思想史视野中的DNA双螺旋发现

王一方

 

提要:医学史上许多丰碑不仅仅只是技术的辉煌,而且是思想史的楼梯口,由此可以提升学科的精神高度,50年前的DNA双螺旋结构的发现就是这样一个精神“事件”。本文试图穿越生物学实验探究其另一面——思想实验的创新价值;重新审定了物理学对于50年来生命科学的技术和思维引领作用;分析了还原论在DNA之后的价值终结。


  五十年前,沃森、克里克对DNA双螺旋结构的发现无疑是当代医学史上划时代的重大事件,它的意义不仅仅是开启了基因研究的结构性空间,锁定了一段时期里生命科学的研究旨向,同时为基础医学研究开拓了一块巨大的作业面,造就了一代由基因技术探索人类遗传奥秘、疾病本质的技术英雄,而且也引发了人们对医学思想史基本命题与范畴进行深入的思考。这种思考有助于改变人们对医学发现过分平面化的认知与理解。

一、生物学实验与思想实验

  1946年,暮年的爱因斯坦在谈及马赫的《力学史》时指出,科学思想中本质上是构造的和思辨的(二元)性质。他还批评了马赫,“正是在理论的构造的-思辨的特征赤裸裸地表现出来的那些地方,他却指责了理论,比如在原子运动论中就是这样。”在生物与医学实验研究领域里,与原子运动模型相仿的认知模型要算DNA的双螺旋模型了,它不同于疾病的动物模型,后者属于完全客观镜象中的、彻底屏弃思辨的;实证的、或者循证的;具象的、或者具体的;繁复的、而非简约的建构体,作为实验研究对象,它是“一元论”的,缺乏思辨,甚至排斥思辨的介入。尽管这种介入在早期(假说形成阶段)是十分有益的,爱因斯坦称之为“思想实验”,而并非一定就会遁入哲学上的“唯心主义”迷途,但是,生物学实验圈的价值板结却一直未能跳出“一元论”的束缚,沃森-克里克DNA双螺旋模型的天才建立(以推导解决了化学链的匹配与缠绕路径问题),并且被公认为自然奥秘的发现成果(如今看来是粗糙的,许多细节是后来补充的,但基本结构与特征仍是无可质疑的),是“自达尔文的书问世以来生物学领域中最轰动的成就”,应该让死守“一元论”的人们以警醒,生命现象的研究者不应该仅仅只是实验室里生命图景忠实的观察者与记录者,而应该借助人类思辨与智慧的魅力实现创造性的观察、记录与解释。在主、客观两个实验室里同时向科学的深处掘进。
  从DNA双螺旋模型的首次发表,迄今已有50年了,当年荣膺诺贝尔奖的喜悦与辉煌也化作了历史的丰碑,今天,我们回首历史,不必再沉浸到加冕与狂欢的现场之中,去回味往昔的兴奋,而应该潜入思想史的精神隧道,开掘出对未来富有启迪的认知“天窗”来。这对于今天的人们来说,是另一次未完结的“思想实验”,一次新的“精神长跑”。在既往满是荣誉星光的天穹捅出一个“天窗”来,是需要批评的勇气的,需要有“坚不可摧的怀疑态度和独立性”,包括对DNA双螺旋模型细节与反向的批评和自我批评。在沃森的自述《双螺旋——发现DNA结构的个人经历》一书的导言中,史蒂文 琼斯不无尖刻地写道:“该书从遗传的构成上推导遗传的机制,它的基础是理论,而不是实践,是物理,而不是化学(仅仅是化学也是不够的)。曾几何时,遗传学本身的确有变成数学的一个分支的危险。现代统计学主要是在分析杂交试验中发展的,到了沃森和克里克时代,遗传学的一个分支——群体遗传学已经退化到单纯追求精致的地步,而根本不接触实验。”在1953年的一次关于DNA结构的学术会议上,沃森再一次感受到他的竞争对手莱纳斯 鲍林有着超乎自己的化学直觉,在这次会上,莱纳斯提出了一个重要观点——DNA的鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)碱基对是由三个氢键结合在一起的,这比克里克与沃森在那篇最早的《NATURE》论文中提出的要多一个。那时,他们并不知道鸟嘌呤的精确结构,认为第三个氢键也许比前两个要弱很多,因而将其剔除了,后来的实验显示出富含GC的DNA样品的热稳定性很高。在DNA双螺旋结构被发现的50年间,这类不断的纠错与提升的案例太多了,许多是竞争对手间的“竞合”提升。DNA双螺旋的发现史,未能脱开“竞争”、“征服”、“加冕”、“狂欢”的科学正剧模式,但是,它的续篇却是“峰回路转”,充满了科学英雄征服后的忐忑,加冕后的窘迫,狂欢后的苦闷,这也说明,科学的探索是无限延续的,不象珠峰登顶一样,征服尔后折返。要永远虚怀一份敬畏之心,开放之心,谦逊之心,去恭身面对全新的自然奥秘。 

二、物理学对生命科学的引领作用

  DNA双螺旋结构的实证论据来自于弗兰克林和威尔金斯的X衍射图,主要研究者克里克早年在伦敦大学学习物理学,二战期间在英国海军部供职,曾对战时雷达性能的改进做出过重要贡献,战后,在薛定谔《生命是什么》一书的感召下转向生命科学的研究,沃森虽然早年学习动物学,但治学上喜欢左顾右盼,打斜井,对物理学有所旁及,进入DNA研究后还临时抱佛脚读了一本X衍射的教科书,具备看懂X衍射图的理论基础,他拿的是美国的奖学金,却呆在哥本哈根的赫尔曼研究所攻生物化学,中途又转至剑桥佩鲁兹实验室从事X衍射晶体学方面的研究,他的师友与同事中,能开列出一打著名的物理学家,其中不乏物理学诺贝尔奖得主,如英国物理学家劳伦斯 布拉格(1915年获奖),德国理论物理学家马克斯 德尔布吕克(1969年获奖),创立DNA测序方法的美国物理学家沃尔特 吉尔伯特,因此,DNA双螺旋结构的发现和完善与其说是生命科学的突破,不如说是生物学与物理学、物理技术的共同突破,因为在这场发现与发明的探索历程中,物理学、物理学家、物理技术是重要的,不可或缺的参与者,关键技术的发明者,这不同于一般意义上的多学科知识杂合,而必须要承认物理技术在技术突破中的“扳机”效应与“拐杖”价值,它们作为技术的“钢筋”而非“水泥”存在于探索过程之中,生命科学不仅仅整合了这些理论、技术与人才资源,很显然还对其具有技术依赖意义、模型示范意义、研究类型意义,而且不仅仅只是技术引领,还有思维认知的引领,无庸讳言,生命科学的理论研究的成熟度远不如物理学,譬如格里菲斯的基因复制理论,这种理论认为,基因复制需要一个补体(负本),其形状和原体(正本)表面上吻合,就像锁-钥关系,一种典型的机械模型。这种互补体合成的基因复制机理直接影响到沃森-克里克DNA双螺旋模型的碱基排序、配对及分子间引力的计算。
  回顾百年医学史,以物理技术(声光电磁)的渗入为标志,现代医学已经不再是职业医师与医学家的医学了,成为多学科精英们探究生命现象与本质的科学竞技场,沃森的导师,1969年诺贝尔生理学或医学奖得主之一卢里亚,虽然他早年受过系统的医学教育,后来却迷恋物理学的革命性激荡,兴趣转到放射学与生物物理学领域,他在自传《老虎机与破试管》中坦言,他一直对职业医师兴趣索然。1979年获奖者也是一位物理学家,,叫柯马克,完全是非常偶然地闯入了医用X射线研究领域,从体内X射线减量联想到体外X射线的减量,提出以不同角度做X射线照射可能测完内部结构。计算机专家洪斯菲尔德在与柯马克没有横向联系的情况下完成了电子计算机X射线断层扫描摄影仪(CT)的设计,与柯马克分享了当年的诺贝尔奖。20世纪的下半叶,诺贝尔生理学或医学奖就多次落入非医学专家囊中,这在物理学、化学奖颁奖史上是十分少见的。

三、有机生命与无机物质的拐点

  史蒂文 琼斯曾无限感慨的说:达尔文将人类从顶端处拉了下来,DNA将人类的面孔碾碎成生物学意义上的浆汁。这个过程不过一百年光景,如今,从宇宙、生物圈、动物王国、植物王国,到人类的层析式认知,躯体、器官、组织、细胞、亚细胞、DNA、基因片段 还原论的洋葱皮已经剥到“芯”了,有机生命与无机物质的分水岭就在眼前,从生物碱基转变成有生命表达的基因片段,DNA的合成与复制,标示了生命的拐点所在。随后也迎来克隆技术的诞生,尽管人们可以希冀基因技术将会带来医学革命,通过替代有缺陷的、危险的DNA能够治愈人类的遗传病,延缓衰老,对抗癌症、糖尿病等等医疗奇迹,但是也把人们拖入由克隆人带来的恐惧之中,基因工厂、基因工程除了给人类造福之外,还将给人类带来何种危险与灾难,不得而知。基因密码的“黑匣子”的背后已经不仅仅只是技术命题与技术纠错了。它涉及到社会、心理、伦理、乃至政治、历史、文化传统的诸多冲突与失重,将面临由基因再造引发的社会心理、伦理再造,乃至文化再造。这是新技术的魅力,也是新技术的魔力,科学是一把双刃剑,在20世纪,核子技术的应用已经敲响了警钟,基因技术也应该在飚升中寻求安妥与平衡。 
    总之,DNA双螺旋结构的发现以及随后的基因突破已经抵达到有机生命与无机物质的拐点,或许这可能算是还原论盛行200年以来价值向度与惯性上的最后一次辉煌了。还原论在生命科学领域里所承担的认识掘进的使命大致已经终结,就像当年恩格斯在他的《自然辩证法》一书所预言的那样,科学的分析时代必然划向综合时代,还原论作为分析时代里的“柳叶刀”,刀尖已经刺到骨膜了,下一刀该往哪里扎?是否该回腕旁出了。在我看来,生命科学的下一个攻坚堡垒应该是脑科学的玄密,智者通玄,如意识的形成,神经-内分泌、皮层-躯体、生物-心理-行为-社会的多元整合与系统协同机制,大概探索的路途不会像还原论者抄一把快刀顺势剥“洋葱皮”那般轻松吧。

 

2003年7月6日加入