雙螺旋中的生命密碼

陳文盛

DNA的結構以及它所揭發的生命密碼系統，是20世紀生物學最重大的發現。它不但詮釋了生命演化及遺傳的基本原理，更改變了我們對生命的基本概念，并且為人類打開了一扇主宰未來進化的大門。然而，生命密碼的發現也引出了一個難以解答的問題，那就是：它是如何出現的？

掀開遺傳因子的面紗

當我們提起DNA研究的輝煌成果，多數人立刻想到華生與克立克的雙螺旋模型。實際上，DNA研究的輝煌成果背后還有很多默默的英雄。第一位英雄，瑞士的科赫在1878年前首次發現DNA這種化合物。后來的科學家發現所有的細胞中都有DNA，而且是在細胞核里面。另一方面，比科赫稍早幾年，遺傳學祖師門德爾，也發現生物的各種特征由一種遺傳因子所主宰。20世紀初期的遺傳學家比德爾與泰特姆發現，每一個基因主宰一種蛋白質的合成，而每一種蛋白質在細胞中擔當不同的結構或功能。生物體的變異是由蛋白質變異造成的，而蛋白質的變異則是源自基因的突變。但是，基因是什么呢？它們顯然存在于細胞核中的染色體上。生化學家知道，染色體的成分是蛋白質和DNA。基因到底是蛋白質或者是DNA，還是其他東西呢？

細胞中的蛋白質無論種類、大小與結構都變化萬千。它的組成單位有20種之多。相較之下DNA就顯得單調多了，它的構造單位只有4種含氮鹽基，而且除了這4種鹽基之外，別無他物。至于它的結構如何，起初很少人關心，因為大部分的人都以為基因是蛋白質構成的。20世紀中期，新的研究結果才讓科學家開始有了DNA是基因的念頭，解開DNA結構之謎的競賽才正式起步。但是，這個競賽可以說才剛開始就結束了，因為DAN的結構很快就被兩個年輕人——23歲的華生和35歲的克立克——解出。構成DNA的4種單位，以線狀的形式排列在兩條互相纏繞的雙螺旋鏈子上，非常規律和單調。但是DNA如果就是基因的話，它應該是千變萬化的，怎么會是這樣單調的結構呢？華生與克立克的DNA結構提供了這個謎題的答案。原來基因的變化不是取決于DNA結構的復雜度，而是取決于4個單位的排列組合。就好像26個字母就可以組成無數的英文單詞，幾種音符就可以編譜出無限的樂章一樣，DNA中的4個字母可以排列出所有的基因變化。

遺傳密碼

上面的答案只解決了一半的問題，因為這樣含有4個單位的基因形式，怎么造成含有20種單位的蛋白質呢？華生與克立克的DNA結構無法提供這個答案，但是克立克和其他一些科學家提出“遺傳密碼”的說法，認為DNA中的ATGC排列順序是一種密碼，還必須再經過一種翻譯的過程才能做出蛋白質上的氨基酸序列碼。若要用四種核酸編寫出20種氨基酸，則每個氨基酸一定要有2個或2個以上的核酸單位來編碼。這就像早期用在電報通信的“摩斯密碼”一樣，用不同組合的長短聲編碼出26個英文字母。此后，克立克與他人的共同努力證明了他們的想法。基因中真的藏著密碼！也就是說，DNA是一種“信息分子”。

經過這半個世紀的研究后，現在我們了解了遺傳密碼基本上是如何操作的。我們也可以用化學及物理的角度來了解基因。門德爾所描述的遺傳因子不外是一串密碼排列，突變只是這些密碼排列的改變，突變在族群中的遺傳造成族群的演化，達爾文進化論的原動力就是來自DNA上堿基序列的變化。今日我們比較各種物種之間的DNA序列。就可以歸納出其親緣性的遠近。親緣愈接近的物種的DNA序列就愈相似。DNA主宰基因，基因主宰生物體，這是地球上從人類到植物、到細菌病毒，所有的生物自古至今共同的宿命。 對DNA密碼的了解，讓我們發展出物理及化學的方法來改變它們。我們不但可以有計劃地改進我們所應用的生物品種，甚至可以改變我們自己，主宰我們未來演化的方向。這些可能性都來自遺傳密碼——編排在DNA雙鏈結構中的密碼。

DNA密碼系統的發現，還蘊藏著一個演化的大謎題。這個謎題就是：這樣的密碼系統來自何處？細胞如何“學”會用密碼儲藏遺傳信息？用密碼儲存信息似乎是個抽象觀念，好像應該是某種智慧的發明，不像是自然演化出來的產物。但是，所有的研究指出，地球上所有的生物都是來自，同一個起源，大家都具有同樣的遺傳物質以及基本上相同的遺傳密碼。所以，這個遺傳系統應該早就存在于40億年前那個共同祖先。這樣一個密碼系統如何在那原始世界出現、成形，是令現代演化學家傷透腦筋的大謎題，是一個關系到地球生物何來何去的基本問題。

結語

這個宇宙是個謎。DNA的密碼解開了一個重要的謎題，同時也顯示出下面一個更接近基礎面的新謎題。現在我們已經了解到DNA這個信息分子的構造及功能，下一個挑戰將是：“它從何而來？”