把生命理解成化学

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把生命理解成化学

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把生命理解成化学

阿瑟·孔伯格
Mingjie Cai译

(本文是诺贝尔奖金获得者Arthur Kornberg教授1982年10月12日在美国哈佛医
学院建校二百周年纪念会上的演讲。)

  首先,我想为哈佛医学院在医学科学上所作的贡献而表示我个人的感激之情。
这些贡献不仅丰富了我的科学生涯,而且增进了整个人类的健康。就此机会,我
也对能有幸参加这样一个令人高兴的二百周年纪念活动而深表谢意。身临此地促
使我对医学科学的历史和未来作了一番思考。关于历史方面的问题我将从哈佛医
学院的第二个世纪---我们生活的二十世纪开始谈起。

  二十世纪的头二十年是微生物猎手称雄的时代。他们的显赫地位其后又被维
生素猎手取代了二十年之久。接下去的二十年,即四十年代和五十年代,是酶猎
手的兴旺时期。八十年代以前的二十年中,基因猎手们又风靡一时。本世纪剩下
的二十年到底鹿死谁手,尚无定论。不过神经生物学家,权且称为头脑猎手吧,
将很可能独占螯头。关于这一推测我后面还要谈到。

  在这一段历史时期内,一个又一个医学学科走马灯似地变换着主导地位,而
研究和教学则是在不断增多的相互独立的学系里进行的。四十年前,当我在医学
院里做学生的时候,还只有解剖学系、细菌学系、生理学系、生物化学系和药学
系。这些学系之间的关系象那时的、现在依然故我的物理学系、化学系和生物学
系之间的关系一样疏远。那个时候,遗传学系和神经生物学系在医学院里尚未问
世。这些学科和学系是由何而来的呢?

  路易·巴斯德,这个上世纪医学科学的巨匠和微生物猎手的先驱是化学出身
的。而微生物猎手以及酶猎手并非是以维生素猎手为导师。即科学中的新兴运
动并非是直接从已经确立的学科中进化而来的,即使它们有什么联系也是十分松
懈的。今天的情况则在根本上发生了改变,多种医学中的基础学科汇流在一起形
成了一个单一的学科,以致于所有有关学系中的研究和教学都变得无法分割,甚
至无法分辨了。

  这种汇集的最引人注目的例子就是基因工程。它把生物化学、遗传学、微生
物学和生理学集为一体。这一新兴的基因化学的价值是如此巨大,实在无愧为人
们赋于它的“革命性进步”的称号。但是,另一个尚未引起注意的,更基础的医
学各学科的汇集甚至是更具有革命性意义。由于它没有姓名,没有旗号,没有显
而易见的经济应用前景,这一医学基本学科的汇集尚未被人们所认识。但是我相
信,今后会证明它的影响比起著名的狩猎微生物、维生素、酶和基因战役的影响
是更加意义深远的。

  当前这一基础医学学科的汇集之所以出现,最主要是因为它们具有共同的语
言,这就是化学语言。这些学科中最具有描述性的解剖学和最抽象的遗传学,现
在都表达成化学。我们现在所看到的和研究的解剖学是一幅包括了中等大
小的分子、大分子的聚集体直至细胞器和组织的渐进图。正是这些大大小小的分
子组成了有功能的生物体。遗传学的变化甚至更大。当遗传现象是否由已知的物
理学原理操纵的这一命题作为正经的问题提出来时,也只不过是四十年前的事情。
而今天我们则以一目了然的化学表达法来了解和研究基因、遗传现象和进化问题。
染色体和基因可被分析了、合成了、重新安排了。新的物种也可随心所欲地创造
出来了。一旦对染色体的结构与功能有了更深刻的认识,由此产生的对医学和工
业的影响将会远远超过我们从现在用的基因方法大量生产稀有的激素、疫苗、干
扰素和酶的成功所能得到的想象。

  然而,作为所有医学科学根基的化学的重要性还未被广泛认识。即使在医生
和科学家的圈子里,没有认识到这一浅显道理的仍然大有人在。物理学家对化学
向来不屑一顾,也不胜其烦。战后时期将注意力转向遗传学和生物学的那些物理
学家们总希望避开生物化学为好。生物学家固然知道是酶决定了细胞的形状、功
能和命运,但他们对酶的多重性和化学复杂性望而却步,因而对生物化学也尽量
绕道而行。事实上,被称作为生物物理学的这一门学科,一度就是那些对生物化
学感到不开心的生物学家和物理学家们的藏身之地。

  “最好通过化学来生活”,这是杜邦(Du Pont)公司在持续数年的广告战中
一直沿用口号。这一口号的寓义无非是告诉公众:塑料、除草剂和其它工业化学
品对于我们个人与社会的美满幸福所能起到的作用,虽然我不了解这条广告在激
发民众对化学和杜邦公司本身的好感上取得了怎样的成功,不过,我的确了解的
是,无论是这个广告运动还是我们的公共教育体系,包括优秀的NOVA电视节目,
都没有教会大家懂得生命实际上是一个化学过程。他们没有清楚地向公众阐明,
人类的形态和行为就如同它的起源,它与环境的相互作用和它的命运一样,都是
由一系列各负其责的化学反应来决定的。

  我所说的医学科学的汇集最早是由于路易·巴斯德的天才而崭露头角的。巴
斯德是一个化学家,他年纪轻轻就初试身手---阐明了具有相同化学结构的酒石
酸由于其物理学上的不同而分为两种分子,即镜象对映异构体。

  巴斯德创立的“疾病的菌源说”带有他化学基础和思想方法的烙印。他力图
把疾病问题简化为基本的成分。他的实验途径是先将致病因子纯化为单一的形式,
然后用纯化的因子再生疾病。因而可以说,由巴斯德创立的微生物学和免疫学是
由化学中脱胎而来的。实际上,在1911版的大英百科全书上刊载的有关巴斯德生
平的权威传记将他称为法国化学家,并誉为是公认的当时化学运动的最伟大的领
导者。

  在巴斯德的科学生涯中有一个严重的瑕疵。他阐明了是酵母细胞导致了酒精
发酵,即蔗糖在厌氧条件下转变为乙醇和二氧化碳。之后,他又试图用酵母的抽
提液来完成同样的功能,但他未能如愿。因此他下了这样的结论:除活细胞之外,
其它一切东西都不可能进行这一极为复杂的化学反应。正是由于巴斯德的自信心、
说服力和影响力,使进一步研究无细胞系统的乙醇发酵的努力被大大地泼了冷水。
从此生机论变得根深蒂固,现代生物化学的出现被延迟了三十年之久。

  只有到了本世纪初,慕尼黑的爱德华·布希纳(Eduavd Buchner)才于无意之
间发现了破碎的酵母细胞的发酵现象。本来他是用糖来保护酵母抽提液不至发生
重复免疫反应,不料却发现了令人讨厌的发泡现象。进一步的研究使他阐明了糖
被酵母液裂解所分解的产物---乙醇和二氧化碳。巴斯德的运气不佳,他所用的
巴黎酵母是蔗糖酶缺陷型,这是一个催化蔗糖糖代谢的起始反应的酶。布希纳则
吉星高照,他的慕尼黑酵母抽提液中尚有相当量的这种酶保存着活力。

  我正在讲的酶猎手并不是微生物猎手的直接后裔。生物化学这门科学并不是
象有人想象的那样由有机化学衍生而来,尽管糖和氨基酸等底物与酶反应的产物
都是通过有机化学的方法制备和鉴定的。确切地说,生物化学是从农学院和医学
院的生理系和营养系脱胎而出的。借助于生物化学,人们可以如愿明白许多细胞
功能的化学基因,例如发酵、光合作用、肌肉收缩、消化和视觉等。

  接一来的问题是:基因化学也就是大家常说的基因工程的起源是什么呢?
DNA、基因和染色体的分离、分析、合成和重排通常被认为是分子生物学的成就
和领地。好吧,就算如此,那么什么是分子生物学?它的起源又是什么呢?如果
把讨论的焦点集中在DNA的分子生物学,这里我可以列举几个不同的来源。

  第一个起源来自医学。艾夫里(Oswald Avery)以自己毕生的精力不屈不饶地
探索肺炎球菌肺炎的控制问题,有史以来第一次证明了DNA是储存遗传信息的分
子。

  第二个起源来自生物遗传学。微生物学家,其中有些是叛逃的物理学家,选
择称为噬菌体的小小的细菌病毒为研究对象,阐明了主要生物大分子DAN、RNA和
蛋白质的功能。

  第三个起源来自生物分子的细微结构化学。蛋白质的X光衍射图谱提示了其
三维空间结构。DNA的衍射图谱使我们了解了它的螺旋结构和它的复制与功能。

  第四个起源来自生物化学,即核酸的酶学、分析和合成。核酸酶将DNA拦腰
斩为基因并分解成组成构件。聚合酶则把它们组合在一起,连接酶把DNA链连成
基因,又将基因连成染色体。正是由于这些酶的存在才使得基因工程切实可行。
这些酶在细胞内是用来催化基因和染色体的复制、修复和重排反应。

  因而归根到底,现今分子生物学的成就仍属化学。大多数的分子生物学家操
作着这种特殊形式的化学而没有认识到它就是化学。

  但是,尽管已有了非同小可的业绩,分子生物学在回答一些细胞功能和发育
等深刻的问题时仍然是张口结舌的。是什么控制了基因的重排以产生抗体?是什
么决定了一个原始细胞发育成脑或骨?是什么构成了细胞生长和衰老的基础?一
旦忽略了DNA蓝图的产物的化学,即忽略了代表细胞的机关和构架的酶与蛋白质
的化学时,当今的分子生物学研究就开始蹒跚不前了。

  最后我呼吁应该对脑的化学元素,无论是动物的还是人的, 正常的还是有
病的脑的化学元素的研究给予足够的重视。

  总之,我们的目的要以合理的表达法来尽可能多地理解生命现象,而生命的
许多方面都可用化学语言来表达。这是一个真正的世界语,它是连接物理学与生
物学、天文学与地学、医学与农学的纽带。化学语言极为丰富多彩,它能产生出
最美的图画。我们应该传授和运用化学评议,替我们自己、我们的环境和我们
的社会表达出最直观的描述。这就是我们眼前的、未来的基石,也是哈佛医学院
的三个世纪的繁荣昌盛的基石。

全文刊登在《生命的化学》1983,3(4):29.和《生命的化学》1983,3(5):32。

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