第十二章 基因—1

“我将告诉你一件事，这件事对你们侦查此案或许会有些帮助，”他转过身来对两名侦探继续说道。“这里发生过谋杀。谋杀者是一名男子。他身高超过六英尺，年岁正当壮年。他的双脚与其身高相比显得稍小，脚上穿了一双粗糙的圆头靴。他喜欢抽特里其雪茄烟。他与被害者同乘一辆四轮出租马车来到这里。拉车的马三条腿上的蹄铁都是旧的，但右前腿上的蹄铁是新的。这个谋杀者很可能有一张红润的脸，他的右手指甲显得特长。这些只是一些迹象，但也许会对你们有所帮助。”

我将告诉你一件事，这件事首先对我们探索地球上生命的起源应该有所帮助。最初的有机物中有基因。这些基因很可能是一些微晶无机矿物质。长期以来，它们在接近于地球表面的某些地方从一种稍许超过饱和状态的水溶液中不断结晶而成。这些仅仅是一些迹象，但对我们的探索会有所帮助。

当我们详细考察遗传物质的性质时，我们会发现更多的迹象。毫无疑问， 如果一种遗传物质可装载并复制能对其本身的生存产生影响的可变信息，那么这种物质必定是一种奇特的东西，即使它完全是一种新的物质。正如我在前文所说过的那样，一个晶体基因不仅仅是任何一种晶体。

晶体基因必须能够装载信息，由此可立即得出一个结论，即晶体基因不可能有完全规则的结构。这是一个总的看法。例如说，当你翻过这一页，发现下一页印的满篇都是⋯⋯ABCAB-CABCABCABCABC 这几个字母的规则排列图形时，即使你猜想作者已突然决定改用密码书写，你也能知道这些图形中不会有多少信息。然而如果你发现的图形是一些看起来随意的字母排列，那么它可能携带你要知道的所有信息。如果你看到的只有“A”这一种字母，这种字母就像五彩纸屑一样遍布书页每一个角落，这种情况同样也包含了某种信息。当然这些字母不能像真的纸屑那样很容易移动，而且实际上它们也不能是被随意地撒在书页之中。人们可以想象到，“A”字母在书页中的各种不同位置和不同方向代表着某种密码信息。

书籍中印有文字的书页就是典型的同时具有规则和不规则特点的信息结构。字母以行排列，差不多同样大小，且都以一种方式立着，这些都属于规则性。此外，由于字母排列次序或多或少受到语法规则的制约，因此，字母排列次序本身也有一些不太明显的规则性。然而字母的排列次序并没有被语法规则限死，也正因为如此，字母的排列次序才能传达信息。笼统地说，任何信息结构，其随意性看起来越大，它包含的信息就越多。

信息结构需要有固定的不规则特征，这一点已显而易见。但信息结构中的那种规则性，即从印有文字的书页到脱氧核糖核酸分子等信息结构都具有的那种规则性，又有何意义呢？

毫无疑问，意义就在于规则性可使信息便于处理，例如，对于书页来说则便于印刷，对于脱氧核糖核酸分子来说则便于复制，而对两者来说则都便于识别。

脱氧核糖核酸具有的结构变化性相对较小，因此它所拥有的信息容量实际上有限得很。这种相对较小的变化表现在它差不多只能从每 60 个原子中选取四分之一。才于如此重要的信息库来说，这似乎是一种奇怪现象，但当你认识到纯信息容量易于获得时你就不会觉得奇怪了。要不规则比较容易。一个分子的难处在于要具有可复制的而又富有意义的特定的不规则性。因此， 如果规则性能有所帮助，例如，如果脱氧核糖核酸易于复制是因为它具有相

同的连接部件，那么，有关规则性的意义已无须多问，规则性正帮助解决问题的真正难点。

所有这些给了我们一个提示，即当我们考虑原始基因的性质时，我们也许应该考虑那种规则性多于脱氧核糖核酸分子的结构。在这种结构中的不规则特征也许只是一种重复的基调中偶尔出现的变调。

如此一来则把我们带回到了晶体，因为差不多所有的晶体都像这种结构。它们都有一种基础性的晶体结构，这种结构被附上一种有缺陷结构。从 广义上说，它首先是晶体物质的一个特征。其次，有缺陷结构则是单个晶体相互区别的特征，它由各种不规则结构组成。由于晶体都有固定的有缺陷结构，因此可以肯定，在地球上的任何海滩都不可能找到两粒完全相同的石英砂。现在让我们看看可随晶体的生长而复制的晶体的缺陷。

完美的晶体只能是一种虚构物，因为要达到完美，晶体就必须在三维空间无限延伸。因此，现实中晶体的有限体积和特定形状本身就是缺陷，无论这种说法有可能显得多么勉强。毫无疑问，形状和大小是单个晶体的特征， 正因为如此，它们代表着特定的信息。粘土小晶体的形状和大小是决定这些物质特性的重要方面。由此可见，形状与大小实际上可能具有某种相当直接的“意义”。这种遗传信息的“意义”方面将是下一章讨论的主题。本章集中讨论另一个方面，即遗传信息的可复制性。

那么，晶体的形状和大小是否具有可复制性呢？一个晶体的任意的立体形状和大小如何能够通过晶体的生长过程而得到复制，这一点很难看出；但从一个晶体的平面图，即它的横断面来看，其形状和大小则完全可以通过晶体的生长而得到复制。这里所需的全部条件就是晶体只应往一个方向生长且只应在这个方向横着断开。

晶体往某些方向生长的速度比朝其它方向生长要快得多，从而长成针形或柱形。这是一种常见现象。同样，晶体在某些方向比在其它方向更容易断开，这也是一种常见现象。由此可以推测，形状和大小具有可复制性所需的条件并不是一种反常现象。事实上，常见的粘土矿物，如高岭石，通常含有其生长过程符合这些条件的圆柱形晶体。这种晶体表面通常生成一些形状复杂的沟槽，这些沟槽就意味着“信息”通过这些沟槽的生长和断裂而被复制下来。

晶体表面生成的形状复杂的沟槽是一种内部缺陷的迹象之一，表明晶体内不同区域相互错向。因此，晶体的缺陷结构除肉眼可看到的沟槽外还可能有其它内容。但沟槽类却是常见的晶体缺陷，这种缺陷在矿物质晶体中尤其普遍。这种缺陷的最简单的形式叫做孪晶现象。一个孪晶就像一张织工很差的地毯，地毯上不同地方的图案相互之间显得似乎很相配，但实际上却是一种错误的搭配。由晶体表面的沟槽显示的这种错误搭配存在于组成圆柱形晶体的每一层，即每一层都含有同样的错向的马赛克式拼花图案。

我们正在讨论的这些线索来自某些高岭石晶体的概貌。这些高岭石晶体叫做“蚓状”晶体，这种蚯蚓形状在电子显微镜下看得尤其清楚。用 X 射线观察所看到的也是类似的形状。请回想一下，一小片高岭石晶体层也是一种定向结构，即它同样含有一种“箭头图案”。说得更明确一点即是，这种图案的方向可以是三种定向中任何一种。（详细说明可参见附录二。）在一大

片高岭石晶体层中，所有三种定向都存在。一个特定的晶体层事实上是由不同定向的小片拼装而成，就像上图所示。

在用 X 射线对晶体结构进行研究时还发现，在高岭石晶体中，一个晶体层中箭头图案的特定方向通常在该层的上面和下面各层中均可见到，我们在上一章提到了这一点。这一发现使我们不仅可以对“蚓状”高岭石晶体的复杂的横断面而且可以对某种独特的复杂特征为什么似乎可以在成千上万个晶体层中得以保留这一点做出听起来符合情理的解释。这是因为，一个新晶体层在其生成的同时将它下面一层中有缺陷的图案复制了下来。

这种解释当然仍只是一种推测，但这种推测却是根据正常的晶体生长过程做出的。尽管如此，你也许会问，那种经常谈及的错误改正机制，即那种应该在晶体生长过程中使从溶液中生成的有缺陷的结构重新溶解的改错机制，又作何解释呢？这些改错机制如何能够容忍这种错误拼凑的存在呢？这些缺陷不正是改错机制应予以消灭的吗？

就高岭石晶体这种特例来说，由于其层形结构的非对称性质，人们有理由认为某种箭头图案错误的拼凑实际上会比所有箭头均指同一方向的规则拼凑更为稳定。即使如此，人们仍会期待改错机制能造出一些规则的、完美的、最为稳定的拼凑图案。从晶体的总体情况看，以及从对晶体基因总概念的综合评论来看，使复制保持高度逼真的那种不断摸索的晶体生长过程似乎只适用于晶体中的规则性特征而不适用于唯一能够装载信息的不规则性特征。从一个正在生长的晶体的角度来看，任何“信息”似乎都是一种错误，需要加以消除。（我论述了半天，最后却告诉你，晶体生长过程中的信息复制毕竟是不可能的，是不是这样？）

然而，这肯定不是一种致命的缺陷。因为实践明确地告诉我们，从现实的溶液中结成的真正的晶体含有大量的缺陷。这说明改错机制显然不是每时每刻都发生作用，其原因我们已在第十章中做过讨论。这是因为改错机制必须在溶液的超饱和度处在足够低的程度时才能查出那些对结构的稳定影响很小的缺陷，但现实的溶液却很少能达到这种低度的超饱和。

我们先承认任何一种含信息的结构必然是“亚稳定”结构，这就是说， 这是一种固定结构，但仍然不稳定，因为它不是最稳定的结构。这些结构所装载的信息量与结构的稳定性完全无关。信息设多少完全取决于信，急装载的方式。一个稳定性仅次于完美结构的结构完全可以装载大量的信息。例如， 本书中的字母排列，或脱氧核糖核酸分子中的物质单位排列次序，这些信息对装载它们的结构的稳定性几乎不产生任何影响。

由此可见，晶体基因的这种缺点却正好澄清了一个条件：即含信息的缺陷结构对结构稳定性的影响要小。

我们如何确定这类有缺陷的结构是些什么样子的结构呢？观察一下大自然的情况，从矿物质中找出那些常见的晶体缺陷结构，然后你就可以认为， 这些就是对其结构稳定性影响很小的有缺陷结构。孪晶就是其中之一。我们还将简要讨论其它几种。

有缺陷结构需要有“临界亚稳度”，这是第一个条件。接下来的一个条件我只能说有点厚颜无耻。有缺陷结构不仅必须在晶体生长过程中避免被改错机制消灭，而且必须在这一过程使自己得到复制。

要设想有缺陷结构得到复制这一点并不困难。在晶体生长过程中要将一个有缺陷结构复制下来通常要比将它消灭更为容易。例如铺瓦，如果一片瓦

的位置放得不当，那么整排瓦都可能位置不当。

我们可以想象一下一个表面有拼花图案的孪晶的形状。这个拼花图案由一个柱状晶体结构的不同定向组合而成。为了使问题简化，我们假定图案中所有箭头方向一致的结构是最稳定的结构。在晶体生长过程中，如果某一层出现了不规则现象，这种不规则现象可在紧接着生成的晶体层中消除，只要组成这个晶体层的单位此时均按同样方式排列即可。我们可以看出，这就是去掉缺陷并最后形成一种稳定性较高的晶体的方式。但组成晶体层的那些单位却不可能有这种见识。对这些单位来说，这个走向完美的第一步也许与结构稳定性相距太远，因为无论这些单位与其左右邻居的匹配如何恰当，在某些单位组中，三分之二的单位与位于它们下面那一层中的单位却不相匹配。如果晶带宽广则很容易形成这样的状况，即单位之间横向匹配的改进远远抵销不了由此而形成的纵向之间的不匹配。“如果你无法战胜它们，你就加入它们，”这是晶体生长的更深层的原则之一。

以上所述可给我们什么教益呢？假如你要求复制的精确度高于一切，那么你就应当在信息容量方面做出牺牲，就应当选择宽广的晶带。

至目前为止我们讨论的有缺陷结构都是物理上的。除此以外还有化学上的晶体缺陷，即在一个给定的晶体结构中原子的种类可能会出现某种不规则现象。例如，即使“地毯”图案的定向性相匹配，图案中的花则可能不相匹配，在某些应该是玫瑰的地方却出现了矢车菊。在这样的地毯中当然可以写下信息。同样，我们在上一章中描述的那些云母类粘土中的金属离子的替代为信息贮存提供了大量可能的方式。

粘土的硅酸盐层中金属离子的替代可产生负电荷，这是一种特别有趣的现象。那么，在一个粘土晶体层中，一个特定的带负电荷的结构能不能被它上面新生成的晶体层继承呢？

这种继承似乎很有可能。请回忆一下，我们在前文讲过，在带负电荷的硅酸盐层之间存在“游离的”带正电荷的金属离子，这种带正电的离子将硅酸盐层拉在一起。因此，人们可以做这样的设想：即在顶层的一个负电荷吸引一个“游离”的带正电的离子，这个离子则又吸引下一层中另一个负电荷。在一些已知的层形硅酸盐结构中，人们发现正电荷中心刚好位于上层和下层的负电荷中心之间。这一发现是对这一设想的佐证。这种情况从电学上可以讲通。但对特定的电荷结构是否已随晶体的生长而遗传这一点，人们却仍然无法肯定。

要弄清这一点就必须对晶体生长过程本身进行研究。1981 年，德国慕尼黑大学的阿明·韦斯报告了有关绿土晶体生长的研究结果。韦斯的实验是在现有的晶体层中间生成新的晶体层。实验结果表明，新晶体层的电荷密度与将它们夹在中间的旧晶体层上的电荷密度类似。此外，韦斯的研究还发现这种遗传可保持 20“代”以上。尽管这种实验的细节尚有待于发表，但做这种有趣的实验所需的条件显然是高度智慧和精巧技能的结晶。

韦斯描述的那种拷贝工艺是在原版与副本上均等着墨。这是任何直接复制工艺至少应具备的绝对必要条件。假如晶体的电荷用这样的工艺复制，人们也许会认为，这种工艺至少可以将电荷结构的大型特征复制下来。然而， 我们却不清楚这种看法是否符合实际，我们甚至也不知道这种复制的清晰度如何。如果用这种在晶体层之间一对一、一个电荷接一个电荷逐步复制的方法复制出来的东西具有较大的清晰度，那么，这种可复制的信息容量就与脱

氧核糖核酸的信息容量相类似。作为一项纯粹的工程，这种复制法很具吸引力，不过，我们在考虑原始的遗传物质时也许不应将目标定得过高。对于基因—1 的复制来说，重要的是逼真，而逼具与晶粒的细化程度却不是一回事。我们知道，用大号字体印刷出错的可能性相对较少，对操作条件的要求也不那么苛刻。

要使信息得到复制的把握性更大并使复制的保真度更高，另一个办法是准备多个相同的版本，意即晶体中包含很多装载同一种信息的载体。这种重复对信息的复制具有潜在的用处。我们在前面讨论过的高岭石晶体基因模型就是如此。它就像一本书，每一页印的都是相同的内容。这当然是一本令人扫兴的书。但如此一来，特定的平面图案结构却成为一个立体晶体的一部分。在这种情况下，由于晶体生长过程中改错机制的作用，信息复制的精确度就能得到保证，这一点很容易想象到。我以为，单个硅酸盐层过于柔软，因此不容易被复制。如果一个晶体很厚很硬，且晶体的表面比较稳定，这时要复制这个晶体表面的图案就容易得多。由于这种图案贯穿整个晶体，因此，图案被复制的把握又增大了不少。

整个复制过程在几个方面可能变得更加随便。由于可复制的相同版本很多，因此几个晶体层偶然溶解已无关紧要。此外，就复制过程的后一部分， 即晶体断裂来说，情况也同样如此。例如，既然整副纸牌全都一样，那么从何处将这副纸牌拆开也已无关紧要。请注意，单张“牌”，即单层，决不需要再制造出来：断裂决不会严重到那种程度。也许这样也挺好，因为要具备同时兼容硅酸盐层的分裂和结晶的条件非常困难。此外，如果发生断裂，那么如何使硅酸盐层部分呆在适当位置呢？单个硅酸盐层又如何知道何时断开？由很多硅酸盐层叠起来的结构不存在这种问题。这些结构当因堆积层数太多而变得过大时会机械地断裂。

我们将就复制的一般情况继续做些讨论，然后再讨论另一种晶体基因。现在，我们再来看看所谓维数。

作为一种不太严格的说法，我们可以说一张纸是二维的，而一根线则是一维的。当然严格说起来这是不对的，因为任何现实的物体均属三维。然而当我们在纸上画图时，我们只“用”了两维，而当我们把一张纸揉成一团时， 我们却知道纸除了长和宽之外还有一维。我们说一个细绳只有长度，其道理也是一样，因为除非你变成一只很小的昆虫，否则你的感觉会告诉你线只有一维，尽管线可以用多种方式折叠或缠绕起来（这是因为这条线实际上还有两维）。我们可以把这种粗略解释的薄片状或线状特征称为物理维度。

信息维度是一个更为抽象的概念，但这个概念通常还是很清楚的。文字装载的信息为一维，蓝图包含的信息为二维，而建筑物模型装载的信息却有三维。

当我们说一个脱氧核糖核酸分子是一个线性信息库时，我们的根据有二：一是脱氧核糖核酸分子实际上就像一根线；二是它所装载的信息是线性的，即这种信息是一种排列次序。其它信息结构却不像这样简洁。例如，这个二维的书页装载的信息却是一维的。同样，一个三维的蛋白质分子也许仅仅装载一种次序信息。

我们刚才谈及的晶体基因当然属于三维物体，装载的信息为二维信息。有关晶体基因的总概念是：一个真实的晶体基因应是一个确定的三维体，这个物体的组成单位将空间完全填满，因此，填充需要就会为通过晶体生长复

制的机制提供所需要的辨别力。在另一方面，如果要使这种三维物体装载的信息易于复制，这种信息本身不能有三维，因为对于简单的复制过程而言， 三维中至少要有一维空着，这样就可将信息复制进去。

现在应该能够清楚地看出，可以考虑的真实的晶体基因还有一种。这种晶体基因装载的信息可以只占一维并可被复制到其它两维。

我们在前文说过，一个脱氧核糖核酸分子就像一本书，书中内容全写在第一页，其它各页的内容均与第一页完全相同。这当然是一本非常令人扫兴的书。现在我们撇开这本书，看看另一本真正令人乏味的书。这本书无论在哪一页几乎都没有实质内容。书中仅有两个或几个简单的标准书页，信息就包含在这些书页相互叠在一起的次序之中。你也许会设想这些书页只有两种：一种书页上除了整齐地印满了“a”这种字母外其它什么也没有；另一种书页上则仅仅印有“b”这种字母。这两种书页堆积的特定方式就代表着一种信息，如 aababbaabbbbbabbbba。如果你还记得，混合层粘土就是由不同种类的粘土层组成的，这些粘土层可能常常或多或少以不规则的方式相互叠在一起。

实际上，即使粘土层只有一种，它们也很可能以相当复杂的方式堆积在一起。记得我们在第十一章讲过，高岭石与地开石这两种有序多形体之间的区别在于同样的粘土层相互叠在一起的方式有不同。（在高岭石中，各层图案均指向一个方向，而在地开石中图案指向却有两种，两种指向交替出现。） 我们可以设想，所有书页上均只印有“a”这种字母，但将这些书页叠在一起时，有些字母成立着姿势，有些则成倒立姿势，例如像这样一种次序：

像这样的 aaaa■■■a■a■■a■aa■aa■■■a■a■■无序排列当然也可以装载信息。就像前文所说，无序多形体是一种常见现象。这种现象在粘土矿物中，特别在云母类粘土矿物中经常出现。

这种简朴的方式能够容纳的信息量却决不能低估。例如，两个云母类粘土层叠在一起的方式不下六种，因此，如果把 140 个这样的粘土层叠起来， 其堆积方式总数原则上可达 6139 多。每一种方式代表一种信息。由此可见， 若要处理如此复杂的信息，问题会有多么严重。

假如你仍然认为用堆积次序贮存信息显得过于浪费，那么，请回忆一下脱氧核糖核酸贮存信息的方式。脱氧核糖核酸大体上也是用堆积次序存储信息。一个想象中的（非常小的）昆虫会发现脱氧核糖核酸线是一根双股花线， 其中每个叠压层上确有一个细小的层形结构，信息就存储在叠压这些层体（四种）的次序中。在装载一维信息的真实的晶体基因之中，晶体层会极力横向扩展，无须用皮线将它们连在一起，其复制的方式也比较随便。

和前一种晶体基因一样，这种晶体基因的复制方式也包括晶体生长和断裂两个部分。复制过程的进行也同样要受到一些规则的制约。但这里的规则却和前面所述相反。在这里，晶体生长决不能以一层叠一层的方式进行，而应完全横向进行；此外，断裂不应发生在层与层之间，而应在层中。我们可以做这样的设想：一本书因书页不断扩张而变得越来越大（但决不会变厚）， 然后用切刀将它分切成多本小书；这些小书的书页然后又继续扩张⋯⋯

说来也怪，尽管这种晶体基因所要求的条件如此不同，但我们依然可从层形硅酸盐粘土中找到它的模型：某些混合层粘土矿物质含有的晶体就具有符合上述条件的形状。例如，伊利石—绿土混合层粘土通常呈向外延伸的板条式和薄片式形状，暗示着横向生长的强烈倾向。这些海藻式结构尽管坚韧

柔软，但仍然容易被撕裂。由此可见，完成一个复制周期所用的方式有多么原始，这种方式就是不时地将一个晶体结构撕裂。然而，如果这种方式有效， 那么它对基因—1 是适合的，因为你十分肯定，这种基因一点也不时髦。正因为信息的重复率是如此之高，断裂已可以随意进行，出乎意料的是，这种断裂过程不需切刀来完成。

然而在讨论基因—1 时，我们不要死死盯住层形硅酸盐。我们的目光首先盯住这些物质是因为地球上的粘土中很多都属于这一类。但除此之外，从水溶液中生成小晶体的矿物质还有许多种，这些物质是更为一般意义上的粘土矿物质。此外，诸如生命起源的七条线索孪晶现象、堆垛错误、正离子替代、从优取向生长以及择优取面断裂等特征在各种晶体中均为常见，同时还见于各种化合物的矿物质之中。

现在，我们可以说已经查出那个对“反常识罪”负责的组织，即生命的起源。诚然，关于我们最终的祖先是矿物晶体这一命题尚不为人们普遍预见。我们的嫌疑者名单中甚至已包括某些人物，但离正式逮捕尚仍有一段距离。这是在进化开始时出现的额外的难点。那么，这个额外的难点是否使整个生命的起源问题变得比以往更加模糊呢？

我不这么认为。

“那种看起来似乎使案件变得更为复杂难解的特点，如果加以仔细考虑和科学的分析，很可能就是破案的关键所在。”