信息学派的兴起

量子论的先驱玻尔（N.Bohr）曾经深思熟虑地思考过生物学问题。1932年他发表了《生命和光》这部名著。他说：“企图用还原论观点来解释生命的本质，就会遇到企图用每个电子的位置来说明原子一样的困难。生命体是不能用一般化学反应来解释的。”他还强调：“与物理学一样，生物学也可能通过发展新的概念来研究，来提高我们的认识水平。”玻尔的思想深刻地影响了他的学生德尔布吕克（M.Delbrüick）。德尔布吕克早年曾经在玻尔的实验室工作，后来又在摩尔根实验室研究过果蝇遗传学，他深感形式遗传学的方法是难以用来探明基因功能的。

德尔布吕克认为基因绝不是普通的物理或化学概念上的分子。细胞内的生化反应有两个显著的特点：一是反应的高度特异性；二是反应的高度有序性。细胞反应既是专一的，又是互不干扰、丝毫也不紊乱的。他还认识到每个细胞虽然只有一个或两个基因拷贝，但随着时间的推延，它能进行的反应次数是非常多的，这表明基因是一种“特殊的、在热力学上异常稳定的分子”。玻尔和德尔布吕克的思想暗示了对基因本质和功能的研究很可能会导致新的物理和化学原理的发现。

1945年著名的量子物理学家薛定谔（E.Schdinger）写了一本篇幅不长却十分重要的书《生命是什么？——关于细胞的物理学思考》。全面发挥了玻尔等的思想，声言：“经典物理学因量子现象的发现而全盘改观，下一步也可能因研究生命现象而再度改观。”“生物学的核心问题绝不是热力学问题，而是信息问题，即信息编码、信息传递、信息稳定性和信息变异问题。”由于薛定谔的学术地位，他的“生命问题是个信息问题”的思想，深刻地影响了整整一代在第二次世界大战中感到沮丧和迷茫的青年物理学家，他们聚集起来逐渐形成了所谓的“信息学派”。信息学派的主要研究材料是噬菌体。从1937年德尔布吕克开始用噬菌体做遗传学研究，到1952年赫尔希（A.D.Hershey）和蔡斯（M.Chase）利用噬菌体证实DNA是遗传信息载体的判断性试验，信息学派为分子遗传学的诞生做出了独特的贡献。

20世纪30年代后期摩尔根等曾估算了基因的大小，并提出“在染色体上究竟哪个组分是遗传信息的载体”这个极为重要的科学命题。但是，果蝇显然不是回答这个问题的良好实验材料。不久，德尔布吕克放弃复杂的多细胞生物，而用最简单的生命形式——噬菌体作实验材料，他称噬菌体是“研究自我复制的理想生命体”。DNA

噬菌体是一种细菌病毒，结构非常简单，只是一个由蛋白质外壳包裹的分子。它感染细菌时，先吸附在细菌的细胞表面，把DNA分子“注入”寄主细胞，而把蛋白质外壳留在菌体外边。噬菌体的DNA一旦进入寄主细胞，就会全面扭转细胞的代谢，使细胞成为合成噬菌体“部件”的“机器”。每个感染周期可合成和释放50～100个子裔噬菌体。虽然当时对噬菌体的了解比现在少得多，但德尔布吕克和他的挚友卢里亚（S.Luria）从一开始就确信“噬菌体是能够回答‘传递遗传信息的分子是什么’这个问题的最佳生物实验材料”。

从实验研究角度看，噬菌体至少有两个优点：①易于繁殖，在极短的时间和极小的空间中可以得到数以亿计的个体；②噬菌体只含蛋白质和DNA这两种生物大分子，最便于明白无误地回答在生命体复制和世代繁衍的过程中究竟是蛋白质还是DNA起了遗传信息物质载体的作用。这两条使得噬菌体作为最重要的模式生物在一个相当长的时期里在分子遗传学中占据了类似果蝇在细胞遗传学中的地位。下面介绍噬菌体学派，即信息学派的几个经典研究，特别是这些研究的新思想和新设计。

1.噬菌体一级生长曲线的测定　这是埃利斯（E.L.Ellis）和德尔布吕克在1939年做的借以阐明噬菌体和寄主细胞之间定量关系的经典工作。他们先将噬菌体与细菌以1∶10的比例混合培养，目的是使每一个噬菌体都有感染细菌的机会。待噬菌体吸附于细菌之后，用抗噬菌体的抗血清处理混合培养物，目的是除去未被吸附的游离噬菌体。然后继续培养经抗血清处理的培养物，并将它涂布于细菌平板，再在不同时间取样测定在平板上形成的噬菌斑数目，并据此估算出寄主细胞释放的噬菌体数量。结果如图1-11。

一级生长曲线说明噬菌体生长可分为三个阶段：潜伏期、生长期和释放期，还可以看出受感染的每个寄主细胞的噬菌体平均释放量为100个左右。

图1-11　大肠杆菌E.coli噬 菌体T4的一级生长曲线（改自G.S.St ent）

A：潜伏期；B：上升期；C：平均释放量

2.单菌释放试验　这个实验的目的是测定单个被感染的寄主细胞释放的噬菌体数量，而不是平均数。先以一定的比例混合敏感菌和噬菌体，使每个细菌获取噬菌体的平均数目小于1（如0.4～0.5）。然后按总菌数稀释混合培养物，使每毫升培养液中的平均含菌数小于1，再将培养物分装为每管1 ml继续培养。30 min后，每一管培养物倒入一个含敏感菌的平板，培养一定时间后做噬菌斑计数。埃利斯和德尔布吕克测出的单菌培养物的噬菌斑数分布范围为1～190。根据实验设计，每个试管中细菌数目的平均数小于1，但是从统计学角度看，只要取样足够量的试管，一定会出现极少数不含细菌的试管和含1个以上细菌的试管。在出现噬菌体的试管中仍有可能含有2个或2个以上的细菌，所以并非每个试管中的噬菌体都来自同一个噬菌体。然而，根据混合的比例和稀释的程度，就可经泊松分布校正后，计算出可靠的单菌释放量。

由于受感染细菌释放的噬菌体在遗传上起源于单个噬菌体，所以单菌释放试验的另一个用途是可以利用纯化得到遗传学上同一起源的噬菌体群体作为遗传分析的实验材料。

3.关于突变本质的经典工作　自从科赫（K.Koch）和科恩（F.Cohn）发明琼脂培养基之后，就有可能研究遗传上同一起源的细菌群体了。但是直到1938年，在细菌学中几乎还没有任何明确的遗传学概念。原因之一是我们在培养皿上看到的每一个菌落，或者叫作细菌克隆所表现出的性状并不是单个细菌的特征，而是若干代子细胞构成的细菌群体表现出来的遗传特性。群体遗传学告诉我们，在不同的环境条件下，生物群体的遗传结构会在某种选择因素的作用下发生变化。例如，用噬菌体感染一个由单个敏感菌衍生而来的、包含108个细菌的大群体，培养一段时期后，整个细菌群体竟然对这种噬菌体有抗性了。当时的细菌学家把这种现象称为“适应”，实际上这是突变和选择共同作用使细菌群体的遗传结构发生了根本性变化的结果。卢里亚和德尔布吕克的经典工作就是证实这一科学问题的先驱，也因此奠定了微生物遗传学的基础。

卢里亚和德尔布吕克着手研究大肠杆菌（Escherichia coli）对噬菌体T1的抗性突变。T1能不能侵染大肠杆菌取决于大肠杆菌菌体表面是否存在一种能识别并让T1吸附的糖蛋白分子，即T1接受点。如果我们在含1010个噬菌体T1的培养皿中涂布105个敏感菌，那么平皿上可能一个菌落也不长，因为所有的细菌都会被噬菌体感染而溶裂。所以，他们把细菌的数目增加到109，这就大大增加了群体中出现不同遗传变异及其组合的概率，培养皿中也就有更多的机会出现能抵抗T1侵染的细菌菌落。把这些菌落中的细菌挑出来经过培养再涂布于含噬菌体T1的平皿，这时，来自这个菌落的每个细菌都会形成一个菌落，表明对T1的抗性是大肠杆菌的一种遗传性状。把抗性菌记作T1r，相应的敏感菌记作T1s。研究表明，T1r菌之所以能抗T1是因为它不能合成接受T1的糖蛋白。

对于这种现象可以有两种解释：一种解释认为T1是使T1s变为T1r的原因，即T1能使T1s以一定的比例，例如T1能以10-7的频率使T1s菌转变为T1r菌，并把T1r性状传给子细胞，这就是所谓的“获得性遗传”假说；另一种解释认为当大肠杆菌群体足够大时，群体中本来就会有极少量的T1r突变菌产生，例如在T1s群体中T1r会以10-7的频率发生突变，当噬菌体存在时，T1s菌因感染而溶裂，而极少量的T1r菌则继续分裂增殖形成一个新的细菌群体。即在T1存在的条件下，抗性菌的群体最终会取代原来主要由敏感菌组成的细菌群体，形成以T1r为主体的细菌群体，这个菌群呈现的表型是T1r。为了用实验来证实上述两种解释的正确或谬误，卢里亚和德尔布吕克为它们各设计了一个模型（图1-12）。

图1-12中a、b两组各代表有4个重复培养物组成的假设例子。每个培养物由单个T1s菌长成16个菌，4个培养物共有64个菌。把每个培养物都分别重新涂布于含噬菌体T1的平皿中，每组都产生10个T1r菌落。

a组代表的是“生理性适应”解释模型，假定与噬菌体T1接触的T1s菌都以概率a%变为T1r菌，图中概率为10/64 ＝15%，即a为15。这表明T1s菌在接触T1后会以15%的概率变为T1r菌，在这种模型中T1r菌的数目应是培养物中细菌数的函数。由于每个培养物中的细菌数是一样的，各组T1r菌数目的差异均由取样误差所引起，应符合均一大群体随机抽样的统计学要求：方差等于平均数。用公式

图1-12　代表生理性适应（a）和突变加选择（b）两种解释的抗性细胞繁衍谱系（改自S.G.Stent）

表示为：

由a组的数字求出其S2和的比值。

式（1-1）成立的条件是群体大、事件发生率低、符合泊松分布。式中，和S2分别用下式求得：

式中，是每个培养物中T1r菌的平均数；C是重复培养物数目；nj是第j个培养物中T1r菌的数值。

b组代表“突变加选择”解释。认为T1r菌的出现与是否接触T1无关。由T1s菌变为T1r菌是一个自发突变过程。如果突变发生得早，最终形成的群体中T1r菌就多；反之，突变发生得晚，培养物中T1r菌就少。b组的4个培养物均由一个细菌开始，最终共获得64个细菌，其间进行了60次细胞分裂（注意：每次分裂只增加一个细菌），发生了2次突变。突变发生率a＝2/60＝0.033突变/（细胞·世代）。培养物1的突变发生在最后一个世代，得2个T1r菌，在培养物3中，突变发生在第一代，得8个T1r菌。培养物2和4未发生突变。重新涂布后B组的T1r菌的总数也是10个。按式（1-1）、式（1-2）和式（1-3）求出相应的S2与的比值：　

和a组相比，b组的s2与的比值大大超出1，而a组的比值接近1。分析表明，自发突变组的变量明显高于获得性遗传假设组的变量。随着细胞分裂世代的增加，这两组比值的差异将会越来越大。　　

根据上述两种假设的理论模型，卢里亚和德尔布吕克设计了两组实验。第一组：从一个每毫升含1 000个T1s菌的总量为10 ml的培养物出发，经过17代增殖后获得的每毫升含108细菌的菌液中，取出10个样品，每个样品取0.2 ml集体培养物分别涂布于含T1噬菌体的培养皿内，经培养后计数T1r菌的菌落。第二组：20组零星培养物。每组接种每毫升含1 000个T1s菌的菌液0.2 ml，培养17代后分别涂布于含噬菌体T1的培养皿，并在培养一定时间后逐一计数T1r菌落。结果见表1-2。

表1-2　两组实验结果对比

实验N数据表明，第一组中每个试样S平均含T1r菌16.7个，抗性菌的平均出现率为 /＝16.7/0.2×108＝8×10-7，方差2/T接r近1，说明取集体培养物的样品S都来自均一总体。在第T二s组中，零T星r培养物中1菌的平均数为11.3个，但方差2/却高达61，证实由1菌变为1菌是一个自发突变过程。卢里亚和德尔布吕克不仅证实了细菌抗性突变的自发本质，开创了细菌遗传学。他们的研究还告诉后来的细菌遗传学家怎样设计与安排实验，怎样分析与处理实验数据，怎样构思才能取得有意义的、毫不含糊的研究结果。

卢里亚和德尔布吕克在论文中还提出了基因突变率的估算方法。假设每个培养物的初始细菌数为N0，最终的细菌数为NN，则增加的细菌数为（N-N0），在细N菌遗传学实验中，培养物中的N最N终细菌数的数值N总是比原始接种的细菌数0大几个数量级，所以可以把N（-0）的数值设定为。在参差性检验中每个零星培养物的平均突变次数为μ，μ是突变率。如果突变是随机发生的小概P率事件，依据泊松分布，设没有发生过突变的培养物数目占培养物总数的比例为0，则得：

式（1-4）是在彷徨试验（fluctuation test）中突变率的估算方法。根据表1-2中第二组实验可知：

代入式（1-4），可计算出：

即在这组实验中，大肠杆菌中由T1s菌突变为T1r菌的突变率是每个细胞每个世代3×10-8次突变。

在卢里亚和德尔布吕克的论文发表后9年，细菌遗传学家J.莱德伯格（J.Lederberg）和E.莱德伯格（E.Lederberg）夫妇用影印培养技术非常直观地证实了细菌突变的自发本质。实验从一个菌株开始，这个菌株对抗生素是敏感的，所以是敏感菌株。在锥形瓶中把它培养到一定程度后，连续做稀释，当稀释到每毫升培养液中的细菌数大约为1 000个时，把它接种在一个没有抗生素的培养皿上，被接种的每个细菌都会长成一个菌落，每一个菌落里的所有细菌都来自同一个细菌。然后用等位接种板对整个培养皿上的全部菌落做等位接种，等位接种板的形状和培养皿一样，上面均匀排列着许许多多接种针。接种时，先在一个培养基中不含抗生素的培养皿上按一下，再在一个每毫升培养基含10U抗生素的培养皿上按一下（请注意接种的次序：先在不含抗生素的培养皿上接种，后在含抗生素的培养皿上接种，这样就不会把抗生素沾染到不含抗生素的培养皿上去）。培养一段时间后，在不含抗生素的培养皿上布满了与原始培养皿上的菌落一一对应的等位菌落，而在含抗生素的培养皿上却只有很少几个菌落，因为没有抗性的细菌都被杀死了，长出来的细菌都能抗10U的抗生素。这些长出来的抗性菌都接触了抗生素，在以后的实验中就不能再用了。然而，可以在不含抗生素的培养皿中把对应于抗性菌落的、起源于同一个原始菌落的等位菌落挑出来培养，它没有接触过抗生素。而后，在培养瓶中把它培养一段时间，稀释后接种在培养基中不含抗生素的培养皿上，再重复培养和等位接种的全过程，这一次把培养基所含的抗生素浓度提高到每毫升100 U，在这个培养皿中，只能抗10U抗生素的细菌就长不出来了，长出来的细菌都能抗100 U的抗生素，但是这些菌都接触了抗生素，在以后的实验中也不再用了。再从不含抗生素的培养皿上把与抗性菌落对应的等位菌落挑出来培养，把这个过程再重复一次，这次把培养基中的抗生素浓度增加到每毫升1 000 U。这时只能抗100 U抗生素的细菌就不能长了，但是有一个能抗每毫升1 000 U抗生素的菌落长出来了，因为这个菌落接触过抗生素也不能再用了。最后，在不含抗生素的培养皿中把对应于抗性菌落的那个菌落挑出来，在不含抗生素的培养液中培养，这样就得到了一个菌株，它就是能抗每毫升1 000 U抗生素的抗性菌株。

通过这一整套实验，莱德伯格夫妇从一个敏感菌株出发，把选择因素和一代又一代的菌株选育过程紧密结合而又严格分开，最后获得一株抗性品系，这个菌株自始至终没有接触过抗生素。这个实验把所谓抗生素诱发了细菌的抗药性的获得性遗传概念彻底粉碎了。莱德伯格夫妇的实验简单明白、构思巧妙、设计精密，用极简便的方法完成了重大的理论研究，达到了无懈可击的地步。

图1-13　用影印培养法筛选抗性菌株的示意（改自J.莱德伯格和E.莱德伯格）

4.证实DNA是遗传物质的判断性试验　1944年艾弗里等的工作非但没有使人接受DNA是遗传物质的新概念，反而遭到了非常保守的批评。批评者说：“不论转化因子如何纯净，它仍然可能残留着一丝蛋白的污染，说不定这丝污染的蛋白就是真正的转化因子。”这种批评是由于人们对德国著名化学家温尔斯忒特（R.Willstatte）20世纪20年代的错误仍记忆犹新。当时温尔斯忒特宣称他制得了不含蛋白质的酶制剂，还说酶不是蛋白质。这位化学家的错误观点把酶学研究拖延了将近10年。到了40年代，温尔斯忒特的“幽灵”使基因的研究又拖延了整整10年。

1949年在卢里亚实验室工作的T.安德森（T.F.Anderson）做了一个名为“渗震”的试验。他发现突然改变噬菌体悬浮液的盐浓度会使噬菌体失去侵染能力，同时释出线性DNA分子。在这个实验启发下赫尔希和蔡斯用搅拌试验证明噬菌体感染细菌时，注入细菌细胞的是DNA，而蛋白质外壳则留在菌体之外。

赫尔希和蔡斯是两个跟着德尔布吕克以噬菌体为材料做研究的年轻人。噬菌体只有蛋白质外壳和DNA内核两部分，如果感染细菌的时候进入寄主细胞的是噬菌体蛋白质，而且进去的蛋白质在细菌细胞内又能完整地复制出子代噬菌体，那么可以推断蛋白质是遗传物质。反过来，感染时进入寄主细胞的是噬菌体的DNA内核，而且进去的DNA在细菌细胞内又能完整地复制出子代噬菌体，那么可以推断DNA是遗传物质。所以，噬菌体可以一清二楚地回答什么是遗传物质这个问题。赫尔希和蔡斯的实验分成两组：第一组用放射性磷（32P）标记噬菌体的DNA；第二组用放射性硫（35S）标记噬菌体的蛋白质，两组带有放射性的噬菌体分别感染大肠杆菌。待标记的噬菌体与大肠杆菌混合并吸附后，经低速离心把细菌和未吸附的游离噬菌体分开。然后将沉淀的细菌重新悬浮，并剧烈搅拌，利用切应力把吸附于细菌的细胞壁却未进入细菌细胞的噬菌体部件和细菌分开，再经过离心把细菌沉淀下来。最后分别测定两组实验中沉淀部分和上清液的放射性强度，以及子裔噬菌体的感染力（图1-14）。

图1-14　搅拌实验（改自S.G.Stent）

（a）搅拌实验结果；（b）实验结果的解释示意图

从图1-14a中的三条曲线可以将实验结果归纳为三点：①经噬菌体感染的细菌产生子噬菌体的能力不受剧烈搅拌等实验操作的影响；②搅拌的切应力使80%已吸附于细菌的35S脱落而留在上清液中；③同样的搅拌只能使不到30%已吸附的32P从菌壁上脱落下来。值得注意的是，所有脱落的32P中有一半是在搅拌之前就已经释放于溶液中了。据此三点，赫尔希和蔡斯认为，绝大部分噬菌体DNA在侵染早期就进入了细菌菌体，而绝大部分噬菌体蛋白质遗留在菌体之外。剧烈的搅拌所产生的切应力使吸附于菌壁的噬菌体空壳尾部发生断裂，使原先吸附于菌壁的且曾经包装过噬菌体DNA的空壳释放于培养液中。受侵染细菌产生子裔噬菌体的能力不受搅拌的影响，则表明释出DNA后的蛋白质外壳对噬菌体在寄主细胞中的复制和增殖过程不起作用，蛋白质外壳只是在侵染的初始阶段对吸附过程起决定作用。赫尔希和蔡斯的实验表明，不是噬菌体的蛋白质，而是噬菌体的DNA在生物化学上与子噬菌体的增殖有关，强烈提示DNA是遗传信息的载体，DNA可以决定DNA的复制，DNA可以决定基因功能的表达，决定外壳蛋白质的合成。赫尔希和蔡斯在1952年发表的文章促使人们思考并开始接受DNA是遗传信息载体的观点，促进了对DNA本身的物理、化学和生物学研究。

综上所述，以噬菌体为主要实验材料的信息学派对于阐明遗传物质的化学本质、阐明突变的自发本质、发展分子生物学的理论和实验技术，以及引进新的实验材料是有重大贡献的，但是并没有解决基因的结构和功能这个遗传学的根本问题。原因至少有两条：一是信息学派自始至终把研究集中在信息问题上，早期重点研究蛋白质，很少注意到核酸。因为当时多数科学家认为蛋白质是唯一已知其结构元件呈现线性顺序排列的生物大分子，在氨基酸这种特殊亚单位的线性顺序中很可能载负着遗传信息；二是多数信息学派的科学家都不重视当时的生物化学研究，他们感到当时生化实验技术实在是太粗糙了，根本不能用来研究单分子反应，而在一个细胞中等位基因只有一个或两个。他们就这样放过了在20世纪40年代快速发展，且卓有建树的生化遗传学研究，其中包括艾弗里和比德尔等的开创性工作。

1952年赫尔希和蔡斯的实验证实，只有噬菌体DNA，而绝不是蛋白质，在生化上与新的噬菌体复制增殖有关。这件事实际上宣告了以寻求新的物理学原理为目的的旧信息学派的终结，因为生物体的复制和增殖已经可以用噬菌体DNA的自体催化和异体催化这两种功能来阐明。自体催化是指生物大分子催化合成自身的若干关键反应的能力，异体催化是指生物大分子催化别的大分子合成的反应能力。前者使噬菌体DNA无数次地复制自身的结构和信息以完成自我复制；后者使噬菌体DNA指导和决定噬菌体蛋白质的合成，以及噬菌体颗粒的装配。当时对这两种催化过程的细节是知之甚微的。但在这以后的10年中，由于信息学派、生化学派和结构学派的共同努力，终于弄清楚了DNA的结构和功能，迎来了分子遗传学的黄金时代。这个飞跃是以沃森和克里克关于DNA结构双螺旋模型的工作为标志的。