一亩二分地

我助教那门课的大老板是我们基因研究所（Genomics institute）的头儿，六十来岁，非常渊博，说个什么都能引经据典的一大串，我很喜欢听他的课，感觉跟上科学史似的，很多东西经他一讲才知道原来这么有来头，立时变得生动起来，特别有意思。上星期在讲一些基因方面的东西，主要涉及DNA的具体结构是怎样推/测定出来的以及现在广为人知的DNA半保留模型最初是如何在当时百家争鸣辩论不休的混战中脱颖而出的。结构的测定说来话长，今天先介绍一下对证明半保留模型至关重要的，被大老板认为”happens only once in a generation”的Meselson－Stahl实验吧。

在上世纪中叶（1950s）James Watson 和 Francis Crick提出了著名的DNA双螺旋以及双链间碱基配对的模型，根据这个模型，他们进一步提出了DNA复制的半保留模型（semiconservative model），虽然这个模型比当时并存的全保留模型（conservative 模型）看起来简单易行的多，但始终缺乏有说服力的数据。 最后在1957年，当时在Caltech作研究生的Matthew Meselson和作博士后的Franklin Stahl设计并实现了这组著名的，证明了DNA复制半保留机理的实验。

试验中，他们先将大肠杆菌细胞培养在用¹⁵NH₄Cl作为唯一氮源的培养液里养很长时间（14代），使得细胞内所有的氮原子都以¹⁵N的形式存在（包括DNA分子里的氮原子）。这时再加入大大过量的¹⁴NH₄Cl和各种¹⁴N的核苷酸分子，细菌从此开始摄入¹⁴N，因此所有既存的“老”DNA分子部分都应该是¹⁵N标记的， 而新生的DNA则应该是未标记的。接下来他们让细胞们继续高高兴兴地生长，而自己则在在不同时间提取出DNA分子,利用CsCl密度梯度离心分离，最后得到下图

图中每行从左到右由一个实验代码（这个数对我们来说没啥用），一个小图片，一个峰状谱和一个被叫做generation的数字组成。最后这个数字实际上反映了从加入氮14开始，细胞进行了多少次分裂（也就是进行了多少次复制），左边的黑色带状图案反映了该样品中DNA在离心管中的相应位置。大家可以想象一下这一列小图片是一组叠置的离心管，每根管都是管口向左比齐（在密度梯度分离法中，密度越大的分子应该越接近管底，就上图来说也就是越靠右） 。这样一来不难看出随着细胞的分裂，上图中DNA的密度有所减小，从而向左迁移。

而当细胞分裂了一次的时候只有一个DNA带，这就否定了所谓的全保留机理，因为根据全保留机理，DNA复制应该通过完全复制一个“老”DNA双链分子而生成一个全新的DNA双链分子，那么当一次复制结束，应该一半DNA分子是全新（双链都完全只含14N）， 另一半是“全老”（双链都完全只含15N）。这样一来应该在出现在离心管的不同位置，显示出两条黑带。

通过与全14N和全15N的DNA标样在离心管中沉积的位置对比，一次复制（分裂）时的这根DNA带的密度应当介于两者之间，也就是相当于一根链是14N，另一根链是15N。而经历过大约两次复制后的DNA样品（generation＝1.9）在离心管中显示出强度相同的两条黑带，一条的密度和generation＝1时候的一样，另一条则等同于完全是14N的DNA。这样的结果跟半保留机理推测的结果完美吻合：

就这样，关于DNA复制机理的争论终于被Meselson和Stahl完美解决，而基因学和基因组学也得以在此后的五十年取得一系列重大突破。

故事到此似乎就可以结束了，然而scorp却意犹未尽。课堂上第一次听说这个实验的时候的确惊叹于设计者构思的精巧，居然就这样四两拨千斤的化解了无休的论战。然而诚实的说也颇有些“意难平”，觉得古人就是运气好，碰到这样容易的问题，这样容易的解决一下，就功成名就名垂青史了，净剩下些麻烦问题给我们。后来通过阅读相关8g，才知道在一鸣惊人之前的两年里，作者们基本是履试履败履试，花了大量的时间和精力来思考这个问题，坚持不懈才取得最后胜利的。再次证明科学本身的确是非常不愿意随便就被人“撩开神秘的面纱”的，绝对不存在一帆风顺的实验和研究，伟大的实验也有不work的时候。胆大心细，死缠烂打，实事求是才是一个科学工作者应有的态度。与所有走过路过的“科学工作者”们共勉。