DNA

劉夕慶

當(dāng)發(fā)現(xiàn)生命的秘密竟可以以如此簡(jiǎn)潔優(yōu)美的形式—DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)展現(xiàn)于世時(shí)，我們不禁為沃森和克里克于1953年在英國(guó)《自然》雜志上發(fā)表的分子生物學(xué)開(kāi)山之作發(fā)出贊嘆。自此以后，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)就成了自然生命的圖騰—現(xiàn)在，就讓我們回顧一下人類究竟是如何從各種視角對(duì)其進(jìn)行描繪，以展現(xiàn)對(duì)生命敬畏的吧！

DNA原初“畫像”的誕生

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)者的雙螺旋圖畫，記錄了DNA“雙螺旋”形象的誕生過(guò)程——下頁(yè)右上圖自左至右：克里克繪制的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)草圖;克里克的夫人奧迪爾和沃森的妹妹伊麗莎白為沃森和克里克發(fā)表的文章所畫的插圖;沃森所著的《雙螺旋——發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)的故事》一書中的DNA“復(fù)制機(jī)制”圖。

在這幾張圖畫中，克里克繪制的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)草圖藝術(shù)感最強(qiáng)——雙螺旋的結(jié)構(gòu)已大體顯露，這體現(xiàn)了在科學(xué)原創(chuàng)的初始階段藝術(shù)想象力的重要作用;《自然》刊物上那幅簡(jiǎn)潔的插圖將DNA“雙螺旋”形象公布于世，雖然以示意圖的形式出現(xiàn)，但雙螺旋本身所具有的扭曲動(dòng)感彌補(bǔ)了圖畫藝術(shù)感的不足;沃森所著的《雙螺旋——發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)的故事》一書中描繪的DNA“分叉圖”揭示了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的“復(fù)制機(jī)制”，從而揭示了有機(jī)生命生長(zhǎng)和遺傳的本質(zhì)。

十分喜愛(ài)繪畫藝術(shù)的沃森曾與繪畫大師達(dá)利會(huì)過(guò)面，達(dá)利對(duì)DNA及其結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)者們十分敬重甚至頂禮膜拜，曾多次創(chuàng)作有關(guān)DNA的畫作（本刊2016年第12期《當(dāng)繪畫滲入生命元素》就展示過(guò)其中一幅）。在本期期刊中，達(dá)利則向我們描繪了由DNA可衍生出彩蝶等生物，甚至可演化出不可預(yù)知物種的畫面。

DNA生動(dòng)有趣的漫畫形象

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)不光是以嚴(yán)肅的分子生物學(xué)中生命圖騰的形式呈現(xiàn)，它那象征生命存活與靈動(dòng)優(yōu)美的結(jié)構(gòu)更使其成為漫畫描繪的對(duì)象，這在一定程度上實(shí)現(xiàn)了分子生物學(xué)的可視化科普。

《進(jìn)化的天梯》描繪了早期猿類與人類共同的祖先隨著進(jìn)化路徑的分叉攀上了不同的“基因天梯”，從而出現(xiàn)了類人猿與人類。人和黑猩猩的染色體在大小和數(shù)目上相似，但有一個(gè)顯著區(qū)別：人的2號(hào)染色體由黑猩猩的兩條染色體融合而成——染色體是存在于細(xì)胞核內(nèi)、攜帶DNA遺傳信息的圓柱狀或桿狀物質(zhì)，主要由蛋白質(zhì)和核酸組成，一個(gè)人體細(xì)胞含有46條染色體。

薛定諤在《生命是什么》一書中揭示了生命的本質(zhì)有賴于物理、化學(xué)組織的道理;捷克漫畫家米洛斯拉夫·巴爾塔克的漫畫反映了DNA有機(jī)大分子旋立于燒瓶中原子、分子的基礎(chǔ)之上，而用于醫(yī)療的藥物又依賴于此。

DNA“沉默突變”并不沉默

DNA是導(dǎo)致生命遺傳和變異的關(guān)鍵所在，在生物進(jìn)化中的作用舉足輕重。如果DNA突變不會(huì)改變一個(gè)基因編碼的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，就稱為“沉默突變”。但事實(shí)遠(yuǎn)比科學(xué)家想象的復(fù)雜，他們意外發(fā)現(xiàn)，“沉默突變”會(huì)對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非常重要的影響，它可能會(huì)通過(guò)一系列復(fù)雜的機(jī)制影響人體健康，甚至可能是導(dǎo)致人類疾病的重要因素;同時(shí)，傳統(tǒng)的由DNA突變引發(fā)的一系列因果關(guān)系還可能因此而改變。因此，“沉默突變”并不沉默。所以，我們只有深入探究基因的工作原理和進(jìn)化機(jī)制才能發(fā)現(xiàn)疾病的成因，從而找到對(duì)抗病魔的方法。

從日本《基因到細(xì)胞》雜志封面（右）圖中被放大的部分可以看到，“雨絲”是由A、T、G、C4個(gè)字母連接而成。而它們分別是DNA分子的含氮堿基：腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鳥(niǎo)嘌呤（G）、胞嘧啶（C），DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)就是由它們互補(bǔ)配對(duì)形成的。而這一結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)使得沃森、克里克等人獲得了1962年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

有時(shí)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一些本該沒(méi)有生命生長(zhǎng)的地方（如石頭縫）卻長(zhǎng)出了植物，而這要?dú)w功于風(fēng)雨、昆蟲(chóng)、鳥(niǎo)類等，它們是種子傳播的有效媒介。日本《基因到細(xì)胞》雜志封面（左）圖描繪了一只鷹在鳥(niǎo)瞰大地，尋找合適筑巢地點(diǎn)的畫面，其實(shí)它是為了基因能代代相傳。由圖中放大部分可以看出它所銜的“草枝”實(shí)際上是一根“基因枝”——既用于筑巢，以保證下一代的安全成長(zhǎng)，又象征鷹的基因能順利延續(xù)。

DNA的電腦美術(shù)形象

攝影藝術(shù)在占據(jù)了西方古典繪畫一部分空間后，促進(jìn)了一系列畫派的相繼崛起（如印象派）。如今，電腦美術(shù)又會(huì)對(duì)空間藝術(shù)（美術(shù)）的發(fā)展產(chǎn)生怎樣的影響呢？DNA的電腦美術(shù)形象圖描繪了“超人”般的地球人與“外星人”似乎都源自DNA物質(zhì)結(jié)構(gòu)這一基礎(chǔ)，就像組成我們地球的基本單位夸克、原子與組成外太空星球的夸克、原子是相同的一樣，可能只是“搭配”不同而已。

電腦美術(shù)有著無(wú)限的發(fā)展?jié)摿Γ强萍寂c藝術(shù)完美結(jié)合的典型，效率和精致程度遠(yuǎn)超手繪藝術(shù)，創(chuàng)意是其作品的核心。這兩幅關(guān)于宇宙間生命物質(zhì)基礎(chǔ)（基因）的電腦繪畫雖然在創(chuàng)意方面還不夠完美，但作品立意十分鮮明。

世界頂級(jí)科學(xué)期刊《自然》雜志的封面上，曾出現(xiàn)了一幅有史以來(lái)最小版本的達(dá)·芬奇名畫《蒙娜麗莎》，它的作者是加州理工學(xué)院的錢璐璐教授課題組。這幅作品是科學(xué)家們通過(guò)DNA折紙技術(shù)創(chuàng)造的。

DNA折紙技術(shù)最基本的原理是堿基互補(bǔ)配對(duì)原則——腺嘌呤（A）配胸腺嘧啶（T），鳥(niǎo)嘌呤（G）配胞嘧啶（C）。聰明的科學(xué)家會(huì)在環(huán)境中提供一條長(zhǎng)長(zhǎng)的單鏈DNA，并輔以多條能和該單鏈長(zhǎng)DNA不同區(qū)域形成互補(bǔ)的單鏈短DNA。通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)的精確匹配后，最初的單鏈長(zhǎng)DNA的各個(gè)互補(bǔ)區(qū)域會(huì)各自折疊，讓整個(gè)分子自組裝成想要的結(jié)構(gòu)。這里需要復(fù)雜的化學(xué)知識(shí)和計(jì)算機(jī)的輔助。