1900年，生命科学面临着一个飞跃，当时已经承认了，而且建立了细胞的学说，可是那时对细胞的观念是非常简单的，细胞是动物或者植物的基本构成单位。细胞有一个细胞膜，里面有细胞质，在我念书的时候叫细胞浆。整个细胞里有一个细胞核，细胞核里当然也有一个膜包住。这是1900年人们对于细胞的观念。后来发现这里有很多结构，细胞核有核膜、核仁、染色体。细胞质里有线粒体、中心体、高尔基体、基质。甚至细胞膜也有很多结构。在电子显微镜下，细胞的结构要比1900年复杂的多，我只想说明一点，电子显微镜是量子力学的一个产物，也就是物理学对生物学的极大的贡献。我不想和各位讲什么叫电子显微镜，我只想做一个类比。
　　量子力学告诉我们，所有的粒子都有波动的性质，光是一种波动，光可以用透镜来聚焦放大，这个透镜是我们习惯用的玻璃透镜、凹透镜、凸透镜，我们研究生命科学，谁造成了显微镜，现在量子力学告诉我们，电子也是一种波动，所以应当也可以有透镜来聚焦、放大。当然，透镜不是玻璃的透镜，而是因为电子有电荷来放大，因此用这个道理做出电子显微镜。我和大家说一个事情，科学上最基本的观念是很简单的，要掌握最基本的观念，很细微的东西，没有把它根本的思想抓住，学习可能事倍功半，学习的时候先把你要学习的东西，看完一页书或者一本书之后，你问问自己能不能把自己看的这么厚的一本书，能够用一分钟或者更短的时间，把它最精彩的东西、最关键的东西讲出来。
　　现在知道细胞还有几千种的分子，要一一辩明它不是容易的事情，一直到现在都没有搞完。主要有两类大分子，和我们的生命有关的，一类叫做蛋白质，就是大分子里头的大部分，还有另外一类大分子叫做核酸，少部分，这也是一个历史的误会，因为这个东西首先是在细胞核里发现的，因为带有酸质，所以叫做核酸，在细胞质和细胞奖里也有，但是历史就是这样的。
　　这两大分子大部分也是起到生命中最重要的两个功能。蛋白质是生命功能的基本执行者。生命功能最基本的执行者是谁呢？是蛋白质。核酸是遗传功能的执行者，它有遗传密码，它是传递遗传密码和给出指令，告诉细胞怎样来执行遗传。我们的机体不是来自于基因，是来自于蛋白质，蛋白质是执行者。蛋白质是怎么合成的？是怎么从一代到下一代的？我们的父母是黑颜色的眼睛，怎么会生出黄颜色的眼睛的孩子呢？
　　先来看蛋白质，在上一个世纪初，就是一百年前已经弄清楚了，蛋白质是由氨基酸组成的一个链状的结构，人体的氨基酸只有20种。从结构上头来讲，这好像一头猪跑在一条链子上一样。但是它怎样执行我们生命的功能呢？我们可以呼吸，我们的肌肉会有力气，这就回答了一个问题，它的功能是从哪儿来的，因为它有空间结构，这个空间结构不是固定的，而且要证明这一点，假如把氨氨基酸比成宝石，20种氨基氨基酸有20种颜色，不一样，形状不一样的宝石，所以这20种宝石可以串起来一个链子，不要看氨基酸的名字了，现在把它变成宝石，链子假如是这样的，它绝对没有什么生命的功能，它必须要拐弯，要弯曲才能发生活力，这是猜想，要证明。怎么证明？这个时候物理学家就来帮忙。1927年在剑桥大学，有一个叫做卡文迪的研究所，所长是小布拉格，他是晶体学的大行家，当时有一个叫贝尔纳的人建立了晶体学实验室，系统的、大规模的研究晶体学，而且他有一个念头，就要看看蛋白质的结构到底是什么东西，布拉格是非常支持他的，他用X光对蛋白进行衍射，他发现了天然的蛋白质居然也有衍射的斑点，说明了天然的蛋白有固定的结构，固定的结构重叠起来了就可以变成晶体了，这就是蛋白晶体的开始。这是一个了不起的事情，在1930年。
　　看见有斑点，还不等于知道它的结构，因为看见斑点就说明它是有规矩的结构，到底这个结构是什么东西？这是一个非常艰巨的问题。美国理工学院有一个科学家叫做鲍林，他经过了很长很长时间的研究，发现蛋白质里有几种很典型的结构，是所有蛋白质都会有的，第一个氨基酸的链子，链子会打转，变成一个螺旋，这个东西叫做α螺旋。拿另外一个图可以看一下，假如氨基酸的分子画出来，这个打转，叫做α螺旋，这个链子会叠来叠去，这个叫做折叠，连接而成的蛋白质的链子，它一定要有局部的空间结构，这是很了不起的工作。
　　我们又回到布拉格的研究所，这是一个年轻的科学家，他开始想把整个蛋白质的结构做出来，当时全世界结晶出来的蛋白质一共只有9个，他挑了一个最简单的东西看，叫做血红蛋白，是我们每个人身上都有的，这个血红蛋白把氧气带到我们全身，又把二氧化碳从肺里带出来，这是和我们的生命有重大关系的一个蛋白，而且那时候也很容易得到，所以他做了这个事情。可是后来当他得到诺贝尔学奖的时候说了一句话，我没有想到用23年做这个事情，那个时候做研究生，老师叫我四年里交论文，要把这个事情做出来，我就变成老研究生的，而且到23年的时候我才能得到学位，所以看出来科学的研究是不能急的，他非常有耐心，布拉格也一直支持他做这个事情。
　　他做了十年之后，另外一个年轻人到了他那个组里头，就是肯德鲁，他研究另外一个蛋白，叫做肌红蛋白，当时也是比较容易得到，看起来也简单，但是也研究了十年。这位先生的一个大的功劳，除了研究蛋白质以外，因为1945年第二次世界大战打完，为了原子弹的研究发明了电子计算机，他非常敏感，他说我们要研究这些东西，用手算是不行的，一定要用计算机，他第一个把计算机的技术引到生命研究的工作中去。他们的工作从1950年开始到年底，现在看起来血红蛋白是这样子的一个结构，这个条条都是氨基酸，因为由四条链组成，中间是一个铁原子，血红蛋白基本上是一个球一样的，吸氧气的时候会把氧附在铁原子上面，把氧放在铁原子上头，到了我们身上的各个肌肉里，把氧放出去，就会变小，一挤，氧就出来了，也同样把二氧化碳吸进去，到了肺里头就出来了。生命是非常奇妙的，通过最基本的蛋白质能够进行研究。运动蛋白是这样，每一种蛋白我们都陆陆续续得到了它们的结构。在1962年获得了诺贝尔化学奖，这是蛋白质的。
　　现在我们再来看看第二种重大的大分子，就是核酸。在20世纪头50年已经弄清楚了，核酸有一种叫做DNA，D是脱氧核糖核酸，还有一种是核糖核酸，不去氧，一个是核糖核酸，一个是脱氧核糖核酸，头50年也弄清楚了，DNA在细胞核里头，是组成基因的分子。
　　关于基因有一个很有趣的，而且很曲折的故事，最早指出遗传是有规律的是一个神学家，叫孟德尔，他是通过豌豆，豌豆会开花，有雄花，有雌花，授粉的时候用不同颜色的花来授粉，后一代花是有规律的，大家上生物课，老师会讲这个事情。他念生物学，在一八七几年写的，被人家忘掉了，一直到了20世纪头一年，就是2000年的时候，同时在奥地利和德国有人发现了，他们也做遗传试验，他们也是用类似的方法做，一写文章的时候发现已经有这么一个生物学家做得非常彻底，有遗传现象。遗传是不是由物质来遗传，这是一个非常长久的，而且非常激烈的一个争论，这个争论在150年代的很多国家，苏联、中国都认为不是这样子的，可是这个时候科学的东西不能够用概念来说，一定要做实验，一定要证实，再好的观念可能是错的，也可能是对的，怎么来判断是对还是错，一定要搞实验。这个故事很长，做了50年，DNA主要存在细胞核里头，核酸是主要的，但不是全部，不是这个细胞核里头的，细胞质里头也有。
　　基因是什么意思呢？基因是遗传物质，它就是构成遗传物质的分子，头50年就已经提出来，很多人进行摸索，进行研究，一直到1953年才最后得到确认，确认的办法是用物理学的办法。所谓核物理的办法，就是标记原子的办法，就是把放射性的原子标记在基因里，看看从一代到下一代到底是不是它，只有基因里有这个放射性的东西，别的地方没有。
　　另外一种核酸，就是核糖核酸主要存在在细胞质里头，组成的大分子。组原非常少，就是四种，而且是链状的大分子。这就提出一个问题了，DNA的组原一个叫做脱氧核糖，一个叫做磷酸，这是一个非常主要的东西，这里有一个剪辑，我用四个字母来表示，C、G、A、T。DNA有成千上万，甚至几百万个，基本的组原把它接起来的一个大分子，这个大分子一般是链状，这个东西就变成了一个问题，人们去争论生命要遗传的信息太多了，头发、眼睛、皮肤，怎么能够用这么简单的结构去进行遗传，这不可能。它还是一个链，因为蛋白质也是一个链，但是蛋白质的组成是由20种氨基酸，就是20个原，所以蛋白质比较复杂，有一阵子大家都认为我们讨论的遗传的物质应该是蛋白质，而不是DNA，后来发现这四组原还要减半，怎么说？C和G，有C一定有一个G，它们是好朋友，不能分开了。还有ADT也是配对的，四变成二了，更少的，这么简单的结构怎么可能把这么海量的遗传信息储存在结构里？人们很倾向于认为应当是储存在结构比较复杂的蛋白质里头。
　　再讲RNA，就是核糖核酸，基本上和DNA一样，这不是脱氧核糖，是核糖，也是四种，RNA也是有四种剪辑，除了T就是U，是四个组原组成的大分子，一般是链状的，有长有短，所以核酸的结构很简单，组原很简单，可是结构不简单，组原虽然很简单。1953年证明了它是遗传物质，遗传物质当然有遗传密码，把遗传的信息储藏在里头，简单的东西并不代表它不能储存很复杂的东西。好像建筑，古代的建筑只是砖头和木头，但是构成的大厦形状各异，是不一样的，所以很容易推想遗传信息一定是藏在这么简单的砖头和木头构成的结构里头。这个观点最早是一个物理学家提出来的，这个物理学家叫做薛定谔，他是量子力学的始创者之一，是奥地利人，当时欧洲大陆打第二次世界大战的时候逃到英国去，在英国教书，打的天昏地暗的时候是1943年，他写了一本小说，非常薄，叫做《生命是什么》，他是1961年过世的，也得到过诺贝尔奖。他在这本书里头提出了几个非常有远见的，到现在看起来大部分得到证实的观点。第一，遗传物质是一个有机分子，第二，染色体里头的基因，它的活动决定遗产。第三，一定有遗传密码，遗传密码决定了遗传性，虽然是一个假设，但是他深信不疑，基因应该是一个晶体。这本书我念大学的时候听说了，第一次看这本书的时候上大学四年级，根本看不懂，我看原文看不懂，后来我工作的时候第二次看，还是看不懂，我看了三四遍没看懂。后来当我学了一点生物的时候，我觉得真的太有吸引力了，写的文笔之美妙是无与伦比，而且见解的深奥真的叫你叹服。获得诺贝尔奖学金的三位科学家在进入这行之前都看过这本书。这是一个理论物理学家，可是他对生物的见解非常深刻，而且影响了生命科学的发展。
　　1951年，美国人沃森到剑桥当博士后，这是在剑桥里的一个英国人，也是在布拉格的研究所里做事，他们两个人都是受到《生命是什么》的影响，原来是做蛋白质的，后来很快研究DNA了。这个是一个非常有趣的故事，讲起来也有点不公平，这个图是DNA的X光衍射图，这是一位女士得到的，那两个人不在，第三个人的助手是一位女士，她对科学上的理解比她的老板、比她的组长要深得多，可是因为她是一个女的，当时受到歧视，而且受到排挤，所以一直不承认她的功劳，这张图被她的老板拿出来，很快得到重要的成果，其实这个成果这个女士已经基本上得到了，这是一个不太公平的事情。后来得诺贝尔奖学金的时候，大家都认为这5个人不应当得到诺贝尔奖金。那两个人，还包括鲍林，第三个是威尔金斯，还有一位女士叫做富兰克林，得到很不公平的对待。
　　1953年因为有了衍射图，这个衍射图是这位女士做的，异常清晰，而且因为有了鲍林的关于螺旋的分析经验，所以当这个图到了沃森手上以后，他很快得到一个结论，DNA好比一个梯子，这个梯子的踏板就是由四个剪辑单元构成的，C和G配对，C可以在这边，也可以在那边，在这两边是不一样的，磷酸和糖把梯子搭起来，由这四个单元构成这个梯子，可以把它构成一个螺旋，DNA分子是一个双螺旋的梯子，3.4个埃，这个一出来就引起了生命科学的革命性的进展。
　　沃森、克里克和威尔金斯一起得到了1962年的生物学和物理学诺贝尔奖，这位女士不公正的被遗忘掉了。