结构主义者的方法

在那些最初应用于蛋白质结构、而后又应用于核酸结构研究的技术中，最重要的一项技术是X射线结晶学。主要在英国产生和发展起来的X射线结晶学的技术，成为结构主义者思想流派的重要组成部分。大约在1912年由W. H. 布拉格（W. H. Bragg 1862 ~ 1942）和他的儿子W. L. 布拉格（W. L. Bragg 1890 ~ 1971）提出和发展的X射线结晶学技术，在概念上是比较简单的。

一些特殊物质的大部分结晶是比较纯的样品，在这结晶中所有分子（或原子或离子）以确定的和规则的空间距离排列着，形成固定大小的晶格。在结晶中，所有分子按照平行的晶轴、以相同的空间方位定向。如果用X射线束对准结晶，晶格中的原子或分子使射束偏斜。由于各部分间隔方位和空间方位的规则性，结晶看上去像一个完整的大分子。X射线衍射的角度和特性被记录在置于顺着X射线源方向的结晶前面的照相底片上。每一种特定的蛋白质的衍射图像是不同的。这图像可以用来推断分子的形状，就像人们能够通过从几个不同的角度检验小物体结构在屏幕上的影子来推断它的三维形状。衍射图像（这只不过是屏幕上的一群小点）怎样能转变成为结晶分子的三维形状，这是X射线结晶学的关键问题。

布拉格用诸如石盐和金刚石这样的小分子的结晶，已成功地推断出分子结构，同时发展了为X射线衍射图像的分析所必需的技术。然后，这种方法应用到诸如毛发蛋白质的大分子上去。然而，正当X射线衍射的学科开始创立时，一个主要的障碍是陷于分析所有衍射底片上空间图像的排列的烦闷乏味。尽管如此，布拉格实验室（剑桥大学卡文迪许实验室）的约翰 · 肯德鲁（John Kendrew）和马克斯贝鲁兹（Max Perutz）在六十年代早期成功地获得有关两种相关的蛋白质——血红蛋白和肌红蛋白大部分详细结构的知识。贝鲁兹和肯德鲁阐明的分子结构不仅表明了蛋白质分子的极其复杂性，而且更重要的是表明了有关三维结构的知识怎样能够解释功能的问题。例如，贝鲁兹和肯德鲁能说明血红蛋白分子的“活性部位”，是称为“血红素基”的由原子构成的扁环，氧连接在这扁环上，这活性部位的扁环，在由原子组的拒水侧包围的分子表面卷曲为一团。这种物理结构非常容易使氧和活性血红素基结合起来。

贝鲁兹和肯德鲁在蛋白质方面的工作，对于后来核酸研究的发展是很重要的。他们的结论强调研究三维结构作为了解分子功能的一把钥匙的重要性。这些发现、激励了那些试图研究核酸的类似问题的人们。也许更重要的是，蛋白质的工作阐明了像简易而精确的X射线衍射方法那样的许多新的分析技术。当贝鲁兹和肯德鲁在剑桥大学做蛋白质的工作时，另一个主要由莫里斯 · 威尔金斯（Maurice Wilkins 1916―）和罗莎琳德 · 富兰克林（Rosalind Franklin 1920 ~ 1958）组成的小组，在伦敦金斯学院（Kings College）也用X射线结晶学去研究核酸。这两个小组已有许多联系，并且他们有许多共同的课题和发现，尤其是有关技术发展方面的发现。

大部分X射线结晶学家由于他们的经历和他们的爱好，在从事他们的工作方面是非常经验主义的。虽然他们并不是对研究蛋白质或核酸的生物学含意不感兴趣，但他们的主要兴趣和动力似乎在于分子的结构。他们并不倾向于大量的推理或想象力的发挥。他们以非常审慎和理性的方法发现事实，并且踌躇地和带有几分谨慎的态度建立他们的一般的分子模型。与此相对照，从三十年代中期和晚期开始的信息主义者的工作，很可能显得轻率和非常思辨。信息主义者的目标是由他们这一群“生命秘密的探索”者当中的人提出的。他们的研究是要阐明遗传过程中信息传递的方式——对某些人来说，这个目标是雄心勃勃的和富于浪漫色彩的，对另一些人来说，这个目标是空想的甚至是近似活力论的。

信息主义学派的产生

信息主义者对遗传的研究是从科学思想主要受到量子论制约的气氛中产生的。实际上，最初由物理学家波尔（Niels Bohr 1885 ~ 1962）产生的这种影响是直接的和明显的，波尔是量子领域的开拓者和对生物学问题感兴趣的思想家。在1932年题为《生命和光》的演讲中，波尔试图指出，那种企图通过把有机体简单地还原为化学的相互作用来回答“生命是什么”的问题，面临着像企图通过描述每个电子的位置来描述原子的同样困难。他证明存在着一种生物学的不确定性，因为（为了研究生命）必须保持有机体活的状态，排除了把有机体分解为它的化学系统的组成部分。分解有机体会使它不再是活的了，并由此成了不同的系统。

波尔接着证明他的观点没有把理性的生物学扔出窗外，而为新活力论打开大门。他说，如果假定量子物理学的非理性受到检验的话，这点会变得明显：它并不是完全非理性的而是达到了新的理性状态。在这里，统计的几率取代了一个事物到另一个事物的因果关系。他认为，这对于生物学来说同样也是确实的。对于生命的存在，按照比较老的语言（即一种机械论的语言）的意思，不能作出令人满意的解释是可能的，承认生命的存在是一个既定的基本的事实，并非接受神秘主义和活力论。他觉得，生物学像物理学一样，当它使用新的概念和方法时，能够进展到较高水平，而这些概念和方法不认为对生命现象的唯一令人满意的解释是机械的和还原的解释。

波尔的观念在他的学生马克斯 · 德尔布吕克（Max Delbrück 1906 ~ ）的头脑里得到了充分的发展。德尔布吕克出生于柏林，他于本世纪二十年代后期在哥廷根学习原子物理学，并在哥本哈根波尔实验室当了两年洛克菲勒基金会的物理学会员。本世纪三十年中期他去加利福尼亚理工学院生物学小组工作。在加利福尼亚理工学院他与摩尔根和果蝇遗传学家们发生了密切的联系，摩尔根和果蝇遗传学家已在1928年把他们的操作基地从纽约转移到帕沙第纳。摩尔根和他的学生相信传统的生理学和化学的方法最终能阐明基因起新陈代谢作用的过程。但是，德尔布吕克从一开始就看到，除旧式机械论以外的其他某些方法，对于推动传统的遗传学超出粗略的染色体阶段也许是完全必需的。传统的物理学和化学，摩尔根和他的合作者采取的物理学观点，不能对基因是如何起作用的问题作出完整的和充分的描述。

在德尔布吕克看来，不能像经典的物理学家和化学家看待分子那样，把基因看作为分子。他指出，经典的物理学家和化学家把化学反应视为始终如一的过程，在这过程中各种成分按照化学动力学的原理随机地互相碰撞。另一方面，细胞里的化学反应是非常特殊的，尽管这些化学反应是在非常接近的空间里发生的，但相互之间保持分隔，完全不同于大多数化学家研究的化学系统的普遍情况。基因只存在于细胞内一个或二个副本中，而每个基因经过一段时间进行了大量反应。而且，作为分子的基因，在热力学意义上是非常稳固的，以非常罕有的方式抵御它们的体积和复杂程度的衰减（分解为更简单的形态）。在德尔布吕克看来，如果一个人以物理学家或化学家的简单方式考察基因的话，那么，所有这些因素似乎是很异常的。因此，尽管基因是可以描述的分子，也许是化学家描绘的某种大聚合物，但是分子的描述不能提供有关基因是怎样获得它们特殊性质的任何线索。

波尔和德尔布吕克的观念导致了这样一种非常独特的见解（尤其对物理学家来说）：对生物现象的研究可以导致物理学和化学新规律的阐明。这种观念体现在由物理学家埃尔温 · 薛定谔（Erwin Schr?dinger 1887 ~ 1961）写的、在第二次世界大战结束后不久的1945年出版的题为《生命是什么？》这本富有影响的著作中。薛定谔证明，用经典物理学和化学去描述生命现象的不可能性，并不意味着这些科学决不能为解决生物学问题提供任何帮助。实际上，恰好相反，这意味着对生命的研究也许能够开辟崭新的自然领域的前景，而这种前景对物理学家来说已被对无机现象的精确研究所掩盖，像经典物理学不得不修改它说明量子现象的解释标准那样，它可能不得不进一步修改它说明生物现象的标准。薛定谔意识到他的观念可能含有这样的意思：生命遵循一种近似于旧活力论的非理性的模式；因此，他尤其证明生物学或物理学的主要问题不是有机体是否违反热力学的定律的问题，例如有机体产生的能量超过它们吸收的能量；有机体显然不是这样的。真正的问题是信息传递的问题：信息是如何译为密码的，它在从一个细胞世代到另一个世代的许多次传递过程中如何保持稳定性的，偶然的变异是如何传入的。在物理学家或化学家的无机界里，无论何处都没有与这些现象极为相似的东西。

薛定谔接着更改德尔布吕克的旧观念，即由于染色体（基因是染色体的部分）像非周期性结晶那样构成的，基因世世代代保持它的结构。基因是由为数众多的比较小的、同分异构（形状相似）的单位组成的，它的精确性质和连续性决定了遗传密码。结晶，由于它们晶格结构的效能，具有相当大的稳固性（所有原子和分子都与其他所有排列在它们周围的原子、分子连接在一起），而且由于相似地构成的而不是完全相同的部分的排列的特殊性质，能够包含遗传的信息。薛定谔推断“生命物质，虽然没有超脱最新建立的物理学定律，但可能包含迄今不知道的‘其他物理学定律’，然而一旦这些物理学定律揭示出来，将会像以前已经形成的物理学定律那样构成这门科学（物理学）的主干部分。”新物理学会从生物学的研究中形成，正如它已经从对量子现象的研究中形成的那样。

薛定谔的生物学观点在二十世纪四十年代和五十年代具有相当大的影响，尤其对年轻一代的物理学家具有相当大的影响。二次大战结束的时期，物理学受到普遍的职业上的痛苦。物理学能够导致的原子战争的可怕幽灵和毁灭的情形，使许多物理学家重新考虑他们的工作与它能够（或不能够）给人类带来福利之间的关系。此外，作为纳粹运动和战争冲击的结果，中欧（尤其是德国）的一些物理学研究中心被解散。许多德国物理学家是犹太人，因此逃避纳粹的统治，一些人移居英国，另一些人移居美国。曾经是量子物理学中心的德国，在希特勒的统治下和在战后的头些年里变成了科学上的荒野。许多物理学家从量子论大发展的气氛中（甚至在大战前）产生的对他们传统学科的不满已经发生。剩下的工作要做是必然的，但通常缺乏产生理论意义或清理它的细节的鼓舞人心的工作。当然，最后有薛定谔本人的影响。作为量子论的创立者之一的薛定谔，他的兴趣转向生物学是意义深远的，而且使一些物理学家引起注意。一些物理学家被发现“其他物理学定律”的可能性所吸引，薛定谔的探讨把他们引入看来是新的科学研究领域。这不是用心理学的分析去看待这样一种探讨如何能吸引许多有发明才能的，甚至富于浪漫色彩的物理学家，而这些物理学家起初曾觉得在他们的领域中剩下的工作仅仅是清理细节的工作。