回顧起來便會發現，在分子生物學興起之前所有的實驗方法對充分瞭解基因來說都完全不適用。從1910年到1950年這一段時間裡越發認識到遺傳的物質基礎是由高度複雜的分子所構成，要取得進一步進展唯一的辦法是更多地瞭解基因的化學。將遺傳的分子基礎無論看成是無定形的顆粒還是當作簡單分子顯然都不合式。基因的研究已不再是傳統的生物學家的問題；它已經成為生物學、化學、和物理學之間的邊緣地帶，而且起初是無人區。在1940年代，當基因問題被各方面的學者認真考慮和研究時，才知道在解決基因的結構方面化學已經走在前頭，做了大量工作（Calms，stent，and Watson，1966）。
到了1880年代中期，一般都認為細胞核是遺傳的基地（見第十六章 ），或者範圍更窄一些，染色體，或者更專門一些，染色質，才是真正的遺傳物質。「染色質」這詞是弗萊明（Flemming）於1879年創用，指細胞核中可以染色的物質而言。這立即引出了染色質的化學性質問題：它是不是一種特殊的和其它物質不同的物質，或者是一種與細胞質蛋白質不同的蛋白質？實際上這問題的答案早在十年前（1869）就由瑞士生理學家和有機化學家米歇爾（Friedrich Miescher，1844－1895）作出，他證明染色質根本不是蛋白質。
米歇爾於1868年在醫學院畢業後，遵照他舅舅，著名的解剖學家和組織學家西斯的意見從事組織化學研究。正如西斯所說，「因為在我自己的組織學研究中我曾經一再表示關於組織的發育的最終問題只能由化學來解決，米歇爾於是決定在著名有機化學家Hoppe－Seyle的實驗室接受博士後訓練，並在1868年復活節抵達德國南部小城吞賓根。」
Hoppe－Seyle建議米歇爾研究「淋巴細胞的組成」，因為它們在醫學上相當重要。米歇爾採用膿作材料，這在抗菌素發明以前在醫院中是很充裕的。他是謹慎、勤奮而又有才幹的青年人，建立了完全新的分離方法並且很快就能夠將膿細胞和膿的其他組份分開。然後他就試圖將膿細胞的細胞質與細胞核分開，分析和測定細胞質的成分。開始時一切努力都告失敗。在他的某次提取程序中所得到的末產物是一種沉澱，不具備任何已知蛋白質的性質。後來他又用高度稀釋的鹽酸洗完整的膿細胞，最後得到的完全是細胞核。因此那未知物必然是來自細胞核。因為細胞質成分的研究走進了一條死胡同，所以米歇爾決定改而研究細胞核的化學。
我之所以比較詳細地介紹這些事態的發展順序是因為後來虛構了一種神話說什麼米歇爾開展他的研究是為了解決遺傳現象的奧秘。完全不是這回事！實際情況不過是一位有機化學家根據他舅舅的意見想為細胞和組織的化學增添一些知識。當閱讀米歇爾的文章時予人印像很深的是他在方法上的獨創性。他總是採用新技術，特別是新的提取與純化程序，由於他的勤奮和智巧，他之所以成為DNA的發現者是完全當之無愧的、我想這樣說也是正確的，即在米歇爾之前，生物化學家採用的是完整組織，而米歇爾則是用分離的細胞；或者甚至是細胞的一部分，例如細胞核。當他分析從細胞核得到的物質時，他發現其突出特點是含有大量的磷。由於這細胞核物質不同於已知的有機物，米歇爾便將之稱為「核素」（nuclein）。
米歇爾於1868年春到吞賓根並在1869年秋末完成了他的發現報告。但是Honne－Seyler並沒有立即發表這篇報告，因為這發現一結果十分出人意外，他決定親自加以審核。當他以及他的一些其他學生的實驗結果與米歇爾在報告中所陳述的完全相吻合時，這篇關於核素的手稿才於1871年春發表。
米歇爾於1871年返回瑞士巴塞爾後，他發現萊因河的鮭魚是核素的豐富來源，因為鮭魚的每個精子就是一個細胞，精子的頭部基本上就是細胞核。米歇爾現在幾乎擁有無盡無休的核素寶藏（他曾開玩笑地說過，鮭魚的睪九提供了成噸的核素）並在第二年專心致志地研究它。他發現核素和一種蛋白質緊密聯繫在一起，他將這蛋白質命名為「魚精蛋白」（Protamine）。他還測定了核素的許多化學性質和物理性質，包括它的實驗式。
十分遺憾的是，在他首次取得卓越成就之後，米歇爾隨後的研究事業走的是下坡路。由於他是一位出類拔萃的人物所以就更加令人惋惜。也許這是由於他是五兄弟中的長兄，具有長子的一切特點的緣故。他提出的問題往往是循規蹈矩的而不是開拓性的（Sulloway）。雖然很快就瞭解到核素就是細胞學家所說的染色質，但是米歇爾從來不把它看作是遺傳信息的載體。他不去提問遺傳學問題而只是提出生理學的或純粹化學上的問題，例如「生物在精子形成時是從什麼地友得到這樣多的磷合成大量的核素？」1872年他公開談起他要研究「核素的生そ學問題，它的分佈、化學結合、它在身體內的出現與消失，它的更新。」
在Carl Ludwig，Julius Sachs，以及西斯的影響下，米歇爾採取當時很時髦的物理主義者的和非常機械的態度看待生物學現象。這可以用他按接觸學說的觀點解釋受精過程作為例子很好地加以說明。「假定卵細胞的性質，和一般細胞比較來說，是由控制其完整結構的一系列因素中某個缺少的一環這種情況決定的，因為在卵細胞中含有其它的一切必需細胞成分。但是當卵成熟時（細胞核中的）魚精蛋白分解生成氮（N）……這個在其它方面完全完好的機器由於缺少一個螺絲就無法運行。精子將這螺絲在恰當的位置再度插入後，就恢復了原來完整的結構。它不再需要任何其它的東西。在某處的化學物理靜止性被觸動或受到干擾時，機器便又開始運轉，每個卵細胞產生魚精蛋白供應鄰近細胞，因而運動就按一定的規律擴展開。」這裡一個字也沒有提到兩個親本配子遺傳物質的結合。米歇爾是如何高度評價純粹機械方面的問題也可以由他所提的問題看出：「不同物種的精子是按什麼方向和深度穿入卵中原生質的？」
米歇爾似乎認為核素的研究比較不怎樣重要便轉向除教學工作以外的其他研究。從1874年到1887年左右這14年時間裡他研究過鮭魚的生活史與代謝，精子尾部的化學，精子頭部詳細形態的結構，蛋黃的化學，瑞士聯邦政府機構的營養問題，人體血液化學的變化與海拔的關係等。給人的印象是他的研究目的是由機會決定而不是考慮科學上的重要性。只是到了晚年他才又回到DNA研究並且在魏斯曼學說的影響下開始提出「正確的」問題。但是時間已經太晚了，因為不幸的是他很快就因肺結核而去世，享年只有50歲。
現在已經知道DNA是遺傳程序的化學基礎，自從沃森（Watson）和克裡克（Crick）在1953年發現DNA的分子結構以後，科學史家非常注意DNA研究的歷史。已經出版了五、六本有關書籍以及某些生物化學通史中的長篇章節。我在這裡只介紹一些重點並側重DNA研究與生物學有關的方面。
米歇爾研究的是分離了的細胞核，即與細胞質分離後的細胞核。這使得他能夠用各種不同的化學試劑來檢試它們與核素的反應。將由此所得到的知識運用於完整細胞自然合乎邏輯。細胞學家Zacharias（1881）首先運用這方法在顯微鏡下觀察細胞對各種試劑的反應。他發現細胞核與染色體對胃蛋白□及稀鹽酸具有抗性，溶於鹼，在鹽溶液中膨脹。所有這些都是米歇爾的核素的特點。其它的細胞成份，例如紡錘絲，並不顯示核素反應，弗萊明（1882）由此得出結論，「染色質報可能和核素完全相同，如果不是這樣，則從Zacharias的工作看來它們就是一個攜帶著另一個。染色質這詞在它的化學實質弄清楚以前是可以使用的，同時它又表示細胞核中容易染色的物質。」
後來Hertwig，Strasburger，Kolliker，以及Sachs也都同意把染色質看成與核素完全相同，至少他們實際上在文章中就是如此看待。這不僅是德國細胞學者的個人意見，因為俄國進化主義者Menzbir於1891年就曾說過。「因此，毫無疑問只有染色質和雙親的特徵傳遞給子女（推而廣之，物種的性狀從一代傳給下一代）有關。」Zacharias的論點也被化學家接受，例如德國化學家科塞爾（Kossel）在1893年曾說：「組織學家所說的染色質基本上就是多少含有一些清蛋白的核酸化合物，在某種程度上可能就是純核酸。」
可是後來有人聲稱早期學者所說的核素是極其不純的核蛋白，是DNA和大量蛋白質的混合物，因而和這些早期學者是否應享有發現DNA是遺傳物質這一榮譽的問題無關。米歇爾和科塞爾的核素確實不是絕對純淨的DNA，但也決不像後來有人所說的那樣混雜有大量蛋白質。這可以從米歇爾和科塞爾提出的實驗式清楚看出：
米歇爾 C29H49N9O22P3
科塞爾 C29H36N9O26P3
DNA （50％AT：50％GC） C29H35N11O18P3
（現在認為是正確的）
米歇爾的樣品可能含有一定程度的水（水合作用），但是無論是米歇爾的還是科塞爾的實驗式都看不出含有蛋白質。如果含有蛋白質，C及N的值相對於P3來說應當更高（這是W．MeClure告訴我的）。
在上一個世紀末威爾遜（E．B．Wilson）在他的名著《細胞學》的第二版（1900）中指出，「染色質可能就是核素。……細胞核物質，尤其是染色質，是遺傳現象中的首要物質，這一點已得到成熟作用，受精作用和細胞分裂的研究結果大力支持」（332頁）。然而他又有些懷疑「染色質究竟能不能真正被看作是像Hertwig和Strasberger所說的那樣是異胞質（idioplasm）或遺傳的物質基礎」（259頁）。
核素發現後不久就有人提出（Sachs，1882）不同的物種的核素在化學上也應當有所不同。早在1871年Hoppe—Sevler就曾指出酵母含有核素，1881年證明高等植物也有核素。1880年代正是系統發生的研究處於高潮的時候，對低等無脊椎動物的核素研究是企圖將會發現某種「原始核素」比鮭魚核素更簡單得多以證明系統發生。當發現海膽的核素和鮭魚的基本相同時這一願望便告落空。
19．1 種質的實質
一旦認識到染色質（大部分）由DNA組成以及染色質就是種質（germ plasm）之後不久，染色體的基本性質究竟是形態上的還是化學方面的這個問題就引起了爭論。生物學家幾乎一致地反對純化學的解釋，說什麼核素在化學上是過於簡單的物質不足以說明種質結構的極端複雜性。波弗利（Boveri，1904）用比喻來說明他的觀點。如果將細胞核比作表，「細胞核的形態涉及表的全部機件，而細胞核的化學至多只能告訴我們這表的齒輪是用什麼金屬製成的」（1904：123）。這就又是瞎子摸象的情況，因為這問題的最終解決是依靠高分子的形態（波弗利的那個時候是不瞭解的）來說明種質的不尋常結構。
在早期的學者中，德弗裡由於同時具有植物學和物理化學的堅實基礎，所以他的觀點是最正確的。他強調指出種質決不可能是簡單的化學物質：「在歷史過程中所獲得的性狀要求有一個如此複雜的分子結構，而當今的化學是完全無法作出解釋的」（1889：31）甚至在他以前Kolliker（1885：41）也曾說過「具有完全相同化學組成的細胞核由於其有效物質（異胞質）的分子結構可能具有不同的效應。」這真是預見性的見解！
到了1880年代末期細胞學者運用他們的方法作出了他們所可能作出的貢獻。他們盡可能具有說服力地揭示了染色質符合遺傳物質的一切要求以及精子的頭部實際上是真正的遺傳物質。至於這些物質在化學上究竟是什麼他們並不特別關心，他們也不注意這些分子的大小和結構。這種情況很特別，因為本來就應該很清楚除非知道了DNA的結構否則它在遺傳中的作用就永遠也無法說明。我在查閱文獻中發現這個問題從來也沒有認真地被提出過，可能就是由於當時還沒有提供回答這問題所必需的數據資料的實驗方法。
到了這個時候問題就由化學家接了過來，在半個多世紀裡探索DNA的本質就完全是化學的事。頭一個要求就是證實核素確實是一種與蛋白質完全不同的物質並且和生物有機體中的其它含磷豐富的物質（如卵磷脂）無關。米歇爾對這些問題還認識不清。為了證實核素的獨有特徵便必須建立純化（提純）核素的方法並保證蛋白質被除掉。Altmann（1889）勝利完成了這一任務並且將這不含蛋白質的細胞核物質定名為核酸。核酸和蛋白質根本不同化學家要比生物學家瞭解得更清楚。一直遲至1900年，威爾遜還以為純核酸通過一系列含磷越來越少的步驟轉變成清蛋白；「它們因不同的生理情況而改變其組成」。
就純DNA的研究來說，研究者在理論上有兩條路可走。他們或者是將DNA分子加以分解而研究其組分；或者是研究DNA整個分子，在192o年代Staudinger創立了聚合物化學理論之後就是按這種方式進行研究。但是，後一條途徑在有機化學的概念結構之內是走不通的，因為有規化學的概念結構在十九、二十世紀交替時是由膠態化學的觀念支配。
在隨後的五十年中核酸研究的兩位著名帶頭人是柯塞爾和列文。生物化學史家對核酸分子化學本質是怎樣逐步闡明的已有介紹（Fruton，1972；Portugal and Cohen，1977）。到了1910年普遍認為DNA分子含有四種鹼：兩個嘌呤（鳥嘌呤和腺嘌呤）和兩個嘧啶（胞嘧啶和胸嘧啶），一個磷酸鹽，一個糖。但是又經過了40年才最後確定這些組分是怎樣聯結的（1953）。
柯塞爾（1853－1927）在Hoppe－Seyler的實驗室中於1879年開始研究核素，並在當年於核素的分解產物中發現了一種鹼、次黃嘌呤。後來他證明這次黃嘌呤是來自另一種鹼（腺嘌呤）並陸續發現和確認其它三種鹼。
1908年列文（1869－1940）開始研究DNA並在不久之後就成為這一方面的領導人。早在1893年柯塞爾就曾指出有一種戊糖是酵母核酸的成分之一，1909年列文及Jacobs檢定這戊糖是核糖。其他研究者從小牛胸腺制各核酸（「胸腺核酸」）並在其中發現了一種特殊的糖。它非常不容易檢定，但是列文及其同事終於（1929）證明它是2一脫氧核糖。多年來都認為核糖是植物核酸的精，脫氧核糖是動物核酸的精。然而後來在胰髒和其他動物細胞中發現了核糖核酸（RNA）。在植物細胞的細胞核中發現了脫氧核糖核酸（DNA）。但是一直到1930年代左右才充分瞭解一切動物和植物細胞同時含有DNA及RNA。細胞化學家對核酸在細胞中的功能認識非常模糊，最經常提到的是作為pH緩衝劑或協助能量轉移。
在本世紀的頭30年中雖然對DNA的化學組成瞭解得不少，但是對DNA分子作為一個整體的瞭解及其生物學功能的認識卻進展很小。在這段時期中自始至終都錯誤地假定這四種鹼在核酸中以等量存在並成為所謂的DNA分子結構的四核甘酸學說的根據。這學說將核酸看作是相當小的分子，分子量約為1500。應當注意的是為了取得DNA的組分，柯塞爾和列文都採用了有機化學中十分劇烈的分析方法。我們現在知道這些方法破壞了實際上是非常巨大的分子。然而在當時按不同方法所得到的小分子量很符合那時流行的膠體化學概念。一直要等到1920和1930年代聚合物化學興起以後才取得新的進展。
19．2 遺傳現象的核酸學說
當DNA是一個相當小的簡單分子的這種看法流傳開來時，認為DNA具有控制發育能力的觀點就逐漸全去了說服力。考慮到發育過程和途徑的極端複雜性，這樣一個簡單的小分子怎樣可能在遺傳現象中以及從受精卵到完全成長的生物有機體的發育過程的控制上具有重要作用？對比來說，含有20種不同氨基酸的蛋白質大分子倒似乎能夠提供無限數量的排列與組合。
不僅僅化學上的理由使大多數生物學家在1900年以後放棄了DNA是遺傳物質的觀點，而且在有絲分裂過程中染色體物質只是在染色質濃縮成染色體時才濃重著色這一現象也使他們迷惑不解。在細胞靜止期中染色體似乎分解成不易染色的展開了的顆粒狀物質（當時還沒有DNA專一性染料）。波弗利早在1888年就曾提到在靜止期染色質從染色體框架中消失而在有絲分裂開始時又重新形成。他的這種看法後來被越來越多的人引用，到了1909年Strasburger認為染色質「可能是遺傳單位載體的營養物……染色質本身不可能是遺傳物質，因為它隨後就脫離染色體而且在細胞核中其含量也因發育階段不同而變化」（Strasburger，1909：108）。Goldschmidt於1920年特別著重指出，「如果按習慣認為染色體中的核素是遺傳物質，那麼就決不可能有某種化學概念能解釋它的多種多樣效應。」貝特森（Bateson，1916）也以同樣口吻聲稱：「認為染色質顆粒（彼此無從分辨，實際上用任何檢驗方法檢查其結構都相同）能夠根據它們的物質性賦予生物以生命的一切特徵的這種假定完全超越了甚至是最有說服力的唯物主義範圍。」
即使在1924年發現了高度專一性的靈敏福爾根染色（Feulgen stain，見下文），在一些制備物（例如海膽的卵母細胞）中也發現其中的細胞核似乎不含染色質。到了1925年甚至威爾遜也放棄了核素是遺傳物質的觀點：「到目前為止正如染色反應所指陳，持續存在的並不是嗜鹼性成分（核酸）而是所謂的非染色質物質或嗜酸物質。在細胞活動的不同階段核酸成分時有時無。」
以為核酸並不是遺傳物質的原因除了一般的有機化學方法的破壞性以及還缺少在有絲分裂的各個階段測定DNA含量的適當方法以外，還有關於化學上相互作用的一些陳腐觀念。植物學家Strasburger（1910：359）就強烈反對將「真正的受精作用看作是單純的化學過程，因而反對任何一種遺傳的化學學說……就我看來，受精的真諦在於具有有機體結構的因素互相結合。」他在1910年說這番話還是情有可原的，因為那時化學過程的幼稚糊塗觀念仍占支配地位，而複雜的、三維高分子概念還沒有誕生。
聚合的高分子新概念有很強的吸引力，因為它似乎滿足了很多機械論生物學家的一切生物性物質「最終都由晶體構成」的古老設想。德國化學家Standinger的聚合物新學說一旦出現Koltsov（1928；1939）就據以推測染色體物質的晶體性質。16年後著名物理學家Schrodinser（1944）提出了他的非週期性振動晶體學說，公開宣稱他是受了一篇文章的影響，這文章的領先作者是Timofeeff—Ressovsky，曾經是Koltsov的助手。
由於聚合的高分子很容易降解成其組成部分，它們的提取要求採用比科塞爾和列文使用的更精細溫和的方法。當採用這類方法、尤其是Hammarsten的瑞典學派的方法時，所得到的產物是「雪白的，具有像火棉一樣的特殊稠度」，和按劇烈提取方法所得到的降解產物完全不同。
研究這樣大的分子需要完全新的方法。當1930年代和1940年代Caspersson及其它人採用了這些方法（超速離心，過濾，光吸收等等）後，出乎每個人意外的是DNA分子的分子量是50萬到100萬，比以前測得的（1500）大兩個數量級。實際上它們比蛋白質分子還要大。這些新發現完全排除了DNA作為遺傳信息載體學說的一個重要反對意見。下一步要求，也是更困難的要求，是尋我一種方法將DNA和蛋白質乾淨徹底地加以分離並用生物學方法論證DNA組分和遺傳性傳遞直接有關。這一任務於1944年實現。
艾弗裡及其同事在研究肺炎球菌的轉化因子時提供了這種證據。人們早就知道肺炎球菌有幾種類型，它們的毒力不同。英國細菌學家F．Griffith（1877－1941）於1928年發現當他對老鼠同時注射活的R（粗糙）型無毒肺炎球菌以及加熱殺死的S（光滑）型有毒肺炎球菌時，很多老鼠不久即死亡，它們的血液中含有活的S型細菌。這一發現表明活的無毒R型細菌從死去的有毒S型菌得到了一些什麼東西從而使無毒的R型轉化成有毒的S型肺炎球菌。後來認為某些遺傳信息被「轉化因子」轉移了。經過多年實驗，艾弗裡，Macleod與McCarthy（1944）成功地證明在無細胞的水溶液中的轉化因子就是DNA。通過一系列非常靈敏的檢驗（免疫反應等等）證明它的確是純DNA而不是像某些艾弗裡的反對者所聲稱的與DNS相眹的有關蛋白質。這DNA溶液對檢驗蛋白質的任何方法絲毫也不顯示反應。此外，艾弗裡及其同事還證明實驗中並不牽涉化學誘變劑因為這特有的遺傳性變化是可以預先知道的。核物質的獨立自主性還由它在轉化了的細胞中自我增殖（自我複製）以及後來的連鎖（linkage）試驗進一步證實。最後，當用高度特異性的□、脫氧核糖核酸□，處理時，轉化因子即完全而又不可逆地失去活性。它的分子量約為5
0，紫外線吸收顯示核酸特有的特徵。
艾弗裡及其研究小組在解釋他們的發現時仍然非常謹慎（也許是過於謹慎！）然而證據是如此充分他們用不著再去證明他們的論點；這時情況已完全相反，該輪到反對派來反駁艾弗裡的論述了。
艾弗裡這些發現的衝擊就像電擊一般。我可以根據我自己的親身經歷來證明這一點。在1940年代後半期的一個夏天我在冷泉港度假。我的朋友和我都深信這已經最後論證了DNA是遺傳物質。著名免疫學家Burnet在1943年訪問了艾弗裡的實驗室後曾寫信給他的妻子：「艾弗裡剛剛完成了一樁非常激動人心的發現，十分直率地說，這決不亞於以脫氧核糖核酸的形式分離了一個純基因」（olby，1974：205）。單在1946年它就是六個重要學術會議的論題。當然，也並不是每個人都改變了態度，穆勒（Muller，1947）就表示極大懷疑，Goldschmidt則遲至1955年還仍然抱有懷疑態度，他在他的名著《理論遺傳學》（1955）中寫道：「我們的結論是……這不能說成是定論或者認為DNA是遺傳物質已經是證實了的事實。」Goldschmidt在寫這書時已是76歲高齡。然而阻力也不限於來自年老的遺傳學家。某些生物化學家，例如A．E．Mirsky，甚至抱有更深的懷疑態度。
懷疑派所提出的問題是轉化因子究竟是純DNA還是和DNA混雜在一起的少量蛋白質，這種混雜的可能性是由Mirsky和某些其它懷疑論者提出的。值得注意的是這些人大都是「噬菌體集團」（Phage group）的成員，包括德爾布呂克和Luria，他們對生物化學都知之不多。雖然他們也都充分瞭解艾弗裡的發現，但仍然沉湎於四核甘酸學說，因而不能相信DNA能夠具有遺傳物質所必需的複雜性。他們的懷疑態度具有相當大的影響因為噬菌體集團在當時的分子生物學領域中佔有支配地位。當他們這個集團自己的兩位成員Hershey和Chase用放射性標記的細菌病毒（即噬菌體）進行實驗並取得肯定結論之後他們最後才改變態度。Hershey－Chase實驗的細節可參考遺傳學教科書。雖然這實驗的分析論證的精確性實際上不及艾弗裡的分析，但噬菌體集團卻將之看作是最後的決定性證據（Wyatt，1974）。
艾弗裡的實驗結果發表後，正如恰伽夫後來所說的，引起了一場真正「雪崩」式的核酸研究熱潮。恰伽夫本人就談到他扔下了手頭的一切工作改而從事核酸研究（Chargaff，1970）。當時只有少數人有資格這樣做。特別是遺傳學家，不論他們對艾弗裡的新發現是多麼熱心，也沒有必需的能力。他們之中有些人缺乏研究實踐這一點也不能證明他們，或至少是年輕的遺傳學者，對艾弗裡發現的重要意義毫不瞭解是有理的。
在隨後的一些年中作出重要貢獻的兩位研究者是恰伽夫和Andre Boivin。恰伽夫證明在任何類型的生物中腺嘌呤A和胸嘧啶T的比值以及鳥嘌呤G和胞嘧啶C的比值總是接近於1（這比值恰好是1及其分子意義顯然不是恰伽夫首先發現的），A＋T對G＋C的比值則因生物種類不同而異。例如，在他早期研究中他發現酵母中這個比值是1．85，在結核桿菌中是0．42。Chargaff的發現徹底否定了列文的四核甘酸假說，按這一假說所有的鹼的含量都應當是相同的。到了這個時候提出新的DNA分子學說的途徑都已打通，時機業已成熟。後來發現恰伽夫所揭示的鹼基配對（嘌呤和嘧啶）是隨後解決雙螺旋結構的最重要線索之一．
應當記住有兩類核酸，脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。在證明它們並不分別限於動物和植物之後，它們在細胞中的作用是什麼以及它們在細胞中是怎樣分佈的問題便提了出來。自從米歇爾那時以來就知道DNA是細胞核獨有的，而且很早就有跡象表明RNA是細胞質中典型的核酸，但是究竟擴散的DNA是否也存在於細胞質中和某些RNA是否也存在於細胞核中則還有爭議。這時所需要的是能運用於完整細胞並能區分DNA和RNA的新技術。換句話說，進一步的進展取決於技術上的突破。1923年細胞化學家福爾根（R．Feulgen，1884－1955）創用了一種新的染色方法（醛反應），後來稱為福爾根染色，對DNA有專一性。運用這種染色方法才得以最後確證DNA只存在於細胞核中（某些細胞器中的特殊DNA除外）。後來花了更多的時間才發現了一種專一性的RNA染色反應（Brachet，1940，1941；Caspersson，1941）。通過這一反應才明確證實RNA存在於核仁和細胞質中。
前一代的細胞學研究使我們能夠對細胞核中的DNA作出定量的和定性的預測：
（1）由於染色質在每次細胞分裂中增殖（複製）後均等地分配，所以經由有絲分裂產生的一切細胞應當會有同等數量的DNA。
（2）由於減數分裂，配子DNA的含量應當是二倍體生物體細胞DNA數量的一半。
（3）根據突變相當罕見這一事實，DNA應當是非常穩定的化合物。
（4）因為在受精時兩種很不相同的DNA彙集到一起，它們必須具有協調一致工作的能力。
（5）考慮到在各個層次，從局部的基因庫到最高級分類單位，所觀察到的遺傳變異數量極其龐大，DNA必須能顯示出極其大量的可能構型。
Boivin及其同事、Vendrely兄弟（1948）創立了測定每個細胞中DNA精確含量的新方法，很快就證實了兩項定量式的預測。他們證明二倍體細胞的DNA含量是單倍體的二倍。後來還發現多倍體細胞的DNA含量恰好是預期的單倍體的倍數。所有這些發現都證實DNA是和染色體結合在一起。進一步研究表明在代謝活動不同的細胞中DNA和RNA的行為也極不相同。例如即使在嚴格禁食的飢餓老鼠中，細胞核中DNA含量一直不變，而在這樣的一些老鼠個體中RNA含量則迅速下降。「DNA的不變性是目前賦予它的特殊功能的自然結果，這功能就是作為物種遺傳性狀的貯存庫」（Mandel et al．1948：2020－2021）。
19．3 雙螺旋的發現
在這些年的研究中對DNA的認識已經取得了長足進展，由此作出的結論往往具有預見性。例如，DNA在代謝上的惰性似乎也證實了基因理論家所普遍設想的基因是「模板」的推論：「邏輯上的結論是基因（在細胞的代謝作用中）用不著『做』什麼，它只是為合成（代謝）提供一份藍圖」（Mazia，1952：115）。DNA在數量上的絕對穩定性完全符合這一假定。
為了回答基因怎樣能夠作為模板這個問題，就必須更多地瞭解DNA分子的結構。這一點已經被很多學者意識到，自從列文以來有些學者已經預料到DNA必定具有縱向線性結構，由脫氧核糖和磷酸（鹼以某種方式與之相聯）的骨架構成。需要研究的問題是這三種分子彼此是怎樣聯結的。只有弄清楚這個問題之後才能夠確定DNA怎樣執行其遺傳功能。特別有三個實驗室都在全力探索這個問題，當它們開始行動時應當說都具有同等的成功機會。其中一個是美國加州理工學院的鮑林（Linus Pauling）實驗室。鮑林曾闡明蛋白質的
a-螺旋結構，對瞭解將分子鍵合起來的作用力曾作出重大貢獻。
另一個是倫敦皇家學院的威爾金斯（Maurice Wilkins）實驗室。威爾金斯及其同事的專長是X射線結晶學，這個小組的Rosalind Franklin曾就DNA的X射線衍射（折射）圖像拍攝了一些非常出色的照片。通過她的研究和其它發現引出了下面一些問題：DNA分子的骨架是直的還是扭曲成螺旋？只有一條螺旋還是兩教三條？嘌呤-嘧啶鹼是怎樣聯在骨架上的？鹼是不是像瓶刷的刷毛那樣聯在骨架的外邊？如果是兩條或三條螺旋，這些鹼會不會在骨架的裡邊，這些鹼又是怎樣彼此相聯的？鮑林和威爾金斯小組所提出的上述問題以及其它一些問題在劍橋大學的沃森-克裡克小組開始研究DNA時還都沒有解決。
這三個小組的前進步伐、錯誤猜想以及所遭受的許多挫折的細節用不著再來介紹，因為這些已講得太多，也有很多精采的介紹（Olby，1974；Judson，1979）。特別值得提到的是沃森比其它研究者更清醒地認識到DNA分子在生物學中的決定性重要意義。正是這種認識，激發他百折不撓地將他的研究推向前進並取得成就，儘管他在技術上是難於完成這一任務的。威爾金斯則一直到1950年還對「核酸在細胞中究竟是幹什麼的」感到很奇怪。
沃森（1928年出生）曾在美國印第安納大學S．E．Luria指導下從事博士生研究。他在該大學和冷泉港瞭解到DNA的重要性，當他的某些研究計劃由於技術上的原因無法進一步開展時便決定去英國從事DNA研究。在劍橋大學的卡文迪什實驗室他碰上了一個性格癖好相同的人、克裡克（1916年生）。克裡克和沃森具有同樣的才華，並且在實驗技術上很內行（這是沃森所不及的），但是至少在開始時他對DNA的重要性的認識並不如沃森那樣清楚。他們兩人對某些方面的知識都很缺乏，然而通過與許多人交談請教、訪問有關的實驗室、並無休止地採用各式各樣的模型進行試驗，他們終於在1953年2月和3月得到了正確的答案。DNA的各種組成分子的拚剪模型大大有助於他們弄清楚DNA分子的三維（立體）結構。
最關鍵的「信息畢特」（bit of information）是恰伽夫（1950）所發現的嘌呤和嘧啶（AT和CG）的1：1比值。雖然這比值已經發現了兩年，但是這三個研究小組多少都一直沒有重視。當沃森和克裡克最後認識到這數值關係的重要意義之後，他們只花了三個星期擺弄他們的拚剪模型就得出了DNA分子的正確結構。
最後的結果（現在每個中學生都知道）是，DNA是一個雙螺旋，兩條帶就像盤旋樓梯的梯級由一系列的鹼基對相聯。四種可能的鹼基對（AT，TA，CG，GC）的順序，正如後來很快就發現的，提供遺傳信息。這信息作為裝配多然和蛋白質的藍圖從而控制細胞分化。沃森和克裡克的雙螺旋如此圓滿地解釋了一切有關事實因而幾乎立即被所有的人接受，包括那兩個與之激烈競爭的實驗室，鮑林的和威爾金斯的實驗室。這就排除了一切關於DNA是否真正是遺傳物質的最後懷疑。
茹在1883年曾認為傳遞遺傳學的基本過程是細胞核分裂成「兩個完全相同的半個」，這樣措詞是將重點放錯了。最重要的實際上是遺傳物質的倍增，然後將之分離到兩個子細胞中去。因此細胞分裂中最關鍵的事態是DNA的精確複製。在發現雙螺旋之前怎樣才能做到這一點完全是一個謎。沃森和克裡克一眼就看清了這一點，正像他們在原文中（相當忸怩地）所說的那樣（1953a：737）：「我們注意到我們所提出的特殊（鹼基）配對立刻暗示了遺傳物質的一種可能的複製機制。」在隨後的一篇文章中他們扼要指出，螺旋解開連同嘌呤和嘧啶鹼之間的鍵斷裂產生了兩個模板作為DNA的複製機制。
瞭解雙螺旋及其功能不僅對遺傳學而且對胚胎學，生理學，進化論，甚至哲學（Delbrhck，1971）都有深刻影響。遺傳型和表現型的問題現在可以用明確的語言說明，對獲得性狀遺傳學說這是一道催命符。雖然早在1880年代和90年代就一再有人懷疑遺傳物質可能和軀體的結構物質有所不同，而且即使1908年創用了「遺傳型」和「表現型」這兩個詞，直到1944年才充分認識它們在根本上是多麼不同。從1953年以後才知道遺傳型的DNA本身並不進入發育途徑而只不過是一套指令。1950年代分子生物學的突破和信息科學的誕生在時間上正好巧合，信息科學中的一些關鍵詞，如程序、編碼。也在分子遺傳學中使用。
編碼的「遺傳程序」一代又一代的經過修飾並且編入歷史信息，成為了一個強有力而又為人們熟悉的概念。這一概念的歷史演變還沒有縷述成文。Hering（1870）和Semon（1904）的「記憶單位」（mneme）概念，雖然起初是用來支持獲得性狀遺傳的，肯定屬於這一範疇。更接近的是His（1901）將種質的活動比作訊息（message）的產生，種質活動的結果當然遠比簡單訊息複雜。遺傳程序作為不動的運轉者（Unmoved mover，Delbruck，1971）的概念是如此新穎在1940年代以前還沒有人理解它。
在全部生物學歷史上還幾乎沒有比發現雙螺旋更具有決定意義的突破。我同意Beadle（1969：2）的評斷：「我曾經說過多次我認為研究出DNA的細緻結構是20世紀中生物學的一大成就，其重要性可以和19世紀達爾文及孟德爾的成就相媲美。我這樣說是因為沃森-克裡克結構立刻說明了它在每一細胞世代中是怎樣複製自己的，它在發育和功能中是怎樣被運用並發揮作用的，它是怎樣經歷作為生物進化基礎的突變性變化的。」
對雙螺旋的了解開拓了一個廣闊的、激動人心的研究新領域而且可以毫不誇張的說由於這一發現的結果分子生物學在隨後的15年中完全左右了生物學。對遺傳現象真正本質的長期研究已告結束。沒有解決的問題越來越多的是生理學問題，涉及基因的功能以及它在個體發生和神經生理學方面的作用。然而傳遞遺傳學的情節已經完結。
傳遞遺傳學的一切發現（在第十七章 已作總結）在主要方面並沒有被分子生物學的發現加以修正。值得提起的是基因細微結構的分析（Benzer發現亞單位）是由經典遺傳學方法而不是生物化學方法取得的。有時能聽到這樣的議論，說什麼由於分子生物學的新的研究路線和方法，傳遞遺傳學已「還原」成分子遺傳學。這種說法完全沒有事實根據（Hull，1974）。早在1880年代就有生物學家認為基因是化學分子，大部分著名孟德爾主義者都同意這一假定。但是在1944年以前這只是一種假說。是分子生物學無可置疑的成就提供了傳遞遺傳學有關現象的化學解釋。DNA的結構（雙螺旋）（1）解釋了基因的線性順序的實質，（2）表明了基因精確複製的機制，（3）按化學觀點說明了突變的實質，（4）指明為什麼突變、重組、功能在分子水平上是可以區分的現象。
分子生物學對我們認識基因功能的影響更大，從而開闢了一個完全新的研究領域。將基因分為幾類，如結構基因、調節基因，重複DNA等，仍然還處於初期階段。核小體（nycleosomes）以及真核生物染色體中各種蛋白質的作用還只是粗略地有所瞭解。內含子、轉位子（轉座子）以及假想的「不活動」（silent）DNA的作用還是謎。幾乎每個月都有新現象被發現同時也提出了新的疑難問題。我們知道的確實很少這一情況也許表明所有這些現象都和基因功能的調節有關。分子遺傳學仍然很像一個未講完的故事。
19．4 現代觀念中的遺傳學
生物學中很少有其它的分支像遺傳學這樣對人類的思想和人類事務具有如此深刻的影響。這是一個很大的論題難以在幾頁篇幅內充分討論，我所能做的只是指出遺傳學思想的某些應用。
早就知道某些人類疾病可能是由於遺傳原因，因為它們往往發生在家族之中。在維多利亞女王的男性後裔中非常流行的血友病也許是最出名的例子。18世紀Maupertuis和Reaumur就曾敘述過多指現象。到了現代已經知道人類有幾百種遺傳病，在很多病例中已經確定突變基因位於哪一個染色體上（McKusick，1973）。
人類遺傳學有三個方面值得特別注意。第一個是某些人類遺傳病表示代謝失調。英國醫生Garrod早在1902年就指出尿黑酸病是由於某一代謝途徑被阻遏引起，這阻遏又是因為某種特異性□的先天缺陷所致（另見Garrod，1909）。雖然Garrod的學說第一次發表時沒有引起重視，但經Beadle和Tatum重新發現後，對生理遺傳學的發展起了重要作用。
人類遺傳學的第二個重要方面是它促使遺傳學家去研究那些具有某種非正規遺傳方式的表現型情況。目前已經相當清楚與精神分裂病直接有關的基因或基因組具有低「外顯率」，這就是說一個人儘管具有所必需的遺傳素質但可能並不表現。具有低外顯率的基因在果蠅中很普遍（TimofCCff－Ressovsky及Goldschmidt皆曾指出），但是由於明顯的原因，遺傳學者都不去研究它。有一些其它基因的表達強度是可變的（例如糖尿病基因），研究這樣的基因同樣可以提高對遺傳方式的認識。
也許遺傳學思想對現代人影響最深遠的是幾乎人類的一切性狀都可能有部分的遺傳學基礎這種認識的提高。這種看法不僅限於體質而且也包括智力或行為特徵。遺傳素質對人類非體質性性狀（特別是智力）的影響是目前爭議最多的生物學和社會學問題。
最後，第三個方面是遺傳學在動植物育種上非常重要。奶、蛋生產是動物遺傳學家所取得的輝煌成就的兩個例子。抗病作物的育種和雜交玉米以及短莖作物的培育是另外的例子。儘管所謂的綠色革命並不像預期的那樣成功，然而它卻提高了（有時甚至是激動人心的成倍增加）許多作物的產量。原始人在成千上萬年過程中努力於提高作物產量所辦不到的事而現代遺傳學卻能在十年左右的時間就能辦到。
任何一個閱讀遺傳學現代教科書的人都會被書中的大量事實和解釋弄得茫無所措。對一個非專門家來說。即使最基礎的教科書所包含的內容也不僅僅只是「你所要知道的遺傳學知識」，實際上是大大超過了你所要知道的。由於現代遺傳學多少已經分成三個或四個基本上獨立的分支：傳遞遺傳學（或經典遺傳學），進化遺傳學（或種群遺傳學），分子遺傳學，生理遺傳學（或發育遺傳學），所以情況更加嚴重。
這種情況對一個想要用很少的文字來總結從1865年到1980年所進行的研究和所發表的文章中所提煉出的重要概念的思想史家來說的確是難於克服的困難。下面是我本人的嘗試，不可否認這只是暫時的，以後還需要修正。
（1）最值得重視和（直到19世紀40年代）完全沒有料想到的發現是遺傳物質（現在知道是由DNA構成）本身並不參與新個體的軀位塑造而只是作為一個藍圖，作為一組指令，稱為「遺傳程序」。
（2）密碼（借助於它將程序譯入個體生物）在生物界是完全相同的，從最低等的微生物到最高等的動、植物。
（3）一切有性繁殖的二倍體生物的遺傳程序（基因組）是成雙的，由來自父本的一組指令和另一組來自母本所組成。這兩個程序在正常情況下是嚴格同源的，共同作為一個單位起作用。
（4）程序由DNA分子構成，在真核生物中和某些蛋白質（如組蛋白）相聯；這些蛋白質的詳細功能還不清楚但顯然協助調節不同細胞中不同基因座位的活性。
（5）由基因組的DNA到細胞質的蛋白質的代謝途徑（轉錄與轉譯）是嚴格的單行道。軀體蛋白質不能誘發DNA中的任何變化。因此獲得性狀遺傳在化學上是不可能的。
（6）遺傳物質（DNA）從一代到下一代是完全固定不變的（硬式），除了非常罕見（百萬分之一）的「突變」（即複製失誤）以外。
（7）有性繁殖生物中的個體在遺傳上是獨特的，因為幾個不同的等位基因在某個種群或物種中可能在成百上千個座位上表現。
（8）這種遺傳性變異的大量儲存為自然選擇提供了無限的素材。
|
