DNA遗传密码中有音乐

发布时间：87年07月25日

武居克明编译徐万祥

[提要]如果试将DNA的碱基序列变化成音符，就能产生优美动听的音乐。反过来试将肖邦的作品转化为碱基，则能出皮同真实DNA一样的序列。围绕DNA和音乐之间饶有趣味的关系，在英国《自然》等科学杂志上开展了广泛热烈的讨论。

生物的遗传物质DNA，以腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）四种碱基“字母”相连排列，上面记载着遗传密码。从想尝试将DNA中的碱基与一定音程的音符一一对应这一新奇构想中，诞生了“DNA音乐”。

从电子计算机中找回乐趣

DNA音乐引起社会广泛注目，是由于在英国《自然》杂志上展开了热烈讨论。其起因是该杂志1984年7月12日号上刊登了一则信稿，作者是日本国立癌中心的林健志（代谢研究室主任）和宗像信生（放射线致敏研究室主任）两位研究人员。

他们企图将DNA的碱基序列变换成音符排列，其目的据说是为了预防庞大的碱基序列资料输入电子计算机时出现失误，同时缓和一下枯燥乏味操作带来的烦恼。总之，打入并检查本身毫无意义的A、G、C、T单调排列的工作，有时可延续数千排列。如果输入时末端能以音响作出应答，那么就可察觉失误。另外，若能聆听旋律，也容易了解和记忆碱基序列的特征。

如何使碱基同音符对应呢？DNA之间能形成双链，是因为两条链的A和T以及G和C产生配对的缘故。为了使这配对关系同音符对应、选择了无论是在五线谱上，还是在和谐音与不和谐音关系上都对称的唻咪嗦啦（2356）音阶。

在两组碱基配对中，G与C结合较稳定、所以将它们配成在感觉上与之相符的低音唻和咪，将T和A配成嗦和啦。另外，因为已清楚分子大的G和A若紧挨着排列，DNA的结构就会歪斜，所以决定让G和A分别离开唻和啦的音阶，因为如果连续发出唻啦音，就会产生跳跃似的不稳定感觉。

这样，G（唻）、C（咪）、T（嗦）、A（啦）的对应关系定了下来。实际上，五线谱里同咪和嗦相关的只是两根线，其他三根线成为多余，因此DNA可以用“二线谱”表现。

两人在信稿中介绍说，若将大肠杆菌中EcoRI基因（产生一种切断DNA的酶）特定区域的DNA序列谱成旋律，能产生听上去充满魅力的音乐作品。宗像君将人白血病病毒Ⅱ型的碱基序列配上乐谱，然后用电子乐器演奏试听，最后的感触是该曲有点哀伤气氛，似乎在诉说着某种不幸。这也许是所选的音阶带有日本式的味道吧。

两人的信稿可归结一点，即在DNA中产生音乐的方法，也许能为我们从电子计算机中寻回解开生命奥秘的乐趣。

以人的敏感探索未知

宗像君还想出了以下的处理方法。

众所周知，DNA的碱基序列有相似部分，这一点有助于人类探寻DNA进化的足迹。另外，碱基像“花落正啼鸦，鸦啼正落花”那样正念倒念都一样的序列（回文序列），是向作用于DNA的酶指示在DNA上应作用位置的重要区域。

因此，将DNA转化成音符写在透明片上，在序列相似重复的场合，把欲比较序列的部分透明片像（图1）那样重叠起来。在回文序列的场合，把一方透明片倒过来重叠（图2），于是就会出现一目了然的图形。

宗像君声称：“虽然用电子计算机也能进行，但这方式对我来说很简便，可一边哼唱一边作曲，很有趣味”。他还说：“以人的灵感去探索的话，也许能再发现其他新事物”。

喜爱电子计算机的林君也认为：“如能快速聆听各种DNA旋律，或许能掌握迄今尚未揭晓的大的DNA片断，也就是长碱基序列的个性特征”，并期待着这一天的到来。

约一个月后，英国《自然》杂志上又登出了开始怀有浓厚兴趣的美国研究人员的信稿。接着在10月11日号上又发表了两位英国研究人员的反响。他们的作曲法都是让配对的碱基在高低音上形成对称关系（例如，哆和A、咪和C、嗦和G、唏和T）。

这样一来，如果用左右手分别弹奏DNA双链的二个旋律，那么左右手指的活动就会变成大致的镜面对称（对位法）。最后他们说，他们谱写了依据DNA的变奏曲，并且正在准备公演。

宗像君等也直接收到了来信。美国加里福尼亚大学的细胞生物学家戴马教授向他们说明了将T、G、A、C分别确定为眯、嗦、啦、哆音符的规律。实际上因为在英语和德语中将嗦啦哆分别称为G、A、C，所以较容易吧。

据他称，DNA的旋律更为绚丽多彩、迷惑诱人，某种重复序列会产生细腻微妙、明亮清新的音色，胰岛素基因会变成“幸福勤劳”那样的旋律。戴马同音乐家合作，已录制了“DNA组曲”录音磁带，而且还设立了专卖DNA音乐磁带的公司。

戴马在信中还写道：“如果在日本有能成为代销商店的公司，望能告知。另外，不知还有没有其他能谱成旋律优美的DNA？”

音乐与DNA中重复多

诺贝尔奖金候选人、美国霍普医学研究所的特邀研究员大野乾博士，1985年9月在斯德哥尔摩召开的诺贝尔化学会议上报告了DNA音乐。该博士尝试DNA音乐化，同他是“基因重复产生进化”假说的倡导者密切相关。该假说的内容就是“从始祖碱基序列到产生拷贝，一方面为生存发挥功能，另一方面在那过程中有意错误地改变序列，不久就形成持有新功能的其他基因”。

确实，在基因自身内部或同DNA其他部分之间，可看到完全相同序列或非常相似序列的例子很多，大野博士认为：“这跟相同旋律或相似旋律的重复组成乐章这一作曲原理是一样的”。

例如，传统的奏鸣曲形式由提示部、展开部和再现部三个部分组成。在提示部，可显示主要主题和紧接着同前面有一定相似程度的副主题。在展开部，以主题为基础陆续展现接受各种变化的旋律。而在再现部，再次出现两主题。

让我们选一段鼷鼠抗体基因区域（图3），来看一看基因音乐化的实际例子。碱基和音符的对应是A同唻和咪，G同法和嗦，T（在图3曲谱中是用信使RNA的序列表示，所以用尿嘧啶U替换T）同啦和唏。让每一碱基同2个音符对应，可满足一个八度音组。因此，大野谱曲的DNA音乐具有西洋音乐的效果。将A和G配成低音，是由于它们的分子量大且重的缘故。

在两个音符中，一般选用低音音符，视旋律的发展，只在必须要高音时才配选高音。适用八分音符还是四分音符？即使是同样的1个哆音符，是配低音哆还是配高音哚（i）？对待诸如此类的问题，爱好音乐的大野博士作曲时都服从音乐的需要。

根据大野的说明，从图3第1段第3小节末尾的第2个C开始，到第1段结束的CAGCAGCCUG是主要主题。确实，这序列在末尾被一模一样地再现。而且，大野在演讲时透露说，从主要主题后半AGCCUG6个密码字母起到第2段GGGCU止的11个碱基序列是副主题。这序列从第2段第4小节，即LYS（赖氨酸）的第2个A开始，到第6小节ALA（丙氨酸）的U为止的区域里独立地出现。

从这里开始到末尾，同主要主题有2 ~ 4个碱基差异的几种序列，或主要主题的各种短缩形序列，实际上反复出现。从整体看，是稳定明快的旋律。

大野博士还费尽心思，悉心钻研，将相当于该抗体分子结合抗原部位的重要序列部分，谱曲成便于仔细聆听的慢速度。

是遗传学家，又是现代音乐的专门作曲家的松平赖晓（立教大学教授）发表感想说：“人作曲的音呆有一定的规律性或旋律的必然性。从这一点上说，DNA音乐也有常常让人感觉不知所云的一面。大野博士的技巧是使之在音乐上富有变化，让人容易听。”

“葬礼进行曲”的基因是什么？

大野博士声称：“将来如果能建成音乐银行，用它取代DNA资料库，那么科学将变得富有乐趣”。他已在尝试反过来将巴赫、莫礼特和肖邦作品的乐谱变换成碱基序列。

图4和图5是大野在尚未发表的论文中列举的实例。图4是肖邦的《葬礼进行曲》第3乐章（三部形式）的中间部。图5则是将人胰岛素受体β链的、具有磷酸化酶活性的序列转变成了乐谱。两者的音符排列竟如此惊人地酷似。