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《时间之问31》从半导体到DNA的跨界 精选

已有 6446 次阅读 2018-6-23 09:04 |系统分类:科普集锦

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一周以后,老师和学生在餐厅又见面了。

“上次我们说到生物钟的研究居然和两位物理学家有关?”学生问道。

“对。其中一位是大名鼎鼎的薛定谔,就是研究量子力学的那位著名物理学家。”

薛定谔

“哦,我知道,他提出了著名的薛定谔的猫的比喻。他和生物学研究有什么关系呢?”

“薛定谔虽然是物理学家,但他发现许多生命现象很难用当时的物理定律来解释。”

“哦,能举个例子吗?”

“你知道,地球环境的熵值在正常情况下变得越来越大。比如一个有棱角的岩石随着时间被风化,变成了细小的沙子,从有序变得越来越无序,熵也随之增大。”

“那生命的过程呢?”

“刚好相反,生命的过程是从无序中诞生了有序。你看一个胚胎刚刚形成时,手脚、五脏器官都很混沌,但越发育、各个器官就变得更加精致、功能越完备。”

“哦,所以生命的过程中熵不断减少?”

“对。薛定谔非常想知道为什么生命如此神奇?除此之外,他还有一个疑问:就是生命是以一种什么形式来遗传信息的?柏拉图曾经对晶体特别感兴趣,他提出了世界是由五种规则的多面体组成的。但薛定谔对此有所怀疑。”

“为什么呢?”

“他猜测,如果生命以规则的晶体来把信息传递给下一代,是一种非常不高效的方式,甚至是不可能的。你知道金刚石、食盐和冰糖都是晶体,晶体是由规则形状的原子构成的,原子在晶格中的位置是固定的,一旦知道了其中几个原子的位置,就可以把所有的其它原子的位置推算出来。”

“这意味着什么呢?”

“这意味着这些晶体里存储的信息的冗余度太高了,或者说存储的有效信息太少了。因为其它原子的位置其实都是重复之前原子的模式而已,都不是有效的信息。薛定谔虽然是个物理学家,但他做了一个非常大胆的预测,这个预测导致了人们对生命的奥秘产生了无比浓厚的兴趣,激励了一大批人投身到生物学研究中,当然也包括另外一位物理学家。”

“那薛定谔做了什么预测?”

“他预测生命的遗传物质必定是以一种非周期的晶体的形式存在的。他说遗传物质一定是以某种代码的形式存在,就像人类的语言某种意义上也是代码。这种代码需要解码或者翻译,下一代生物可以读出来。”

“哦,这不就是后来DNA的基本思想吗?”

“对,薛定谔1944年写了一本书《生命是什么?》。他的思想启发了一大批人,包括DNA的发现者,也包括一位当时做物理研究的人---西蒙·本泽(Seymond Benzer)。”

西蒙·本泽(Seymond Benzer)

“本泽是谁?”

“本泽攻读普渡大学的物理学博士,他加入了Karl Lark-Horovitz的实验室研究基于锗半导体材料的雷达。他读了薛定谔的书后,大受震动,于是决定转行生物学。”

“哦。”

“不过本泽在物理学尤其是半导体技术方面的贡献也非常有创见,直接导致了后来的研究者发明了今天我们使用的晶体管。”

“哦,是吗?本泽在半导体上有什么发现?”

“当时正是二战期间,可靠工作的舰载和机载雷达的重要性不言而喻。本泽负责寻找一种方法让雷达在高电压下仍能可靠工作。他设计了一种方法,在锗晶体里掺一些锡,这样造出的整流器性能特别好,即使在100V高压下仍能正常工作。”

“整流是什么意思?”

“也就是说电流从一个方向上可以自由流动,而在相反的方向上电流的流动几乎被阻止,这样就可以实现对电流的控制。你知道现代计算机处理器和存储器最基本单元是晶体管,而晶体管的开通和关断分别代表1和0,正是1和0才让程序代码可以运行。”

“所以只要能控制晶体管的开通和关断,就可以制造出后来的处理器芯片?”

“对,正是本泽发现的这种利用掺杂来形成的整流效应,启发了后来贝尔实验室肖特莱、巴丁和布莱顿等人发明了今天我们使用的晶体管。”

“哦,他们受到了什么启发?”

“贝尔实验室的科学家想用另外一种半导体材料硅实现晶体管。实验中他们发现硅在光照下产生了与本泽很相似的整流效应,但一直搞不清楚为什么会这样。实验陷入了僵局,当时正值二战,许多人应征入伍了。肖克莱去了空军,布莱登也准备去海军研究所报到。”

“晶体管的研究就此停顿了?”

“嗯,听到这一奇怪的消息,布莱顿暂时留了下来,他敏锐地意识到这是不是与硅晶体中的掺杂有关,因为实验室的硅不是太纯。他们由此发现了利用与本泽类似的方法掺杂来实现晶体管的整流特性,从而可以控制晶体管的开通和关断。而这就是我们今天整个芯片工业、计算机行业所赖以维持的基础:晶体管的导通和关断的控制。”

晶体管的导通与关断

“哦,本泽的贡献不可估量。”

“对。后来肖特莱等三人由此获得了诺贝尔物理学奖,本泽被邀请到贝尔实验室参加庆祝宴会。席间,贝尔实验室的研究人员抓住本泽的胳膊激动地对他说:你本来也可以发明晶体管,得诺贝尔奖的!但此时,本泽的兴趣却早已转向了另外一个激动人心的领域---生物学。”

“哦,从物理界跨界到了生物界?这一步跨得可够大的。”

“本泽毕业后,他的导师为他在普渡大学提供了一个助理教授的职位。本泽想转到生物学,他的导师不但同意了,还积极想办法帮他转型。他的导师帮他申请休假去别的地方做生物学博士后。本来只请了一年的假,但是后来却延长到了两年、三年,最后学校都准备开除本泽了。”

“究竟什么迷住了本泽?”

“一开始是噬菌体,后来他转到用果蝇行为研究遗传学。正是从果蝇身上,他们发现了控制果蝇生物钟的基因。”

“本泽怎么想起来研究果蝇的基因了?”

“当时克里克和沃森已经发现了DNA的双螺旋结构,这可以说是二十世纪最重大的科学发现之一。生物学家们感到这一百年不遇的大好机会,开始探索基因的工作机制和原理。人们很早就知道果蝇和其它动物一样具有生物节律,但本泽想弄清楚到底是哪个基因决定了果蝇的生物钟周期。”

果蝇

“这样做有什么意义?”

“本泽认为,这将把生物钟的研究推向分子层面,而不仅仅是某一个器官层面。但这个想法一经提出,就受到了很多人的无情嘲笑。”

“为什么呢?”

“因为果蝇体内的基因数以万计,而果蝇的生物钟规律可能不受单个基因的控制,有可能是很多基因同时控制。这些基因的机制错综复杂,你中有我,我中有你,搞清楚一个基因对于了解整体似乎只是冰山一角而已,在这些人看来本泽的想法就好像拆下一块手表的一个齿轮就想了解整个手表的工作原理,真是异想天开!更何况即使确定一个影响生物钟的基因在当时也是困难重重。”

“哦,说的不无道理。那本泽为什么这么执着呢?”

“在研究果蝇的生物钟之前,本泽就曾经研究过基因结构,他发现基因可以逐段阅读,而每一段DNA片段上携带了丰富的信息。本泽认为,这些信息不仅仅决定了生物的遗传特性,甚至还决定了生物的行为特性,其中也包括生物什么时候做什么。”

“有这么神奇!不过要是没有实验结果,谁也不会相信的。”

“嗯,是的。本泽是个典型的夜猫子,他招了一名研究生(Ronald Konopka)科诺普卡也是夜猫子。他们准备找到果蝇里决定生物钟周期的基因,他们于是就开始工作了,幸好他们是无知者无畏!”

“为什么这么说呢?”

“因为如果他们知道果蝇总共有2万多个基因,也许他们根本都不会动手了。”

“嗯,万里挑一,这工作量太大了。”

“不过科诺卡普找了一个取巧的方法,大大减轻了工作量。他不去记录果蝇每个小时在做什么,而只关注一件事情:果蝇的羽化时间。”

“哦,就是我们以前说过的果蝇总是在黎明羽化?”

“对,这是一个固定的时刻,而且对于果蝇来说一生只有一次。科诺卡普想研究哪个基因对生物钟有影响,就让果蝇接触化学物品,引起某些基因突变。然后看是否有果蝇不在黎明羽化。”

“如果没有在黎明和上午羽化呢?”

“那就一定发生了生物钟基因突变。而且这方法很简单,只要中午和晚上去实验室看看留下的蛹就知道了。”

“嗯,这方法适合懒人和本泽这样的夜猫子。”

“他们很幸运,没多久就找到了三种基因变异的果蝇:一种节律完全失调;第二种羽化提前,节律变为19小时;第三种羽化推迟,节律变成了28小时。他们把这些突变种相互交配,发现影响果蝇生物钟的突变来源于单一的基因。他们把它命名为per(period的缩写)基因。”

“哇,运气真好,一下子找到三种变异。”

“这是1971年,他们迈出了寻找生物钟基因的第一步。确定了基因的位置,就需要想办法复制出来,以及找到基因对应的蛋白质。”

“为什么要找到基因对应的蛋白质?”

“这正是生物钟的机制的关键之处。基因和蛋白质相互作用,产生了固定的节律。不过在弄清楚这之前,我们先简单回顾一下基因是怎么传递信息并生成蛋白质的。”

“好。”

“你知道,基因库就像是一座图书馆,基因片段就是图书馆里的图书,书里的字符就是DNA的字母,或者说4种碱基:C、T、A、G。虽说只有4种碱基,但是它们排列组合之后,形成的组合可能数目却是一个天文数字。”

“是吗?有多大?”

“比如莫尔斯码一点和一线有4种组合方式。易经里的八卦,每一个由三条线组成,有8种组合方式。如果两个卦合在一起就是六条线,就有了64种可能。如果4种碱基组成一个长度仅仅20的DNA链,所有的可能性超过了一万亿(4的20次方)。”

“哇。”

“DNA的结构是两条螺旋的长链,整个DNA链条就像一支长长的梯子,连接两条梯子腿的就是这些碱基对:C-G,A-T。” 老师拿起两只筷子,比作两条梯子腿,然后拿起几根牙签,作为连接两条链的横梁。两条长链之间用配对的碱基对相连。”

“那DNA如何合成蛋白质呢?”

“每一段DNA就像一本书或者一张蓝图,说明如何制造蛋白质。但是图纸本身不会制造蛋白质,它需要有人把图纸复印以后拿到图书馆以外的工厂里制造,也就是拿到细胞核以外的细胞质中制造。完成图纸复印的是一种类似DNA的分子---信使RNA。”

DNA复制过程

“信使RNA如何复制DNA信息呢?”

“就像人在复印书时要先把书摊开,然后再放到复印机上。信使RNA会让DNA的链条打开,然后再复制信息。”

“那如何复制DNA信息呢?”

“要复制信息时,DNA的一段碱基对打开,C和G分开,A和T分开,DNA分成两条长链,就像梯子横梁断开,形成两条梯子腿。老师把牙签掰成两节,分别放到两根筷子附近。其中一条DNA链作为复制的母版,会产生一条与之互补的RNA链:DNA链的C互补产生RNA链上的G,DNA链上的A互补产生RNA链上的T。这样形成了只有一条链的RNA,然后它从DNA上脱离下来,这就是信使RNA。”

“这个信使RNA是DNA链上的信息的翻版?”

“对,这个过程叫转录。然后信使RNA离开细胞核,进入细胞质,指导氨基酸排序来生产蛋白质。这样根据DNA图纸,某种特定类型的蛋白质就被制造出来了。”

“DNA的转录是怎么启动的呢?是谁下命令启动的呢?”

“DNA序列的一个区域负责启动,其余区域负责编码。启动区域的DNA碱基序列可以连接编码区域。当特定的蛋白质连接到DNA的启动子区域时,就好像把钥匙插进了汽车点火口,轻轻一转就到着火发动了发电机,就激发了DNA编码区域的转录。”

“那本泽找到了per基因对应的蛋白质了吗?”

“没有,直到十几年以后的1988年,凯西·西维基和杰夫·霍尔才定位了per基因对应的蛋白质PER。他们进一步发现在果蝇头部的PER蛋白质存在着24小时的节律变化。”

“那这些PER蛋白质的节律变化是自发的呢?还是有其它的生物节律驱动的?”

“嗯,研究人员认为,既然是信使RNA指导蛋白质的合成,那RNA中很有可能才存在着24小时节律。果然在果蝇的头部,他们发现了RNA也在按照24小时节律变化,只不过比蛋白质的变化周期提早4到6小时。”

RNA也在按照24小时节律变化,只不过比蛋白质的变化周期提早4到6小时

“哦,到底是什么样的机制驱使着RNA也做24小时的节律变化呢?”

“到了1990年,保罗·哈丁和杰夫·霍尔提出了一种生物钟的反馈机制,这种机制的核心是DNA-RNA-蛋白质的反馈循环。”

“哦,反馈?!难道生物钟也像我们以前说的机械钟、电子钟、石英钟和原子钟那样存在着反馈机制?”

“对啊!你看,世界多么小!绕了一圈,我们又回来了,回到了这个最根本的反馈机制上来。以前我们说过,时钟之所能够循环往复是因为里面存在两种对立相反的因素,此消彼长,达到动态平衡。”

“现在我们也看看细胞里面是否也有这样两个相互作用的因素。”

“对,这两个因素分别是DNA和蛋白质,而RNA负责二者信息的传递。”

“那DNA和蛋白质到底是怎样此消彼长、相互制约又相辅相成的呢?”

“今天时间不多了,我们下次再聊吧。”

“好的,老师再见。”

“再见!”

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