進入核心科學研究的軌道（V2） 生命的本質是什麼？生命的一個最基本的特徵的生物體的某些性狀可以遺傳給它們的後代，即雄性和雌性個體雜交後，可以將某些特徵傳遞給它們的後代。通俗地說也就是＂龍生龍鳳生鳳，老鼠的兒子會打洞＂。雖然十九世紀末期到二十世級初期，人類在物理學和化學方面的研究已取得了很多重大的進展，人類對於生命的研究還沒有什麼頭緒，仍然游離在主流科學研究之外。這就是為什麼通過八年的碗豆雜交實驗，於1866年發表並奠定現代遺傳學基礎的著名的基因分離規律（Law of Segregation）和基因的自由重組規律（Law of Independent Assortment）的Gregor Mendel並沒有在科學高度發達的歐洲產生多大的影響，而讓Thomas Hunt Morgan為首的遺傳學家們開始將美國推到了生命科學研究的前沿。 自1909年開始，美國的遺傳學家Thomas Hunt Morgan接受哈佛大學教授、昆蟲學家Charles William Woodworth的建議，用果蠅作為材料研究其不同性狀遺傳的規律發現基因的連鎖和互換現象，並在《基因學說》（The Theory of Gene）一書中提出基因在染色體上呈線性分布的理論。1927年，Morgan的學生和合作者Hermann J. Muller用X射線輻射可以顯著增加果蠅基因的變異。於是，有關生命科學的研究終於滑入了以物理學和化學為核心的科學研究的運行軌道里，碰撞和火花的產生隨之而來。 為了更好地理解這種碰撞產生的威力，很有必要先介紹一下在十九世紀末二十世紀初人們在物理學和化學水平上對物質結構的認識。 古希臘哲學家Leucippus 和他的學生Democritus 在公元前五世紀提出：每種物質都是由某種細得無可分割的粒子組成，並將它命名為原子（atomos） 。然而，人類直到十九世紀末、二十世紀的早期才開始認識這種組成物質的不可分割的＂原子＂的本質。 1897年，英國物理學家Joseph John Thomson將正負兩個電極分別安置在一個抽成真空的玻璃容器的兩端，當電源接通時，正負極之間出現了一絲淡淡的藍光。如果在與藍光垂直的方向安裝一對電磁場板後，這種藍光就會向電磁場板的正極方向偏離。電磁場越強，藍光偏離的角度越大。說明這種藍光是由負極發射出來的一種質量很小、帶有負電荷的粒子組成，被稱為是陰極射線（cathode ray）。用不同的金屬材料製成的電極，產生的這種陰極射線的物理性質不會改變，說明這種陰極射線是由一種組成物質的基本粒子組成，即我們現在知道的電子（electron）。這是人類歷史上第一次真正用科學實驗證明一種基本粒子的存在，此時距離Francis Hauksbee 於1705年在英國皇家科學院通過用手摩擦旋轉真空玻璃瓶時產生的那絲那絲象徵啟蒙運動的微弱、帶電的藍光已經整整194年。其間，荷蘭科學家Pieter van Musschenbroek於1745年設計的萊頓瓶（Leyden jars）來貯藏磨擦產生的電，美國科學家Benjamin Franklin於1752年利用萊頓瓶的原理證明了閃電同Francis Hauksbee通過磨擦產生的電的本質是一樣的（也就是那個著名的風箏實驗），意大利科學家Alessandro Volta於1800年通過將不同的金屬片相間疊加製造的人類歷史上第一電池……，科學家們對於光和電的這些純屬好奇的探索終於把人類關於微觀物質世界的本質的認識提高到了一個新的高度。 在正常情況下，人們觸摸任何物質都不會有觸電的感覺。既然，JJ Thomson證明了電子是組成物質的一種帶負電荷的粒子，那麼物質中一定含有一種能中和電子的負電荷的帶有正電荷的基本粒子存在。但這種帶正電荷的基本粒子的發現卻是出現在另一種不帶電荷的X射線之後才完成。 為了證明這種由電子組成的陰極射線是否可以透過玻璃，逃出真空管的外面來，德國物理學家Wilhelm Roentgen於1895年發現，當將產生陰極射線的射線管用很厚的黑色紙板蓋起來後，陰極射線管里仍然可以透出一種神秘的射線，將暗室中的熒光物質照亮，這種神秘的射線被X射線（X ray），具有頻率高、波長短、高能量的特性。 由於這種頻率高、波長短、具有很高的能量新型射線，有很強的穿透力，在歐洲和美洲利用X射線來拍手、腳、甚至身體其他部位的骨骼照片成為一種時尚。這種時尚讓歐美地區的很多人患了癌症，然而人們並沒有意識到高能量的射線輻射是導致了癌症的發生罪魁禍首。直到1926到1927年間，Hermann Joseph Muller發現X光射線輻射可以大大提高果蠅基因突變的機率，人們才開始意識到輻射的危害性（這一點我在上一版的《老虎機和分子生物學》中有過介紹，歡迎有興趣的朋友通過Amazon或Barnes & Noble 訂購，或直接通過gl2015busiless@gmailcom聯繫作者購買以示支持）。 受Roentgen發現X射線的啟發，Henri Becquerel於1896年在研究能夠發生熒光的鈾鹽時發現：鈾鹽可以自發地釋放出一種射線，這種射線可透過鋁鉑使相紙曝光，而在經鈾鹽輻射過的空氣由絕緣狀態變得可以導電。在系統地地研究了這種從鈾鹽中釋放出來的神秘射線後，Marie Curie（居理夫人）發現：釷也可以同鈾發出相同性質的射線，雖然鈾是一種種深色的粉末，而釷是一種黃色透明的晶狀物。這兩種物質釋放的射線強度都與它們的質量呈正有比，而與它們存在的狀態無關，進而推斷這些物質能釋放出某種射性是由於其原子結構上的不穩定，並將這種原子結構不穩定的元素稱放射性同位素。 現在我們知道，在鈾礦石中含量最豐富放射性同位素鈾238和釷230會釋放出含有2個質子和2個中子帶有兩個正電荷的alpha粒子，放射性同位素釷234則釋放出含有一個電子的beta粒子。1900年，法國化學和物理學家Paul Villard發現在研究鐳的輻射時發現了gamma射線，這種射線是在不穩定的放射性同位素釋放出alpha或beta粒子後，原子一種高能狀態轉變為一種低能狀態時以電磁波的方式釋放出來的多餘的能量。而這種物質能量狀態的變化導致的gamma射線產生的物理現象正是前面Delbrück提出的基因突變的＂量子跳躍＂模型的原型。 隨着帶負電荷的電子和帶正電荷的粒子的發現，Lord Kelvin和JJ Thomson提出用一種＂李子布丁模型＂（plum pudding model）來解釋這些帶正負不同電荷的粒子的分布方式：即帶負電荷的電子和帶正電的粒子均勻地混合分布——象水果布丁一樣。為了證明這一模型，在1909做了一個有名的Geiger–Marsden 實驗（Geiger–Marsden experiment）：用一束alpha粒子去撞擊一層薄薄的的金屬箔 ，然後在熒光屏上激發的熒光來檢測alpha粒子的散落位置（因此也稱為金箔實驗）。根據李子布丁模型alpha粒子撞擊金箔後應該直接穿過金箔投射到熒光屏上的一個點上，然而，Renest Rutherford、Hans Geiger 和Ernest Marsden 發現雖然alpha粒子撞擊後絕大部分直接穿過了0.4微米厚的金箔，但有一部分粒子被反彈到所有不同的方向，反彈的方向有的會超過90度甚至原路返回，從而提出了現在廣泛被接受的原子結構模型：帶正電的粒子集中在原子的中心形成原子核，原子核在原子中占據的體積很小。而在原子核的外面大部分的體積是空的，帶負電荷的電子散落其間。原子的質量集中在原子核里，電子的質量很小。 在進一步研究原子結構的過程中，Renest Rutherford發現用α粒子去撞擊氮14（14N）後卻檢測到了氧17（17O）和中子，即α粒子的撞擊誘導了這樣的化學反應： 14N + α → 17O + p。Rutherford在1919年的這一發現讓科學家們開始研究和認識原子核結構，也讓Muller聯想到：也許他於1927年發現的關於X射線誘導果蠅基因突變的現象可能被利用來研究基因的本質屬性。於是就促成了理論物理學家Delbrück向生物學研究的成功轉型，導致了一門新的學科——分子生物學的誕生。 Enrico Fermi於1922年在比薩大學（University of Pisa）獲得物理學。1923年，Fermi又分別跟從哥庭根大學的理論物理學家Max Born（Delbrück的博士導師）和萊頓大學（貯藏電子的萊頓瓶就是在這裡發明的）的統計力學家Paul Ehrenfest各學可了幾個月後回到意大利，在佛羅倫薩大學（University of Florence）教授數學物理學和力學。1927年，Fermi成為羅馬大學（University of Rome）理論物理學的教授。當得知Irène Joliot-Curie (法國著名科學家Marie和Pierre Curie的女兒）和她的丈夫Frederic Joliot於1933年發現鋁箔受到α粒子撞擊後可以變成新的放射性同位素，Fermi於1934年證明當用中子去撞擊幾乎任何一種元素都會引起原子核的異變（transformation）。為了躲避以Mussolini代表的法西斯勢力可能對他的猶太裔妻子Laura Capon的迫害，Fermi於1938年獲得諾貝爾物理學獎後移民到了美國，並指導開發了人類歷史上第一個可控核反應堆和第一顆原子彈。分子生物學的奠基人Luria在Fermi實驗室里學習物理學的時間集中在1937－1938之間。雖然在Fermi實驗室學習時間前後不到一年，經常在實驗室打磨各種金屬薄片的Luria顯然對這幾種基本粒子的性質有了很深的理解，這為他後來量化運用各種輻射來研究基因的屬性打下了堅實的基礎。
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