絕處逢生
兩條美麗的旋轉鏈跳起了輕盈的舞蹈，慢慢地，生命誕生了。
埃爾文 • 查戈夫的難題
DNA才是遺傳信息的載體。人類的認識看上去是進步了，而實際上，是圍著一個圓環繞了一圈又回到了出發點，而這個圓環則是在呈螺旋狀地一點點地往上升。那么，這裏就是艾弗裏那具有劃時代意義的發現。正如字面意思所言，他就是人類曆史上第一個踏上通往未知世界的“螺旋狀”階梯的人。
“老鼠”，最先這么稱呼艾弗裏的，是和洛克菲勒醫學研究所一樣位於曼哈頓的哥倫比亞大學生物化學研究室的研究員埃爾文•查戈夫。“那是一個在研究所昏暗的走廊下走來走去的年邁的老鼠一樣的身影。”科學家們就是追逐著這樣一個身影，從事著他們的科學研究，分析著DNA。每個人都在心裏暗暗發誓：“我一定要解開DNA的密碼!” 當然了，埃爾文•查戈夫也是其中之一。正因為如此，即使他們的夢想破滅了，他們也依然親切地稱呼艾弗裏為老鼠。事實上，在當時，沒有人比查戈夫更加接近獎杯了。
那個時候，他曾經寫下這么一段話：
不管動物、植物還是微生物，不管它們是起源於怎樣的DNA ，或者是DNA 的一部分，只要對其構成加以分析，我們就可以發現，4種堿基中，A與T、C與G，它們兩兩的含量是相等的。
那么，這一奇妙的數據究竟暗示著什么呢?讓我們一起跟查戈夫做一次同樣的分析吧。(就讓我們做一次天空中飛翔的鳥兒的眼睛，來俯瞰一下DNA吧!)
如前所述，承載著thisisapen這種氨基酸排列情報的DNA由以下30個字母構成：
ACA CAC ATA AGC ATA AGC GCG CCG GAG AAC
t h i s i s a p e n
如果往DNA中加入強酸來煮，那么這些字母與字母之間的連接就會斷開，DNA就會成為散落的單一的字母，然後，我們把這些字母A、T、C、G都拾起來數一數。結果發現：A=12，T=2，C=9，G=7。
A與T的數目差得很大，C與G的也不同。這與查戈夫的分析結果一點兒也不一致。當然了，這並不是說查戈夫錯了，而是說，我們的思考方式出現了問題。
順便說一下，在生命科學中，我們通常采用的是觀測數據優先於理論的原則。但是，這么做的前提是：我們的觀測過程沒有錯誤。
科學家總是會固執地堅持自己的觀點。如果出現了實驗結果與他們所預想的不一致的情況，他們會先回過頭來檢查，看是不是觀測方法出了問題。他們不會覺得是自己的思考出了問題。於是，他們就不停地進行觀測或實驗，以期望有和自己預想一致的結果出現。
但是，那種固執的想法通常都只不過是幻想而已，所以，經常會得出不一致的結果。於是，科學家們就越來越固執，他們越來越漫無目的地重複著實驗，就好像去撿落在空隙裏的小球一樣，空隙越掀越大，而小球則越掉越深。我們通常所說的研究需要耗費人類大量的時間，在某種意義上，指的就是這個。
當假設與實驗數據之間出現不一致的情況時，是要考慮一下，假設是正確的，實驗是不正確的，所以沒能出現一致的數據;還是要考慮，假設本身就是不正確的，所以得不出正確的數據。這對於研究者來說是一個很大的挑戰。無論從哪方面來看，實驗都進展得不那么順利。於是，這就要看研究者是不是具有自我懷疑的精神了。
成對結構
那么,讓我們重新回到查戈夫的難題上來吧。本來，查戈夫關於DNA的結構並沒有作出什么明確的說明。他只不過是想通過縝密的實驗,來證明A的數量=T的數量，C的數量=G的數量。而假設就是從這裏開始的。那么，他最終證明了什么呢?
一般來說，如果在寫作文的時候，對所使用的文字的數量或者是種類等加以限制，我們就會面臨很大的挑戰。詞語拆組(把文字順序打亂，組成另外一個詞)，和歌 (限制文字的使用次數)，回文(無論從上讀還是從下讀，都是同一篇文章)等，都是這樣。如果做了A=T和C=G這樣的文字字數限制，那么，信息的表現方法也就被限制住了。另外，如果說，我們剛剛看到的與氨基酸對應的核酸鹽基排列是單純的字母排列的話，
那么，我們就無法對這裏出現的4種字母的使用頻率加以限制了。
那么，這是一些怎樣的字母排列呢?在當時，沒有一個人知道。即使是查戈夫也不知道，雖然是他最先注意到了這些文字是按一定規律進行排列的。最初解開這個難題的，是沃森和克裏克。至於他倆是怎么研究出來答案的，我們以後會作專門的說明。在這裏，我們先給出答案。
DNA不是單純的文字排列，而是以成對的結構存在的。
這裏所說的成對結構，是指A與T對應，C與G對應。也就是說，之前我們所提到的30種文字的排列，不是作為單純的一條鏈來存在的，而是以下面這種形式成對存在的：
上行：有義鏈下行：反義鏈
通常情況下，DNA的鏈就是以這樣的兩條鏈的形式存在的。正因為如此，查戈夫的理論才得以成立。如果把這對結構以字母的形式表現出來，那么，上邊的鏈裏就是剛剛我們所提到的：A=12，T=2，C=9，G=7;而下邊的則是：A=2，T=12，C=7，G=9。然後將這兩組數據對應相加，就能得到以下結果：A=14，T=14，C=16，G=16，也就是說，A=T，C=G。這樣，查戈夫法則就得到了很好的體現。
隨後，沃森就開始若無其事地發表他的言論，他說，這是個一般人就能明白的道理，至於原因就在於，自然界所有的東西都是成對出現的。如此重大的發現就擺在眼前，卻被自己就這么錯過了，這讓有著強烈自尊心的查戈夫懊惱不已。
生命的自我複制系統
為了能更好地幫助讀者理解，我們再來作點兒說明。我們這裏所說的A和T互相對應，是指它們之間在結構上形成了化學上的凹凸關系。C和G之間則是另外一種不同的凹凸關系。這種特異性，使這兩條DNA鏈成對。我們可以通過以下的方式來理解：
另外，DNA這兩條鏈在成對出現的同時，還是螺旋狀的：
但是，現在比起這個螺旋狀結構來，DNA成對稱結構出現這一事實顯得更為重要。這在生物學上有著怎樣的意義呢?它對於穩定4 信息起著至關重要的作用。
說到DNA的這種對稱結構，如果有其中一組字母排列確定，那么另外一組的也就確定了。也就是說，這兩條DNA鏈當中，無論是哪一條，即使有一部分缺失，也可以通過參照另一條來進行修複。
DNA 在受到紫外線或氧化作用的影響的情況下，字母排列會受到破壞。即使ATAA這裏如果缺失了部分文字，而與它相對應的TATT結構則依然保存完好的話，那么，所缺失的字母是可以得到自動恢複的。事實上，DNA一直都是在日常生活中受到破壞，然後又在日常生活中得到修複。正因為這樣，生命中的DNA才可能一直保持成對的狀態。其中的一條鏈，比如thisisapen中直接含有基因信息的那條鏈，即有義鏈，那么是這條鏈的替身(或者說是影子)的那條鏈，就是我們所說的反義鏈。
沃森和克裏克在他們那篇有著裏程碑意義的論文《解開埃爾文•查戈夫法則的論文》的最後寫了這樣一段話：“我們並不是沒有注意到這一對稱結構能直接進行自我複制。”
DNA 有著可以相互進行複制的對稱結構。這種相補性，不僅僅是指一條鏈對另外一條鏈的其中一部分進行修複，而是說，它自身還能夠進行全體複制。如果我們把這個螺旋結構解開，那么就分成了有義鏈和反義鏈。如果我們對它們進行重新構造，使它們形成新的DNA鏈，即出現了有義鏈和以此為基礎的反義鏈，以及原來的反義鏈和以此為基礎的有義鏈，將它們進行合成，於是就出現了兩對DNA雙螺旋結構。只要存在其中的一條鏈，那么根據它的字母排列，就能出現與之相對應的另外一條鏈，而這條鏈的字母排列是天然生成的。
這就是生命的“自我複制”系統。一個細胞能進行分裂，那么，如果在它所分裂出來的兩個子細胞上將DNA在每組上進行排列的話，生命就可以進行繁衍了。而這是從地球上有生命的38億年起，就一直在重複的事情了。
在這裏，出現了這樣一個定義：所謂的生命，就是能夠進行自我複制的系統。而要使生命進行自我複制，就需要以DNA的美麗的雙螺旋結構為載體。DNA的結構體現了它的機能。
DNA是怎樣進行複制的
事實上，引起細胞內部DNA進行複制的，是非常複雜的連鎖反應系統，是靠幾十種酶和機能蛋白質來完成的。通常情況下，在生物化學的教科書裏，僅僅關於DNA的複制結構就會有很長的一段說明。
首先，需要把DNA的兩條鏈解開。另外，還需要把解開這個螺旋狀結構時產生的扭解開。在DNA鏈被解開的地方，集結著大量的酶群，構成核酸的材料核苷酸被動員起來，開始重新合成一條新的DNA鏈。這個時候，細胞那狹小的核的內部開始產生若幹空間上的問題，於是，就需要解決這個問題，從而使DNA順利地進行自我複制。
在這裏，我們不做詳細說明。人類當然也不可能對此進行人工模仿。另一方面，科學家們也不可能將很小很小的一個片段當成研究對象，使其複制到足夠多的量，也不可能對其進行生物化學上的分析。我們經常在電視上看到“這是DNA的鑒定結果”之類的字樣，所謂的結果，看上去就像條形碼一樣。為了看到這個DNA鑒定結果，我們需要複制10億以上的DNA分子。
DNA在複制的時候，只能依靠細胞的力量。通常情況下，科學家通過使用特別的大腸菌，在其內部增加DNA的量。
即使離揭開DNA雙螺旋結構的秘密只有一步之遙，但查戈夫最終也沒能夠將其揭開。完成這一工程的是踩著他的肩膀爬上去的兩個年輕人。
自從1953年沃森和克裏克的研究成果發表之後，人類關於DNA複制結構研究的發展可謂是突飛猛進。之前我們所提到的各種難題也迎刃而解。其中最關鍵的問題也基本得到了解決。但是與此同時，也有很多科學家在為自己感到惋惜，他們在想，這么簡單的問題，為什么他們沒有發現。而這與DNA結構的秘密一樣，在很長一段時間內，都沒有人破解過。人們得到來自上帝的啟發，也只不過是最近才發生的事情。
一個相貌平平的矩形儀器被大家奉為珍寶
那是1988年的事情。那一年，我開始了在美國的研究生活。那個時候，從春天到夏天，無論是在研究所裏，還是在學會裏，我所碰到的研究者都像是發燒說胡話一樣，他們的嘴裏都在不停地重複著三個字母：PCR--PolymeraseChainReaction(聚合酶鏈式反應)的首字母。
我所在的位於曼哈頓東河沿岸的研究所，也從一家生物科技研究公司Perkin-ElmerCetusCorporation買了一台全新的聚合酶鏈式反應機。乍一看上去，這台機器並沒有什么很特別的地方，就是一個跟微波爐差不多的矩形裝置。但是，大家卻都把它奉為珍寶，並將其擺放在研究所裏最好的位置上。
作為我們那個年代的分子生物學者，我們受到了這一劃時代意義的或者說是有著革命性意義的新技術的洗禮。這種研究方法的確給我們提供了很大的方便，但是其使用起來的實際效果卻遠不如人們所吹捧的那樣好。可以說，我們是在受到外界宣傳的誘惑下開始使用這台機器的。我按照這台聚合酶鏈式反應機的說明書，往那小小的塑料藥管裏添加了實驗所需要的藥品，然後將其與聚合酶鏈式反應機並排放在一起，按下開關，機器發出很鈍的聲響，開始了運轉。雖然事情已經過去20年了，但是當時的實驗情況至今還曆曆在目。在紫外線的照射下，DNA暗碼變成了藍色，很清晰地浮現在我們面前。在那兒我用了一年多的時間研究DNA，那就是 PCR機器在瞬間為我們帶來的東西。
這是一種可以將任意的遺傳基因放在試管裏進行隨意複制的技術。我們在複制DNA的時候，再也不需要借助大腸菌了。這在分子生物學上，真的是一場很大的革命。事實上，PCR的原理是非常簡單的。
首先，將我們准備複制的DNA放入到前面提到的塑料藥管內，然後在很短的時間內將其加熱到100℃左右。這個時候，將A與T、C與G連在一起的結合部就斷開了，DNA也就分成了有義鏈和反義鏈(如果僅僅對DNA鏈進行加熱的話，它是不會斷開的)。然後將藥管迅速冷卻到50℃以下。隨後再將其緩緩地加熱到 72℃。
往藥管中裝入一種被稱作多聚酶的酶和引物(一條很短的合成4 DNA鏈)，另外，要提前往裏面加入足量的A、T、C、G這4種核苷酸。多聚酶附著在有義鏈的一端，借助引物構成有義鏈，將對應的DNA鏈用4個字母連綴起來。反義鏈的形成也是同樣的道理。也就是說，可以通過多聚酶來合成新的DNA鏈。
合成反應差不多在1分鍾左右就可以完成。合成反應結束之後，DNA的數量就會翻倍。這個時候，再對藥管進行加熱，使其溫度達到100℃。於是，DNA就又分成了有義鏈和反義鏈。當藥管的溫度降下來之後，又可以通過多聚酶進行合成反應。這個時候，DNA的數量就變成了最初的4倍了。就這樣，一直重複。每做一次實驗，都用不了幾分鍾。最初的DNA數量在10多次實驗之後，變成了210個，即1024倍。20次之後，就是100多萬倍。30次之後，就是10億倍了。而要使DNA達到這個數目，我們所用的時間還不到 2個小時。
PCR機只不過是一種將藥管溫度提高後再降下來的機器。但是，在這一過程中，藥管裏的DNA發生了連鎖反應，數量在不停地翻倍。
為了使酶在藥管加熱到100℃的時候仍然不失去其原有的活性，我們這裏使用的多聚酶是從海底火山附近的土壤中采取的一種特殊細菌中提取出來的。即使在 100℃的高溫下，它也不會發生變性，反應的最佳溫度是72℃。這種酶對於PCR機的普及作出了非常大的貢獻。PCR的優點並不在於對DNA進行單純的複制，它還能從混合DNA中提取我們所需要的那部分DNA，並對其進行複制。
從DNA的大森林裏尋找特定的目標
人體的基因組由30億個字母組成。我們可以來想象一下，如果每頁書印刷1000字，每本書有1000頁的話，總共需要印刷3000本書，這項工程簡直是太浩大了。在遺傳基因研究中，我們需要從其中找出特定的部分來進行研究。但是，僅僅把它們找出來，還是遠遠不夠的。我們還必須對找出來的這部分進行複制。PCR機就是巧妙地利用有義鏈和反義鏈的作用，同時實現了尋找和複制DNA的一種高科技。
在這裏，關鍵是引物。引物其實就是一條非常短的，由10-20個字母組成的DNA鏈。如果是這么長的話，我們可以對其隨意進行人工合成配對。
那么現在，就讓我們從人體基因組裏找出由1000個字母組成的特定的遺傳基因，並且對其進行複制吧。在這裏，我們實驗用的量，就好比我們在犯罪現場所能收集到的嫌疑人的頭發，是非常少的。但是，這又絕不允許失敗。這1000個字母的排列裏，有著確定個人信息的“指紋”排列，如果能將其破解，我們就掌握了“犯罪嫌疑人實施犯罪”的重要證據。
我們先來看這1000個字母組成的DNA排列的左邊，確切來說，是左邊外側。在這裏，是沒有個人差異的，大家的排列都一樣。基因工程已經使字母排列非常明朗化了。引物1是由10個字母組成的。將DNA樣品加熱到100℃，於是其就被分解為有義鏈和反義鏈了，然後往裏面添加引物1。引物1的量要遠遠多於DNA的量。溫度降到50℃後，這些引物1就在基因這個大森林裏面分散開來，開始分別進行配對。如果配對成功的話，引物1就穩定下來了。
在這裏，引物1是關鍵，它與反義鏈互補。聚合酶就是在這裏開始了DNA的合成反應。而引物也就如其字面意思一樣開始促進多聚酶反應了。多聚酶往引物上補充進新的字母，而這些字母就決定著與引物相對應的反義鏈字母的形態。
DNA 這個大森林是非常茂密的，類似的配對分布於其各個場所，所以引物1可以在其各個地方進行結合。同時，也可能會出現無法配對的現象。因此，由多聚酶引起的合成反應發生在若幹地方。但是，這裏有一點尤其重要：引物1必定要在反義鏈上那1000個字母部分左端進行一次配對。
事實上，我們還准備了另外一條鏈，那就是引物2。引物2也是由10個字母組成的，與有義鏈互補。在這裏有一點要注意，那就是引物2的位置與之前的引物1的位置是不同的，它位於要與有義鏈配對的那一側。與有義鏈結合的引物2也是在多聚酶的作用下發生反應，生成新的DNA鏈。但是，因為引物2是與有義鏈進行結合的，而引物1是與反義鏈進行結合的，所以這兩個方向是相反的。也就是說，由引物1開始的合成反應和由引物2開始的合成反應，分別合成了不同的鏈。這樣，就會出現兩條新的DNA鏈。
兩條鏈有義鏈反義鏈引物1PCR的原理在第一次的多聚酶鏈式反應中，引物1和引物2都是向遠方延伸的，而在之後的反應中，只有嵌在引物1和引物2中的部分DNA的數量在增加。
另外，這一循環實驗在理論上是可以無限循環的。每循環一次，DNA鏈數目就翻倍一次，而引物1與引物2也只有在這裏才能共同工作，也只有在這裏才能發生這種連鎖反應，並且使DNA鏈翻倍。那么這種翻倍的結果就是，我們可以在短短幾個小時內，就把從一根頭發中提取出來的少量的DNA樣品中特定的1000個字母的排列數目不停地翻倍至10億以上。當然，這需要在PCR反應機那小小的藥管裏進行。這真的是一個非常完美的方案!
我們現在已經無從知曉當初是誰發明了這種具有革命性意義的PCR機。事實上，關於這個機器，我們僅僅知道它是由Perkin-ElmerCetusCorporation的研究隊伍開發出來的。人們都對這項從西海岸傳出的先進的科技成果贊歎不已，大家都議論說：“這主意似乎是那個怪人在約會過程中突然想出來的!”另外，據說這個天才還是個沖浪者呢。
