本文考察了物理学科学家向现代生物学的转移现象,强调了洛克菲靭基金会在20世纪30年代鼓励理化技术用于实验生物学研究中的作用,提出促使这种转移的因素有德尔布吕克所领导的卓越组织——噬菌体小组、薛定谔的著作《生命是什么》、因使用核武器而产生的对物理学的反感、对活力论和新活力论的放弃、生物学的定量化需要和生物学家对传统描述方法的背离、物理学技术在分子生物学中的广泛应用和前途先明而曲折的生物工程领域的迅速发展以及其他科学家的影响。最近几年里作者与一些世界著名生物学家和其他转移的科学家的会谈清楚表明,除上述因素还有以下其它原因:物理学科学家具有更强的分析能力;当代理论物理学发展缓慢;物理学变得越来越复杂、常需要许多人的协作和极其贵重的仪器、个人的作用不太明显,而生物学问题看来简单又十分有趣;物理学家能够将生物的多样性系统联系起来并找到一统一主题;深信生物工程可以缓和疾病、污染及饥饿等问题。此外,本文还讨论了科学家们对生物学工作的态度以及未来物理学科学家如何影响分子生物学。
从历史学和科学社会学两种角度来看,物理学科学家向生物学转移都是十分有趣的现象。几乎所有有关转移的文章都反复提到同一些科学家的名字及其对现代生物学的影响,他们是:克里克(Crick)、威尔金斯(Wilkins)、本泽(Benzer)、西拉德(Szilard)和在“转移”意义上尤其著名的马克斯 · 德尔布吕克(Max DeIbrück)——并非因为他是一位对生物学作出过巨大贡献的物理学家,而是因为他所组织开设的冷泉港课程吸引了一大批并不是“普通”的生物学家的科学家。德尔布吕克的一篇论文还启发薛定谔(Schr?dinger)的想象力,促使他写了一本影响无数物理学家的书——《生命是什么》。本文将对上述有关问题以及洛克菲勒基金会支持物理学家从事生物学研究的社会影响作一评论。
重新看待转移
我们必须从一完全崭新的角度来看待转移问题。为了更具有代表性,很有必要与许多科学家(尤其是物理学科学家而非已经转变了研究方向的物理学家)进行会谈。限于作者的阅历,很少或根本没有注意到这些科学家的观点。作者会谈的科学家从诺贝尔奖获得者、(美国)国家科学院院士、各大学专业人员到研究生、博士后研究工作者。此外,本文还包括卢里亚(Luria)这位训练有素的病毒学家,他曾与德尔布吕克共享诺贝尔奖。卢里亚承认他受了物理学家的巨大影响。
在讨论向现代生物学的转移时忽视那些先驱科学家们的贡献显然是不公平的。比如巴斯德(Postour)和不太为人们熟悉的玻斯(Bose)。巴斯德研究糖的光学特性(物理科学)和发酵——现代生物工程科学最重要的内容之一;玻斯的研究范围则很广,从视觉理论到无线电传播,其最重要的贡献之一是他利用物理技术对生物物理学和比较生理学的研究,巴斯德和玻斯的工作说明,物理学家和化学家向生物学研究的转移要远远早于“转移”本身成为历史学和科学社会学研究的严肃课题之前。
本文后半部分讨论一些著名科学家对其转移原因、分子生物学未来的研究焦点以及物理学科学家可能起的重要作用的看法。
洛克菲勒基金会与分子生物学
毋庸置疑,洛克菲勒基金会在本世纪30年代对于支持应用物理科学、促进分子生物学发展起了十分朮要的作用,分子生物学作为一门学科(正如目前甚或60年代所理解的那样)在30年代实际上还不存在。因此,从历史学角度来讲,分子生物学诞生于何时目前尚无定论,而“分子生物学”这个术语则是韦威尔(Weaver)在1938年的洛克菲勒基金会年度报告中首次引入的。韦威尔报告的最重要一点是它曾提及人品的物理学技术是分子生物学的发展所必不可缺的。
欧尔比(Olby)指出,布拉格(Bragg)和德尔布吕克等科学家均受到洛克菲勒基金会的支持,克里克曾指出,现代技术对于分子生物学的巨大作用并非总为人们所理解,如果要求一个分子生物学家利用1935年以前的技术解决当今的分子生物学问题,他很可能会“绝望地认输”,克里克的这番话讲于20年前,今天看来更为中肯,由此可见,技术(洛克菲勒基金会主要的投资项目)的作用是不能低估的,必须充分认识到洛克菲勒基金会支持和鼓励物理学科学家进行分子生物学研究的先见之明。
转移的历史性回顾
在一本名为《欧洲——美洲的智力转移(1936~1960)》的书中曾对转移现象进行了比较详细的论述,此外还有许多文章对此均有讨论。这些讨论涉及到的主要人物是:德尔布吕克、薛定谔、克里克、威尔金斯和西拉德。这里重点阐述过去4年里作者和许多最初并非分子生物学家,而今却在生物学领域——更专一点讲在分子生物学领域——工作的科学家的会谈情况。这些会谈为转移现象提供了新的见地。由于会谈较长,本文只节选少部分。
德尔布吕克和噬菌体研究小组
据《Betway必威在线登录 名人录》载,德尔布吕克的研究兴趣是噬菌体和果蝇的遗传过程、化学键的量子理论、核物理学理论、果蝇突变、细菌病毒及感觉病理学,但使德尔布吕克蜚名的却是他组织噬菌体研究小组和开设冷泉港课程,从德尔布吕克的非专业性著作中可清楚发现,德尔布吕克首先把自己视为一个从事生物学研究的物理学家。
从一开始,德尔布吕克、卢里亚和赫西(Hershey)(噬菌体小组核心成员)就只有一个目的,即阐明简单的噬菌体颗粒在细菌宿主细胞内的自我复制机制。为达到并加快此目的的实现,他们开设了夏季冷泉港(CSH)课程以吸引大批科学家,其中许多是物理学家。噬菌体小组的非凡成功是由于他的开放和协作精神——近平物理学中哥本哈根精神的照搬。众所周知,德尔布吕克赞同玻尔(Bohr)的互补思想。因此,德尔布吕克被认为是在聆听了玻尔关于《光和生命》的演讲后转向生命系统研究的。
德尔布吕克的感染热情遍及整个噬菌体小组。他激发人们的兴趣来听他的课,读他的著作或者直接与他合作,他的杰出才智和超人的组织能力给人留下永久印象。本泽(Benzer)于1948年夏听了CSH噬菌体课程,事后即“死心”地转向生物学研究。卢里亚认为德尔布吕克的思想“十分有趣”,并肯定德尔布吕克当时发表的遗传突变方面的论文对他的进一步研究起了调整或再调整作用。对于沃森(Watson)来说,德尔布吕克则是一位传奇般人物,由于德尔布吕克在薛定谔书中占有的显著位置,卢里亚与德尔布吕克共事又是好朋友,所以沃森很快决定在卢里亚手下工作。西拉德在其47岁时听了CSH课程,并进行了有意义的生物学研究,他与一位年轻的物理有机化学家艾伦 · 诺威克(Aaro Novick)合作研制出一种称为“恒化器”的仪器。西拉德是第一个解释微生物细胞调节其不同的酶水平机制的科学家。
不过,以上这些并不意味着德尔布吕克总能如愿说服科学家们研究他本人感兴趣的领域,他认为生物学中存在着物理学那样的测不准原理,但没有谁对此进行认其的研究,然而本泽告诉本文作者,这个问题引起了他的极大兴趣,德尔布吕克还以传教士般的热情鼓动人们对他的藻状菌类工作感兴趣,但受到的反应也相当冷淡,德尔布吕克花了数年功夫研究这种细菌孢囊柄的行为反应,并对霍华德 · 伯格(Howard Berg)(现为哈佛大学生物学教授)讲,如果必顷从头做起的话,他仍然要重新研究细菌。作者在与曾获哈佛大学微波激射物理学博士学位的伯格会谈时有趣地发现,正是德尔布吕克的上述评论才引起了他对目前研究课题——细菌趋化性——的兴趣。
德尔布吕克对物理学的执着信仰以及他对生物学的态度反映在他的题为《物理学家对生物学的新见解:20年》的诺贝尔奖演讲中。噬菌体小组的工作常被视为“信息”方法的反映。人们用“范例、云集、联系和专一”来形容噬菌体小组及其发展过程的社会意义。
薛定谔与生物学
无需怀疑薛定谔《生命是什么》(小标题为“活细胞的物理观”)一书对许多科学家从物理学转向生物学研究的影响。关于此书的评论甚多,迟至1987年4月、尽管有人在最近的评论中对此书提出了批评,但却无法改变这样的事实,即这本小册子的的确确影响了一大批著名的科学家如克里克、本泽、威尔金斯、斯特恩(Stent)及沃森等。那么这本出版于1944年,由量子力学之父之一写的书究竟是怎样一本书呢?
该书是基于薛定谔1943年的一系列演讲。除后记外,全书共分七章,头一章为“遗传机制”,以令人感兴趣的题目“生命基于物理法则吗?”结尾。薛定谔首先提出“在一个生命有机体的特殊范围内,在空间上和时间上发生的变化如何用物理学和化学来解释”这个问题,他试图为此提供一初步答案,认为“有些现象用现在的物理学和化学还不能作出明显的解释,但这绝非意味着物理学和化学解释不了。”
在这本小册子中,薛定谔试图为解释生命系统内所存在的特殊有序性和基因的本质提供线索以及以现有的物理学法则来解释活细胞的活动方式。薛定谔的正确与否不是在此要讨论的问题,重要的是薛定谔的基因是非周期性晶体的思想被认为是促使当时的物理学科学家转向生物学的主要原因。本泽曾告诉作者,当他读到该书时受到很大鼓舞,发现其中关于德尔布吕克的突变模型一章“令人着迷”。威尔金斯在其诺贝尔奖演讲中提到,他本人转向生物学研究的原因之一即薛定谔这本书的影响,他为控制生命过程的、高度复杂的分子结构所深深打动。即使沃森(他本人并没有从物理科学转向生物学)也承认“从读到《生命是什么》那刻起,就急于阐明基因的秘密”。
这些例子足以表明薛定谔的这本书影响了一大批杰出的科学家。维科斯基(Witkowski)将《生命是什么》与达尔文的《物种起源》相提并论。
克里克向生物学的转变
克里克对于转移的观点是值得注意的。诺贝尔奖获得者英诺(Jacques Monod)这样描写克里克:“没有谁发现或创造了分子生物学,但有一个人的思想却支配着整个分子生物学领域。”在他的名为《分子和人类的本质》的书中,克里克清楚地提到物理学家和化学家转向生物学的原因。他说:“现代生物学研究的最终目的是以物理学和化学解释生物学。”
克里克指出,尽管目前我们的知识还很有限,但我们确实具备了适当的化学和有关物理学理论知识,量子力学结合化学经验知识为生物学提供了坚实的基础。他解释“整个生物学”的策略是逐级进行,从大到小,直到原子水平;而我们有足够的原子水平知识。他认为这就是许多物理学家和化学家转向生物学研究的主要动机,克里克还承认,其转移的原因之一是对活力论的背弃。
克里克对分子生物学作出了创造性贡献,从DNA双螺旋结构到“分子生物学中心法则”到处都有他的“足迹”。分子生物学中心法则现在还包括另外一步:DNA→前体RNA→拼接RNA→蛋白质。正如克里克指出那样,分子生物学中心法则有时遭到误解,但他一直是并将永远是现代分子生物学的里程碑,抛开克里克无法写分子生物学,但作者也不得不承认,除了克里克自己外,从所进行的有限调查中并未发现“活力论”思想对其他科学家转向生物学起了影响。
西拉德、威尔金斯与原子弹
现在暂且转到原子弹问题上,否则就是否认历史和记载,原子弹是西拉德和威尔金斯两位杰出的物理学家转向生物学的原因。西拉德是西方提出并实施物理学裂变理论的第一个人。他曾密切参与“曼哈顿工程”,原子弹在日本爆炸后,他一直感到负疚,试图通过转向生物学开释自己的良心。
尽管我个人认为原子弹问题作为转向生物学的原因近乎不太可能,但令人惊奇的是这种情况在其他人中竟也存在。伯格就是明显的一位,他告诉作者,对氢弹研制幻想的破灭是其转向生物学的部分原因。然而,许多年轻的物理学家对比炸弹更可怕的、用于制造所谓“杀人机器”的庞大耗费表示不满,他们认为通过努力解决许多重要的生物学问题可以更好地为人类服务。
也许有人会认为西拉德转向生物学后并未作什么有意义的工作,西拉德1949~1964年间发表的一系列著作足以驳倒这种看法。身为诺贝尔奖获得者的尤金。韦格纳(Eugene Wigner)这样称赞西拉德:“在科学家的长期生涯中,我从未遇到过比西拉德(Leo Szilard)更具有想象力和创造力、思想和观点更具独创性的人。在他的生物学研究中,西拉德最终实现了他全部的潜力。”
在最近一次会谈中,西拉德承认,在转向生物学时他冒了“一定的风险”,但“如果因缺乏勇气而不愿作出选择的话,就不会清楚认识到生物学的潜力。”西拉德讲到,他并没有从物理学带来任何专长,带来的只是一个态度。他认为,生物学家缺乏解决难题的必要信念从而使得生物学的迅速发展受到阻碍(当然这种陈述并非指现今的生物学家)。
威尔金斯似乎不再对今天的科学状况着迷,据《英国科学名人录》,近年来他的职业兴趣已从“分子生物学”转为“英国科学社会职责学会的主席”。
从物理科学转向生物学——目前的真相
本节是作者和一些著名科学家的会谈摘录。这些科学家德高望重,对生物学作出了举世公认的贡献。由于篇幅所限,在此只讨论5位科学家的观点,他们是:霍华德 · 伯格,哈佛大学生物学教授;约翰 · 霍普菲尔德(John J Hopfield),加州工学院化学及生物学教授;伊瓦 · 吉威尔(Ivar Giaever),纽约电器总公司科研中心物理学家;沃特 · 吉尔伯特(Walter Gilbert),哈佛大学生物学教授及生源体(Biogen)组织前主席;西摩 · 本泽(Seymour Beuzer),加州工学院生物学教授。
霍华德·伯格:从氢微波激射到细菌趋化性
作者在前文讨论德尔布吕克时曾简要提到伯格(Howard Berg)。伯格的转变并不是直接的。在加州工学院读书时,他转离物理学主修“偏重生物学的化学,其主要原因是受林耐 · 鲍林(Linus Pauling)为新生们所作的精彩化学演讲的影响”。除了受鲍林的演讲以及对氢弹研制幻灭的影响外,伯格还讲到另外一种转变原因:“在衣阿华大学我花了两个夏天与物理学家一起研究加速器,处在一种令人不快的环境中。”伯格从加州理工学院来到哈佛拟攻取MD(医学博士)但又因“医学描述性太强、死记硬背、几乎不用思考”而放弃。他请哈佛的波塞尔(Purcell)(因发现NMR而获诺贝尔奖)“帮助摆脱困境”(离开医学而从事物理学研究)。伯格在哈佛获得了微波激射哲学博士学位。他告诉本文作者,在加州理工学院读书的2年时间里,他掌握了许多物理学知识,因而能够“5年后在哈佛修完物理学研究生课程”。
伯格的研究生工作受到NIH博士后研究基金资助。他说:“我并不太清楚如何来应用物理学,但我感到如果那时不学习物理学恐怕就再也没有机会了。”伯格的第一项研究是关于红细胞膜结构。他承认他的物理学研究生工作对其生物学有很大帮助。然而,在研究红细胞膜时,他感到“世界上许多优秀的蛋白质化学家不久即会开展这方面的工作,而我本人并不想和这些人竞争。因此我开始寻找含有较多物理学的课题,并将之与行为联系起来。”这就是他开始细菌趋化性研究的原因。
伯格也并不想如通过研究基本粒子等成为“大事业中的一份子”。他认为“生物学问题可爱,十分浅显……更易理解和接近,方法学简单但需要一种不同的思维方式”,而且,“生物学家对其工作产生一种直觉,他们不进行形式/数学思考。而我自己则从事一些涉及到结构力学/物理学模型方面的研究——模型导致特异性预言,预言进一步促进实验研究”。但从伯格的交谈中可清楚的一点是,由于他在攻取物理学哲学博士时所掌握的复杂仪器方面的专长,因而能够为自己开辟一个“技术小环境”。当问到物理学家研究生物学与生物学家研究生物学之间的方法差异时,伯格答到:“问题越复杂,方法就越精细”,他举出伽莫夫(Ga-mov)的遗传密码工作和波塞尔(他的合作者)用于生物学的漫射理论研究为例。伯格也承认受到林德 · 斯托姆 · 朗(LinderstrΦm-Long)的影响:“他教我懂得,科学是全人类的共同努力。”
约翰·J ·番普菲尔德:从固态物理学家到生物学
霍普菲尔德(John J Hopfield)——最著名的固态物理学家之一,现为加州理工学院化学和生物学教授。他对生物学许多领域都作出了巨大贡献:提出血红蛋白分子协同行为的定量理论,并将其与动力学和结构联系起来(为此获得1985年美国物理学会生物物理奖);还提出细胞必须具有一种用于发现生物合成错误的校对机制假说,并预言会因代谢速率的降低而出现。该假说被随后的测量所证实。他对解决光合作用中的生物电子传递问题也作出了贡献;而他关于如何制造基于神经元模型的计算机的思想正产生巨大反响(这和所谓生物集成电路毫无关系,但也需依靠现有的标准电子学技术)。
他在《现代科学家和工程学家》一书中,首先被介绍为一位物理学家兼分子生物学家,因此作者首先问到促使他转向生物学的原因是什么。他答道转变是他在剑桥大学休假年时开始的,“细想后发现,我对自己在固态物理学方面所作的工作并不满意。”他来到贝尔实验室,开始与舒尔曼(Shulman)(其最初为化学家,现已转向生物学)交谈,“了解他的生物学研究情况。”无疑,这次交谈对于他的转变起了更要作用。霍普菲尔德感到固态物理学变得越来越复杂,“发现新的有趣课题越来越困难……经了解发城生物学有许多最基本的问题尚未解决。因此,我就在没有多少生物学知识的情况下开始了生物学研究”。“令我感兴趣的是物质的巨大排列以及他们聚合在一起的方式——对此还缺乏定量描述”。在某种程度上说,作者发现他的观点与克里克的观点十分相似。生物学的复杂性具有不同的水平,并不总是可在原子水平解释问题。因此,探索这种复杂性的方式是逐步深入,直至可建立起一物理模型的水平,并进一步理解“其在上一水平中的作用”。
当问起一个物理学家是否为生物学带来什么专长或态度时,霍普菲尔德指出:“从历史上看,生物学家热衷于系统间的差异;物理学家惯于整体看待事物,认为它们本质上是相似的,并遵循特殊的原理……从传统上看,生物学家并不像物理学家那样多地普遍研究前沿领域。”他引用自己所研究的“精确性”校对机制作一例子。“生物化学家思想太过狭隘,甚至想不到‘精确性’是个普遍问题而不是他们所研究的特殊亚系统中的一个问题。”像其他训练有素的物理学家一样,霍普菲尔德也强调定量化作用,尤其是对于神经生物学等学科就更为重要。尽管他对生物学作出了许多理论贡献,霍普菲尔德深知实验的重要性:“如果理论脱离实际太远,就等于是在建造空中楼阁。”
西摩·本泽
加州理工学院生物学教授本泽(Seymour Benzer)是公认的世界著名神经生物学家之一,他受德尔布吕克和薛定谔《生命是什么》一书的影响是众所周知的,在读研究生时,本泽在普尔多(Purdue)大学拉克 - 赫罗茨(Lark-Horowitz)教授所领导的小组研究固态物理学中的p-n结。他向生物学的转变是在遵从卢里亚的建议选听了德尔布吕克组织的冷泉港噬菌体课科后发生的,此后便一心一意研究生物学。
当问到本泽是否从一开始还未研究便喜欢生物学时,他的回答十分有趣,据作者所知也很具代表性。他说:“我喜欢生物学,而且在高中成绩十分优秀。到布鲁克利(Brookly)学院时我打算选生物学课程,但必须上一年涉及到所有植物、动物的、枯燥无味的普通生物学,而校方又不让选较深的课程。因此,以后就再也未选过生物学课程。”另一位在转变前研究数学的著名分子生物学家斯培格曼(Spiegelmon)也曾“被迫”放弃研究生物学,其原因正是在当时生物学被视为一门“软”科学,由“迟钝”的教授们讲授。
本泽认为:“物理学是一个好的知识背景,但却是辅助性的”,生物学问题应当自行解决,利用一切必要的技术——不管其是否为物理学技术,当问到他转向生物学研究是否还具有其它特殊吸引力时,像其他许多科学家一样,他强调吸引力正是德尔布吕克和卢里亚的定量方法。“所面临的挑战是在生物学中发现一个可供分析的简单系统。物理学家可能更需要问题的简单化、方法的精细化。”但即使在生物学问题更具描述性这一点上,本泽仍然坚持“物理学教育是一门十分有用的训练性学科,只要对生物学真正感兴趣,它就会显出它的作用。”
沃特·吉尔伯特:分子生物学和量子学理论家插曲
吉尔伯特(Walter Gilbert)的转变近乎神话故事,获得剑桥大学量子理论哲学博士学位后,吉尔伯特来到哈佛冒冒失失地投入到实验分子生物学研究,其原因主要是受在剑桥认识的吉姆 · 沃森(Jim Watson)的鼓舞。与唐纳德 · 格拉斯(Donald Glaser)和伊瓦 · 吉威尔(Ivar Giaever)不一样,这两位物理学家因研究泡沫室和超导现象而获得诺贝尔奖后又转向生物学研究;"吉尔伯特获诺贝尔奖的原因是他发展了现以其名字命名的DNA序列分析技术。作为生源体组织的建立者之一,他曾是新闻报道的热门人物,尤其是在他辞去生源体主席职位到哈佛后,他还曾一度卷入到人类基因组全序列分析计划的争论之中。
从理论物理学家到著名实验生物学家,这种转变实在是太剧烈,以至于作者本人也难以理解其原因为何,无疑,沃森曾对他的转变产生过初步影响。沃森曾对他谈过沃森本人当时所从事的关于信使RNA的饶有兴趣的研究。”我在那年夏秋便开始进行分子生物学实验,对它发生了兴趣,并一直进行下去。”
除了沃森的个人影响外,他还谈到转变的其它原因。他说转变的部分原因是当时的理论物理学发展缓慢,部分原因是他迷上了分子生物学。他视此为一个转变机会,“因发现其他有趣的东西而转变”。对他来说,这是一个最直接的转变动机。生物学可看作特殊问题“泥潭”或思想活跃的领域。他谈到分子生物学中的两个“旋律”:结构和信息/遗传学方法。
当问到转向生物学是否带来特殊的态度时,吉尔伯特的回答也十分富有启发性:“我并不想带来物理学家的包袱,也不想研究生物学的理论问题,而是从事实验分子生物学研究。如果说带来了一些基本态度,那就是关于什么构成一个解释、什么构成一有趣问题,对于如何解决这类问题,我带来一个概念性理解。我自己看,生物学在许多方面是寻找问题而不是寻找技术。”像本泽一样,吉尔伯特利用与其所提出的问题有关的一切必要技术进行实验。他还认为在像他这样的人和一个训练有素的生物学家间之间并不存在什么差别。
生物学家有不同的类型——或者局限于特殊的问题,研究这些问题及其应用;或者对有机体感兴趣,把其视为生命的中心并研究其各个方面。他将沃森划入思想概念型生物学家,沃森利用一切可利用的技术探索问题。不知道这是否即《幸福》(Fortune)杂志称道他的“开创性”或者分子生物学新思想,吉尔伯特从创新中得到极大乐趣,并且这是其整个工作的特征,他目前关于基因外显子理论的研究工作本身十分浅显易懂。
伊瓦·吉威尔:从超导到蛋白质、细胞和识别位点
吉威尔(Ivar Giaever)转向物理学的途径是相当曲折的。在挪威时他打算读电机工程、电子学或化学工程,但“由于成绩不佳”而遭到拒绝。他极不情愿地选了机械工程,因为这是他剩下的唯一选择,大学毕业后,取道加拿大来到美国,加入斯纳克特迪(Schenectady)通用电器公司(GE),在GE他对超导中的隧道效应作了开创性研究,并因此而同江崎和约瑟夫森(Josephson)分享1963年的诺贝尔物理学奖,在GE期间,同时他还获得伦瑟勒(Rensselaer)工业研究所固态物理学哲学博士学位。
与其他物理学家(及生物学家)的显著差别是,威尔所设计和研究的实验皆简单、直接。他目前的工作是关于固体和液体基质中的吸收蛋白及其在组织培养和免疫学中的应用、细胞与培养基的相互作用和细胞生长研究——所有这是都极其简单而他得到的结果却具有深远的意又十分巧合,像霍普菲尔德一样,吉威尔是在1970年到剑桥成为加根亥姆(Guggenheim)会员时才决定转向生物学的。在去剑桥之前,他考虑到,隧道现象虽可以做下去,但又觉得是浪费时间,因此“决定学习生物学”。他说他越来越“讨厌”固态物理学,固态物理学中的“问题越来越难以发现和解决”。
他承认对物理学丧失兴趣的原因之一是所用的仪器越来越复杂,他认为自己的研究不会产生(必要的)影响,他觉得生物学问题容易发现(但也许不那么易于解决),进行简单的实验(这正是他的特点)即可成功,他在查尔斯 · 本(Charles Bean)时也有一个转变榜样,这就是他在GE时的一位同事——这位同事几年前转向了生物学研究。在此又可看到朋友和同事常对物理学家转向生物学起着关键的影响。爱德华 · 波塞尔(Edward Purcell)的转变即是如此,他多次告诉作者,倘若没有霍华德 · 伯格,他就不会从事鞭毛运动研究。
吉威尔反复强调,物理学家从事生物学定量研究具有更大优势,他还指出,由于具有物理学知识,他常能预言一项实验可能具有的特殊限制因素是什么。
物理学家影响了生物学家吗?
沃森和克里克在DNA结构研究中的成功合作是众所周知的事实,这里不再重复。然而,人们却低估了物理学家对卢里亚的影响。卢里亚自传以及作者同卢里亚的会谈都表明了这一点。他讲到:“我在20岁时即得出以下结论:要想获得生物学发现,必须掌握一些物理学知识。”沃森认为:“在科恩(Cohen)与卢里亚及德尔布吕克所领导的噬菌体小组之间存在尖锐分歧。科恩要以生物化学解释基因;而卢里亚和德尔布吕克则认为需要将遗传学和物理学结合起来。”卢里亚这样评论到:“我在医学领域没有发现任何其它的鼓舞,对一个充满物理学之梦的头脑来说一点也不具吸引力。”法诺(Fono)、罗斯蒂(Rosetti)、阿玛尔迪(Amaldi)和费米(Fermi)等物理学家卽对卢里亚具有重大影响。在罗马同物理学家一起生活的一年“是我一生中的关键转折点,他使我更注重以物理学家的方式思考问题——一种比生物学家更注重分析的思考方式。”卢里亚的情况具有代表性。值得注意的是,与以前相比,现代生物学课程中物理学和化学所占的比重要高得多。虽然现代生物学家没有明确指出这种影响,但他们都非正式承认,物理科学必将对生物学研究产生极其重要的作用。
分子生物学的中心问题及物理学科学家的可能贡献
对于哪些问题是分子生物学的最重要的问题,不同的科学家当然有不同的看法,其中最普遍的看法是:
· 生命起源——卢里亚认为“这是一个物理学和化学的混合问题,而非一个单纯生物学问题”
· 进化问题
· 植物和动物的遗传调节
· 神经特异性的遗传及分子基础
· 发育及行为生物学
· 神经生物学
· 从氨基酸序列预言蛋白质结构
与作者会谈的所有科学家都一致认为,在未来10年里,物理科学将会对生物学研究产生重要作用。然而作用大小则有赖于所研究的问题类型。比如可以预料,一些生物学家仅利用一般技术不需要重视物理学仍将会取得“惊人的成功”;而像神经生物学这样的研究领域,掌握一定的物理学和数学基础是阐明系统的高级功能所必需的。有人认为,为了进一步阐明脑的功能也需要加强理论以指导实验。
曾有这样的评论:生物学中的现象可能并不总是新的,但“技术可使你解决新的问题”。物理学方法如X-射线电子衍射用于超分子结构(例如“细菌鞭毛基体等细胞器”)对物理学家提出了激烈挑战。生物学当今本身已变成高度交叉的学科以至于一位会谈者讲道:“各行各业的人员都将为生物学作出贡献:计算机人员、电机工程师、化学家等等,而不仅仅是物理学家。”
最后,作者感到,目前许多年轻的研究生和博士后研究人员正转向生物工程领域,为的是找一个好的职业而不是迎接其特殊挑战。近来生物工程工业的常规程序自动化也吸引了从人工智能到激光光谱学的各学科人员。这种趋势今后还会继续增长。我也同那些学术界和工业界的科学家交谈过,他们作出转变的原因是他们真正感到分子生物学能够在不久的将来为缓和饥饿、战胜疾病、控制污染、增加粮食产量、培养优良作物及农产品——一句话提高落后国家和发展中国家人民的生活水平带来革命。不论这是否可能,他们的诚意却是毋庸置疑的。
[Interdisciplinary Science Reviews,Vol15,NO. 1]