上是以一种非常有趣和令人费解的方式自行出现的，是基于完全不同的考虑被强加给我们的。现已证明，它与观察到的化学事实精确吻合，而且正如我所说，它是一个独有的特征，我们对它已经有了足够了解，可以相当肯定地说，在量子论的进一步发展中，“这样的事情不可能再发生了”。


    因此，我们可以有把握地断言，除了对遗传物质的分子解释以外，没有其他可能的解释了。要解释遗传物质的持久性，在物理学方面只有这一种可能性。倘若德尔布吕克的描述失败了，我们将不得不放弃进一步的尝试。这是我想说的第一点。


    42.一些传统的错误观念58


    但也许可以问：除分子以外，难道真的没有由原子构成的其他可以持久的结构了吗？埋在坟墓里数千年的金币难道不是保存着印在它上面的肖像特征吗？金币固然是由大量原子构成的，但在这个例子中，我们肯定不会把这种纯粹的形象保存归因于大数统计。这种说法也适用于历经数个地质时代而没有改变的嵌在岩石中的纯净晶体。


    这就引出了我想说明的第二点。一个分子、一个固体、一块晶体，这些情况实际上并无不同。从现在的认识来看，它们实质上是相同的。不幸的是，学校教学还保留着好多年前就已经过时的传统看法，从而模糊了对实际事态的认识。


    事实上，我们在学校里学的关于分子的知识并没有讲到，与液体或气态相比，分子与固态更加相近。相反，我们被告知要仔细区分融化或蒸发这样的物理变化和酒精燃烧这样的化学变化：在融化或蒸发中，分子被保持着（比如酒精，不论它是固体、液体还是气体，都是由相同的分子C2 H6 O组成的）；而在酒精的燃烧中，


    C2 H6 O+3O2 =2CO2 +3H2 O


    1个酒精分子和3个氧分子重新排列后形成了2个二氧化碳分子和3个水分子。


    关于晶体，我们学到的是它们形成了三向堆叠的周期性晶格，晶格中单个分子的结构有时是可以识别的，酒精和大多数有机化合物就是如此；而在其他晶体比如岩盐（氯化钠，NaCl）中，氯化钠分子是无法明确定出界限的，因为每一个钠原子都被6个氯原子对称地包围着，反过来也是如此，因此把哪一对钠氯原子看成氯化钠分子基本上是任意的。59


    最后，我们被告知，一个固体既可以是晶体，也可以不是晶体，在后一种情况下，我们把它称为无定形固体。


    43.物质的不同的“态”


    现在，我还没有进而说所有这些说法和区别都是错误的。它们对于实际目的来说有时是有用的。但在物质结构方面，必须用完全不同的方式来划定界限。基本区别在以下“等式”的两条思路之间：


    分子=固体=晶体的


    气体=液体=无定形的


    对于这些说法，我们必须作简要说明。所谓的无定形固体要么不是真正无定形，要么不是真正的固体。在“无定形的”木炭纤维中，X射线已经揭示出石墨晶体的基本结构。因此木炭是固体，也是晶体。如果我们没有找到晶体结构，就必须把它看成一种高“黏性”（内摩擦）的液体。没有明确的熔化温度和熔化潜热表明这种物质不是一种真正的固体。加热时它会逐渐变软，最后液化而不存在不连续性（我记得在第一次世界大战行将结束时，在维也纳曾有人给我们一种沥青似的东西作为咖啡的代用品。它坚硬异常，以至于当它出现光滑的贝壳似的裂口时，必须用凿子或斧头将它砸成碎片。但再过一段时间，它会表现得像一种液体，假如把它搁上几天，它会牢牢黏在容器底部）。


    我们很熟悉气态和液体的连续性。可以用“围绕”所谓临界点的方法使任何气体液化而没有不连续性。但这个问题我们这里就不多谈了。60


    44.真正重要的区别


    于是，除了想把分子看成一种固体或晶体这一要点之外，我们已经证明上述图式中的一切都是有道理的。


    这一要点的理由是，把一些原子（不论多少）结合起来构成分子的力，和把大量原子结合起来构成真正的固体或晶体的力本质上是相同的。分子表现出和晶体一样的结构稳固性。请记住，我们正是用这种稳固性来解释基因的持久性的！


    物质结构中真正重要的区别在于，原子是否是被那些“起稳固作用的”海特勒-伦敦力结合在一起。在固体和分子中，原子都是这样结合的。在单原子气体中（如水银蒸气）就不是这样了。在分子组成的气体中，只有每一个分子内的原子才以这种方式结合在一起。


    45.非周期性固体


    一个很小的分子也许可以称为“固体的胚芽”。从这样一个小的固体胚芽开始，似乎有两种不同方式来建立越来越大的集合体。一种方式是沿三个方向一再重复同一种结构，比较乏味。正在生长的晶体所遵循的正是这一方式。周期性一旦确立，集合体的大小就没有明确界限了。另一种方式是不用那种乏味的重复来建立越来越大的集合体。越来越复杂的有机分子就是如此，其中每一个原子和原子团都起着各自的作用，与其他许多原子起的作用（比如周期性结构中的情形）并不完全相同。我们可以恰当地把它称为一种非周期性晶体或固体，并且这样来表达我们的假说：我们认为，基因——也许是整个染色体纤丝 注21 ——是一种非周期性固体。61


    46.压缩在微型密码中的丰富内容


    经常有人问，像受精卵细胞核这样一点点物质，如何能包含一个涉及有机体所有未来发育的精细的密码本呢？一种具有足够的抵抗性来长时间维持其秩序的、秩序井然的原子结合体，似乎是唯一可以设想的物质结构，它提供了各种可能的（“同分异构的”）排列，足以在很小的空间界限内体现一个复杂的“决定”系统。事实上，这种结构中不必有大量原子就能产生近乎无限种可能排列。为了说明问题，试想一下莫尔斯电码。这种电码用点（“·”）、划（“－”）两种符号，如果每一个组合用的符号不超过4个，就可以编成30种不同的电码。如果除点划外再加上第3种符号，每一个组合用的符号不超过10个，就可以编成88572个不同的“字母”；如果用5种符号，每一个组合用的符号增加到25个，则可以编成37529846191405个“字母”。


    也许有人会反驳说，这个比喻是有缺陷的，因为莫尔斯符号可以有不同组合（比如·——和··－），因此不适合与同分异构体作类比。为了弥补这一缺陷，让我们从第三个例子中只挑出25个符号的组合，而且只挑出有5种符号、每种符号都有5个（5个点，5个短划，等等）的那种组合。估算一下，组合数是62330000000000，右边几个零所代表的实际数字我没有仔细计算。


    当然，在实际情况下，并非原子团的“每一种”排列都代表一种可能的分子；而且，密码不能随意采用，因为密码本本身必定是引起发育的操纵因子。但另一方面，上述例子中选择的数目（25个）仍然很小，而且我们只设想了沿一条直线的简单排列。我们想说明的仅仅是，就基因的分子图来说，微型密码精确对应于一个极为复杂的特定的发育计划，并且包含着使密码起作用的途径，这已经不再是无法设想的。62


    47.与事实作比较：稳定程度；突变的不连续性


    最后，让我们用生物学事实与理论描述作比较。第一个问题显然是，理论描述能否真正解释我们观察到的高度持久性。所需要的阈值——平均热能kT的许多倍——是合理的吗？处在普通化学认识的范围之内吗？这个问题很容易解决，我们无需查表就能给出肯定的回答。能被化学家在某一温度下分离出来的任何物质的分子在该温度下至少有几分钟的寿命。（这是保守的说法，一般说来，它们的寿命要长得多。）于是，化学家碰到的阈值必定恰恰是实际解释生物学家可能碰到的持久性所需的数量级；因为从第36节我们得知，在大约1∶2的范围内变动的阈值，可以解释从几分之一秒到数万年范围内的寿命。


    我提供一些数字供来参考。第36节的例子中提到的W/kT，即


    分别产生的寿命是


    1/10秒，16个月，30000年。


    在室温下对应的阈值分别为


    0.9，1.5，1.8电子伏。63


    必须解释一下“电子伏”这个单位，它对物理学家很方便，因为我们可以在脑海中对它进行设想。例如第三个数（1.8）是指，被2伏左右的电压加速的电子所获得的能量正好足以通过碰撞而引起跃迁（作为比较，一个普通袖珍手电筒的电池有3伏）。


    这些考虑使我们可以设想，由振动能的偶然涨落所产生的分子某个部分构形的一种同分异构变化，实际上可能是非常罕有的事件，可以将它解释为一次自发突变。于是，根据量子力学的这些原理，我们解释了关于突变最令人吃惊的事实，它使德弗里斯第一次注意到了突变，这个事实就是：突变是不出现中间形式的“跳跃式”变异。


    48.自然选择的基因的稳定性


    既已发现任何种类的电离射线都会引起自然突变率的增加，我们也许会认为自然突变起因于土壤和空气中的放射性以及宇宙射线。然而，与X射线的结果作定量比较便可发现，“自然辐射”太弱了，只能解释自然突变率的一小部分。


    倘若我们不得不通过热运动的偶然涨落来解释罕见的自然突变，我们就不会惊讶于自然界已对阈值作了成功的微妙选择，使突变必然是罕见的。因为在前几节中我们已经断言，频繁的突变对进化是有害的。对于那些通过突变而获得一种不很稳定的基因构形的个体，它们“极端激进的”（ultra-radical）迅速突变的后代很难有机会长期生存下去。该物种将会抛弃这些个体，并通过自然选择将稳定的基因收集起来。64


    49.突变体有时较低的稳定性


    但我们当然不能指望在繁育试验中出现的、被我们选来研究突变体后代的那些突变体都能表现出很高的稳定性。它们可能因为突变率太高而没有经受住“考验”——或者虽然经受住了“考验”，但在野外繁殖中被“抛弃”了。无论如何，当我们得知有些突变体的突变率确比正常的“野生”基因高得多时，我们一点也不感到惊讶。


    50.温度对不稳定基因的影响小于对稳定基因的影响


    这使我们能够检验我们的突变律公式：


    t=τeW/kT


    （我们还记得，t是阈能为W的突变的期待时间。）我们的问题是：t是如何随温度变化的？从以上公式中很容易找到温度为T+10时的t值与温度为T时的t值之比的很好的近似值


    指数为负，比值当然小于1。升高温度可以减小期待时间，突变率就增加。这是可以检验的，而且已经在耐受的温度范围内用果蝇作了检验。初看起来，结果是令人惊讶的。野生基因的低突变率被明显提高，而一些已经发生突变的基因的较高突变率却没有增加，或者增加很少。这恰恰是我们比较两个公式时的预期。根据第一个公式，要使t很大（稳定的基因），W/kT的值就要很大；而根据第二个公式，W/kT的值增大了，就会使算出来的比值减小，也就是说，突变率将随着温度有相当的提高。（实际比值似乎介于1/2到1/5之间。其倒数2-5是普通化学反应中所说的范特霍夫［van''t Hoff］因子。）65


    51.X射线是如何产生突变的


    现在转到X射线引起的突变率，根据繁育试验我们已经推出：第一（根据突变率和剂量的比例关系），某个单一事件引起了突变；第二（根据定量结果，以及突变率取决于累积的电离密度而与波长无关），为了产生特定的突变，此单一事件必定是电离作用或类似的过程，它必须发生在边长大约只有10个原子距离的立方体的体积之内。根据我们的描述，克服阈值的能量必定是由电离或激发这样的爆炸式过程所提供的。我称它为爆炸式过程，是因为一次电离作用所消耗的能量（顺便说一句，这并不是X射线本身消耗的，而是它产生的次级电子消耗的）有30个电子伏，众所周知这是相当大的。它必定变成了放电点周围大大增加的热运动，并以一种“热波”（原子强烈振动的波）形式从那里散发出来。这种热波仍然能够在大约10个原子距离的平均“作用范围”内提供所需的一两个电子伏的阈能，这并非无法设想，尽管一位没有偏见的物理学家也许会预见到一个略小的作用范围。在许多情况下，爆炸的效应将不是一种有秩序的异构跃迁，而是染色体的一种损伤。如果通过巧妙的杂交，使未受损伤的那条染色体（即第二套染色体中与受损伤的染色体配对的那一条）被相应基因是病态的一条染色体所替换，那么这种损伤就是致死的。所有这一切都可以预期，而且正是我们所观察到的。66


    52.X射线的效率并不依赖于自发突变性


    还有其他许多特性，即使无法根据以上描述预言出来，也是很容易理解的。例如，不稳定突变体的X射线突变率一般来说并不比稳定的突变体高很多。例如，不能期望提供30电子伏能量的爆炸会造成很大差别，无论所需的阈能多一点还是少一点，比如1伏或1.3伏。


    53.回复突变


    有时，跃迁是沿两个方向来研究的，比如从某个“野生”基因变到一个特定的突变体，再从那个突变体变回到野生基因。在这些情况下，自然突变率有时近乎相等，有时则很不相同。初看起来这很让人困惑，因为这两种情况下所要克服的阈能似乎是相等的。但它当然不必是这种情况，因为必须从初始构形的能级来度量它，而野生基因和突变基因的这一能级可能是不同的。（见图12，其中可认为“1”是野生等位基因，“2”是突变基因，其较低的稳定性用短箭头来表示。）


    总之，我认为德尔布吕克的“模型”是经得起检验的，我们有理由在进一步的研究中使用它。