第四章 内核系统

“在事实尚未弄清之前就下论断实为大错特错。”

本章也许是这本书中技术性最强的一章（尽管实际上并非如此糟糕）。有些读者可能会采取浮光掠影式的略读方法，只将本章提出的论点的主要部分囫囵吞枣式地读过就算（或者只读这一页，其余均略过不读）。本章提出的论点是：地球上所有生命的活动方式在分子这一级均被看作是一种极其复杂的高级方式。现存的有机物显然均属于“高技术”部件，而且似乎也必须如此。

回到信息带

载有遗传信息的磁带是何种材料做成？或者说，这种遗传材料是什么？ 这种遗传材料叫做脱氧核糖核酸。实际上，与其说一个脱氧核糖核酸像

一个印有符号的磁带，倒不如说它更像一条长链子。一条脱氧核糖核酸链子中有四种链节，每一种链节都是一个构造相当复杂的物体。这个物体含有 30 个以上不同元素的原子，如碳、氢、氧、氮、磷等。这些原子以一种特定方式连接在一起。这种链节就叫做核苷酸。（核苷酸结构详细说明可参见附录 一。）

这四种脱氧核糖核酸链节均形似用锯锯成的拼板，如图所示：

从图中我们可以看到，这四种拼板都有相同的连接块。因此，在将它们组合成一条链子时，标有字母的部分的排列次序大体上没有严格的限制。这对于组合载有信息的脱氧核糖核酸链来说显然是一种比较合适的安排。

核苷酸链节不会自动相互连接起来，即使在热骚动的作用下也不例外。因此，要使它们相互连接起来就必须想法使之具有易感性，或者说，给它们“上紧发条”，从而使它们本身的能量增加。此外，这种链节的结构还需做些改进，使之像一个捕鼠器。这样，这些链节就能相互扣住，组合成链子。为了使这些核苷酸链节具有易感性，每个链节都被另外附上一个链节，而当链子组合而成时，这些附上去的链节则自行脱开。（有关这方面的详细说明可参见附录二。）

有了四种具有易感性的链节，下一个问题就是如何选择连接的次序。我们知道信息带上还需有一道复制工序，因此我们把下面要讨论的问题变成这样一个问题：即一些正在形成的链子的链节排列次序是怎样被另一些已经组合而成的链子的次序所决定的？

我还记得，在 50 年代初期当人们发现脱氧核糖核酸的链子是双重的，并且其中一条链子的链节排列次序显然被另一条链子中的链节次序所决定时， 人们是何等的激动。这一发现就好比在印制这些很长的分子的过程中，这些分子本身好像也被逮着了一样。换句话说，这就好比发现一整套照片，而这些照片都和底片钉在一起。这样一来，有关繁衍的诀窍似乎已初露端倪。

如果将脱氧核糖核酸链子制成一个相互交叉在一起的模型，其结构就如下图所示：

通过模型图，你可发现，在一个脱氧核糖核酸分子中，一条链子上的字

母排列次序与另一条上的字母次序互补。在两条链子中，每一条链子上的字母 A 无论在什么位置总是和另一条上的字母 T 相对应。同样，一条链子上的字母 G 也总是恰好和另一条上的字母 C 对应。再仔细看看模型图，还可发现一个大的字母须和一个小的字母配成一对；同时，一个形状像“插头”的字母则须和一个形状像“插座”的字母配在一起。（真正的脱氧核糖核酸分子并非如模型所示那样是平的，而是被绞成一股双重的螺旋线，就像早些年间人们连结电灯所用的那种花线一样。）

现在请想象一下双重脱氧核糖核酸信息复制的情形。我们假设这根拧在一起的双股绳开始从一头分开或从中间某个地方松开。无论是哪种情况，此时已裸露的单股链子开始吸引那些能够与之互补的具有易感性的核音酸单位。这些核苷酸单位与每根单股链子连接起来，变成一条新的双股链。在这一过程中，原来的那根双股链就被一对同样的双股链所取代。（实际情形当然要复杂得多，不过这种描述可以使你得到一个大概的印象。）

裸露的单股链在选择那些能够与之相配的新的核苷酸单位时靠的是一种力。这种力就是我们在前一章已简单讨论过的那种次级力或辅助力。用核苷酸单位的相同的连接块将这些核苷酸连起来而形成的共价键是一次形成的。然而存在于那些字母部件之间的力量，即把那些形似“插头”的字母部件与形似“插座”的字母部件配在一起的那种配对力却要小得多。这种力主要起试探作用。核苷酸单位来来去去经过很多次才可能有两个相互适合的字母部件偶然碰到一起，组成一对。在我们的生物化学系统中，这两种力的典型作用就是：起尝试、探索和辅助作用的力造成一种形势，该形势导致一个共价键的形成或破裂。木工生产木器产品首先是选择木料，然后细心地将各种合适的料按一定方式排列起来，最后把它们钉成或粘合成木器产品。

信息指的是什么？

从近似意义上说，大肠杆菌中的信息指的是蛋白质，即 2000 或 3000 个不同种类的蛋白分子。这些蛋白分子每一个都是一台或多或少具有特定功能的机器。大肠杆菌中大部分信息的用途是对这种分子机械做直接详细的说明。一个蛋白分子就含有一种信息，但只是一种翻译过来的信息。这种信息是从有机物的“图书馆”的某本书中某个章节翻译过来的。

蛋白质信息所用的语言比脱氧核糖核酸信息所用的语言更有趣味，这主要表现在两个方面。首先，蛋白质信息语言所用的字母不是四个，而是 20 个。其次，蛋白质信息语言所用的字母不像脱氧核糖核酸信息语言中那四个字母一样彼此看起来都差不多，而是差别很大。这 20 个字母中，有的大，有的小；有的长，有的粗；有的松软，有的坚硬；有的具有粘性，有的却非常光滑；有的带负电，有的则带正电⋯⋯等等。

这些蛋白质单位叫做氨基酸。氨基酸比核苷酸小，最小的只含有 10 个

原子，最大的也只含有 27 个原子。（氨基酸的构造已在附录一中举例说明。） 就像核苷酸一样，每个氨基酸单位的一部分都是彼此相同的连接段。通过这些连接段，这 20 个大大小小的字母可按特定的顺序组合在一起。此外，这些氨基酸单位也像核苷酸一样需具有易感性后才能相互连接。一个典型的蛋白分子由 100 个到 1000 个不等的一串氨基酸组成。

你也许会认为一个蛋白分子就像一个开口的大手镯，或者像一条晾衣

绳，上面挂着 20 种计数百余件的物品。像这样一条晾衣绳会传达什么信息呢？

通常，它所传达的信息是：“照这样折叠”。氨基酸单位比核昔酸单位小，一串氨基酸也比一串脱氧核糖核酸要显得紧凑。此外，氨基酸的字母段种类繁多，彼此间差别很大。由于氨基酸的这些特点，因此，一串氨基酸可以折叠成既复杂而又特别有趣的形状。由于氨基酸的连接段本身具有粘性， 因此，叠在一起的氨基酸彼此间的结合就显得紧密。然而，叠成何种形状则由字母段的排列所决定。所有奇形怪状的字母段在辅助力的作用下各自与适合自己的字母段配对成双。那些对水具有强烈吸引力的字母段，特别是那些带电荷的字母段则努力使自己露在外层。如何折叠才能使辅助力尽可能发挥作用，从而将所有氨基酸整齐地装配在一起，同时又给热骚动留出一点活动的余地，这是一个非常复杂的计算问题。我们现有的计算机尚无法进行这种计算。但蠕动着的信息带却很快就找到了答案。当一个信息从中央“图书馆” 中翻译过来，即从脱氧核糖核酸语言译成蛋白质语言时，这个信息就立即转变成为一件能工作的机械部件。最后，这个信息的内容终于以你所能想象的最直接的方式表达出来，它变成了一个东西。

一个蛋白质信息通常成为一个酶，即数千台一起制造分子从而使整个企业运转起来的机床中的一台。例如，酶为脱氧核糖核酸制造核苷酸单位。同样，它也制造氨基酸。像核苷酸和氨基酸这样的分子需要经过 10 道、20 道乃至 30 道工序才能形成。这一制作过程需要与工序数目同样多的酶，每个酶都为完成一道工序，即共价键的一次重新安排而特别设计。除核苷酸与氨基酸外还有其它许多种制造出来的分子。在细胞膜的组成成分中有一种肥大的分子，叫类脂化合物。在大肠杆菌中，这种类脂化合物成为其所有的两层皮肤中的里层。除此以外，细胞膜还含有很多蛋白分子，这些蛋白分子将类脂分子组织起来并在细胞膜上有选择地开辟了一些渠道或毛细孔。细胞膜中还有一些蛋白质机器。这些机器就是一台台小泵，它们有选择地将物质吸进和排出。

在大肠杆菌细胞膜中的这些泵中有一种氢离子泵。氢离子泵就像一个电池充电器，它使细胞内层和外层之间形成一个电压。电压的释放驱动其它泵工作。同时它还驱动涡轮机使螺旋浆转动，这样，大肠杆菌才能四处游动。蛋白质的确是生命物质。细胞的组成成分即使不是由蛋白质组成至少也

是由蛋白质制造出来，即使像脱氧核糖核酸信息带，其成分也是在蛋白质酶的协助下制造出来并连接在一起的。

无意识翻译

有机物的中央“图书馆”中的朴素的脱氧核糖核酸语言是怎样转化为蛋白质语言，即动作语言的呢？

怎样才能将一个用只有四种字母的语言表达的信息用一种有 20 种字母的语言翻译过来？这个语言规范问题有几种可能的解决方法。事实上有机物用的是最简单的一种。按照这种方法，脱氧核糖核酸语言的四种字母中每三个组成一个语言单位，即 AAA、 AAG 等等；这样，这四种字母立即可组成64 个可能的“词”，每个词均与蛋白质语言中一个字母（或者一个句号）相对应。然而，蛋白质语言中的字母却没有那么多。因此在通常情况下，与同

一个氨基酸相对应的脱氧核糖核酸有两个或两个以上各不相同的词。

紧接下来的问题不是规范问题而是一个实际问题，即这种翻译是怎样自动地、即无意识地进行的？

简单他说，这种无意识的翻译是由“图书馆”的选印本，一组接续器， 许多大个的酶以及一台巨大的机器完成的。

选印本指的是脱氧核糖核酸“图书馆”中一小部分的复制品。当脱氧核糖核酸分子的双股链信息带的一部分相互松开后，这些松开的部分就被复制成一些选印本。选印本本身就是一根核糖核酸单股链。核糖核酸是另一种核 酸，它的结构类似脱氧核糖核酸（见附录 1）。

接续器也由核糖核酸组成，但它们的直接功能却大不相同。接续器不是信息带，而是形似一些小型的机械设备。每一个接续器都是一根核糖核酸单股链。这根单股链由大约 80 个核糖核酸单位组成，并以一种特定的方式卷曲起来。卷曲的形状依字母段的排列次序而定，其中许多字母段相互配成对。结果，每一根单股链卷曲起来就形成一个相当奇特的三脚插头。插头的三个脚就是一组三个没有配成对的裸露的核糖核酸字母段。不同种类的接续器的形状类似，但其插头上的三个裸露的插脚却不一样；这些插脚可分别插进信息带上与之对应的插孔之中。

我在前面提到的那种大个的酶每一个均能从其周围选出一个合适的氨基酸和一种接续器并将它们连接在一起。例如，一个带 CCC 联插脚的接续器只能与甘氨酸结合。这是因为在核酸语言中与甘氨酸对应的词汇之一是 GGG， 而一个 CCC 接续器在合适的环境中可与这个词相结合。

前面提到的那种巨大的机器叫做核糖体。这种机器负责提供“合适的环境”。核糖体用核糖核酸和蛋白分子制造。大肠杆菌中的核糖体每一个均含有大约 27 万个原子（在一个大肠杆菌中这种核糖体约有三万个）。

实际制造蛋白质的就是这种核糖体，核糖体在时空中通过将核糖核酸信息带和适于装载的接续器组织起来并使它们相互作用而生成蛋白质。

核糖体制造蛋白质的工作方式是：它将自己附在一条信息带上并沿着这条信息带运行，边运行边将信息译成一条不断增长的蛋白链。当它译完最后一个信息时，蛋白链脱开，产品即告完成。

我们假设你要在信息带的某一位置对核糖体的活动方式进行检视，比方说在它刚好把第 50 个氨基酸连起来后对它进行检视。这时，你将发现，这条

由 50 个氨基酸形成的链子通过刚刚加上去的那一个氨基酸与核糖体连接在一起。一条蛋白链就是以这种方式不断增长，就像一片草叶从根部生长一样。再仔细检视，你将发现，整条链子是附在一个装载着第 50 个氨基酸的接续器上，而接续器的另一头则插在信息带上一个相对应的插孔之中，而接续器与信息带却又卡在核糖体之中。信息带上的下一个同此时也在核糖体中。核糖体与卡在其中的这段信息带一起造出一个空着的三脚插座。假定这后一节信息带上的词是 GGG，那么，一个带 CCC 插脚的接续器，即一个装载有甘氨酸的接续器就能与这个插座配在一起。

当然没有操作人员来把载有甘氨酸的 CCC 接续器插进 GGG 插座。这里只有使漫无目的探索得以进行的分子的热骚动，以及作为成功象征的越来越多的正确配合。各种各样的接续器和其它分子一个接一个与空着的插座相撞。最后，一个载有甘氨酸的 CCC 接续器终于来到，它碰巧正好以一种恰当的方式与插座相撞，从而被插座接受，咔哒一声插在里面。这一个步骤完成之后

才能开始下一个最关键的步骤，这种插头与插座的结合似乎具有很大的不确定性：一个共价键破裂而另一个共价键形成，在这一过程中，附在准备装第50 个氨基酸的接续器上的整条链子就转移到下一接续器上的另一个氨基

酸。准备装载第 50 个氨基酸的接续器此时已空，因此被抛弃。核糖体为了完成一个运动周期又推动三个核糖核酸字母。整个过程与前面所说的一样，只不过此时接在这个接续器上的链子上的氨基酸已达 51 个，接续器则同样与核糖体内信息带的一节对接。

概括：有机物构造的复杂性必不可少吗？

在本章以及前两章中，我试图给地球上已知的所有有机物的主要活动勾画一个轮廓。在这个轮廓的中心是脱氧核糖核酸信息，这种信息是现存的生命与 100 万年或 10 亿年前的生命之间的唯一联系。在这么长的时间内只有这些信息存留下来，因为只有这些信息在经过不断的复制和再复制之后还能够继续存在。

我们所知的生命的活动可以概括成这样：脱氧核糖核酸制造脱氧核糖核酸（其条件是需要有具有易感性的脱氧核糖核酸核昔酸和酶）；脱氧核糖核酸也制造核糖核酸（其条件是需有具有易感性的核糖核酸核苷酸和更多的酶）；然后，核糖核酸——包括核糖核酸信息、核糖核酸接续器以及核糖体中的核糖核酸等——制造蛋白质（其条件是需有氨基酸、使氨基酸具有易感性的手段以及更多的酶）。蛋白质（尤其是酶）则完成其它一切活动。

这种概括是否过于简单？哦，是的，如果用之于今天的有机物的活动， 这种描述的确过于简单了一些。但是，如果用来描述最早出现的有机物的活动，这种描述却又显得过于复杂。然而最糟糕的却是，这种复杂性的很大一部分对于有机物的活动来说似乎是必不可少的。假如你想获得具有某种生命形态的东西，这种东西具有的可复制的信息是用核酸（不是脱氧核糖核酸就是核糖核酸）写成而它本身则是通过蛋白质活动，那么，你最后获得的必定是一个非常复杂的系统。这好比录像。如果你想用磁带将电影录下来，你就必须为此而付出代价。这个工作不是轻而易举就能完成，因为录像机是一种相当复杂的机器。一个大肠杆菌也是一台复杂的机器。我以为，基于核酸的能够独立生存的任何形态的生命都必定是一台复杂的机器。

以我们生化系统的一部分，即蛋白自动合成机来说，任何一种这样的机械，无论它是怎样造出来的，它必定是一项精巧而又复杂的工程，因为它所需完成的工作是一项复杂而艰难的工作。

你可以去向任何有机化学家打听，了解一下合成一点点蛋白质，即只含100 个氨基酸的蛋自质，需要多长时间。或者，你可从有关科学杂志中查阅一下有关蛋白质合成的配方和方法。你会发现有关这方面的介绍冗长而繁杂。而这些介绍却是针对具有一定的专门知识、知道怎样使用实验室设备的人而做的，这些介绍要求你使用很多种非常特殊的和高度提纯的化学试剂和溶剂。按照介绍中指示的方法实际操作会得到什么样的产品呢？假如你走运，你用数公斤原材料可生产千分之几克的蛋白质产品。

或者，你还可仔细阅读实验室中一台蛋白链自动生产机的详细说明并仔细审阅其工程设计图。（如果你想买，你得多花钱，这种机器比录像机贵。） 这时，你一定会为这种机器构造之精巧而感叹，因此，当有人对你说大肠杆

菌也是一台精巧的机器时，你也不会感到惊讶。它的确必须构造精巧，难道不是吗？

还有一点必须注意。有机物的蛋白质是根据有机物具有的可复制的信息给予的指令制造的。这不是附加的多余的特征，上述特征可能在更早更简单的设计中遭到摒弃。这是整个观点中的一个关键的概念。蛋白质或用其它方法制造的类似蛋白质的物质不会与信息直接相关，因为它不会通过自然选择而趋于复杂，它会与信息的演替脱钩，只有信息才独目保持长期的连续性。任何东西，如果不是以某种方式和信息的演替联系在一起，则都不会进化。有机物的活动随时都需要酶，但制造酶所要求的精确度却不能因此而大

打折扣。一个制作拙劣的酶如果不断地以错误的方式改造分子或者经常将它所要改造的对象搞错，那么，这个酶非但无用，反而有害（在这里，无能加勤快比懒惰糟得多。）在这种情况下，以错误方式制造的分子会越来越多， 其中包括核糖核酸接续器以及核糖体等物质的组成成分，从而又会造出更为糟糕的酶。如此一来，整个活动很快就会陷入混乱。

要造出一个不称职的酶并不困难。有机物的活动技术要求蛋白质信息依氨基酸单位的排列次序而叠合。这时，只要出现一个错误，即有一个氨基酸的次序不对，蛋白质信息就不可能正确叠合，其结果是必定出现更多的错误。

用一个叠合的大分子制造或破坏其它分子（像用磁带录电影一样）是一个极妙的主意，当然你需拥有这方面的技术。

最后，让我们再回想一下第二章的内容。我们可以知道，我们需要探索的问题不止是有关“图书馆”，甚至是最小的“图书馆”的规模；不仅仅是有关核苷酸单位本身非常复杂而又难于相互连接；不仅仅是有关酶的需求无处不在以及酶除非制造合格否则将毫无用处；也不仅仅是有关核糖体的构造竟然如此精密而且看起来好像这种构造之精巧是由它所担负的工作所决定。我们需要探索的问题不仅仅是那些与我们所熟悉的与生命有关的问题。我们似乎还有一个更主要的困难没有克服。任何可设想的有机物都须含有某种信息以及识别和复制这种信息的设备。因此，任何可设想的有机物似乎都须装备机器。如果是这样，那么，第一个有机物的出现似乎就需要有奇迹发生。

这就是需要进一步探讨的问题。

“⋯⋯这一问题变得比以往任何时候都更加晦涩难解了。”