第1章
基因是什么？

19世纪的最初几十年，中欧的摩拉维亚（Moravia）羊毛产业的领导者们热衷于改善他们的羊产出的羊毛的品质。半个世纪前，一个名叫罗伯特·贝克韦尔（Robert Bakewell）[1]的英国农商用选种培育的办法提高了他的畜群的肉产量。现在，摩拉维亚的羊毛商人们打算效法他的成功。1837年，绵羊育种协会（Sheep Breeders’ Society）组织了一场会议，讨论如何才能产出更多羊毛。其中一位发言人是摩拉维亚羊毛产区中心城市布尔诺（Brnö）的修道院的新任院长。对于遗传以及如何将它用来改良牲畜和水果品种的问题，纳普（Napp）院长有着浓厚的兴趣，但这并不单纯只是爱好——修道院同时占有大量的土地。在会上，纳普指出，要通过育种来提升羊毛产量，最好的办法是触及其背后的根本问题。他急不可耐地说：“我们需要搞清楚的问题不是育种的原理和过程。关键的问题是继承下来的是什么，又是怎么继承的？”[2]

这个问题在今天的我们看来显得无比直白，但在当时却处于人类知识的最前沿，“遗传”（heredity）和“继承”（inheritance）这两个词当时刚具备生物学方面的含义。[3]尽管牲畜育种者们已经积累了好几个世纪的实践认知，也有“龙生龙，凤生凤”这样的流行观念，但在面对人类家族中可以观察到的广泛遗传效应时——肤色、眼睛的颜色以及性别都会在几代人中展现出不同的相似格局——所有试图解释父母与后代间各种各样相似性的努力都失败了。孩子的肤色往往是父母肤色的中和，他们眼睛的颜色有时会与父母双方都不同，而除了极少数情况外，孩子的性别只能与父母中的一方相同。这些神秘而又充满矛盾的规律——17世纪的医生威廉·哈维（William Harvey）[4]审视过所有这些现象，他也是第一批用心思考这一问题的人之一——使人们不可能用当时的工具得出任何一以概之的解释。[5]面对这些难题，人类花了千百年才认识到，决定一个生命体特征的某些东西会从父母传递给后代。18世纪至19世纪早期，对多指（长出额外的手指）等身体特征以及贝克韦尔的选育法的探究终于使思想家们相信，有一种力量在其中发挥作用，他们将它定义为“遗传”。[6]眼下面临的难题是，如何找出纳普的问题的答案——继承下来的是什么，又是怎么继承的？

做出这一概念性突破的并非纳普一人。克里斯蒂安·安德烈（Christian André）、埃梅里希·费斯特蒂奇（Emmerich Festetics）伯爵等思想家也在探索费斯特蒂奇所谓的“大自然的遗传律”。但和他们不一样的是，纳普能够组织和鼓舞他的修道院中的一群饱学之士来探究这个问题，这有点像现代大学里的一个学系专注于某个特定的课题。这个研究项目于1865年得出了结论。纳普的门徒，一个名叫格雷戈尔·孟德尔（Gregor Mendel）的僧侣做了两场演讲。他在演讲中指出，在豌豆当中，遗传是基于世代相继的因子的。孟德尔的发现于次年发表，但没有造成多少影响，他也没有继续研究这个课题。纳普此后不久就去世了，孟德尔则将时间全部奉献给了修道院的运营，直至1884年去世。在很长的一段时间里，没有人认识到孟德尔的发现的重要意义，他的研究被遗忘了近20年。[7]但在1900年，三位欧洲科学家——卡尔·科伦斯（Carl Correns）、雨果·德弗里斯（Hugo de Vries）和埃里克·冯·切尔马克（Erich von Tschermak）——或是重复了孟德尔的实验，或是读了他的论文，之后便致力于宣传他的发现。[8]

遗传学的世纪开始了。

—A·C·G·T—

孟德尔的研究重见天日使科学界兴奋不已，因为它为近期的一些观察给出了补充和解释。19世纪80年代，奥古斯特·魏斯曼（August Weismann）和雨果·德弗里斯提出，在动物当中，可遗传的特征是由魏斯曼所谓的种系（g erm line）——性细胞，或者说卵子和精子——携带的。显微观察者们用新发现的染料揭示了细胞中被称为染色体（chromosome，这个词的意思是“有颜色的实体”）的结构的存在。西奥多·博韦里（Theodor Boveri）和奥斯卡·赫特维希（Oscar Hertwig）的研究发现，这些结构会在细胞分裂之前自我复制。1902年，纽约哥伦比亚大学的一名博士生沃尔特·萨顿（Walter Sutton）发表了一篇有关蝗虫的论文。结合自己的数据和博韦里的观察结果，萨顿在论文中大胆地提出染色体“可能构成了孟德尔遗传定律的物质基础”。[9]4个月后，萨顿在第二篇论文中指出：“在生命体对任何一条染色体的继承和与之相关联的特征的继承之间，我们应该可以找到一种确切的对应关系。”[10]

萨顿的观点——博韦里很快就宣称他当时也是这么想的——并没有立即被世人接受。[11]最初，关于孟德尔的理论是否适用于所有的遗传规律，存在着长期的争议。其后，科学界又为它是否与染色体的行为真正存在关联争论不休。[12]1909年，威廉·约翰森（Wilhelm Johannsen）[13]创造了“基因”（gene）这个术语，来指代决定遗传性状的因子，但他明确反对基因是某种物质结构或粒子的观点。与此相反，他认为一些性状是由卵子和精子中所含的一种有组织的遗传倾向（他用德文写作，用的是一个几乎无法翻译的单词Anlagen）决定的，这些Anlagen就是他所谓的基因。[14]

在起初敌视这门很快就将被称为“遗传学”的新兴学科的科学家中，有一位是托马斯·亨特·摩尔根（Thomas Hunt Morgan），他也在哥伦比亚大学工作（萨顿此时已经转到医学院去了，他的理学博士一直没念完）。[15]摩尔根凭借在海洋生物学方面的研究获得了博士学位，研究的是海蜘蛛的发育，但他近期开始研究演化了，用的是红眼的果蝇（Drosophila）。[16]摩尔根将手上这些倒霉的昆虫置于各式各样的环境压力之下——极端温度、离心力、人为改变的光照条件——寄微弱的希望于这能造成可以引发演化的改变[17]。他的果蝇中的确出现了一些微小的突变，但这些突变都不易观察。1910年，在摩尔根眼看着就要放弃的时候，他在实验室的果蝇中发现了一只白眼的个体。几周之内，新的变异个体接踵而至。到夏天时，已经有6种性状明晰的突变可供研究了，其中很多——比如白眼突变——似乎在雄性中比在雌性中更多见。在探索发现的激动心情下，摩尔根早先对遗传学的怀疑一扫而光。

到1912年，摩尔根已经揭示了白眼性状是由X染色体——性染色体——上的一个遗传因子控制的，由此为遗传的染色体理论提供了一项实验证据。同样重要的是，他证明了一组基因遗传时的变换规律与卵子和精子形成过程中成对的染色体交换彼此的某些区域（这个过程被称为“交换”）的频率相关。[18]根据他的阐述，倾向于共同遗传的性状是由染色体上物理距离较近的基因产生的——它们在交换的过程中比较不容易分离。反之，容易分离的性状则被解释为是由染色体上距离较远的基因产生的。利用这种方法，摩尔根和他的学生——主要是阿尔弗雷德·斯特蒂文特（Alfred Sturtevant）、卡尔文·布里奇斯（Calvin Bridges）和赫尔曼·穆勒（Hermann Muller）——绘制了果蝇基因在四对染色体上分布位置的图谱。这些图谱显示，基因是沿着染色体的长轴以一维结构线性排列的。[19]到20世纪30年代，随着新的染色技术揭示出每条染色体上成百上千个条带的存在，摩尔根的遗传图谱已经变得极为精细。正如萨顿所预料的那样，这些条带的排列格局与突变被遗传的规律间存在对应关系，因此特定的基因可以被定位到染色体的微小片段上。

至于说基因是由什么物质构成的，这个问题仍然完全是个谜。1919年，摩尔根探讨了两种可能性，但两者都不令他满意。基因可能是一种“化学分子”，他写道，在这种情况下，“除了其化学组成发生改变外，不清楚它还能怎样变化”。另一种可能性是，基因是“某种起伏的变量”，在不同个体间存在差别，而且可以随着时间发生改变。尽管第二种模型为个体差异和生命体发育的方式都提供了一种解释，但当时已有的寥寥几项研究结果表明它是不对的。摩尔根的结论是耸耸肩，告诉他的读者：“眼下我没法做出判断。”[20]

即使在14年后的1933年，摩尔根庆祝自己的研究获得诺贝尔奖时，进展依旧寥寥。他在诺贝尔奖讲座[21]中坦言：“关于基因是什么，遗传学家目前没有共识——不知道它们是真实的存在，还是纯属虚构。”摩尔根认为，之所以像这样缺乏共识，是因为“以遗传学实验目前的水平，无论基因是假想的遗传单元还是物质微粒，都不会造成一丁点区别。任何一种情况下，这个单元都与某条特定的染色体联系在一起，并且是可以通过纯粹的遗传学分析来定位的”。[22]听来可能很奇怪，但对于20世纪30年代的很多遗传学家来说，基因由什么组成——如果它们真的是由什么物质组成的话——完全无关紧要。

1926年，赫尔曼·穆勒朝着证明基因确实是物质实体迈出了一步，他的研究表明，X射线能够诱发突变。尽管相信他的发现的人并不多——质疑者包括他的博士生导师摩尔根，两人的关系非常别扭——但不到一年后，他的发现就得到了证实。1932年，穆勒搬到柏林暂住了一段时间，在那里与苏联遗传学家尼古拉·季莫费耶夫-列索夫斯基（Nikolai Timoféef-Ressovsky）一起工作，继续自己对X射线效应的研究。此后不久，季莫费耶夫-列索夫斯基与辐射物理学家卡尔·齐默（Karl Zimmer）和马克斯·德尔布吕克（Max Delbrück）开始了一个研究项目，后者是一名德国青年量子物理学家，曾与丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）[23]共事。这个三人组决定将“靶理论”（target theory）——辐射效应研究中的一个核心概念——应用到基因上。[24]他们认为，通过用X射线轰击细胞，并观察在不同的辐射频率和强度的作用下不同突变发生的概率，就能够推断出基因（“靶标”）的物理尺度，并且认为测算其对辐射的敏感度可以揭示一些有关基因物质组成的信息。

这项合作研究的成果是一篇1935年见刊、三人共同署名的德语论文，题为《论基因突变与基因结构的本质》（On the Nature of Gene Mutation and Gene Structure），更通俗的叫法是“三人组论文”（the Three-Man Paper）。[25]这篇论文总结了近40项辐射对遗传的影响的研究，还包含德尔布吕克写的一段很长的理论性文字。三人组得出结论，基因是一种分子大小、无法再切分的理化单元，并提出突变关乎的是分子中化学键的改变。然而虽然他们已经倾尽全力，基因的本质和确切大小仍然未知。正如德尔布吕克在论文中所言，从摩尔根于1919年提出两种可能性起，对基因的理解就毫无进展：

由此，我们将这个问题留待解决：一个基因是具备由相同的原子结构重复而产生的聚合体形态，还是并不会表现出这样的周期性。[26]

苏联遗传学家尼古拉·科尔佐夫（Nikolai Koltsov）比德尔布吕克和摩尔根更大胆。在1927年发表的一篇对“遗传性分子”本质的讨论中，科尔佐夫提出了和德尔布吕克一样的观点，认为基因的——因此也是染色体的——基本特性是在细胞分裂时完美复制自己的能力。[27]为了解释这一现象，科尔佐夫提出，每条染色体由一对蛋白质分子链条构成，两条链完全相同。在细胞分裂过程中，每条链都可以作为模板，用于产生另一条链。不仅如此，他还指出，因为这些分子很长，所以蛋白质沿线的氨基酸序列提供了巨大的变数，这便能解释为什么基因能有如此多的功能。[28]无论这个观点从我们今天的认知（DNA的双螺旋结构以及基因是由分子序列构成的这一事实）看来多么有前瞻性，科尔佐夫的论述仍然纯属理论猜想。况且它也并非独树一帜——在1921年的一堂讲座上，赫尔曼·穆勒就解读了伦纳德·特罗兰（Leonard Troland）[29]1917年提出的一个观点，将染色体的复制和晶体的增长方式进行了平行类比：

基因结构中的各个不同部分——就像晶体一样——一定会从原生质中将相似种类的物质吸引过来，从而在第一个基因旁边形成一个拥有相似部件和相同排列方式的结构。这些部件接下来会联结在一起，形成另一个基因——前一个基因的复制体。[30]

1937年，英国遗传学家J. B. S. 霍尔丹（J. B. S. Haldane）提出了一个类似的观点，认为遗传物质的复制可能涉及一个分子经过复制，生成原分子的“阴性”拷贝的过程。[31]科尔佐夫的观点最初以俄文发表，之后曾被翻译成法文，但和霍尔丹的猜想一样，没有对后续的发展产生直接影响。[32]1940年，科尔佐夫逝世，享年68岁。由于反对受斯大林偏爱的科学家特罗菲姆·李森科（Trofi m Lysenko）否认遗传学真实性的观点，他在逝世前一直被指控为法西斯主义者。[33]

科尔佐夫有关基因由蛋白质组成的假说得到了当时全世界科学家的广泛认同。蛋白质的多样性可以为基因行使功能的无数种方式提供解释。染色体中含有蛋白质，但主要是由一种当时叫作核质（nuclein）的分子构成的——我们现在叫它脱氧核糖核酸，或者DNA。在不同的样本中，这种物质的成分差异很小。当时研究核酸的领军人物是生物化学家菲伯斯·列文（Phoebus Levene），对于这一现象，他在20多年间给出的解释是，核酸是由4种碱基组成的重复区块排列成的长链构成的（在DNA中，这4种碱基是腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶——后来被以它们的首字母称呼——A、C、G和T），4种碱基以相等的比例存在。[34]这种被称为四核苷酸假说（tetranucleotide hypothesis，“tetra”源自希腊语，意思是“四”）的观点是当时有关DNA的主流看法。这种观点认为，与染色体的次要组成物蛋白质不同，这些高度重复的长链分子很可能具有一些结构性的功能。而蛋白质则是基因构成物质的优秀候选成分，原因很简单，它们太多样了。正如瑞典科学家托比约恩·卡斯佩松（Torbjörn Caspersson）在1935年指出的那样：

如果假设基因是由已知物质构成的，那么值得考虑的就只能是蛋白质，因为它们是唯一有着个体特异性的已知物质。[35]

基因的蛋白质中心观在同一年再次得到加强。那一年，31岁的温德尔·斯坦利（Wendell Stanley）报道自己制备出了一种病毒的结晶，而它是由蛋白质构成的。[36]斯坦利研究的是烟草花叶病，这是一种病毒侵染导致的病害。他取一株被侵染的植株，提取它的汁液，并成功得到了结晶。结晶看起来像是纯净的蛋白质，并且拥有侵染健康植株的能力。虽然病毒在当时是很神秘的东西，但穆勒在1921年指出它们可能是基因，并且研究它们可以为认识基因的本质提供一个途径。[37]如此看来，病毒是蛋白质，那估计基因也是蛋白质。20世纪30年代，包括马克斯·德尔布吕克在内的许多研究者开始研究病毒。当时，病毒被认为是最简单的生命形式。时至今日，关于病毒是否有生命，科学家仍然分成两派，但无论病毒有没有生命，这种研究最简单的生物组织形体的手段都非常强大。德尔布吕克和他的同事萨尔瓦多·卢里亚（Salvador Luria）一道，聚焦研究噬菌体——侵染细菌的病毒。20世纪40年代，在他们致力于做出同样适用于复杂生命体的基础性发现时，一个被称作“噬菌体团体”（the phage group）的非正式研究者网络围绕着两人壮大了起来。[38]

斯坦利的发现引发了媒体的极大兴奋——在《纽约时报》看来，这意味着“旧观念中生与死的明确边界变得模糊了一些”。尽管几年之内就有人对斯坦利分离出纯净蛋白质的说法提出了言之有据的疑问——里面还有水和其他杂质，并且如斯坦利自己承认的那样，几乎没有办法证明一份蛋白质样品是纯净的——但在科学家群体中，压倒性的观点仍然是基因和病毒的本质是蛋白质。[39]

在尝试将这种猜想与对基因结构的推断联系起来的努力中，最成熟的一次是1935年由牛津大学的结晶学家多萝西·林奇（Dorothy Wrinch）完成的。在曼彻斯特大学的一次演讲中，她提出基因的特异性——它们行使如此广泛的功能的能力——是由蛋白质分子的序列决定的，这些蛋白质垂直地固定在一个由核酸组成的“脚手架”上，有点像一块针织物。然而，正如她所强调的那样，“眼下提出的这个假说如果要验证和发展，其所必须依赖的实验事实和观察事实都几乎是一片空白”。不过林奇的结论很乐观，她如是鼓励她的同行去探索染色体和基因的本质：

染色体不是某个封闭的科学领域中的现象，而是应当位列于那些值得用尽所有可能的奇思妙想、概念的提炼和所有学科的技术来研究的课题之中。将全世界科学国度的全部资源调集起来，协力攻关，岂有失败之理。[40]

—A·C·G·T—

20世纪30年代，对于搞清楚基因是由什么组成的，大多数遗传学家并没有特别大的兴趣。他们更感兴趣的是发现基因究竟有哪些能耐。这两个研究方向之间存在一种潜在的关联。正如果蝇遗传学家杰克·舒尔茨（Jack Schultz）在1935年指出的那样，通过研究基因的效应，或许可以“发现一些关乎基因本质的东西”。[41]在认真对待舒尔茨的看法的科学家中，有一位是乔治·比德尔（George Beadle），他与俄裔法籍遗传学家鲍里斯·埃弗吕西（Boris Ephrussi）一道，在摩尔根的实验室研究果蝇复眼颜色的遗传机制。当埃弗吕西返回巴黎时，比德尔也跟随他去了巴黎。他们的目标是阐明改变果蝇复眼颜色的突变的生物化学基础。比德尔和埃弗吕西的实验失败了：他们所研究的体系的生物化学过程太过复杂，他们无法从果蝇小小的复眼中提取出相关的化学物质。他们了解其中涉及的基因，也知道它们对复眼颜色的影响，但他们不知道为什么。

比德尔回到了美国，他决心破解基因如何影响生物化学过程这道难题，但他同样确信的是，自己必须使用一种可以在生物化学水平上被研究的生命体。他在脉孢菌（Neurospora）上找到了答案。这是一种环境耐受力很强的真菌，能够在几乎没有外部供应维生素的条件下生存，因为它能合成自己所需的维生素。为了获得基因对生化反应控制的认识，比德尔决定创造无法合成这些维生素的脉孢菌突变体。

比德尔携手微生物学家爱德华·塔特姆（Edward Tatum），借助穆勒的手段，用X射线照射脉孢菌的孢子，希望能产生需要添加维生素才能存活的突变体，由此开辟研究维生素生物合成背后的遗传学机制的可能性。比德尔和塔特姆很快便发现了无法合成特定维生素的突变体，并于1941年发表了他们的发现。[42]这些突变中的每一种都会影响维生素生物合成途径中不同的酶促步骤，这是世纪之初起科学界广泛持有的基因要么会产生酶，要么本身就是酶这一观点的实验证据。[43]当比德尔在帕萨迪纳的加州理工学院的一次学术报告上展示他们的发现时，所有听众都被震惊到了。他只讲了30分钟就停了下来，全场鸦雀无声——在座的一名听众后来回忆道：

我们从没有见过这样的实验结果。这是梦想成真啊，这证明基因在生物化学过程当中扮演着确切的角色。我们都在等着——或者说盼望着——他继续讲下去。在大家明白他其实已经讲完了之后，掌声震耳欲聋。[44]

翌年，比德尔和塔特姆提出了“一个有待论证的假说，即一个基因可以被认为是与一个特定的生化反应的主要控制相关的”。[45]几年后，一位同行将这个假说提炼成了更加朗朗上口的“一个基因一个酶假说”。在对尿黑酸尿症（alkaptonuria）这样的人类遗传病的研究中，有对于这种观点的支持——1908年，阿奇博尔德·加罗德（Archibald Garrod）[46]便指出，这种疾病可能涉及酶合成方面的缺陷。但比德尔和塔特姆的假说当时也遇到了反对意见，一个原因是科学界知道基因拥有多种作用，而他们的假说——或者说后来朗朗上口的那句“一个基因一个酶”——似乎表明每个基因只能做一件事：控制一种酶。[47]

—A·C·G·T—

圣三一大学坐落在都柏林的市中心，一座座新古典主义风格的灰色三层建筑环绕着草坪和操场。在校园的最东端，有一座建于1905年的灰色建筑，风格截然不同。这便是菲茨杰拉德楼（Fitzgerald Building），或者如石质门楣上深深镌刻的文字所言，叫物理学实验楼。楼的顶层有一间报告厅，在1943年2月的第一个星期五，大约400人拥挤在报告厅中那些上了清漆的木质长椅上。根据《时代》周刊的说法，那些占到了座的幸运儿中有“内阁大臣、外交官、学者和社交名流”，还有爱尔兰总理埃蒙·德·瓦莱拉（Éamon de Valera）。[48]他们是来聆听诺贝尔奖得主、物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）[49]的一场讲座的，讲座的题目很吸引人，叫作“生命是什么？”。人们的兴趣实在太大，很多人被堵在了门外，讲座不得不在第二周的周一又开了一场。[50]

从纳粹统治下的奥地利逃出后，薛定谔来到了都柏林。他原本就职于奥地利的格拉茨大学（Graz University），但德国人在1938年接管了大学。尽管他是很出名的希特勒反对者，但薛定谔还是发表了一封曲意逢迎的信，希望能够置身事外。然而这招并不管用，他不得不匆匆逃离奥地利，连他的诺贝尔奖金质奖章都没能带上。德·瓦莱拉对物理学很感兴趣，他在都柏林新建的高等研究院给薛定谔提供了一个职位，于是这位量子力学大师便在都柏林安下身来。[51]

连续三个星期五，56岁的薛定谔都走进菲茨杰拉德楼的报告厅开展讲座，他在讲座中探讨了量子物理学与生物学的近期发现之间的关系。[52]他的第一个话题是生命何以看起来违背了热力学第二定律。从19世纪起，科学家就知道，在一个孤立的系统中，能量会耗散，直至达到一个恒定且均一的水平。物理学家用无序性的增加，或者说熵的增加来解释这一现象。在这样的系统中，熵的增加是不可避免的。生命体似乎违反了这条基本定律，因为我们是高度有序的物质组织形式，将能量集中在非常有限的空间里。薛定谔的解释是，生命依靠“不断从环境中吸取有序性”来生存——他将秩序描述为“负熵”。这个现象尽管明显违背了一项宇宙基本定律，但却并不会在物理学中引起任何问题，因为从宇宙学的尺度来看，我们的存在太过短暂，我们的实体维度太过渺小，热力学第二定律铁一般的事实不会为之动摇片刻。无论生命存在与否，熵都会不可阻挡地增加。根据我们现在的模型，它会持续到宇宙最终的热寂，那时所有的物质将均匀地占据空间，什么也不会再发生，并且永远也不会再发生。

在第二个话题面前，薛定谔遇到了远远更大的困难：遗传的本质是什么？与在他之前的科尔佐夫和德尔布吕克一样，薛定谔也为染色体在寻常的细胞分裂（“有丝分裂”，生命体就是以这种方式生长的）和性细胞产生（“减数分裂”）的过程中能够准确复制这一点所震惊。你的身体要经历几万亿次的有丝分裂才能长到如今的大小，在所有的拷贝和复制过程中，遗传密码看起来都得到了如实的复制——总的来说，发育是在没有任何突变或遗传畸变的迹象下进行的。此外，基因也被如实地从一代传递给下一代：薛定谔对听众讲解道，人们熟知的性状，比如哈布斯堡唇，或者叫“地包天”——哈布斯堡家族的成员表现出的下颌前突特征——可以追溯几百年而没有明显的改变。

对于生物学家来说，基因的这种看上去从不改变的特性只是一个简单的事实。然而，正如薛定谔对都柏林的听众们所论述的那样，这为物理学家们提出了一个问题。薛定谔做了计算，每个基因可能是由仅仅1 000个原子组成的，在这种情况下，基因应该会不断变化，因为物理和化学的基本定律都是基于统计学的，虽然总体而言，原子倾向于表现出一以贯之的行为，但单独一个原子却能表现得与这些定律相悖。[53]对于我们碰到的大多数物体，这无关紧要：桌子、石头或者奶牛这样的东西是由无数个原子构成的，它们不会表现出无法预测的行为。桌子始终是桌子，不会自发地开始变成石头或者奶牛。但如果基因是由区区几百个原子组成的，那么它们就应该表现出那种不确定的行为，不应该跨越几个世代而一成不变。然而实验表明，突变相当罕见，并且在发生后会被准确地遗传下去。薛定谔用如下的说法对这个问题进行了概述：

小得不可思议，无法遵循精确的统计学法则的一组组原子……在生命体这些井井有条、有法可循的事件中扮演了主宰性的角色。它们控制着生命体在发育过程中获得的肉眼可见的宏观特征，它们决定了它行使的功能的重要性状。而这一切所体现的，是非常鲜明、非常严格的生物学法则。[54]

其中的挑战是，如何解释在由数量很少的原子组成，其中很显著的一部分的行为可能不会遵照法则的情况下，基因是怎样依照法则活动，并使生命体依照法则行事的。为了解开物理学原理和生物学现实之间的这个明显矛盾，薛定谔把注意力转向了当时对基因本质的解释最成熟的理论——季莫费耶夫-列索夫斯基、齐默和德尔布吕克的“三人组论文”。

在与听众探讨遗传的本质时，薛定谔不得不给出一个基因具体包含哪些成分的解释。除了逻辑推演，薛定谔没有其他东西支持自己的假说——染色体“以某种密码脚本的形式，囊括了生命个体未来的发育模式以及成熟阶段的运作模式”。这是第一次有人明确指出基因可能含有密码，或者干脆本身就是一种密码。

在将自己的想法进行逻辑推演后，薛定谔提出，人类应该有可能读取一颗卵的“密码脚本”，从而得知“这颗卵在适宜的条件下是会发育成黑公鸡还是花母鸡，一只苍蝇还是一株玉米，一株杜鹃花、一只甲虫、一只老鼠，还是一个女人”。[55]尽管部分体现了有关生命体发育历程的早期思想以及生命体将会具有的形态早在卵中就已成形的旧时观点，但薛定谔的这种观点还是有很大的不同。他论述的问题是，卵是如何存储有关长大后的生命体的信息的，这些信息又是如何转变成生物学现实的，并且他指出两者是一回事：

染色体的结构同时也发挥着促成自己预示的发育的功能。它们是法律法规，也是执法力量——或者换一种比方，它们是建筑师的蓝图，也是建筑工人的技艺——集两者于一身。[56]

为了解释自己假说中的密码脚本如何运作——一定极为复杂，因为涉及“一个生命体未来的所有发育过程”——薛定谔采用了一些简单的数学方法来展示一个生命体中多种多样的不同分子可以如何被编码。如果决定每个生物分子的是一个由5种不同字母组成，长度为25个字母的“单词”，那么就会有372 529 029 846 191 405种可能的组合——远远多于任何生命体中已知的分子种类。在展示了这样一种简单密码的潜在编码能力后，薛定谔得出结论：“小小的密码能与高度复杂且专一的发育计划准确对应，还能以某种方式蕴含计划付诸实施的途径，这已经不再难以置信了。”[57]

虽然这是第一次有人公开表示基因含有某种类似于密码的信息，但在1892年，科学家弗里茨·米舍（Fritz Miescher）[58]就提出了一些略微相似的说法。在一封私人信件中，米舍指出，有机分子丰富多样的形式足以“表达出遗传的全部丰富度和多样性，就像二十四到三十个字母足以表达出所有语言的所有词汇和语义一样”。[59]米舍的观点可以说相当具有远见，尤其是考虑到他还是DNA，或者用他当时的叫法，核质的发现者。但米舍从不曾认为核质就是构成这些字母的物质，并且他的观点直到将近80年后才被公开。毕竟，字母与单词的模糊比喻远不如薛定谔的密码脚本概念准确。

薛定谔接下来探讨了基因分子可能是由什么构成的。他指出，这种物质是他所谓的一维非周期晶体——一种没有重复的固体，其缺少重复与密码脚本的存在有关。这种非重复性提供了必要的多样性，使生命体中众多不同的分子能够被一一编码。尽管特罗兰、穆勒和科尔佐夫在20多年前都曾指出基因可能像晶体一样增长，但薛定谔的观点远比他们的更精准。他对于基因结构的看法聚焦于密码脚本没有重复这一属性，而不是染色体的复制与晶体复制自身结构的能力之间简单的平行类比。[60]

—A·C·G·T—

如果只是回荡在都柏林的上空，只是在比较留心的听众的头脑中产生了一点点回响，那么薛定谔的话将不会形成多大的影响。《时代》周刊4月号的文章是国际上有关这几场讲座的唯一报道，文章并没有详细提及薛定谔讲座的任何内容，也没有证据表明他的任何思想传播到了外界。唯一的详细记载刊登在《爱尔兰传媒报》（The Irish Press）上，文章成功地提炼了薛定谔的主要观点，并且将密码脚本和非周期晶体两种思想都囊括其中。[61]其他报纸则没有给予这个故事应得的关注。1944年1月，薛定谔在科克郡做了另一个版本的讲座，但当地报纸《凯里人报》（The Kerryman）的报道版面仅与利斯托尔生猪交易会的报道版面相当（在售的126头猪销路很好，该报报道说）。[62]

薛定谔觉得公众会对自己的观点感兴趣，因此讲座一结束便着手将它们结集成书，并蓄意加上了一个简短而又存在争议的结论。在讲座的末尾，薛定谔向以天主教徒为主的听众们虔诚地点了点头，宣称“构成染色体纤维的非周期晶体”是“沿天主的量子力学路线实现的最优美杰作”。但在专为出版而新写的题为“决定论与自由意志”的尾声中，薛定谔探讨了自己对印度教中神秘的吠檀多哲学的终生信仰。他认为个人身份是一种幻觉，并且批评西方的主流信条，因为它们迷信个体灵魂的存在。他的着眼点不在于没有灵魂存在的证据，而在于个体意识是世界共通的一元灵魂的虚幻表达。薛定谔用了一句话来表达自己的这种思想，尽管他自己也承认从基督教传统来看这是“亵渎上帝的疯魔之语”，但他显然也认为这是真话：“我就是全能的上帝。”

这本书即将在都柏林一家声誉很好的出版社付印时，出版社却有人胆怯了。在20世纪40年代的爱尔兰，天主教会仍然牢牢把控着文化，用薛定谔写在终章里的那些话去批评天主教信仰绝无可能。出版商退出了。薛定谔没有被吓倒，他将手稿寄给了伦敦的一个朋友，书最终于1944年12月由剑桥大学出版社出版。薛定谔的大名、引人好奇的标题、誉满全球的大出版社，有了这样的组合，再加上二战行将结束，注定了这本书读者广泛，自此之后不断重印。尽管《生命是什么？》（What is Life?）在商业上非常成功，薛定谔对生物学的涉足却到此为止了。他再没有公开写过关于这个话题的文字，即使在1953年人类发现遗传密码的存在时也没有。[63]

《生命是什么？》迅疾的影响可以从大众媒体和科学期刊两方面的评价中看出。出版后的4年间，有超过60篇关于这本书的书评发表，尽管很少有作者注意到那些现在看来高瞻远瞩的思想——非周期晶体和密码脚本，书还被翻译成德语、法语、俄语、西班牙语和日语出版。[64]顶级科学周刊《自然》杂志发表了两篇长篇书评，一篇的作者是遗传学家J. B. S. 霍尔丹，另一篇的作者是植物细胞学家艾琳·曼顿（Irene Manton）。霍尔丹直切问题的要害，点出了非周期晶体和密码脚本的创新性，并将其与科尔佐夫的工作联系到了一起。曼顿同样注意到了薛定谔对密码脚本这个概念的使用，但她认为其含义是“遗传物质的总和”，而不是有关基因结构和功能的一个专门的假说。《纽约时报》的书评人则指中了核心要点：

基因和染色体包含薛定谔所说的“密码脚本”，它会提供细胞所要执行的命令。然而由于我们目前无法阅读这个脚本，因此我们对于生长和生命仍然一无所知。

与之相反，一些科学家后来回忆说，这本书没有让他们留下什么深刻的印象。20世纪80年代，诺贝尔奖得主、化学家莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）[65]声称自己读了《生命是什么？》后很“失望”，并表示：“薛定谔没有为我们对生命的理解做出贡献，这是我当时的想法，也是我时至今日的想法。”[66]同样是在20世纪80年代，关于薛定谔，另一位诺贝尔奖获得者、生物化学家马克斯·佩鲁茨（Max Perutz）[67]写道：“他书中的那些正确内容都不是他的原创思想，而多数原创内容即使在该书写作的年代就已经知道是不正确的了。”而在1969年，遗传学家C. H.沃丁顿（C. H. Waddington）则将薛定谔的非周期晶体概念批评为“极其不知所云的论调”。[68]除了这些后来人的批评外，当时就有人表达了反对意见。马克斯·德尔布吕克在一篇书评中表现得很严厉，尽管他曾因为薛定谔赞扬了他在“三人组论文”中的工作而收获了公众的关注。他声称薛定谔的非周期晶体这个说法是故弄玄虚多于真知灼见：

抛去现成的“复杂分子”不用，偏给基因安上这么一个耸人听闻的名字……这种表述毫无新颖之处，而本书内容又多半着力于此。生物学领域的读者还是略过不读为好。

这样的评价实在有些狭隘了，因为薛定谔的假说实际上相当准确，并非只是编出了一个新名堂而已。在书评的结尾，德尔布吕克蛮不情愿地承认这本书“通过汇聚物理学家和生物学家两方面的关注，将具有启迪世人的影响力”。在另一篇书评中，穆勒同样展望了这本书的前景，他认为这本书将成为一剂催化剂，“融汇物理学、化学和生物学的遗传基础”。对于薛定谔未曾引述他的工作，穆勒明显有些不平，他指出，自己在1921年便提出了基因复制和晶体增长之间的类比关系（他没有提自己是借用了伦纳德·特罗兰的这个概念）。穆勒同样不认为薛定谔对秩序和负熵的讨论有任何创新，因为这两者“对于一般的生物学家来说都是老生常谈了”。无论德尔布吕克还是穆勒，都没有对密码脚本的思想做任何评论。

尽管总的来说持的都是怀疑论调，但德尔布吕克和穆勒也绝对是说对了：薛定谔的书确实启迪了一代青年科学家。因为发现DNA结构的工作获得诺贝尔奖的詹姆斯·沃森、弗朗西斯·克里克和莫里斯·威尔金斯（Maurice Wilkins）都声称《生命是什么？》在他们各自通往双螺旋的旅程中扮演了重要的角色。1945年，在加利福尼亚研究原子弹期间，一个朋友给了威尔金斯一本《生命是什么？》。在广岛和长崎的恐怖震撼下，威尔金斯被薛定谔的文字迷住了，他决定放弃物理学，成为一名“生物物理学家”。克里克在回忆自己1946年读到薛定谔的这本书时说，“那感觉就像伟大的事物就在转角另一边”。沃森读《生命是什么？》的时候还是一名本科生，随后就将注意力从鸟类生物学转移到了遗传学上。[69]

虽然《生命是什么？》发展出的一些思想很有前瞻性，并且这本书毫无疑问启发了一些在20世纪的科学界扮演核心角色的人物，但薛定谔的讲座与几十年间破解遗传密码的努力中的众多实验和理论并没有直接的联系，而且历史学家和这些研究的参与者也对薛定谔贡献的重要性持不同意见。[70]“三人组论文”提出，并得到薛定谔极力褒扬的有关突变的观点对后来的事件没有产生影响，而薛定谔提出的通过研究遗传的物质基础将发现新的物理定律的观点也完全是错误的。就连今天看来如此有先见之明的密码脚本思想，也对生物学家看待基因内部结构的方式没有产生直接影响。遗传密码发现过程中各个环节的相关论文也没有一篇引用过《生命是什么？》，虽然参与其中的科学家们读过这本书。

事实上，薛定谔“密码脚本”的内涵并没有我们所说的“遗传密码”那么丰富。薛定谔并没有认识到基因的每个部分都对应着一个确切的生化反应过程，而后者正是密码所表示的内容。他也没有触及密码脚本中存储的究竟是什么这个问题，只是大致地提出这是一种“计划”。若是问当今的任何一位生物学家，遗传密码中存储的是什么，他们都会给你两个字的答案：信息。薛定谔没有使用这个形象的比喻。这完全不存在于他的语汇库和思想当中，原因很简单，它当时还没有得到我们现在赋予它的微言大义的内涵。“信息”即将走进科学，但在薛定谔做讲座时尚未如此。由于对密码存储的内容缺乏概念，薛定谔的见解不过是时代思潮的一部分，是即将来临的事物的风吹草动，而非塑造后世全部思想的突破。

[1] 英国农学家，首位实现家畜系统选育的人，被誉为近代家畜育种之父。——编者注

[2] Wood and Orel (2001), p. 258；另见Cobb (2006a), Poczai et al. (2014)。

[3] López-Beltrán (1994), Müller-Wille and Rheinberger (2007, 2012).

[4] 英国医生、生理学家，近代生理学奠基人，血液循环现象发现者。——编者注

[5] 哈维基本上是耸耸肩就宣告放弃了（Cobb, 2006b）。

[6] Cobb (2006a).

[7] 关于孟德尔的工作及其意义，见Bowler (1989)、Gayon (1998)、Hartl and Orel (1992)。关于后人如何解读和利用孟德尔的工作的评述，见Brannigan (1979)和Wolfe (2012)。

[8] 关于20世纪的遗传学，有很多历史记载，如Carlson (1966, 1981, 2004)、Hunter (2000)、Pichot (1999)、Schwartz (2008)、Sturtevant (1965)。关于各方面的概念，见Beurton, Falk and Rheinberger (2000)中的多篇文章，以及Falk (2009)和Müller-Wille and Rheinberger(2012)。关于德弗里斯观点的变化，见Stamhuis, Meijer and Zevenhuizen (1999)。

[9] Sutton (1902), p. 39. 见Crow and Crow (2002)。

[10] Sutton (1903), p. 236.

[11] Hegreness and Meselson (2007).

[12] Boveri (1904)，被引用于Crow and Crow (2002)。

[13] 丹麦植物学家、遗传学家。——编者注

[14] Pichot (1999), p. 111.

[15] Shine and Wrobel (1976).

[16] Carlson (1981), Kohler (1994), Sturtevant (1965).

[17] 也就是基因突变。——编者注

[18] Morgan (1933).

[19] 全部细节来自Carlson (2004)。

[20] Morgan (1919), p. 246.

[21] 根据诺贝尔基金会的要求，由诺贝尔奖获奖者做的公开讲座，主题与其获奖研究相关。——编者注

[22] Morgan (1933), p. 316.

[23] 丹麦物理学家，量子物理学的奠基人之一，1922年诺贝尔物理学奖获得者。——编者注

[24] von Schwerin (2010).

[25] 一个“三人组论文”的翻译版本，以及历史学家和哲学家对其重要性的讨论，见Sloan and Fogel (2011)。

[26] Sloan and Fogel (2011), p. 257.

[27] Sofyer (2001), Morange (2011). 科尔佐夫的名字也可以通过拉丁字母替换西里尔字母，写为Koltzof。有关科尔佐夫对信息和密码思想的贡献的讨论，见Kogge (2012)。

[28] Olby (1994), Sofyer (2001).

[29] 美国物理学家、心理学家、电影业研究者和工程师，设计发明了当时几乎所有的彩色电影拍摄装置以及相关的机械装置。——编者注

[30] Muller (1922), p. 37; Troland (1917).

[31] 被引用于Pollock (1970), p. 13。

[32] Haldane (1945), Morange (2011).

[33] Pringle (2008).

[34] Olby (1994), pp. 73–96.

[35] Caspersson et al. (1935), p. 369.

[36] Stanley (1935).

[37] Muller (1922).

[38] Cairns et al. (1966), Summers (1993).

[39] Kay (1986).

[40] 全部引自Wrinch (1936)。

[41] Schultz (1935), p. 30.

[42] Beadle and Tatum (1941).

[43] 如Troland (1917)。

[44] Horowitz et al. (2004), p. 4.

[45] Tatum and Beadle (1942), p. 240.

[46] 英国医生，遗传性代谢缺陷研究先驱，尿黑酸尿症发现者。——编者注

[47] Berg and Singer (2003), pp. 171–86.

[48] Time, 5 April 1943; The Irish Press, 6 February 1943.

[49] 薛定谔因其在量子物理学领域的贡献获1933年诺贝尔物理学奖。——编者注

[50] The Irish Press, 13 and 16 February 1943.

[51] Moore (1989).

[52] 5, 12 and 19 February 1943. Moore (1989), p. 35.

[53] 基于不同的计算方法，薛定谔有一次曾指出，一个基因由几百万个原子构成，另一次则认为是“1 000个，也可能比这少得多”。Schrödinger (2000), p. 46.

[54] Schrödinger (2000), p. 20.

[55] Schrödinger (2000), p. 21.

[56] Schrödinger (2000), p. 22.

[57] Schrödinger (2000), p. 62.

[58] 即弗里德里希·米舍（Friedrich Miescher），弗里茨是弗里德里希的昵称。——编者注

[59] Olby and Posner (1967).

[60] 1999年，乔舒亚·莱德伯格声称，薛定谔真正的意思并非遗传物质是“非周期性的”，而是说它具有“结晶性的要素”，或者说是“近于晶体的”（Dromanraju, 1999, p.1074）。

[61] The Irish Press, 6 and 16 February 1943.

[62] The Kerryman, 22 January 1944.

[63] 1945年，薛定谔与遗传学家J. B. S. 霍尔丹就无角牛的遗传问题有过简短通信（Crow,1992）。

[64] Yoxen (1979), p. 45, note 9; Olby (1971), p. 122.

[65] 鲍林因对化学键本质的研究及其在阐明复杂物质结构中的应用获1954年诺贝尔化学奖，又因积极参与反对核武器使用和扩散的社会活动获1962年诺贝尔和平奖，但在晚年却致力于宣扬维生素C能治疗癌症、心脏病等疾病的伪科学主张。——编者注

[66] Pauling (1987), p. 229.

[67] 佩鲁茨因对肌红蛋白和血红蛋白结构的研究获1962年诺贝尔化学奖。——编者注

[68] Perutz (1987), p. 243; Waddington (1969), p. 321.

[69] Wilkins (2003), p. 84; Crick (1988), p. 18; Inglis et al. (2003), p. 3.

[70] 例如Morange (1983)、Symonds (1986)、Kay (2000)、Sarkar (2013)。