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科学史上最值钱错误之一:奠定分子生物学基础 赢诺奖

作者:- 文章来源:- 点击数:37 更新时间:2018/6/8 8:42:27

  许多科学家都会犯错误,但并非所有错误都可以相提并论。大多数错误很快会被人遗忘,而少数错误却会重塑科学的真相。那些触及世界本质的错误,推动了科学的进步,它们比大量平庸的错误甚或狭隘的正确观点更有价值。

  著名的重要错误很多,比如尼尔斯·玻尔的原子模型,阿尔弗雷德·魏格纳的板块漂移学说(最初的形式),以及恩里克·费米认为制造出超铀元素,但实际上是核裂变的实验。

  这里谈到的这个错误,虽然知名度没有那么高,但同样意义重大。20世纪40年代,马克斯·德尔布吕克在一系列错误和一些具有误导性的假说上开展研究,但他后来获得了诺贝尔生理学或医学奖。他的研究奠定了分子生物学的基础。

  撰文 | 戴维·凯泽(David Kaiser)

  撰文 | 安吉拉·克里杰(Angela Creager)

  翻译 | 赵旭丹

  与其他任何行业相比,科学可能都是最看重正确性的。当然,就像绝大多数普通人一样,多数科学家也都会犯下相当多的错误。但并非所有错误都可以相提并论。历史学家发现,在很多情况下,1个错误观点的价值,可能远超1 000个平庸的错误甚或狭隘的正确观点。这些错误触及世界的本质,因而能推动更深入的研究,带来重大突破。它们虽然是错误,但如果没有了它们,科学的进展也许更加步履维艰。

  在这个故事中,犯错误的科学家是马克斯·德尔布吕克(Max Delbrück),他曾是美国范德比尔特大学的教授,后来又在加州理工学院担任教授。他的老师玻尔在1932年的演讲《光和生命》(Light and Life)中曾提出,对生命过程的了解会带来新的悖论,而解开这些悖论很可能会让人们发现新的物理学规律,德尔布吕克接受了这一观点。第二次世界大战之后,德尔布吕克与其他科学家一起,为分子生物学的创立做出了贡献。

  20世纪40年代,生物学的一个关键问题是“基因是什么”。18世纪中期,奥地利修道士格雷戈尔·孟德尔(Gregor Mendel)提出了遗传因子(后来被称为基因)的概念,它具有两大特性:一是能自我复制;二是能产生变异,即突变,并且能像原始基因一样忠实地复制。

  然而,在20世纪40年代,没有人知道基因究竟是由什么构成,也不知道它们究竟如何复制。正如1944年量子物理学先驱埃尔文·薛定谔(Erwin Schrödinger)在他那本著名的《生命是什么》(What Is Life?)一书中所述,普通的物理系统是不会自我复制的。基因的自我复制特性似乎违背了热力学第二定律。

  德尔布吕克所寻找的是“原子基因”(atomic gene)——负责完成遗传这一奇迹的不可分割的物理单元。作为一名出色的物理学家,德尔布吕克意识到,最有效的方法莫过于研究最小、最简单的生命结构:病毒。他特意选择了噬菌体作为研究对象,这种能感染细菌的病毒是最容易分离和培养的病毒之一。与其他病毒类似,噬菌体只能在宿主细胞内复制,而德尔布吕克则试图避开这个环节,因为在他看来,这属于不必要的麻烦。他与同事埃默里·艾里斯(Emory Ellis)一起发明了一种培养方法,可以把重点只放在噬菌体繁殖上,而不必考虑被感染细菌细胞内的复杂性。

马克斯·德尔布吕克马克斯·德尔布吕克

  德尔布吕克坚信,基因是由蛋白质构成的。他认为,只要理解了病毒的蛋白质如何复制,就可以理解基因。而根据他的构想,研究病毒复制的最佳方法莫过于直接观察它们的复制过程。

  但如何捕获正在复制的病毒,从而理解这一过程呢?不同噬菌体的复制时间是不一样的,德尔布吕克和同事萨尔瓦多·卢里亚(Salvador Luria)认为,如果他们用两种噬菌体去感染同一细菌,其中一种噬菌体的复制速度比另一种快,那么,当细菌的细胞壁破裂时,他们就可以捕获到复制较慢的那种噬菌体的复制中间体。

  双感染实验未能如预期般奏效——卢里亚和德尔布吕克发现,一种病毒的感染会阻止另一种的感染。几乎同时,美国宾夕法尼亚大学的托马斯·安德森(Thomas Anderson)在电子显微镜下,检查了德尔布吕克和卢里亚所用噬菌体的一份样本。他发现,病毒比人们此前想象的复杂得多——其中包含的“原子基因”显然远不止一个。噬菌体外形类似蝌蚪,能够附着到细菌外表面并引发感染,它们内部既有蛋白质又有核酸。德尔布吕克之前所设想的病毒与基因一一对应的关系逐渐被推翻。

  然而,德尔布吕克绝不会就此放弃。为了更好地理解某些细菌抵抗噬菌体感染的机制,他和卢里亚设计了所谓的变异反应实验这一实验未能揭示病毒的复制过程,但是通过精巧的方法证明,细菌的进化遵从达尔文定律:突变随机产生,偶尔会带来生存优势。这在细菌遗传学的研究中具有里程碑式的意义,开启了一个全新的研究领域。

  由于这项成果,德尔布吕克和卢里亚在1969年获得了诺贝尔生理学或医学奖[与阿尔弗雷德·赫希(Alfred Hershey)分享]。

  正确的实验,错误的理论:马克斯·德尔布吕克和同事想要揭开生命的奥秘——即基因由什么构成,它们如何工作。他们需要一种简单的生物体作为研究对象,因此选择了噬菌体——一种能感染细菌的病毒。1943年,他们通过“变异反应实验”研究了病毒的繁殖。这项实验借鉴了量子力学的技术,来研究细菌如何产生对病毒感染的抵抗力。这一实验本来是研究病毒的,但后来成为了细菌研究中的一座里程碑。德尔布吕克当时并没有意识到这些,后来他还抱怨道,其他科学家根本没有抓住重点。

  然而,变异反应实验本身并没能推动对病毒繁殖的了解,这让德尔布吕克感到十分失望,他甚至在1946年的一次公开演讲中抱怨,他在噬菌体上的研究,让大家看到了细菌研究的“爆炸性”前景,而现在,大家都跑去研究细菌,快没人理睬噬菌体了。而且,人们渐渐发现,噬菌体会利用宿主大肠杆菌(Escherichia coli)细胞内的资源来繁殖——这与德尔布吕克最初的设想恰恰相反,宿主细菌在这一过程中是完全不能被忽略的。

  不过,德尔布吕克专注于简单系统的敏锐直觉还是带来了丰硕的成果——即使后来发现噬菌体比他所想象的复杂得多。噬菌体成为一代生物学家的模式生物,甚至启发詹姆斯·沃森(James Watson)发现了DNA的结构。德尔布吕克很好地选择了实验对象,并设计了开创性的研究方法。

  20世纪50年代,德尔布吕克全面放弃了对噬菌体的研究,专注于研究感官知觉的生物物理学原理,这一次他使用的是一种叫做须霉(Phycomyces)的真菌。他招募了一批年轻的物理学家,来研究这一新的模式生物,却再也没有取得像噬菌体研究那样的累累硕果。但他依然热衷于对其他噬菌体实验加以评判,他误判重大发现的倾向甚至成了一个传奇。曾经有一位年轻的研究人员因为德尔布吕克对其实验方案的批评而倍感沮丧,加州理工学院的分子生物学家珍·韦格勒(Jean Weigle)鼓励他说,如果德尔布吕克喜欢一个想法,那么这个想法一定毫无前途。对于那些沿着正确方向前进的人而言,来自德尔布吕克的最高赞赏莫过于“我一个字也不信!”

  在这个案例中,聪明的科学家提出了错误的观点。它与其他非同凡响的错误一样,推动着各个基础学科大步向前。这些科学发现使数十亿美元的经费涌向大量的研究计划,诸多新产业如雨后春笋一般冒出来,重塑着我们所生活的世界。

  德尔布吕克的科学事业无疑非常成功,他看重非常规方法,即使最好的科研工作,他也会给予最严苛的审视;他也有足够高的地位来提出惊世骇俗的学说。

  说到底,每个人都会犯错。不过,有些错误会在研究中扮演创造性的角色,它会让科学家以出其不意的方式开辟出新的天地。在绞尽脑汁希望得到正确结论的同时,让我们稍作歇息,欣赏并赞美一下推动科学进步的重要错误吧!

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