双螺旋中的生命密码

陈文盛

DNA的结构以及它所揭发的生命密码系统，是20世纪生物学最重大的发现。它不但诠释了生命演化及遗传的基本原理，更改变了我们对生命的基本概念，并且为人类打开了一扇主宰未来进化的大门。然而，生命密码的发现也引出了一个难以解答的问题，那就是：它是如何出现的？

掀开遗传因子的面纱

当我们提起DNA研究的辉煌成果，多数人立刻想到华生与克立克的双螺旋模型。实际上，DNA研究的辉煌成果背后还有很多默默的英雄。第一位英雄，瑞士的科赫在1878年前首次发现DNA这种化合物。后来的科学家发现所有的细胞中都有DNA，而且是在细胞核里面。另一方面，比科赫稍早几年，遗传学祖师门德尔，也发现生物的各种特征由一种遗传因子所主宰。20世纪初期的遗传学家比德尔与泰特姆发现，每一个基因主宰一种蛋白质的合成，而每一种蛋白质在细胞中担当不同的结构或功能。生物体的变异是由蛋白质变异造成的，而蛋白质的变异则是源自基因的突变。但是，基因是什么呢？它们显然存在于细胞核中的染色体上。生化学家知道，染色体的成分是蛋白质和DNA。基因到底是蛋白质或者是DNA，还是其他东西呢？

细胞中的蛋白质无论种类、大小与结构都变化万千。它的组成单位有20种之多。相较之下DNA就显得单调多了，它的构造单位只有4种含氮盐基，而且除了这4种盐基之外，别无他物。至于它的结构如何，起初很少人关心，因为大部分的人都以为基因是蛋白质构成的。20世纪中期，新的研究结果才让科学家开始有了DNA是基因的念头，解开DNA结构之谜的竞赛才正式起步。但是，这个竞赛可以说才刚开始就结束了，因为DAN的结构很快就被两个年轻人——23岁的华生和35岁的克立克——解出。构成DNA的4种单位，以线状的形式排列在两条互相缠绕的双螺旋链子上，非常规律和单调。但是DNA如果就是基因的话，它应该是千变万化的，怎么会是这样单调的结构呢？华生与克立克的DNA结构提供了这个谜题的答案。原来基因的变化不是取决于DNA结构的复杂度，而是取决于4个单位的排列组合。就好像26个字母就可以组成无数的英文单词，几种音符就可以编谱出无限的乐章一样，DNA中的4个字母可以排列出所有的基因变化。

遗传密码

上面的答案只解决了一半的问题，因为这样含有4个单位的基因形式，怎么造成含有20种单位的蛋白质呢？华生与克立克的DNA结构无法提供这个答案，但是克立克和其他一些科学家提出“遗传密码”的说法，认为DNA中的ATGC排列顺序是一种密码，还必须再经过一种翻译的过程才能做出蛋白质上的氨基酸序列码。若要用四种核酸编写出20种氨基酸，则每个氨基酸一定要有2个或2个以上的核酸单位来编码。这就像早期用在电报通信的“摩斯密码”一样，用不同组合的长短声编码出26个英文字母。此后，克立克与他人的共同努力证明了他们的想法。基因中真的藏着密码！也就是说，DNA是一种“信息分子”。

经过这半个世纪的研究后，现在我们了解了遗传密码基本上是如何操作的。我们也可以用化学及物理的角度来了解基因。门德尔所描述的遗传因子不外是一串密码排列，突变只是这些密码排列的改变，突变在族群中的遗传造成族群的演化，达尔文进化论的原动力就是来自DNA上碱基序列的变化。今日我们比较各种物种之间的DNA序列。就可以归纳出其亲缘性的远近。亲缘愈接近的物种的DNA序列就愈相似。DNA主宰基因，基因主宰生物体，这是地球上从人类到植物、到细菌病毒，所有的生物自古至今共同的宿命。 对DNA密码的了解，让我们发展出物理及化学的方法来改变它们。我们不但可以有计划地改进我们所应用的生物品种，甚至可以改变我们自己，主宰我们未来演化的方向。这些可能性都来自遗传密码——编排在DNA双链结构中的密码。

DNA密码系统的发现，还蕴藏着一个演化的大谜题。这个谜题就是：这样的密码系统来自何处？细胞如何“学”会用密码储藏遗传信息？用密码储存信息似乎是个抽象观念，好像应该是某种智慧的发明，不像是自然演化出来的产物。但是，所有的研究指出，地球上所有的生物都是来自，同一个起源，大家都具有同样的遗传物质以及基本上相同的遗传密码。所以，这个遗传系统应该早就存在于40亿年前那个共同祖先。这样一个密码系统如何在那原始世界出现、成形，是令现代演化学家伤透脑筋的大谜题，是一个关系到地球生物何来何去的基本问题。

结语

这个宇宙是个谜。DNA的密码解开了一个重要的谜题，同时也显示出下面一个更接近基础面的新谜题。现在我们已经了解到DNA这个信息分子的构造及功能，下一个挑战将是：“它从何而来？”