1900年，生命科學(xué)面臨著一個飛躍，當(dāng)時(shí)已經(jīng)承認(rèn)了，而且建立了細(xì)胞的學(xué)說，可是那時(shí)對細(xì)胞的觀念是非常簡單的，細(xì)胞是動物或者植物的基本構(gòu)成單位。細(xì)胞有一個細(xì)胞膜，里面有細(xì)胞質(zhì)，在我念書的時(shí)候叫細(xì)胞漿。整個細(xì)胞里有一個細(xì)胞核，細(xì)胞核里當(dāng)然也有一個膜包住。這是1900年人們對于細(xì)胞的觀念。后來發(fā)現(xiàn)這里有很多結(jié)構(gòu)，細(xì)胞核有核膜、核仁、染色體。細(xì)胞質(zhì)里有線粒體、中心體、高爾基體、基質(zhì)。甚至細(xì)胞膜也有很多結(jié)構(gòu)。在電子顯微鏡下，細(xì)胞的結(jié)構(gòu)要比1900年復(fù)雜的多，我只想說明一點(diǎn)，電子顯微鏡是量子力學(xué)的一個產(chǎn)物，也就是物理學(xué)對生物學(xué)的極大的貢獻(xiàn)。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(xué)告訴我們，所有的粒子都有波動的性質(zhì)，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(xí)慣用的玻璃透鏡、凹透鏡、凸透鏡，我們研究生命科學(xué)，誰造成了顯微鏡，現(xiàn)在量子力學(xué)告訴我們，電子也是一種波動，所以應(yīng)當(dāng)也可以有透鏡來聚焦、放大。當(dāng)然，透鏡不是玻璃的透鏡，而是因?yàn)殡娮佑须姾蓙矸糯�，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(xué)上最基本的觀念是很簡單的，要掌握最基本的觀念，很細(xì)微的東西，沒有把它根本的思想抓住，學(xué)習(xí)可能事倍功半，學(xué)習(xí)的時(shí)候先把你要學(xué)習(xí)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(shí)間，把它最精彩的東西、最關(guān)鍵的東西講出來。
　　現(xiàn)在知道細(xì)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(guān)的，一類叫做蛋白質(zhì)，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?yàn)檫@個東西首先是在細(xì)胞核里發(fā)現(xiàn)的，因?yàn)閹в兴豳|(zhì)，所以叫做核酸，在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)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(zhì)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(zhì)。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(xì)胞怎樣來執(zhí)行遺傳。我們的機(jī)體不是來自于基因，是來自于蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)是執(zhí)行者。蛋白質(zhì)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(zhì)，在上一個世紀(jì)初，就是一百年前已經(jīng)弄清楚了，蛋白質(zhì)是由氨基酸組成的一個鏈狀的結(jié)構(gòu)，人體的氨基酸只有20種。從結(jié)構(gòu)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?yàn)樗�有空間結(jié)構(gòu)，這個空間結(jié)構(gòu)不是固定的，而且要證明這一點(diǎn)，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(shí)候物理學(xué)家就來幫忙。1927年在劍橋大學(xué)，有一個叫做卡文迪的研究所，所長是小布拉格，他是晶體學(xué)的大行家，當(dāng)時(shí)有一個叫貝爾納的人建立了晶體學(xué)實(shí)驗(yàn)室，系統(tǒng)的、大規(guī)模的研究晶體學(xué)，而且他有一個念頭，就要看看蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)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(jìn)行衍射，他發(fā)現(xiàn)了天然的蛋白質(zhì)居然也有衍射的斑點(diǎn)，說明了天然的蛋白有固定的結(jié)構(gòu)，固定的結(jié)構(gòu)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(diǎn)，還不等于知道它的結(jié)構(gòu)，因?yàn)榭匆姲唿c(diǎn)就說明它是有規(guī)矩的結(jié)構(gòu)，到底這個結(jié)構(gòu)是什么東西？這是一個非常艱巨的問題。美國理工學(xué)院有一個科學(xué)家叫做鮑林，他經(jīng)過了很長很長時(shí)間的研究，發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)里有幾種很典型的結(jié)構(gòu)，是所有蛋白質(zhì)都會有的，第一個氨基酸的鏈子，鏈子會打轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)，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(zhì)的鏈子，它一定要有局部的空間結(jié)構(gòu)，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(xué)家，他開始想把整個蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)做出來，當(dāng)時(shí)全世界結(jié)晶出來的蛋白質(zhì)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?nèi)�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(guān)系的一個蛋白，而且那時(shí)候也很容易得到，所以他做了這個事情。可是后來當(dāng)他得到諾貝爾學(xué)獎的時(shí)候說了一句話，我沒有想到用23年做這個事情，那個時(shí)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(shí)候我才能得到學(xué)位，所以看出來科學(xué)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(dāng)時(shí)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(zhì)以外，因?yàn)?945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(jì)算機(jī)，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(jì)算機(jī)，他第一個把計(jì)算機(jī)的技術(shù)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(jié)構(gòu)，這個條條都是氨基酸，因?yàn)橛伤臈l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(shí)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(jìn)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(zhì)能夠進(jìn)行研究。運(yùn)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(jié)構(gòu)。在1962年獲得了諾貝爾化學(xué)獎，這是蛋白質(zhì)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(jì)頭50年已經(jīng)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(xì)胞核里頭，是組成基因的分子。
　　關(guān)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(xué)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(shí)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(xué)，在一八七幾年寫的，被人家忘掉了，一直到了20世紀(jì)頭一年，就是2000年的時(shí)候，同時(shí)在奧地利和德國有人發(fā)現(xiàn)了，他們也做遺傳試驗(yàn)，他們也是用類似的方法做，一寫文章的時(shí)候發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有這么一個生物學(xué)家做得非常徹底，有遺傳現(xiàn)象。遺傳是不是由物質(zhì)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(rèn)為不是這樣子的，可是這個時(shí)候科學(xué)的東西不能夠用概念來說，一定要做實(shí)驗(yàn)，一定要證實(shí)，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(shí)驗(yàn)。這個故事很長，做了50年，DNA主要存在細(xì)胞核里頭，核酸是主要的，但不是全部，不是這個細(xì)胞核里頭的，細(xì)胞質(zhì)里頭也有。
　　基因是什么意思呢？基因是遺傳物質(zhì)，它就是構(gòu)成遺傳物質(zhì)的分子，頭50年就已經(jīng)提出來，很多人進(jìn)行摸索，進(jìn)行研究，一直到1953年才最后得到確認(rèn)，確認(rèn)的辦法是用物理學(xué)的辦法。所謂核物理的辦法，就是標(biāo)記原子的辦法，就是把放射性的原子標(biāo)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?jīng)]有。
　　另外一種核酸，就是核糖核酸主要存在在細(xì)胞質(zhì)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?nèi)�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(jié)構(gòu)去進(jìn)行遺傳，這不可能。它還是一個鏈，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)也是一個鏈，但是蛋白質(zhì)的組成是由20種氨基酸，就是20個原，所以蛋白質(zhì)比較復(fù)雜，有一陣子大家都認(rèn)為我們討論的遺傳的物質(zhì)應(yīng)該是蛋白質(zhì)，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(jié)構(gòu)怎么可能把這么海量的遺傳信息儲存在結(jié)構(gòu)里？人們很傾向于認(rèn)為應(yīng)當(dāng)是儲存在結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的蛋白質(zhì)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(jié)構(gòu)很簡單，組原很簡單，可是結(jié)構(gòu)不簡單，組原雖然很簡單。1953年證明了它是遺傳物質(zhì)，遺傳物質(zhì)當(dāng)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(fù)雜的東西。好像建筑，古代的建筑只是磚頭和木頭，但是構(gòu)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(gòu)成的結(jié)構(gòu)里頭。這個觀點(diǎn)最早是一個物理學(xué)家提出來的，這個物理學(xué)家叫做薛定諤，他是量子力學(xué)的始創(chuàng)者之一，是奧地利人，當(dāng)時(shí)歐洲大陸打第二次世界大戰(zhàn)的時(shí)候逃到英國去，在英國教書，打的天昏地暗的時(shí)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(yuǎn)見的，到現(xiàn)在看起來大部分得到證實(shí)的觀點(diǎn)。第一，遺傳物質(zhì)是一個有機(jī)分子，第二，染色體里頭的基因，它的活動決定遺產(chǎn)。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(shè)，但是他深信不疑，基因應(yīng)該是一個晶體。這本書我念大學(xué)的時(shí)候聽說了，第一次看這本書的時(shí)候上大學(xué)四年級，根本看不懂，我看原文看不懂，后來我工作的時(shí)候第二次看，還是看不懂，我看了三四遍沒看懂。后來當(dāng)我學(xué)了一點(diǎn)生物的時(shí)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(xué)金的三位科學(xué)家在進(jìn)入這行之前都看過這本書。這是一個理論物理學(xué)家，可是他對生物的見解非常深刻，而且影響了生命科學(xué)的發(fā)展。
　　1951年，美國人沃森到劍橋當(dāng)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(zhì)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(diǎn)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(xué)上的理解比她的老板、比她的組長要深得多，可是因?yàn)樗�是一個女的，當(dāng)時(shí)受到歧視，而且受到排擠，所以一直不承認(rèn)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(shí)這個成果這個女士已經(jīng)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(xué)金的時(shí)候，大家都認(rèn)為這5個人不應(yīng)當(dāng)?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?yàn)橛辛搜苌鋱D，這個衍射圖是這位女士做的，異常清晰，而且因?yàn)橛辛缩U林的關(guān)于螺旋的分析經(jīng)驗(yàn)，所以當(dāng)這個圖到了沃森手上以后，他很快得到一個結(jié)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(gòu)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(gòu)成這個梯子，可以把它構(gòu)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(xué)的革命性的進(jìn)展。
　　沃森、克里克和威爾金斯一起得到了1962年的生物學(xué)和物理學(xué)諾貝爾獎，這位女士不公正的被遺忘掉了。