1900年，生命科學面臨著一個飛躍，當時已經承認了，而且建立了細胞的學說，可是那時對細胞的觀念是非常簡單的，細胞是動物或者植物的基本構成單位。細胞有一個細胞膜，里面有細胞質，在我念書的時候叫細胞漿。整個細胞里有一個細胞核，細胞核里當然也有一個膜包住。這是1900年人們對于細胞的觀念。后來發(fā)現(xiàn)這里有很多結構，細胞核有核膜、核仁、染色體。細胞質里有線粒體、中心體、高爾基體、基質。甚至細胞膜也有很多結構。在電子顯微鏡下，細胞的結構要比1900年復雜的多，我只想說明一點，電子顯微鏡是量子力學的一個產物，也就是物理學對生物學的極大的貢獻。我不想和各位講什么叫電子顯微鏡，我只想做一個類比。
　　量子力學告訴我們，所有的粒子都有波動的性質，光是一種波動，光可以用透鏡來聚焦放大，這個透鏡是我們習慣用的玻璃透鏡、凹透鏡、凸透鏡，我們研究生命科學，誰造成了顯微鏡，現(xiàn)在量子力學告訴我們，電子也是一種波動，所以應當也可以有透鏡來聚焦、放大。當然，透鏡不是玻璃的透鏡，而是因為電子有電荷來放大，因此用這個道理做出電子顯微鏡。我和大家說一個事情，科學上最基本的觀念是很簡單的，要掌握最基本的觀念，很細微的東西，沒有把它根本的思想抓住，學習可能事倍功半，學習的時候先把你要學習的東西，看完一頁書或者一本書之后，你問問自己能不能把自己看的這么厚的一本書，能夠用一分鐘或者更短的時間，把它最精彩的東西、最關鍵的東西講出來。
　　現(xiàn)在知道細胞還有幾千種的分子，要一一辯明它不是容易的事情，一直到現(xiàn)在都沒有搞完。主要有兩類大分子，和我們的生命有關的，一類叫做蛋白質，就是大分子里頭的大部分，還有另外一類大分子叫做核酸，少部分，這也是一個歷史的誤會，因為這個東西首先是在細胞核里發(fā)現(xiàn)的，因為帶有酸質，所以叫做核酸，在細胞質和細胞獎里也有，但是歷史就是這樣的。
　　這兩大分子大部分也是起到生命中最重要的兩個功能。蛋白質是生命功能的基本執(zhí)行者。生命功能最基本的執(zhí)行者是誰呢？是蛋白質。核酸是遺傳功能的執(zhí)行者，它有遺傳密碼，它是傳遞遺傳密碼和給出指令，告訴細胞怎樣來執(zhí)行遺傳。我們的機體不是來自于基因，是來自于蛋白質，蛋白質是執(zhí)行者。蛋白質是怎么合成的？是怎么從一代到下一代的？我們的父母是黑顏色的眼睛，怎么會生出黃顏色的眼睛的孩子呢？
　　先來看蛋白質，在上一個世紀初，就是一百年前已經弄清楚了，蛋白質是由氨基酸組成的一個鏈狀的結構，人體的氨基酸只有20種。從結構上頭來講，這好像一頭豬跑在一條鏈子上一樣。但是它怎樣執(zhí)行我們生命的功能呢？我們可以呼吸，我們的肌肉會有力氣，這就回答了一個問題，它的功能是從哪兒來的，因為它有空間結構，這個空間結構不是固定的，而且要證明這一點，假如把氨氨基酸比成寶石，20種氨基氨基酸有20種顏色，不一樣，形狀不一樣的寶石，所以這20種寶石可以串起來一個鏈子，不要看氨基酸的名字了，現(xiàn)在把它變成寶石，鏈子假如是這樣的，它絕對沒有什么生命的功能，它必須要拐彎，要彎曲才能發(fā)生活力，這是猜想，要證明。怎么證明？這個時候物理學家就來幫忙。1927年在劍橋大學，有一個叫做卡文迪的研究所，所長是小布拉格，他是晶體學的大行家，當時有一個叫貝爾納的人建立了晶體學實驗室，系統(tǒng)的、大規(guī)模的研究晶體學，而且他有一個念頭，就要看看蛋白質的結構到底是什么東西，布拉格是非常支持他的，他用X光對蛋白進行衍射，他發(fā)現(xiàn)了天然的蛋白質居然也有衍射的斑點，說明了天然的蛋白有固定的結構，固定的結構重疊起來了就可以變成晶體了，這就是蛋白晶體的開始。這是一個了不起的事情，在1930年。
　　看見有斑點，還不等于知道它的結構，因為看見斑點就說明它是有規(guī)矩的結構，到底這個結構是什么東西？這是一個非常艱巨的問題。美國理工學院有一個科學家叫做鮑林，他經過了很長很長時間的研究，發(fā)現(xiàn)蛋白質里有幾種很典型的結構，是所有蛋白質都會有的，第一個氨基酸的鏈子，鏈子會打轉，變成一個螺旋，這個東西叫做α螺旋。拿另外一個圖可以看一下，假如氨基酸的分子畫出來，這個打轉，叫做α螺旋，這個鏈子會疊來疊去，這個叫做折疊，連接而成的蛋白質的鏈子，它一定要有局部的空間結構，這是很了不起的工作。
　　我們又回到布拉格的研究所，這是一個年輕的科學家，他開始想把整個蛋白質的結構做出來，當時全世界結晶出來的蛋白質一共只有9個，他挑了一個最簡單的東西看，叫做血紅蛋白，是我們每個人身上都有的，這個血紅蛋白把氧氣帶到我們全身，又把二氧化碳從肺里帶出來，這是和我們的生命有重大關系的一個蛋白，而且那時候也很容易得到，所以他做了這個事情�？墒呛髞懋斔�得到諾貝爾學獎的時候說了一句話，我沒有想到用23年做這個事情，那個時候做研究生，老師叫我四年里交論文，要把這個事情做出來，我就變成老研究生的，而且到23年的時候我才能得到學位，所以看出來科學的研究是不能急的，他非常有耐心，布拉格也一直支持他做這個事情。
　　他做了十年之后，另外一個年輕人到了他那個組里頭，就是肯德魯，他研究另外一個蛋白，叫做肌紅蛋白，當時也是比較容易得到，看起來也簡單，但是也研究了十年。這位先生的一個大的功勞，除了研究蛋白質以外，因為1945年第二次世界大戰(zhàn)打完，為了原子彈的研究發(fā)明了電子計算機，他非常敏感，他說我們要研究這些東西，用手算是不行的，一定要用計算機，他第一個把計算機的技術引到生命研究的工作中去。他們的工作從1950年開始到年底，現(xiàn)在看起來血紅蛋白是這樣子的一個結構，這個條條都是氨基酸，因為由四條鏈組成，中間是一個鐵原子，血紅蛋白基本上是一個球一樣的，吸氧氣的時候會把氧附在鐵原子上面，把氧放在鐵原子上頭，到了我們身上的各個肌肉里，把氧放出去，就會變小，一擠，氧就出來了，也同樣把二氧化碳吸進去，到了肺里頭就出來了。生命是非常奇妙的，通過最基本的蛋白質能夠進行研究。運動蛋白是這樣，每一種蛋白我們都陸陸續(xù)續(xù)得到了它們的結構。在1962年獲得了諾貝爾化學獎，這是蛋白質的。
　　現(xiàn)在我們再來看看第二種重大的大分子，就是核酸。在20世紀頭50年已經弄清楚了，核酸有一種叫做DNA，D是脫氧核糖核酸，還有一種是核糖核酸，不去氧，一個是核糖核酸，一個是脫氧核糖核酸，頭50年也弄清楚了，DNA在細胞核里頭，是組成基因的分子。
　　關于基因有一個很有趣的，而且很曲折的故事，最早指出遺傳是有規(guī)律的是一個神學家，叫孟德爾，他是通過豌豆，豌豆會開花，有雄花，有雌花，授粉的時候用不同顏色的花來授粉，后一代花是有規(guī)律的，大家上生物課，老師會講這個事情。他念生物學，在一八七幾年寫的，被人家忘掉了，一直到了20世紀頭一年，就是2000年的時候，同時在奧地利和德國有人發(fā)現(xiàn)了，他們也做遺傳試驗，他們也是用類似的方法做，一寫文章的時候發(fā)現(xiàn)已經有這么一個生物學家做得非常徹底，有遺傳現(xiàn)象。遺傳是不是由物質來遺傳，這是一個非常長久的，而且非常激烈的一個爭論，這個爭論在150年代的很多國家，蘇聯(lián)、中國都認為不是這樣子的，可是這個時候科學的東西不能夠用概念來說，一定要做實驗，一定要證實，再好的觀念可能是錯的，也可能是對的，怎么來判斷是對還是錯，一定要搞實驗。這個故事很長，做了50年，DNA主要存在細胞核里頭，核酸是主要的，但不是全部，不是這個細胞核里頭的，細胞質里頭也有。
　　基因是什么意思呢？基因是遺傳物質，它就是構成遺傳物質的分子，頭50年就已經提出來，很多人進行摸索，進行研究，一直到1953年才最后得到確認，確認的辦法是用物理學的辦法。所謂核物理的辦法，就是標記原子的辦法，就是把放射性的原子標記在基因里，看看從一代到下一代到底是不是它，只有基因里有這個放射性的東西，別的地方沒有。
　　另外一種核酸，就是核糖核酸主要存在在細胞質里頭，組成的大分子。組原非常少，就是四種，而且是鏈狀的大分子。這就提出一個問題了，DNA的組原一個叫做脫氧核糖，一個叫做磷酸，這是一個非常主要的東西，這里有一個剪輯，我用四個字母來表示，C、G、A、T。DNA有成千上萬，甚至幾百萬個，基本的組原把它接起來的一個大分子，這個大分子一般是鏈狀，這個東西就變成了一個問題，人們去爭論生命要遺傳的信息太多了，頭發(fā)、眼睛、皮膚，怎么能夠用這么簡單的結構去進行遺傳，這不可能。它還是一個鏈，因為蛋白質也是一個鏈，但是蛋白質的組成是由20種氨基酸，就是20個原，所以蛋白質比較復雜，有一陣子大家都認為我們討論的遺傳的物質應該是蛋白質，而不是DNA，后來發(fā)現(xiàn)這四組原還要減半，怎么說？C和G，有C一定有一個G，它們是好朋友，不能分開了。還有ADT也是配對的，四變成二了，更少的，這么簡單的結構怎么可能把這么海量的遺傳信息儲存在結構里？人們很傾向于認為應當是儲存在結構比較復雜的蛋白質里頭。
　　再講RNA，就是核糖核酸，基本上和DNA一樣，這不是脫氧核糖，是核糖，也是四種，RNA也是有四種剪輯，除了T就是U，是四個組原組成的大分子，一般是鏈狀的，有長有短，所以核酸的結構很簡單，組原很簡單，可是結構不簡單，組原雖然很簡單。1953年證明了它是遺傳物質，遺傳物質當然有遺傳密碼，把遺傳的信息儲藏在里頭，簡單的東西并不代表它不能儲存很復雜的東西。好像建筑，古代的建筑只是磚頭和木頭，但是構成的大廈形狀各異，是不一樣的，所以很容易推想遺傳信息一定是藏在這么簡單的磚頭和木頭構成的結構里頭。這個觀點最早是一個物理學家提出來的，這個物理學家叫做薛定諤，他是量子力學的始創(chuàng)者之一，是奧地利人，當時歐洲大陸打第二次世界大戰(zhàn)的時候逃到英國去，在英國教書，打的天昏地暗的時候是1943年，他寫了一本小說，非常薄，叫做《生命是什么》，他是1961年過世的，也得到過諾貝爾獎。他在這本書里頭提出了幾個非常有遠見的，到現(xiàn)在看起來大部分得到證實的觀點。第一，遺傳物質是一個有機分子，第二，染色體里頭的基因，它的活動決定遺產。第三，一定有遺傳密碼，遺傳密碼決定了遺傳性，雖然是一個假設，但是他深信不疑，基因應該是一個晶體。這本書我念大學的時候聽說了，第一次看這本書的時候上大學四年級，根本看不懂，我看原文看不懂，后來我工作的時候第二次看，還是看不懂，我看了三四遍沒看懂。后來當我學了一點生物的時候，我覺得真的太有吸引力了，寫的文筆之美妙是無與倫比，而且見解的深奧真的叫你嘆服。獲得諾貝爾獎學金的三位科學家在進入這行之前都看過這本書。這是一個理論物理學家，可是他對生物的見解非常深刻，而且影響了生命科學的發(fā)展。
　　1951年，美國人沃森到劍橋當博士后，這是在劍橋里的一個英國人，也是在布拉格的研究所里做事，他們兩個人都是受到《生命是什么》的影響，原來是做蛋白質的，后來很快研究DNA了。這個是一個非常有趣的故事，講起來也有點不公平，這個圖是DNA的X光衍射圖，這是一位女士得到的，那兩個人不在，第三個人的助手是一位女士，她對科學上的理解比她的老板、比她的組長要深得多，可是因為她是一個女的，當時受到歧視，而且受到排擠，所以一直不承認她的功勞，這張圖被她的老板拿出來，很快得到重要的成果，其實這個成果這個女士已經基本上得到了，這是一個不太公平的事情。后來得諾貝爾獎學金的時候，大家都認為這5個人不應當?shù)玫街Z貝爾獎金。那兩個人，還包括鮑林，第三個是威爾金斯，還有一位女士叫做富蘭克林，得到很不公平的對待。
　　1953年因為有了衍射圖，這個衍射圖是這位女士做的，異常清晰，而且因為有了鮑林的關于螺旋的分析經驗，所以當這個圖到了沃森手上以后，他很快得到一個結論，DNA好比一個梯子，這個梯子的踏板就是由四個剪輯單元構成的，C和G配對，C可以在這邊，也可以在那邊，在這兩邊是不一樣的，磷酸和糖把梯子搭起來，由這四個單元構成這個梯子，可以把它構成一個螺旋，DNA分子是一個雙螺旋的梯子，3.4個埃，這個一出來就引起了生命科學的革命性的進展。
　　沃森、克里克和威爾金斯一起得到了1962年的生物學和物理學諾貝爾獎，這位女士不公正的被遺忘掉了。