二十世紀生物學的分子革命：分子生物學所走過的路(增訂版)（簡體書）

分子生物學的根基是什麼？基因的化學本質是什麼？細菌遺傳學是如何誕生的？物理學家是如何走進分子生物學領域的？雙螺旋是如何被發現的？遺傳密碼是如何被破譯的？信使RNA是如何被發現的？癌基因是如何被發現的？生物學與醫學的分子化進程如何？發育生物學是如何崛起的？分子生物學如何解釋生物演化？系統生物學與合成生物學能取代分子描述嗎？
本書通過對大量科學文獻和著名科學家科研工作的分析，對分子生物學在20世紀的興起和發展作了全面概括和系統描述。從分子生物學的根基開始，把分子生物學的誕生、發展和擴展過程中的核心人物和重要事件串聯起來，描繪了一幅波瀾壯闊的分子生物學史畫卷。本書還深入淺出地分析了這個過程中理論與實驗、社會環境與科學環境、各門科學學科之間的交互作用。有助於讀者理解近代生命科學的成就和歷史，擴大科學視野，培養和提升科學素養。
本書增訂版以大量篇幅，增加了分子生物學在21世紀新進展的精彩內容。

中譯者序

歷史學家可能感嘆於人類在20 世紀所經歷的兩次殘酷世界大戰。但作為生物科學工作者，我驚嘆於20 世紀我們對生命現象認識的深入。正是在這個世紀，發生了生物學的分子革命，我們對生命的認識進入到分子水平，蛋白質、核酸（DNA 和RNA）、糖類、脂類、代謝小分子等成為我們描述生命現象的常用詞匯。
這也使人類的生活發生了翻天覆地的變化。這些進步和變化，生活在19 世紀的人們可能難以預料。
人類一直在與瘟疫斗爭，但到現代才知道它們是由病毒或細菌引起的。面對新冠肺炎這場新的瘟疫，中國科學家在僅僅幾周時間內，就鑒定出一種新型冠狀RNA 病毒為病原體，測定出其全基因組序列，並在此基礎上推斷出其編碼蛋白質的種類及各種蛋白質的氨基酸序列。更為重要的是，基於病毒RNA 的精確序列，建立了專一檢測這種病毒的聚合酶鏈式反應（PCR）方法，使得我們可以快速檢測任何個體是否攜帶這種病毒！這完全依賴於分子生物學革命所提供的理論和技術體系。這為我們有效地控制這場瘟疫（特別在中國）所做出的貢獻，是分子生物學研究成果造福人類的一個極佳範例。
然而，大約在100 余年前，當人類面臨1917—1918 年發生的西班牙流感時（被認為起源於美國），我們對病毒這種主要由核酸和蛋白質組成的、比細胞小很多的微小顆粒的認識剛剛開始，更是無法像今天這樣快速鑒定和檢測它。在病毒面前，人類顯得那麼無能為力，除了恐慌還是恐慌。西班牙流感導致全世界死亡人數多達5000 萬，感染人數達幾億！更早期由天花病毒和鼠疫桿菌等導致的瘟疫死亡人數甚至遠超5000 萬（記住，那時的世界人口比現在少多了）。我們今天的篤定和自信與我們祖先的慌亂和無助形成鮮明對比，這正是生命科學，特別是分子生物學的進步所帶來的變化！
分子生物學主要關注兩類重要生物大分子：蛋白質與核酸。像糖類、脂類及其他類型的生物分子則由生物化學所關注。這些分子通過相互協調、相互作用而構成極其複雜而高效的生命現象。
生命科學，特別是生物化學與分子生物學，之所以能達到目前水準，是因為利用了來自物理學、化學，甚至數學的理論和實驗方法。很多物理學家和化學家直接參與了這場生物學的分子革命。通過這場革命，我們對遺傳、代謝、個體發育、癌症發生、細菌和病毒感染等生命現象本質的認識大大提高。
從這場分子革命中，我們也認識到，認識複雜生命現象采用最合適（往往是最簡單的）模式系統的重要性。比如認識遺傳物質的化學本質，一開始研究的物件是植物和動物，但難以奏效。正是通過將侵襲細菌的病毒（噬菌體）作為研究物件，才使得科學家很快找到令人信服的證據——原來遺傳信息的載體不是20 世紀開始幾十年所認為的蛋白質，而是DNA 這種被認為結構過於單調、簡單的大分子！
本書作者生動記述了這些物理學家、化學家參與這場生物學分子革命的精彩故事。
然而，書中提及的科學家大多來自歐洲、美國及日本等。盡管也提及了幾位華人科學家，但他們都是海外華人，無一來自中國本土（個別中國本土科學家的貢獻我以譯注形式進行了補充）。我希望再過一百年，在科學史書籍中會出現來自中國本土科學家的名字。希望寄托在現在的青年學生身上。
如何開展更具原始創新的科學研究，將是中國科學面臨的一個重要挑戰。在這方面，本書提供了很多啟示，值得我們去領會。科學創新是一種意識和習慣，也需“從娃娃抓起”。中國要復興，如果沒有一流科學與技術的原創成果則難以實現。這可能是教育部將此書列入中學生閱讀指導目錄的原因。我一直認為，學習的最高境界是“讀到書中沒寫的，聽到他人沒講的”。希望學生們能以這樣一種標準來閱讀這本書。
生命科學是一個值得青年人喜愛並投入的科學領域。然而，我們對生命的認識仍舊膚淺，這影響了我們對很多疾病的有效防止（如癌症和病毒類傳染病）。21 世紀被說成是生命科學的世紀，這反映的不是生命科學的進步，而是它仍然落後。生命現象很神奇，與人類健康和生活息息相關，我們必須全力去認識它。華夏文明是人類歷史上唯一延續至今的文明。憑借我們深厚的文化底蘊，我們一定要，也一定能在未來的生命科學領域取得優異成績！
本書最初於1994 年以法文出版，然後由英國的馬修·科博（Matthew Cobb）教授翻譯成英文，於1998 年出版（原書名為A History of Molecular Biology）。依據這個英文版本，我將其翻譯成了中文版《二十世紀生物學的分子革命：分子生物學所走過的路》，於2002 年出版。目前這個新版本於2021 年出版，它經過了作者的大幅修改，增加了多個章節，總結了分子生物學的最新進展，書名也更改為The Black Box of Biology：A History of the Molecular Revolution《生物學黑箱：一部分子革命史》。但根據該書的內容，我覺得最合適的書名是《二十世紀生物學的分子革命：分子生物學所走過的路》，故仍沿用2002 年中文版的書名。
2009 年8 月，我邀請本書作者米歇爾·莫朗熱（Michel Morange）教授到上海參加第21 屆國際生物化學與分子生物學聯盟學術大會（The 21st IUBMB Congress），從此成為朋友。書中合影即為當時所拍。
我特別感謝米歇爾·莫朗熱教授為此書的中文版專門撰寫序言。
書中引用了一些非英文（主要是法文）文獻，我非常抱歉無法將這些文獻的題目翻譯成中文。在此，我要特別感謝北京大學出版社編輯唐知涵女士和我的助理於春燕女士，她們在本書人物中文譯名確認和參考文獻格式整理方面提供了熱心幫助。
昌增益
2020 年8 月22 日
於北京大學燕園

目　錄
中文版序............................................................................i
中譯者序........................................................................... iii
緒　論........................................................................1
第一部分　分子生物學的誕生.............................................9
第1 章　這門新科學的根基 .............................................10
第2 章　一個基因一種酶假說 ............................................17
第3 章　基因的化學本質 ........................................................24
第4 章　噬菌體研究小組 .......................................................31
第5 章　細菌遺傳學的誕生 .......................................................40
第6 章　煙草花葉病毒的結晶 .................................................49
第7 章　物理學家進入分子生物學領域 ..................................52
第8 章　洛克菲勒基金會的影響 ..............................................61
第9 章　分子生物學中的物理技術 ..........................................68
第10 章　物理學的角色 ............................................................76
第二部分　分子生物學的發展.............................................................79
第11 章　雙螺旋的發現 .................................................................................................80
第12 章　破譯遺傳密碼 ................................................................................................92
第13 章　信使RNA 的發現 ........................................................................................105
第14 章　法國學派 ......................................................................................................113
第三部分　分子生物學的擴展.............................................................................................125
第15 章　常態科學 ......................................................................................................126
第16 章　遺傳工程 ......................................................................................................137
第17 章　斷裂基因與剪接 ..........................................................................................152
第18 章　癌基因的發現 ..............................................................................................160
第19 章　從DNA 聚合酶到DNA 擴增 .....................................................................168
第四部分　超越分子生物學？.............................................................................................177
第20 章　生物學與醫學的分子化 ..............................................................................179
第21 章　蛋白質結構 ..................................................................................................191
第22 章　發育生物學的崛起 ......................................................................................200
第23 章　分子生物學與生物演化 ..............................................................................211
第24 章　基因療法 ......................................................................................................225
第25 章　RNA 的中心位置 .........................................................................................236
第26 章　表觀遺傳學 ..................................................................................................247
第27 章　測定人類基因組的序列 ..............................................................................258
第28 章　系統生物學及合成生物學 ..........................................................................269
第29 章　分子生物學中的圖像、示意圖及隱喻 ......................................................279
總體結論.................................................................................................................................290
附錄：術語定義.....................................................................................................................292
注　釋.....................................................................................................................................296

第1 章　這門新科學的根基
20 世紀伊始，當生物化學取代了一系列可以被粗略地歸類在生理化學這個名稱下的研究領域時，一門新的科學出現了。1 與其前身不同的是，這門新的生物化學為醫學提供了診斷的科學方法；作為一門基礎科學，它試圖揭示生物體內分子被轉變的方式。
第一次真正的生物化學實驗在1897 年進行。當時，通過使用不含細胞的酵母抽提液，德國化學家愛德華·比希納（Eduard Buchner）在活的生物體之外成功地實現了將糖轉化為酒精的發酵過程。這一發現特別重要，因為在40 年前，法國科學家巴斯德曾經爭辯說，發酵過程代表著生命的“符號”或“標記”。
生物化學在兩個方向得到了發展。一方面它研究了生物體內分子（尤其是糖）的轉變。另一方面，它鑒定了蛋白質（包括酶）的特徵，而它們不僅是生命的關鍵組分，也是生物化學家所關注的使生物體內分子發生轉變的主體。
20 世紀前半葉對生物化學而言是一個重要時期。這一期間的標志性成果包括，揭示了主要的代謝途徑——糖酵解途徑、尿素循環、三羧酸循環a等，並對細胞呼吸現象開展了大量研究。與此同時，物理化學領域的進展導致在生物體外對酶活性開展研究的系統被創建。一種對酸性的量化標度（pH）被建立，正如可以重現細胞內液體介質特性的“緩衝溶液”的建立。這些進展為研究酶催化的動力學行為的基本原理——酶學——奠定了基礎。它們也使得穩定酶的活性，從而對酶進行純化成為可能。相應地，純化後對酶的結晶又使人們能夠研究酶的結構。
在20 世紀前20 年的生物化學領域，被稱為膠體理論的內容占據一種主導地位。在化學與生物學交界處，該理論探究了被稱為物質一種新狀態——膠體——的存在，它被認為是一種為生命所特有卻可以被物理學和化學所研究的物理化學性質。該理論的邊界模糊而不確定，一系列帶有該理論特徵的研究現在被認為是物理化學領域的經典。盡管膠體理論早已被人們遺忘，但它在當時極其重要。的確，幾次諾貝爾獎被授予給了膠體研究領域！我們現在知道，這種理論在多個方面都是完全錯誤的。該理論的關鍵性假設之一是，當質量分子低的簡單分子組合在一起時，膠體就形成了。膠體理論的支持者認為，大分子不可能存在，只有小分子聚合體才可能存在。
膠體理論的支持者和反對者之間的一場重要爭論，發生在當合適的技術被建立之後對分子質量的測定方面。對蛋白質和酶的結晶形式的分離以及利用這些晶體獲得的X 射線衍射圖像表明，這些生物組分具有清晰界定的結構，而這與膠體理論不吻合。
這些爭辯以及新的科學發現所導致的結果是，膠體理論逐漸被大分子理論所取代。“大分子”（macromolecule）這個術語1922 年由德國化學家赫爾曼·斯托丁格（Hermann Staudinger）引入，它用於描述其原子通過強的化學鍵連接在一起的高分子質量的分子。
在生物化學歷史中以及後來的分子生物學的發展中，另一關鍵概念是“專一性”（specificity）。專一性最初描述的是酶辨識其所作用的特定分子（即底物）的化學結構的能力。這個被認為是生物分子所獨有特性的概念，在20 世紀上半葉的生物學中無所不在，但今天不太常見。專一性這個概念是1890 年由德國化學家埃米爾·費歇爾（Emil Fischer）首次清楚提出的，他曾對蛋白質開展過廣泛研究。為了闡明專一性這個概念，費歇爾用了鎖和鑰匙進行比喻——底物與酶之間的相互作用可以類比為一把鑰匙與一把鎖之間的相互作用。
所有生物分子都具化學專一性這個概念，在免疫系統的研究中得到了最為驚人的發展。免疫學家們很快就將酶- 底物之間的相互作用與抗原- 抗體之間的相互作用進行了類比。
在德國生物學家保羅·埃利希（Paul Ehrlich）提出免疫響應的模型等見解之後，對抗體的化學研究——免疫化學——在20 世紀上半葉通過卡爾·蘭德施泰納（Karl Landsteiner）的領導而發展起來。6 作為一位奧地利籍並在紐約的洛克菲勒研究所工作過的免疫學家，蘭德施泰納向動物體內注射了不同的分子，然後研究了動物體針對這些分子所產生的抗體。其結果令人難忘：無論所注射分子的化學本質如何，只要它們與載體大分子偶聯在一起，那麼動物機體就能夠產生針對這些化學分子的專一性抗體。
蘭德施泰納對所注射物質進行了一定的分子改造，結果表明，動物機體可以識別這些細微的變化，並合成了可以與這些新的被改造過的分子特異結合的抗體，揭示這種分子識別的專一性乃動物本身的固有特性。本身就是一門獨立學科的免疫化學，被證明是用於研究一種生物的不同組分——一個之前由生理學和解剖學占主導地位的學科——的有效工具。如果一種動物被注入了從其他種類生物中提取出來的一種特定蛋在德國生物學家保羅·埃利希（Paul Ehrlich）提出免疫響應的模型等見解之後，對抗體的化學研究——免疫化學——在20 世紀上半葉通過卡爾·蘭德施泰納（Karl Landsteiner）的領導而發展起來。作為一位奧地利籍並在紐約的洛克菲勒研究所工作過的免疫學家，蘭德施泰納向動物體內注射了不同的分子，然後研究了動物體針對這些分子所產生的抗體。其結果令人難忘：無論所注射分子的化學本質如何，只要它們與載體大分子偶聯在一起，那麼動物機體就能夠產生針對這些化學分子的專一性抗體。
蘭德施泰納對所注射物質進行了一定的分子改造，結果表明，動物機體可以識別這些細微的變化，並合成了可以與這些新的被改造過的分子特異結合的抗體，揭示這種分子識別的專一性乃動物本身的固有特性。本身就是一門獨立學科的免疫化學，被證明是用於研究一種生物的不同組分——一個之前由生理學和解剖學占主導地位的學科——的有效工具。如果一種動物被注入了從其他種類生物中提取出來的一種特定蛋白質的話，那麼它就會產生針對這種異源蛋白質的特異性抗體。於是，利用這種免疫學識別中的專一性就能有效揭示，某種生物體中的蛋白質等化學組分的特異性。
1936—1940 年，對專一性這一概念的理解發生了實質性變化，從一種生物學的概念逐漸演化成了一種被稱為立體化學的概念。這種快速發展對於在物理化學水平解釋有機體的特異性是不可或缺的，而這一發展是蘭德施泰納與美國化學家萊納斯·鮑林（Linus Pauling）相遇的結果。7 蘭德施泰納希望就動物體針對被注射的分子所產生抗體表現出來的專一性進行化學解釋。對於想研究生物分子的鮑林而言，蘭德施泰納的研究結果是用來表征使抗原和抗體之間發生特異相互作用的化學鍵的極佳材料。
當時，鮑林已經因為將量子力學應用於分子研究而知名。 奧地利物理學家薛定諤（Erwin Schrödinger）的理論研究，與沃爾特·海特勒（Walter Heitler）和弗裡茨·倫敦（Fritz London）將量子力學應用於理解氫分子結構的工作一起，都表明化學鍵的形成可以通過量子力學來解釋，並且還能通過參與化學鍵形成原子的結構來進行預測。然而，所涉及的計算如此困難，以至於新的量子理論並不能被應用於對複雜分子的認識。
鮑林簡化了這些計算，並通過使用很多案例揭示，量子力學可以解釋化學鍵的存在與特徵。他後來又把這一工作延伸到了一些計算所得出的鍵長與鍵強與實際測定的值不匹配的分子上。鮑林提出，這種出入是由於這些分子在幾種不同的結構形式之間“共振”而產生。這種觀察到的差異是分子處於兩種形式之間的一種平衡狀態的直接反映，這樣能產生共振能量。鮑林利用這種見解重新解釋了先前的實驗結果，尤其是那些來自X 射線衍射晶體學的。他這種半經驗性的研究方法——不斷在結構研究與從量子力學原理衍生來的簡單理論規則之間進行切換——賦予化學一種新的形式。鮑林的個性、超凡魅力和他在教學方面的天賦也在這種轉變過程中發揮了重要作用。
這項研究方法致使鮑林能夠將強的共價鍵與弱的化學鍵予以區分。強鍵被經典地稱為化學鍵——它們源自兩個原子之間共享電子。弱鍵——比如氫鍵和離子鍵——由原子與原子間部分地共享其電子而形成；後者盡管被這樣稱呼，但它們在生物學中扮演重要角色。