232｜基因（2）：谁确定DNA是基因的载体？

DNA的分子结构并不简单，它就是基因的载体。

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昨天我们讲到，莱文提出的“四核苷酸假说”指出，DNA分子结构过于简单，不可能记录复杂的信息。因此当艾弗里发现DNA是基因的载体时，仍然还有很大的疑虑。

进一步验证的两个方向

想要进一步确定艾弗里的结论，可以从两个方面入手：

• 第一，证明四核苷酸假说是错误的。
• 第二，用更为直接而明确的方法证明DNA就是基因的载体。

今天我们就来聊聊，在艾弗里之后，对于DNA的研究有哪些进展？

查伽夫研究碱基含量

先说查伽夫如何推翻四核苷酸假说。

埃尔文·查伽夫（Erwin Chargaff, 1905—2002）是一位奥地利犹太裔生物化学家，1935年来到哥伦比亚大学工作。这是摩尔根曾经工作过的地方，有着良好的遗传学传统，查伽夫正是在这里对DNA的构成进行了研究。

查伽夫是个严谨的人，在开始研究之前先查阅了大量资料，然后他发现了艾弗里的论文。他立刻意识到了这篇论文的价值，并认同艾弗里的结论。

身为化学家的查伽夫非常清楚，四核苷酸假说属于化学的范畴，非常适合自己大展拳脚。于是他准备通过实验推翻这一错误的理论，从而证明艾弗里的正确。

按照四核苷酸假说，四种核苷酸每种一个、每四个一组，组成一个基本单元，整个DNA分子链条全都是由这种基本单元重复连接构成的。

按照这个结构，DNA分子中四种核苷酸的数量应该完全相等。四种核苷酸是根据其中的碱基区分的，所以四种碱基的数量也应该完全相等。

查伽夫法则的三点内容

很明显，只要证明碱基含量不一样，也就意味着四种核苷酸的数量也不相等，四核苷酸假说也就不攻自破了。于是查伽夫对DNA中四种碱基的含量进行测量，然后总结出了查伽夫法则，主要内容有三点：

• 第一，在所有生物体内，腺嘌呤和胸腺嘧啶含量总是相等，鸟嘌呤和胞嘧啶的含量也总是相等；
• 第二，不同生物的DNA碱基组成是不一样的；
• 第三，在同一生物体内，不同器官和组织的DNA碱基是一样的。

而且查伽夫不是只针对一种动物，他研究的所有生物都具备这个特点。

很明显，查伽夫法则推翻了四核苷酸假说，他的研究证明，DNA的结构不是莱文想象的那么简单，它们很可能是一种结构相当复杂的分子，可以记录复杂的信息，并成为基因的载体。

当然，查伽夫虽然发现了碱基的比例，但并没有真正揭示DNA的结构，这项工作被留给了其他科学家。但无论如何，查伽夫的发现为彻底揭示DNA结构做出了重要的准备。

赫尔希与蔡斯的新方法

而另外两位科学家则使用了比艾弗里更先进的研究方法，更明确地证实了DNA就是基因的载体。

完成这项工作的是美国科学家阿尔弗雷德·赫尔希（Alfred Hershey, 1908-1997），以及他的助手玛莎·蔡斯（Martha Chase, 1927-2003）。

排除法留下的疑问

我们之前讲过，艾弗里的方法是排除法，把细胞里的成分一样一样去掉，然后观察基因传递是否受到影响。

这种方法有一个风险，如果因为技术原因，导致想要去掉的成分没有被彻底去掉，而是有部分残留，自然就会影响实验结果。这个风险也是艾弗里对结论无比谨慎的重要原因。

而不管实验精度提升到什么水平，科学家心中都难免会有一个疑问挥之不去：有没有可能残留的量很小，以当时的检测技术测量不到呢？

选择噬菌体作研究对象

想要摆脱这种疑问，需要另辟蹊径采取其他研究思路，而赫尔希和蔡斯就是这么做的。当他俩进行研究的时候，科学界大部分人认为蛋白质是基因的载体，小部分人认为DNA才是主角。

也就是说，此时他们要进行的研究是二选一，如果有一种东西只有蛋白质和DNA构成，自然特别适合他们进行研究。

然后他们想到了一类叫噬菌体的病毒，噬菌体的结构非常简单，只有一个蛋白质外壳包裹着DNA或RNA。这么简单的结构根本不能自己合成养分，所以只能从细菌身上掠夺。

今天我们知道，噬菌体能附着在细菌表面，然后把自己的DNA或RNA注入细菌，利用细菌里的养分复制、繁殖。

但对于赫尔希和蔡斯而言，他们并不知道噬菌体注入细菌的究竟是蛋白质还是DNA，而他们的目标就是要弄清楚这一点。注入细菌并进行繁殖的一定是基因的载体，只有它们才能启动病毒复制过程。

同位素标记实验的四步

那么，赫尔希和蔡斯怎么完成这个实验呢？

• 第一步，他们准备了两种噬菌体样本，然后分别用放射性同位素标记。一种让DNA带有放射性，另一种则是让蛋白质带有放射性。通过这样的方法，他们就能对不同的成分进行监测。
• 第二步，让两种噬菌体分别感染细菌，也就是让噬菌体把承载自己基因的成分注入到细菌里。
• 第三步，当噬菌体和细菌接触之后，他们用搅拌器产生剧烈震荡，让噬菌体的外壳从细菌上脱落下来。这意味着，留在细菌里的只有那些真正能传递基因的物质。
• 第四步，用高速离心的方式把细菌和脱落下的外壳分离，然后通过监测放射性同位素，得出了明确的结论，DNA进入了细菌，而蛋白质没有。

简单地说，赫尔希和蔡斯明确地证明，DNA就是遗传信息的载体，艾弗里的结论是完全正确的。

诺贝尔奖与蔡斯的遗憾

因为这项重要的发现，赫尔希获得了1969年诺贝尔医学奖，但做出了如此重要贡献的女科学家蔡斯却没能分享这一奖项，这是诺奖另一个巨大的遗憾。

物理学家为何转向遗传学

接下来的研究就涉及到了分子内部的结构。只有搞清楚DNA分子内部结构的排列方式，才能知道它究竟如何记录复杂而庞大的遗传信息。但是研究分子内部结构已经超出了化学家的能力范围，需要物理学家出手了。

问题是，二十世纪上半叶物理学的发展一帆风顺。除了我们在216讲讲过的劳伦斯兄弟这样的特例，大部分物理学家连本职工作都忙不过来，根本没兴趣进行跨学科研究。

那最终是什么让物理学家腾出手来研究遗传学呢？是原子弹。

很多物理学家都预测到，原子弹将是一种拥有巨大威力的武器。但直到原子弹真的被投入使用时，他们才真切地意识到，原子弹让人类拥有了毁灭自己的能力。

这让很多物理学家对研究物理学的意义产生了怀疑。恰好此时遗传学迫切需要顶级物理学家的支持，双方一拍即合。

威尔金斯与DNA照片

在曼哈顿计划中有一位英国物理学家莫里斯·威尔金斯(Maurice Wilkins, 1916—2004)。他在剑桥大学取得了物理学博士学位之后，隐姓埋名参与原子弹研究，能参与如此尖端的项目，足以说明他的学术水平。

而且在求学期间，威尔金斯就已经对DNA分子结构进行了一些研究。因此在二战结束以后，他能非常丝滑地进入这一领域。

对于孟德尔和摩尔根这样的生物学家来说，他们繁殖豌豆和果蝇，然后从这两种生物的外观特征中总结遗传学规律。

而作为物理学家的威尔金斯，研究方法则是直指核心，既然大家已经证实DNA是基因的载体，那我直接给DNA拍照片，不就能了解它们的结构了吗？

X线衍射与影子比喻

给分子拍照片当然难度很大，威尔金斯用到了先进的X线衍射技术。这项技术的原理很复杂，我简单解释一下：

如果我用灯光去照射一个物体，然后对着影子拍一张照片给你看，你大概很难猜出这个物体到底是什么。但如果我用光从各个角度照这个物体，然后把所有的影子都拍照给你看，你或许就能推测出它的样子了。

X线衍射技术也大致可以这样理解，是用X线对分子进行照射，然后形成分子的“影子”的影像。

这项技术有个难点。我们曾经讲过的植物学家罗伯特·布朗发现了布朗运动，也就是分子会不停进行无规则的运动。既然分子在乱动，用X线照射它们得到的影像当然十分模糊。

晶体技术与螺旋结构线索

好在莱纳斯·鲍林（Linus Pauling, 1901-1994）和罗伯特·科里（Robert Corey, 1897-1971）两位科学家发现，只要把分子转化成晶体形式，分子里的原子就会保持相对固定。

他们发明了一种技术，把生物体内的某种分子转化为晶体，这样就符合X线衍射技术的要求了，鲍林也因为这个发现获得了1954年的诺贝尔化学奖。

在这样的基础上，威尔金斯使用鲍林发明的技术拍摄出了历史上一张DNA分子的X线衍射照片。对绝大多数人来说，这张照片晦涩难懂，但在威尔金斯的眼里它包含了非常丰富的信息。

威尔金斯根据照片推断，DNA分子是几根链条缠绕在一起，形成了一种类似螺旋的结构。这确实是一个极为重要的发现，但也达到了威尔金斯能力的极限。他既不能拍出更清晰的X线衍射照片，也不理解这张照片对生物学和遗传学有什么意义。

尽管威尔金斯只在这条路上迈出了一小步，离最终答案还很远，但他还是因为这一发现获得了1962年诺贝尔医学奖。

这是因为威尔金斯的研究吸引了另外三个人，而他们揭示了DNA的真正秘密，阐明了威尔金斯所拍摄照片的重要意义。明天我们继续讲发现DNA双螺旋结构的故事。

总结

美国科学家查伽夫推翻了错误的四核苷酸学说，并提出了查伽夫法则。根据这一法则，DNA的结构有可能很复杂，并承载了遗传信息。

而赫尔希与蔡斯利用噬菌体得到了更为明确的结论，DNA就是基因的载体，赫尔希也因此在1969年获得了诺奖。

此后，物理学家威尔金斯利用X线衍射技术发现，DNA分子是几根链条缠绕在一起，形成了类似螺旋的结构。这些发现都为最终阐明DNA的双螺旋结构奠定了重要的基础。

思考题

你如何看待威尔金斯等人因为对原子弹的忧虑而改变研究方向？欢迎你在评论区留言，把知识分享给我。

好啦，今天的内容就到这里，明天见！