第九章　生命的酶學(xué)說(shuō)

當(dāng)比德?tīng)柋蝗蚊鼮樗固垢４髮W(xué)的生物系教授時(shí)，他終于能邀請(qǐng)一位生物化學(xué)家來(lái)從事判別V+物質(zhì)的工作了。他挑選塔特姆是最恰當(dāng)不過(guò)的。塔特姆在威斯康星時(shí)，就已在微生物生長(zhǎng)因子這一新興而又令人振奮的研究領(lǐng)域中工作。塔特姆在一年的歐洲生活里結(jié)識(shí)了F.科格，當(dāng)時(shí)科格剛發(fā)現(xiàn)生物素。在歐洲期間，他還認(rèn)識(shí)了尼爾·弗賴(lài)斯——瑞典杰出的真菌學(xué)家，多年來(lái)一直用于鏈孢菌研究的“弗賴(lài)斯培養(yǎng)基”的發(fā)明人。

鏈孢菌研究

上一章講的果蠅研究促使比德?tīng)柈a(chǎn)生了這樣的概念，即野生型產(chǎn)物的合成是由基因控制的一系列反應(yīng)的結(jié)果。對(duì)果蠅的研究還使比德?tīng)柼岢鲞@樣的設(shè)想：對(duì)于每一個(gè)這樣的反應(yīng)都有一個(gè)控制基因。他回顧以往時(shí)說(shuō)道：“因此，看來(lái)有理由假設(shè)：一種酶的全部特異性，也許來(lái)源于單個(gè)基因?！保?958，597）正是這種信念使比德?tīng)柡退啬反_信他們能把分析倒過(guò)來(lái)做，即選出已知的代謝需求來(lái)探索它們的遺傳決定。正如孟德?tīng)柕某晒σ蕾?lài)于他深思熟慮地選擇生物體以適合所要解決的特定問(wèn)題（奧爾貝，1966，115），比德?tīng)柡退啬返某晒σ彩侨绱?。他們認(rèn)為，所有的高等動(dòng)植物都應(yīng)排除在外，因?yàn)樗鼈儗?duì)營(yíng)養(yǎng)的要求不是“完全處于研究者的控制之下”；綠藻也不行，因?yàn)樗婕暗姆敝臣夹g(shù)太復(fù)雜；至于細(xì)菌和藍(lán)綠藻，由于它們沒(méi)有有性生殖，而原生動(dòng)物又只是部分地知道它們對(duì)營(yíng)養(yǎng)的要求，所以都不能選用。

另一方面，真菌看來(lái)更有希望。子囊菌類(lèi)的鏈孢菌有生活周期，最合適于作遺傳學(xué)研究，它可以在無(wú)菌條件下生長(zhǎng)，對(duì)空間的要求也不很?chē)?yán)格，而且從遺傳學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，對(duì)鏈孢菌已作過(guò)相當(dāng)廣泛的研究。

（比德?tīng)枺?945，644）

比德?tīng)栐诮邮苤Z貝爾獎(jiǎng)的演說(shuō)中，講到他是如何想到鏈孢菌的：

作為康奈爾大學(xué)的研究生，我曾聽(tīng)過(guò)紐約植物園B.O.道奇博士關(guān)于面包霉菌（鏈孢菌）遺傳的學(xué)術(shù)報(bào)告。所謂接合型和白化的第二次分裂分離，使他困惑不解。我們中間的幾個(gè)人剛考察了果蠅四線交換的證據(jù)，便提出著絲粒與分離基因之間的交換可以很好地解釋上述結(jié)果。

道奇積極支持把鏈孢菌作為遺傳研究的生物體。他對(duì)摩爾根堅(jiān)持說(shuō)：“鏈孢菌甚至比果蠅還好?！钡榔媸悄柛鶎?shí)驗(yàn)室的常客。他最后說(shuō)服摩爾根在從哥倫比亞大學(xué)到加州理工學(xué)院生物學(xué)部工作時(shí)，帶走了所收集的鏈孢菌培養(yǎng)物；該生物學(xué)部是摩爾根在1928年創(chuàng)建的。

不久之后，C.C.林德格雷到摩爾根實(shí)驗(yàn)室當(dāng)研究生。人們建議他應(yīng)把研究鏈孢菌遺傳學(xué)作為學(xué)位論文的基礎(chǔ)。選用鏈孢菌真是太幸運(yùn)了，因?yàn)樗哂胸S富的想象力、異常的熱情和充沛的精力，還有E.G.安德森、C.B.布里奇斯、S.埃默森、A.H.斯蒂特文特和研究所其他人員提供意見(jiàn)；當(dāng)時(shí)他們對(duì)于交換是減數(shù)分裂機(jī)制一部分的一些問(wèn)題很感興趣。在這樣得天獨(dú)厚的環(huán)境下，林德格雷很快掌握了鏈孢菌遺傳學(xué)的許多基本點(diǎn)。他發(fā)現(xiàn)了許多新性狀，并朝著繪制染色體圖邁開(kāi)步伐。

這樣，我和塔特姆都認(rèn)識(shí)到在我們的新的研究工作中，鏈孢菌幾乎是遺傳學(xué)上最理想的生物體。

（比德?tīng)枺?958，594～595）

雖然他倆還不清楚面包霉菌的營(yíng)養(yǎng)要求，但尼爾·弗賴(lài)斯肯定地對(duì)他們說(shuō)營(yíng)養(yǎng)要求是簡(jiǎn)單的。不久，塔特姆判明生物素是所要求的唯一的生長(zhǎng)因子，而且碰巧當(dāng)時(shí)這種激素的數(shù)量能滿(mǎn)足這些實(shí)驗(yàn)所需。

剩下的工作只是照射無(wú)性孢子，同相反接合型的菌株雜交；使之產(chǎn)生有性孢子，分離有性孢子；使之在適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充培養(yǎng)基上生長(zhǎng)，然后在非補(bǔ)充培養(yǎng)基上試驗(yàn)有性孢子。我們堅(jiān)信基因-酶反應(yīng)關(guān)系是普遍的，我們一定能找到我們所要的那些突變體。唯一擔(dān)憂(yōu)的是突變體的出現(xiàn)頻率可能極低，以致在發(fā)現(xiàn)它們之前我們很可能已失去信心而撒手不干了。

我們對(duì)長(zhǎng)期以來(lái)的挫折可能造成的泄氣極為關(guān)切。因此，在試驗(yàn)前我們?cè)谘a(bǔ)充培養(yǎng)基上準(zhǔn)備了一千多個(gè)單孢子培養(yǎng)物。我們從分離的299號(hào)和1085號(hào)孢子中分別得到了維生物B₆和B₁的突變株。我們立下誓言，不獲得10種突變體決不罷休。不久，我們竟獲得了幾十種突變體。

由于很容易重新獲得鏈孢菌一次減數(shù)分裂過(guò)程的全部產(chǎn)物，所以很容易斷定我們新誘發(fā)的營(yíng)養(yǎng)缺陷是否為單基因突變所造成的。如果是這樣，那么同原來(lái)的菌株雜交后，在每個(gè)子囊中應(yīng)有4個(gè)突變孢子和4個(gè)非突變孢子。結(jié)果確是如此。

經(jīng)歷了這樣長(zhǎng)期曲折的過(guò)程，我們先在果蠅中然后在鏈孢菌中，重新發(fā)現(xiàn)了好多年前加羅德已清楚觀察到的現(xiàn)象?，F(xiàn)在我們才了解加羅德的工作，并且認(rèn)識(shí)到我們?nèi)绻谠砩嫌行┌l(fā)展的話(huà)，也是微乎其微的。我們用了更合意的生物體進(jìn)行研究，幾乎能隨意使任何一種化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生先天性代謝缺陷；通過(guò)培養(yǎng)基我們能供應(yīng)這些化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物。所以，我們能驗(yàn)證加羅德已表明的人體內(nèi)有某些化學(xué)反應(yīng)就有某些基因的情況，同樣存在于鏈孢菌中，有許多化學(xué)反應(yīng)就有許多個(gè)基因。

（比德?tīng)枺?958，595～596）

除了在維生素B實(shí)驗(yàn)組中取得成果外，比德?tīng)柡退啬愤€確立了經(jīng)過(guò)氨基酸和吲哚生成色氨酸的基因控制下的反應(yīng)的次序。當(dāng)1942年戴維·邦納和諾曼·霍羅威茨加入他們的行列之后，觀察到的基因控制的生化反應(yīng)的范圍更廣泛了。到1945年，大約有60000個(gè)單孢子株系經(jīng)過(guò)X射線、中子和紫外線的照射。

一個(gè)基因一種酶假說(shuō)

比德?tīng)柡退啬吩?941年到1945年期間寫(xiě)的主要論文中，都沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)“一個(gè)基因一種酶”的提法。在這個(gè)問(wèn)題上，他們采取比較謹(jǐn)慎的態(tài)度不是沒(méi)有理由的。在談到基因和酶的特異性時(shí)，他們說(shuō)，“是處于同一等級(jí)上”（1941，500），“在基因和特定反應(yīng)間存在著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系”（1945，643）。必須作進(jìn)一步研究來(lái)證明，是否“只是一個(gè)基因與直接調(diào)節(jié)一個(gè)特定化學(xué)反應(yīng)有關(guān)”（1941，505）。到1945年，比德?tīng)栭_(kāi)始討論基因與酶之間的關(guān)系了。他講到每一化學(xué)反應(yīng)主要受一個(gè)基因控制時(shí)，他以歷來(lái)的講話(huà)風(fēng)格補(bǔ)充說(shuō)：“更確切地說(shuō)，是指每一種酶促催化反應(yīng)?！保?945，643）很清楚，盡管早期工作已提到基因與酶之間的關(guān)系，但只是研究了鏈孢菌中基因與反應(yīng)的關(guān)系之后才弄清楚的。

用比德?tīng)栮P(guān)于基因-酶之間關(guān)系的見(jiàn)解來(lái)分析他提出的蛋白質(zhì)合成概念，是一件饒有興趣的事。后面我們將簡(jiǎn)要地討論這個(gè)問(wèn)題。我們?cè)谶@里要提到的是比德?tīng)柎嬖谝环N矛盾心理，一方面他認(rèn)為有無(wú)起作用的酶取決于單個(gè)基因；而另一方面他又提出了包括酶在內(nèi)的最終產(chǎn)物的分步合成概念，即每一步取決于一個(gè)基因，因此總的合成就涉及許多個(gè)基因。這就導(dǎo)致他提出區(qū)分“初級(jí)”和“次級(jí)”基因控制的兩個(gè)方面。

基因表達(dá)學(xué)說(shuō)

很久以前就有人提出，細(xì)胞核對(duì)細(xì)胞質(zhì)的作用要由“酵素”（原文為ferment——譯者注）作媒介（德里施，1894）。到1902年，幾位早期的孟德?tīng)枌W(xué)者已把遺傳因子與酵素聯(lián)系起來(lái)。由于這種觀點(diǎn)得到廣泛承認(rèn)，因此早先風(fēng)行一時(shí)的自體生殖粒子理論也就煙消云散了。十九世紀(jì)流行這種理論，是對(duì)蛋白質(zhì)之類(lèi)復(fù)雜分子缺乏了解的結(jié)果，也是認(rèn)識(shí)到自體生殖要求化學(xué)分子無(wú)法提供的更高級(jí)組織形式的結(jié)果。因此，赫伯特·斯潘塞、查爾斯·達(dá)爾文、雨果·德弗里斯和奧古斯特·魏斯曼提出了由許多化學(xué)分子組成的、自繁殖的生理學(xué)單位和形態(tài)學(xué)單位。

到二十世紀(jì)，有人認(rèn)為基因復(fù)制是類(lèi)似晶體生長(zhǎng)的自動(dòng)催化過(guò)程（奧斯特瓦，1908；哈格多恩，1911）。因此，就不太強(qiáng)調(diào)要有老的形態(tài)學(xué)單位。荷蘭遺傳學(xué)家艾文特·哈格多恩在那篇極有創(chuàng)見(jiàn)的文章《自動(dòng)催化物質(zhì)：遺傳性狀的定子——遺傳及進(jìn)化的生物力學(xué)理論》中，抨擊了生命有機(jī)體的所有亞單位都具有活力的老傳統(tǒng)。同以前的威廉·魯一樣，哈格多恩認(rèn)為生命應(yīng)是這些亞單位的組合體，而不是亞單位本身。

遺傳物質(zhì)是由原生質(zhì)組成并有同化作用和生長(zhǎng)能力的生命單位，這種假設(shè)是符合實(shí)際的。作為一種遺傳與進(jìn)化學(xué)說(shuō)，我們還需了解更多的東西。工作假說(shuō)要成為有用的研究工具，必須用已經(jīng)掌握的材料來(lái)解釋這些事實(shí)。如果為解釋而解釋?zhuān)孟胂蟪鰜?lái)的生命粒子的行為來(lái)解釋進(jìn)化與遺傳事實(shí)則是不可接受的。

（哈格多恩，1911，23）

后來(lái)，C.M.蔡爾德也提出類(lèi)似的觀點(diǎn)，他認(rèn)為十九世紀(jì)的微粒學(xué)說(shuō)無(wú)助于“我們解決任何一個(gè)生物學(xué)基本問(wèn)題，它只能置這些問(wèn)題于科學(xué)研究的范圍之外”（1915，11～12）。特羅蘭也附和蔡爾德的觀點(diǎn)，并對(duì)H.J.穆勒有很大影響。許多年之后，這位偉大的美國(guó)遺傳學(xué)家寫(xiě)道：

以前提出“泛生子”、“定子”或其他自繁殖粒子的人們，看來(lái)并未認(rèn)識(shí)到這些理論所造成的巨大危害。他們下意識(shí)地陷入了古代的萬(wàn)物有靈論……把繁殖看成是由于粒子的作用，特別是當(dāng)粒子構(gòu)成一個(gè)更大活體的組成時(shí)更是如此。

（穆勒，1951，95）

哈格多恩認(rèn)為自己的作用只是使魯和洛布表達(dá)的觀點(diǎn)現(xiàn)代化。根據(jù)這位荷蘭科學(xué)家的假說(shuō)，遺傳機(jī)制涉及“為數(shù)眾多的、分別傳遞的物質(zhì)，每一種物質(zhì)都具有自體催化的特點(diǎn)”（哈格多恩，1911，28）。特羅蘭欣然接受這一假說(shuō)，因?yàn)樗吹竭@種假說(shuō)干凈利落地推翻了生命粒子說(shuō)，并避免了無(wú)限倒退的問(wèn)題。他說(shuō)，德里施曾

……論證說(shuō)，要解釋決定發(fā)育的細(xì)胞核“機(jī)器”的繁殖，我們必須設(shè)想還有另一個(gè)機(jī)器來(lái)完成操作，依此類(lèi)推以至無(wú)窮。然而，自體催化過(guò)程的性質(zhì)表明，這個(gè)結(jié)論是錯(cuò)誤的。因?yàn)樽泽w催化能使特定單位的任何平面或線性嵌合體在質(zhì)量上分毫不差地進(jìn)行繁殖。

（特羅蘭，1917，343）

毫無(wú)疑問(wèn)，這種基因復(fù)制的催化學(xué)說(shuō)合乎當(dāng)時(shí)的潮流。因?yàn)槟菚r(shí)是酶學(xué)的黃金時(shí)代。我們發(fā)現(xiàn)，特羅蘭在1916年寫(xiě)了一篇題為《生命的酶學(xué)說(shuō)》的論文。1917年，他講到“我們所說(shuō)的生命”，本質(zhì)上是催化規(guī)律經(jīng)歷漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期作用于膠體體系物質(zhì)的產(chǎn)物（特羅蘭，1917，327）。對(duì)他來(lái)說(shuō)，所謂“活體”或“遺傳”的決定作用歸結(jié)到底是“催化”作用（同上）。貝特森的觀點(diǎn)則是遺傳傳遞的因子“本身不大可能是遺傳因子，而是它們存在的結(jié)果”（貝特森，1909，86），特羅蘭認(rèn)為這種說(shuō)法只是“無(wú)知”（1917，328）。貝特森仍沒(méi)回答這兩個(gè)問(wèn)題：“因子本身是什么？它們又來(lái)自何方？”但對(duì)特羅蘭來(lái)說(shuō)這很簡(jiǎn)單：“假定實(shí)在的孟德?tīng)栆蜃泳褪敲?，那么幾乎所有這些困難就蕩然無(wú)存了?！保ㄍ希?/p>

特羅蘭區(qū)分了基因合成其類(lèi)似物的催化作用（自體催化）和合成不同物質(zhì)的催化作用（異體催化）。雖然自體催化更為基本，但兩者都類(lèi)似晶體生長(zhǎng)，晶體周?chē)牧?chǎng)從溶液中吸引一定形狀的分子。這是一個(gè)特定過(guò)程，分子越復(fù)雜其特異性也就越大。這種吸引就像費(fèi)希爾認(rèn)為的酶和底物之間的鎖和鑰匙的關(guān)系（同上，337）。

穆勒在晚年承認(rèn)這些觀點(diǎn)大大鼓舞了他。

我在1917年看到特羅蘭的著名論文時(shí)真是大吃一驚，因?yàn)槠渲杏性S多觀點(diǎn)同我的想法極其類(lèi)似。但有些概念還存在一些重大分歧。例如，我雖然相信在原生質(zhì)反應(yīng)中專(zhuān)一性酶的重要性和多樣性，以及它們的存在要取決于基因，但我認(rèn)為在基因和酶之間劃等號(hào)是不合邏輯的，而是要確立基因到底屬于哪一類(lèi)已知的化學(xué)物質(zhì)還為時(shí)過(guò)早。即使在精子里還有一種尚未分類(lèi)的殘留物質(zhì)，而且已知的酶大多被認(rèn)為是蛋白質(zhì)。

（穆勒，1967，423～424）

事實(shí)上，特羅蘭已把基因與核酸等同起來(lái)，并探索了當(dāng)時(shí)的化學(xué)技術(shù)還無(wú)法揭示的化學(xué)序列組成這個(gè)難題。結(jié)果得到了統(tǒng)計(jì)學(xué)上的平均組成（特羅蘭，1917，342）。

可惜的是，特羅蘭的觀點(diǎn)未能對(duì)實(shí)驗(yàn)有所啟示，但他的觀點(diǎn)使人們始終抱有希望：終有一天可用物理化學(xué)來(lái)解釋基因的生理作用和基因復(fù)制。他的這些觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了基因的自體催化作用是生物學(xué)中最不可思議的謎。盡管特羅蘭的論文沒(méi)有像哈格多恩的論文那樣得到廣泛引用，但正是穆勒，反復(fù)提醒遺傳學(xué)家要注意基因的自體催化作用，并吸引物理學(xué)家轉(zhuǎn)入生物學(xué)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

比德?tīng)柕倪z傳決定概念

從比德?tīng)柕恼撐闹锌梢钥闯觯覀兩厦嬲劦降倪@些推測(cè)性想法對(duì)他并沒(méi)有什么影響。他比鼓吹基因自體催化和異體催化作用的任何人都來(lái)得謹(jǐn)慎，從不輕易發(fā)表自己的看法。斯科特-蒙克里夫、庫(kù)恩、梅爾徹斯、韋爾臺(tái)爾以及1939年時(shí)加羅德的看法引起了他的重視（也許是J.B.S.霍爾丹在1937年寫(xiě)的一篇文章，使比德?tīng)栕⒁獾搅思恿_德的研究工作）。1939年，比德?tīng)栐趷?ài)丁堡會(huì)議上宣讀的論文《激素產(chǎn)生的遺傳控制及其應(yīng)用》的結(jié)語(yǔ)中，很好地說(shuō)明了他的研究方法。他說(shuō)，如果論文中講到的工作是重要的，那么這不是“因?yàn)樗鼘?zhuān)門(mén)告訴我們?cè)S多關(guān)于基因的作用，而是因?yàn)樗赡苤赋鲆环N研究方法。我們希望這種方法對(duì)遺傳學(xué)家和生化學(xué)家都會(huì)變得越來(lái)越有用”（比德?tīng)枺?939，61）。

六年后，比德?tīng)栐阪滄呔芯可先〉昧藢?shí)質(zhì)性進(jìn)展。用伯納德·斯特勞斯的話(huà)來(lái)說(shuō)，就是“表明了基因與代謝作用之間的密切關(guān)系”（1960，6）。因此，比德?tīng)柛械剿F(xiàn)在能夠推測(cè)基因怎樣決定其最后產(chǎn)物。基因的直接產(chǎn)物是激素、酶或蛋白質(zhì)。那么，基因如何決定其產(chǎn)物呢？抗原特異性模型作為一種特定的分子構(gòu)象對(duì)比德?tīng)柺怯杏绊懙?。他?xiě)道：

由于在許多已知的事例中，抗原和酶的特異性似同基因特異性有直接關(guān)系，因此完全有理由設(shè)想，基因主要的、可能是唯一的功能在于決定蛋白質(zhì)分子的最后構(gòu)型。

假設(shè)有機(jī)體的每一種特定蛋白質(zhì)具有從基因那里復(fù)制出來(lái)的獨(dú)特構(gòu)型，那么，由蛋白質(zhì)決定其專(zhuān)一性的每一種酶將由于基因突變而被修飾或失活。這當(dāng)然意味著通常由這種酶催化的反應(yīng)將改變其速率或產(chǎn)物，或是完全被阻斷。

這種觀點(diǎn)并不意味基因直接“制造”蛋白質(zhì)，不管蛋白質(zhì)是怎樣合成的和由什么組成的，這些成分本身一定是由酶催化的反應(yīng)所合成；從而又依賴(lài)于許多基因的作用。因此，合成單個(gè)蛋白質(zhì)分子也許至少有幾百個(gè)不同的基因參與其事。但是，最后的這個(gè)分子只對(duì)應(yīng)于其中的一個(gè)基因，我們把這個(gè)基因看成是起主要控制作用。

（比德?tīng)枺?945，660）

比德?tīng)柕暮献髡叽骶S·邦納在1945年冷泉港會(huì)議上發(fā)表了同樣的看法。他說(shuō)：

目前，大家一致認(rèn)為，基因含有的核蛋白構(gòu)成了基因結(jié)構(gòu)中的主要成分。因此我們可預(yù)料，像其他蛋白質(zhì)一樣，基因也有特定的構(gòu)造；一個(gè)基因的構(gòu)造有它自身的特征。根據(jù)這些看法可得出下述觀點(diǎn)：基因通過(guò)直接或間接地使反應(yīng)不可缺少的酶有一種特定的構(gòu)型，從而控制了生化反應(yīng)。

（邦納，1946，21）

貿(mào)然地說(shuō)這種基因作用概念會(huì)引入歧途，將是極不公正的。上述概念描繪了基因通過(guò)決定特定蛋白質(zhì)的構(gòu)象而專(zhuān)一性地起作用，這種概念在目前的蛋白質(zhì)合成學(xué)說(shuō)中仍占一席之地，因?yàn)榛虼_實(shí)決定氨基酸的順序，在一定的條件下該順序又決定蛋白質(zhì)的構(gòu)象。但是，比德?tīng)栐?945年的討論中沒(méi)有提及氨基酸順序，而且從亞單位裝配與最終構(gòu)象的區(qū)別來(lái)看，比德?tīng)柈?dāng)時(shí)肯定還沒(méi)有形成現(xiàn)在這樣的想法。如果可以說(shuō)上述概念已步入歧途，那么問(wèn)題出在得出的結(jié)論：基因是一種特殊的酶，因此其專(zhuān)一性作用在于它的蛋白質(zhì)成分。請(qǐng)看一下比德?tīng)栐?945年寫(xiě)的論文中的一段話(huà)：

根據(jù)各方面的證據(jù)，基因被認(rèn)為是由核蛋白所組成，或至少含有核蛋白作為主要成分。基因有復(fù)制自身的能力，當(dāng)然是每當(dāng)細(xì)胞分裂一次基因就復(fù)制一次。基因自我復(fù)制的方式是生物學(xué)中尚待解決的問(wèn)題之一，但人們認(rèn)為這涉及一種模型復(fù)制機(jī)制，由此基因把子基因的組成成分組合在一起。如果確是這種機(jī)制以及基因含有蛋白質(zhì)成分，則基因復(fù)制是蛋白質(zhì)合成的一個(gè)特例。

（比德?tīng)枺?945，660）

與病毒作類(lèi)比

凡讀過(guò)貢特·施滕特為《細(xì)菌病毒的分子生物學(xué)》所寫(xiě)歷史緒論的人都知道，噬菌體的發(fā)現(xiàn)觸發(fā)了一場(chǎng)辯論——致病因子是有機(jī)體還是酶？論戰(zhàn)的一方是巴黎巴斯德研究所所長(zhǎng)費(fèi)利克斯·德黑雷勒，他主張噬菌體是一種“看不見(jiàn)的微生物”（1917，373）；另一方是安德烈·格雷希和布魯塞爾巴斯德研究所所長(zhǎng)朱爾斯·博爾德，他們支持另一種觀點(diǎn)，認(rèn)為溶菌因子是細(xì)菌本身產(chǎn)生的一種酶。英國(guó)微生物學(xué)家弗雷德里克·特沃特認(rèn)為溶菌現(xiàn)象有三種可能的解釋?zhuān)@是其中之一（1915，1242）。對(duì)動(dòng)植物病毒來(lái)說(shuō)，這種酶學(xué)說(shuō)是正統(tǒng)的看法。在1899年和1900年，正是A.F.伍茲用這種理論來(lái)解釋煙草花葉病毒（TMV）。壞死斑點(diǎn)中的葉綠素變成了葉黃素，這是由于局部積累了氧化酶。1905年，F(xiàn).W.T.亨格基本上也持同樣的觀點(diǎn)。在我們已提到的哈格多恩的文章中，把基因比作是引起狂犬病和脊髓灰質(zhì)炎的“濾過(guò)性病毒”。濾過(guò)性病毒只是“具有自體催化特性的化學(xué)物質(zhì)”，它們?nèi)鄙偌?xì)菌和酵母細(xì)胞的“結(jié)構(gòu)上的關(guān)系”，因此在通過(guò)極細(xì)的濾膜時(shí)不會(huì)喪失自體催化能力（哈格多恩，1911，26～27）。因此，濾過(guò)性病毒和噬菌體的發(fā)現(xiàn)，有力地支持了生命的酶學(xué)說(shuō)和把自體催化看作是生命的基本而主要的特性的概念。哈格多恩并未排除這種可能性，“把濾過(guò)性病毒和其他自體催化物質(zhì)等非生命物組合起來(lái)創(chuàng)造出生命有機(jī)體”（1911，27）。

諾思羅普的噬菌體繁殖的自體催化學(xué)說(shuō)

1937年，諾思羅普在著名論文《噬菌體的濃縮和純化》中闡明了這一學(xué)說(shuō)。他發(fā)現(xiàn)自己正處于約四十年前巴克納同樣的境地，當(dāng)時(shí)巴克納已證實(shí)細(xì)胞抽提物會(huì)引起歷來(lái)認(rèn)為是“生命攸關(guān)的”反應(yīng)。只需要有釀酶存在，糖的發(fā)酵就成為一種化學(xué)反應(yīng)。接著便是噬菌體的發(fā)現(xiàn)。噬菌體在寄主細(xì)胞內(nèi)急劇增多，因此，它像是一種生命有機(jī)體。諾思羅普的論點(diǎn)又引起一場(chǎng)辯論。諾思羅普力圖制服活力論的新幽靈。他正確地論證了噬菌體及有可察覺(jué)的、有組織的結(jié)構(gòu)以及它自身的代謝作用。他沒(méi)有證據(jù)來(lái)證明噬菌體本身自體催化作用的增加。

……因?yàn)橹皇窃谟谢罴?xì)胞的情況下，自體催化才會(huì)增加，在這種情況下，細(xì)胞里正常的蛋白質(zhì)和酶也就增加。實(shí)際上，最近庫(kù)尼茨已發(fā)現(xiàn)霉菌（青霉菌）產(chǎn)生的細(xì)胞外水解蛋白酶也以同樣的方式增加。噬菌體與“正常的”酶或蛋白質(zhì)之間的差別，僅在于：不是所有的培養(yǎng)物都含有噬菌體。如果所有的培養(yǎng)物都含有噬菌體，那么就可認(rèn)為它是一種正常的酶，這種培養(yǎng)物可以說(shuō)是容易自溶的。

（諾思羅普，1938，359）

諾思羅普問(wèn)道，只有噬菌體會(huì)有自溶性的增加嗎？確實(shí)還有一些物質(zhì)在加到活細(xì)胞里以后也會(huì)增加。1922年格雷希指出，凝血期間凝血酶的增加類(lèi)似于細(xì)菌產(chǎn)生噬菌體。六年后，格里菲思發(fā)現(xiàn)了肺炎球菌的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。這不正是在Ⅲ型死細(xì)胞的刺激下生成一種新化合物——Ⅲ型外殼的一個(gè)例子嗎？失活的化合物胃蛋白酶原和胰蛋白酶原在有活性的酶存在時(shí)不是并未因此而在體外變成活性的胃蛋白酶和胰蛋白酶嗎？

可用相同的機(jī)制來(lái)說(shuō)明活細(xì)胞中噬菌體和其他病毒的增多。細(xì)胞合成了一種“正常的”失活蛋白質(zhì)。當(dāng)加入有活性的病毒或噬菌體時(shí)，這種失活蛋白質(zhì)或“原噬菌體”被自體催化反應(yīng)轉(zhuǎn)化成更有活性的噬菌體。

（諾思羅普，1938，361）

早在1936年，斯坦利在研究TMV時(shí)就提出了這一學(xué)說(shuō)。當(dāng)然，當(dāng)時(shí)這一學(xué)說(shuō)還有些問(wèn)題呢！正如諾思羅普所承認(rèn)的，如果一種無(wú)活性蛋白質(zhì)變成活性蛋白質(zhì)要經(jīng)過(guò)水解從而使分子裂解，那么從超離心得到的TMV為什么有這么高的分子量（3×108）呢？F.C.鮑登（后來(lái)的弗雷德里克爵士）曾問(wèn)道，制造這些病毒前體對(duì)寄主細(xì)菌有什么好處？胃蛋白酶原在體外變?yōu)槲傅鞍酌竿删w前體轉(zhuǎn)化為噬菌體，在數(shù)量上又有什么類(lèi)似之處？在寄主細(xì)胞或煙草植株中，都找不到如此大量的諾思羅普所說(shuō)的“原噬菌體”。一點(diǎn)證據(jù)都沒(méi)有（鮑登，1939，280）。1937年，斯坦利不得不承認(rèn)TMV相對(duì)分子質(zhì)量超過(guò)10000000，但在健康的煙草汁中，他找不到相對(duì)分子質(zhì)量大于30000的粒子（威科夫、比斯科和斯坦利，1937）。

無(wú)所不包的生命酶學(xué)說(shuō)被用來(lái)反對(duì)噬菌體的活力論。正如諾思羅普所承認(rèn)的，他提出的看法類(lèi)似于博安德在1931年和斯坦利在1936年提出的觀點(diǎn)。洛克菲勒研究所的這個(gè)“酶大本營(yíng)”似乎并未受到穆勒提出的病毒基因類(lèi)似論的影響。穆勒是在1921年于多倫多召開(kāi)的美國(guó)科學(xué)發(fā)展協(xié)會(huì)的會(huì)議上，第一次提出病毒-基因類(lèi)似論，并在1929年和1936年再次提出。在1921年的會(huì)議上，他論證說(shuō)：

……如果這些德黑雷勒小體確是完全像染色體基因一樣的基因，那就為解決基因問(wèn)題指出一條全新的途徑。它們是濾過(guò)性的，可在某種程度上分離的，可在試管里處理的；經(jīng)處理后，就可以研究它們作用于細(xì)菌所表現(xiàn)出來(lái)的那些特性。稱(chēng)這些小體為基因是過(guò)于輕率了，但目前我們又必須承認(rèn)在基因與這些小體之間，還不知道有什么差別。因此我們不能斷然否認(rèn)，也許我們能夠在研缽和燒杯內(nèi)研磨和燒煮基因呢。難道我們這些遺傳學(xué)家一定要成為細(xì)菌學(xué)家、生理化學(xué)家和物理學(xué)家，同時(shí)又是動(dòng)物學(xué)家和植物學(xué)家嗎？但愿我們能夠如此。

（穆勒，1922，48；引自卡爾森1971，162）

1936年，穆勒提到了斯坦利的晶狀TMV產(chǎn)物，這“顯然”是一種純蛋白質(zhì)。

我們斷定，這種物質(zhì)具有基因的性質(zhì)，即能自體繁殖。也就是說(shuō)，當(dāng)它在細(xì)胞里時(shí)能自體合成，而且可能是能突變的，因?yàn)橹胁煌姆N類(lèi)。因此我們可以暫時(shí)假定它代表了某種基因。它的巨大分子的相對(duì)分子質(zhì)量達(dá)幾百萬(wàn)，十分接近于現(xiàn)在估算的果蠅基因的大小。

（穆勒，1936，213）

在愛(ài)丁堡舉行的遺傳學(xué)會(huì)議上，阿斯特伯里宣讀了題為《與基因問(wèn)題有關(guān)的蛋白質(zhì)和病毒研究》的論文。在這篇論文中，他宣稱(chēng)：“病毒和染色體是我們所知道的兩種最簡(jiǎn)單的繁殖系統(tǒng)——‘最簡(jiǎn)單’是指它們最接近于生命的起點(diǎn)。”（阿斯特伯里，1939，49）在這次會(huì)議上，H.H.麥金尼和J.W.高恩也講到了病毒粒子與基因的相似性。麥金尼論文的題目是《病毒基因》。他認(rèn)為，TMV

……具有基因的基本功能，即它在自我復(fù)制（自體合成）的特定反應(yīng)中起決定者的作用。而且它發(fā)生突變，形成一系列來(lái)自野生型的等位基因。根據(jù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論認(rèn)為，基因是寄生的核蛋白，這一結(jié)論與上述觀點(diǎn)并不抵觸。

（麥金尼，1939，202）

承認(rèn)病毒是核蛋白所組成以及病毒-基因的相似性，并未推翻生命的酶學(xué)說(shuō)和中心法則的蛋白質(zhì)版本。相反，我們現(xiàn)在認(rèn)為是相互抵觸的證據(jù)，在持續(xù)了整整十年的假說(shuō)中卻協(xié)調(diào)一致了。

基因作為接合蛋白質(zhì)

分子的特異性及復(fù)制能力存在于分子的哪一部分，這個(gè)問(wèn)題也許是離題的。這正是杰克·舒爾茨在1941年冷泉港會(huì)議上提出的論文《基因的核蛋白性質(zhì)的證據(jù)》的結(jié)論。他把基因起到接合蛋白的作用，比作是1938年奧托·沃伯格講到的在呼吸中起作用的核蛋白酶。舒爾茨在這篇論文中說(shuō)：“活性基因是接合蛋白；要起作用兩種成分缺一不可……基因的專(zhuān)一性在于核蛋白之中，染色體的連續(xù)結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)纖維?！保?941，62）

到了二十世紀(jì)四十年代，不再是直截了當(dāng)?shù)貭?zhēng)論把蛋白質(zhì)還是把核酸看作遺傳物質(zhì)，但蛋白質(zhì)還是核蛋白是遺傳物質(zhì)存在不同看法。如果遺傳特異性不能只歸因于蛋白質(zhì)，那么也不能只歸因于核酸。然而，從整體上來(lái)說(shuō)遺傳信息的貯存仍然與蛋白質(zhì)部分有關(guān)，這種物質(zhì)的表達(dá)和復(fù)制離不開(kāi)核酸部分。1953年以后，仍長(zhǎng)期持有這種論點(diǎn)在理查德·戈德施米特的著作里有透徹的陳述。人們也許期望這位偉大的生物化學(xué)家和動(dòng)態(tài)遺傳學(xué)家很樂(lè)意接受沃森-克里克在1953年提出的模型。戈德施米特沒(méi)有這樣做，這證明需要作“詞形變換”。他顯然是堅(jiān)信我們所說(shuō)的“中心法則的蛋白質(zhì)版本”。1955年，他稱(chēng)沃森-克里克模型為“獨(dú)創(chuàng)的”和“有很好的實(shí)驗(yàn)根據(jù)的”（1955，37），但他又肯定地對(duì)讀者說(shuō)，遺傳學(xué)家

……不會(huì)滿(mǎn)足于把自我復(fù)制的一種解釋作為DNA是遺傳物質(zhì)的證據(jù)。作為證據(jù)，一定要與所有生化的、遺傳的和細(xì)胞學(xué)的事實(shí)符合一致……而且不能有其他解釋。

顯然，很容易推翻這一理論并得出結(jié)論說(shuō)DNA分子是使蛋白質(zhì)基因物質(zhì)處于復(fù)制位置上的骨架……這種物質(zhì)的以前的模型，常常假定黏稠的DNA纖維有這種功能。

（戈德施米特，1955，40～41）