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世界科星成功路_话说遗传和遗传工

时间:2020-02-09百科知识联系我们
世界科星成功路_话说遗传和遗传工

世界科星成功路

在揭示了遗传学三大规律之后,我们又认识到决定遗传的物质是核酸,但是核酸是一种化学物质,它怎么就能决定生物遗传过程呢?揭开这个遗传学之谜的是沃森、克利克、加莫夫和莫诺等人,这个揭迷过程是曲折和富有启发性的。现在,就让我们踏入这些世界级“科星”的科研征途,看看他们曾经是如何学习和研究的吧。

1953年4月5日出版的英国《自然》杂志,同时刊登了两篇论文:一篇是沃森和克利克的关于DNA双螺旋结构;一篇是维尔金斯和富兰克林(女,1920—1958年)关于DNA结晶的X衍射研究。在这四位科学家中,富兰克林因癌症于1958年逝世,其余三人在论文发表后的第九年,即1962年荣获了诺贝尔生理学或医学诺。诺贝尔奖委员会的正式评语是:“表彰他们发现了核酸的分子结构和它在生命信息传递中的价值。”这是因为,到了1962年,DNA分子双螺旋结构及其在遗传上的意义已为更多的科学事实所证实。例如,DNA的复制和转录、遗传密码的破译和蛋白质合成机理的发现,都与该模型密切相关。

值得注意的是:第一,被称为分子生物学基石的这个DNA模型的创建者都是年轻人,沃森当年仅25岁,克利克也不过37岁,为DNA模型提供决定性实验资料的维尔金斯也是37岁;第二,为生物学做出划时代贡献的这三位学者中,竟有两人——克利克和维尔金斯是物理学家

名家名著哺育

自20世纪30年代起,就出现了一股物理学家研究生物学的热潮。著名物理学家、量子论的先驱者玻尔(1882—1962年)在1932年作了题为《生命是什么》的讲演,试图以物理学家的眼光来回答生物学的中心问题。他认为,研究生物学的问题,可能导致发现物理学和化学中的新定律。

玻尔的思想深深地影响了他的学生德尔布吕克(1969年获诺贝尔生理学或医学奖)。德尔布吕克于20世纪30年代就舍弃了理论物理学,转而专门研究遗传学,企图实现他的老师提出的,在生物学中发现物理学和化学中的新定律。

另一位著名的物理学家薛定谔(1887—1961年)于1945年出版了题为《生命是什么》的专著,更系统地阐述了玻尔和德尔布吕克的观点。这本书影响了一批物理学家,其中就有维尔金斯和克利克,他们也像德尔布吕克一样告别了物理学,转而投身于生物学研究,并做出了杰出的贡献。该书也影响了一批生物学家,引导他们去研究基因的本质,其中就有沃森。

年轻的维尔金斯读《生命是什么》时,被该书所论述的关于控制生命过程的高分子结构的观念所吸引。他意识到,研究生命物质看来要比研究固体物理学更有前途。最终,他投身到对DNA的X衍射研究。

年轻的克利克读到《生命是什么》时,对书中提到的对生物学研究,可能导致物理学和化学中新定律发现的前景,产生了极大的兴趣。后来,他也转到对DNA的X衍射研究。

沃森在大学念书时就饶有兴趣地研读过《生命是什么》,他后来回忆说:“这本书使我发现了基因的秘密。”

攻克基因之谜

基因,即遗传物质的化学本质是什么?这是当时遗传学没有解决的关键问题。长期以来,人们推测遗传物质是蛋白质,但没有实验证据。

DNA虽然早在1924年就被证明是染色体的组成成分,但作为遗传物质,始终受到人们的怀疑。当时人们简单认为,DNA只不过由4种核苷酸构成的重复体,是一种单调而均匀的生物大分子,与淀粉类的聚合物一样,起不到储存遗传信息的作用。

1944年出现了突破性的发现,美国的艾弗斯等发表了DNA可能是遗传物质的论文。他们用肺炎双球菌做实验,把光滑型(S型)细菌提取液的纯化DNA加到粗糙型(R型)双球菌的培养物中,就能使R型转化为S型,也就是说,DNA是遗传物质。

沃森早期跟随卢里亚(1969年诺贝尔生理学或医学奖获得者)用噬菌体的遗传研究时,就知道了艾弗里等这一结果。所以,他一直就重视DNA在遗传上的功能。后来,他又接受了卢里亚一个很重要的观点:要知道基因的功能,必须先要知道基因是什么和基因的结构。

1951年10月,沃森来到英国剑桥大学的生物物理学研究室,与克利克搞合作研究。1952年,美国噬菌体研究小组(以德尔布吕克和卢里亚为首)中的赫西尔(获1969年度诺贝尔生理学或医学奖)等,开始了一项利用放射性同位素进行的噬菌体试验。根据该试验,他们明确指出,噬菌体的遗传物质必然是DNA。

这一结果,对沃森和克利克探讨的DNA分子结构模型,无疑是一个推动力。

多种研究方法

研究DNA分子结构主要有两条途径或方法:X衍射法和模型法。

X衍射法:就是通过X射线对DNA结晶的衍射(绕射)取得照片,根据照片上的图像经计算和演绎推理,推出DNA的三维(空间)结构。维尔金斯采用的是这一方法。

模型方法:实质上是以概念对考察的对象做出本质的概括,因此,模型是科学的抽象。然而,组成模型的概念又可借助实物直观化,所以模型又可以是现实的事物,沃森和克利克用的就是模型法。我们现在熟悉的DNA双螺旋结构模型,就是他们当时在自己的办公室里,利用别人废弃不用的蛋白质分子结构模型的材料(铁皮、硬纸板、铁丝)创建出来的。这种现实的模型,表达了DNA各组成部分的相互关系。

广泛搜集素材

DNA双螺旋结构的模型,是在吸收了前人的大量研究成果的基础上才建立起来的。对于沃森和克利克建立的这个“最终成品”来说,前人的成果又可分为“原料”和“半成品”两类。

首先谈“原料”。早在20世纪30年代,人们就已清楚,DNA是由4块砖头(4种碱基)“砌成”的。这4种碱基,就是两种嘌呤(腺嘌呤A、鸟嘌呤G)和两种嘧啶(胞嘧啶C、胸腺嘧啶T)。由于有4种碱基,可形成4种单核苷酸。一个单核苷酸与另一单核苷酸的磷酸基用化学键连接,构成“糖—磷酸基骨架”。

再看“半成品”。

第一个半成品是相异碱基配对。维尔金斯等所作的DNA的X衍射图表明,每个DNA可由2条、3条或4条“糖—磷酸基骨架”组成,但接下来有如下两个问题:一是这些不同的骨架怎样结合在一起的?当时只能说有如下几种结合可能——两个相同碱基之间(如G和G、T和T等)结合,两个相似碱基之间(如A和G等)结合,两个相异碱基之间(如A和C等)结合。换句话说,可能结合方式有同配和异配之分。二是这些骨架间的碱基是如何结合的?当时只能说有两种可能,即通过吸引力大的化学共价键或通过吸引力小的氢键结合。

1952年6月,克利克会见了剑桥大学的一位对生物学颇感兴趣的青年数学家,他就是格里费思。沃森和克利克当时倾向于相同碱基间的结合,但由于不熟悉数学计算,没有把握,克利克就请格里费思代劳。计算结果按格里费思的理解,碱基配对应在相异碱基间,而且这种结合是通过吸引力小的氢键实现的。克利克听到这一结果后就解除了困惑,使他马上想到了碱基互补成对结合的可能性,这种可能性能很好解释DNA的复制问题。

但沃森长期固执地坚持相同碱基间配对,而不接受相异碱基间配对的观点(事实上,的确也还存在着一些不利于相异碱基配对的问题)。所以,几乎直到成功前的最后一刻钟,他才接受相异碱基配对,即异配的原则。

第二个“半成品”是1∶1的碱基比。碱基间的数量关系在试验结果中又如何呢?奥地利血统的美国生物化学家查尔加夫,于1950年对此就发表过论文,但沃森和克利克竟然不知道已经公开发表的、对他们至关重要的这一数据。1952年6月,查尔加夫访问沃森和克利克实验室。克利克在回忆这次访问时有这样一段话:“我们说,我们间的谈话,从他(查尔加夫)那里得到的蛋白质信息较多,但未得到有关核酸的任何信息。这时,查尔加夫略带气愤地说:‘当然有啦!这就是1∶1。’我们接着问:‘1∶1指的是什么?’他说:‘这一切都公开发表了。’当然,我从未读过这篇文章,也就不可能知道了。……接下去他还讲了些什么,我都已经忘了,因为当时我必须立刻去查阅这篇文章。”(www.anred.net.cn)

在这篇文章中,克利克清楚地读到了结论:“在迄今检查过的所有DNA分子中,总的嘌呤和总的嘧啶克分子比值、腺嘌呤和胸腺嘧啶克分子比值以及鸟嘌呤和胞嘧啶克分子比值,都与1.0相当接近。”读到这里,使克里克格外兴奋:啊,格里费思的理论推算的碱基配对情况,恰好与查尔加夫的实验结果完全一样,理论与实践得到了吻合。

克利克认识到,这种相异碱基间的配对极为重要。因为这不仅解决了DNA分子为什么能结合在一起的问题,还解决了DNA分子的复制问题,起了一箭双雕的作用。

第三个“半成品”是螺旋结构。以单核苷酸为原料构成的DNA分子,到底是什么形状?沃森和克利克曾经设想,它是呈直线排列的多核苷酸链。1951年,他们看到鲍林(美国著名化学家,因对分子轨道理论和化学键性质研究的突出贡献而获得1954年度诺贝尔奖)发表的关于多肽的螺旋结构论文,受到了很大启发。他们决定放弃DNA呈直线排列的推断,而把它也看作呈螺旋结构,因为这样可以保持生物大分子的化学稳定性。但他们也意识到,解决DNA的螺旋结构问题,要比解决蛋白质的螺旋结构问题复杂得多,因为DNA分子的直径比1条多核苷酸链的直径大,所以该分子可能是由几条缠绕在一起的多核苷酸链构成的。

临产前的阵痛

DNA分子螺旋结构究竟由几条多核苷酸链组成?当时,支持与反对由1条、2条、3条或4条组成的都有。关于1条螺旋链的设想,很早就被沃森和克利克排除了,但奇怪的是,后来证明是正确的双螺旋设想,很快也被沃森克利克和维尔金斯排除了。沃森和克利克主张DNA分子有3条螺旋链,维尔金斯主张有1条螺旋链。

在3股螺旋建立后,沃森和克利克一度高兴万分,认为正确的DNA分子结构模型已经找到,兴冲冲地向伦敦大学帝国学院的DNA衍射小组“报喜”。第二天,维尔金斯和富兰克林从帝国学院来到剑桥,立即发现沃森和克利克对实验数据理解错了,他们的3股螺旋也就随之被否定了。

这次挫折,反映了沃森和克利克在化学和X衍射学方面的基础不够。沃森在回忆录中承认,直到1952年11月中旬,他才学了足够的结晶学知识,才能听懂富兰克林讲课中的大部分内容。克利克在这方面的修养,比沃森也高明不了多少。

至于化学,沃森一直存在畏惧心理。在大学学习生物学时,他最感兴趣的是鸟类,尽量避免选修那些看来哪怕是中等难度的化学和物理学课程。在硕士生期间,他希望不必学习化学就能解决基因问题。在博士生期间,培养单位的生化学家希望他学有机化学,但当他用一只煤气灯去加热苯引起爆炸后,化学就与他无缘了,因为辞退一名对化学无知的博士生,总比冒一次爆炸的危险要安全得多。

3股螺旋模型被否定后,沃森和克里克的情绪一度低落。沃森继续研究他的烟草斑叶病毒,克利克继续研究他的蛋白质,虽然他们对DNA分子结构模型的建立仍有极大的兴趣,并与有关人士仍保持着紧密的联系。

不久,他们从同一办公室工作的鲍林的儿子那里获悉,鲍林在大洋彼岸也在建造DNA模型。这个信息促使他们必须加快建造模型的步伐,因为他们深刻认识到,鲍林是研究生物大分子的行家,是与他们竞争的强大对手,切不可懈怠!

他们紧张工作一段时间后,沃森建立起一个双螺旋模型:糖—磷酸基骨架在外,碱基在内。表面看来,这似乎非常接近成功的模型了,但在碱基配对上却错误地坚持同配原则,即A和A、T和T、G和G、C和C配对。尽管克利克那时已经从格里费思和查尔加夫那里了解到了碱基异配的证据,但未能说服沃森。沃森对他这个幻想中的两条完全相同的多核苷酸链模型显得信心十足和得意洋洋。

但是,沃森这个幻想中的成功,又由于他的化学知识不足而破灭了。因为嘧啶类碱基仅有嘧啶六员环,而嘌呤类碱基是由嘧啶六员环和咪唑五员环组成的。在同配情况下就有宽有窄,从而破坏了结构的规则性原则。DNA分子结构符合规则性原则,是通过X衍射方法早已证明了的。沃森的同配模型虽也可满足查尔加夫提出的1∶1的碱基比,但只是偶然的巧合。

于是,沃森寄予愿望的这个DNA模型,只存在24小时就被否定了。

最后的冲刺

1953年2月6日,富兰克林摄取了一张含水量比以往更大的DNA结晶X衍射图。这张照片本来比以往所有的X衍射图提供更多的信息,可是维尔金斯看了无动于衷,随即递给来访的沃森。整天都在思考DNA分子结构模型的沃森立刻悟到,这张图提供的信息足以否定他现在所偏爱的3股螺旋模型(沃森的双股螺旋同配模型被否定后,又回到了3股螺旋模型的老路),又足以支持双螺旋模型,但维尔金斯和富兰克林面对这张照片,仍排除了DNA双螺旋的可能性。

沃森在回忆中写到:“帝国学院小组(指维尔金斯和富兰克林)否定DNA双螺旋的理由不是十分可靠的,他们所能容许模型的数据可能是错的,因这取决于样品的含水量。因此,我已决定要建立双螺旋模型,克利克一定会同意,因他知道生物对象成双的重要性,尽管他是一位物理学家。”

在双螺旋问题解决后,沃森和克利克面临的最后一个难关是碱基如何配对。按照概率论,4种碱基无非有16种可能的配对。当时,由于有了查尔加夫的碱基比,有了格里费思的计算,有了X衍射资料,本可排除其中大部分的可能配对,应该说,找到正确的配对规则并非难事。克利克深信DNA复制应是互补的,可是在碱基配对的氢键问题上尚未摆脱困境,所以未能着手建立双螺旋互补模型。沃森则始终不愿考虑碱基互补配对,而是坚持相同碱基配对(同配)。

1953年2月19日,当沃森为同配模型的“成功”又一次兴奋时,与沃森和克利克同一办公室工作的美国结晶学家——多诺休向他指出,他采用的鸟嘌呤和胸腺嘧啶的互变异构体搞错了。沃森坚持自己正确,并援引戴维森著的颇有声誉的《核酸的生物化学》一书的观点为自己辩护,多诺休说,该书的取型不对。沃森又拿出当时其他化学教科书来辩护,多诺休又坦率地指出,那些书上列举的烯醇型,在有机化学上都是罕见型,正确的应为酮型。

多诺休是鲍林的老同事,在美国加州理工学院研究有机小分子的晶体结构多年。近半年来,他们在同一办公室工作,沃森从未听到过他对自己没有把握的问题表过态,所以,他就采纳了多诺休的意见,碱基配对时,氢原子移到了酮型位置。可是问题发生了:采用酮型建立同配模型时,要使两螺旋符合结晶学实验3.4埃(1埃=10-10米)的重复螺距,相邻碱基间的旋转角必须为18度。这个角度,克利克的实验已证明是绝对不可能的!这时,沃森才放弃他坚持的碱基同配规则,进入最后冲刺的阶段。

第二天,沃森来到办公室,清出桌面后摆弄他的DNA模型。这时,多诺休和克利克也来了。沃森仍在以各种碱基配对的可能性来回地移动碱基,看什么样的碱基配对才能完满解释已有的实验事实。在移动中,他突然觉察到:两条多核苷酸链,如果通过氢键使腺嘌呤和胸嘌呤配对、鸟嘌呤和胞嘧啶配对,即互补碱基配对,不但对实验结果符合得出乎意料,而且还暗示这种互补碱基的双螺旋结构的复制方式更令人满意。克利克在回忆这个豁然开朗的时刻说:“我记得很清楚,多诺休和沃森靠近黑板,我靠近写字台,我们忽然想到:‘好了,或许我们可用这样的碱基配对说明1∶1,我们能用形成氢键的方式把碱基摆在一起。’”

于是,科学史上的一项伟大发现——DNA分子双螺旋结构模型,就完成了其最后冲刺的阶段。

独占鳌头的胜者

在向DNA分子结构进军的竞争者中,有好多世界顶级的著名科学家。据科学史家事后的分析,鲍林、富兰克林、维尔金斯都可能提出双螺旋模型。

1954年,鲍林本来准备参加在英国举行的一个学术会议,并安排了对维尔金斯的访问,可是美国政府拒绝发给鲍林护照,所有他没有走成,也就失去了看到帝国学院X衍射的照片的机会。在科学史家奥尔比看来,如果鲍林看到了富兰克林的X衍射片子,“无疑再用他手边的材料,会建造DNA分子结构的正确模型。”沃森和克利克也持这一观点。

富兰克林在不知道沃森和克利克模型的情况下,于1953年3月17日写了一篇论文(有打印件可查)。据她的同事克卢格的研究,富兰克林的研究非常接近正确的DNA分子结构模型。维尔金斯证实:“富兰克林笔记上的记录(3月17日打印件的前身),肯定先于沃森和克利克的DNA模型。”

维尔金斯离正确的DNA模型也不远。1951年,他已认识到DNA分子的螺旋性,后来又计算过其螺距和直径。由于他假定DNA分子为单螺旋,所以建立模型的步伐不快。根据X衍射图的反复分析,他已认识到那是一个糖—磷酸骨架在外而碱基在内的分子。奥尔比认为:“许多人相信,给以足够时间,维尔金斯会提出DNA双螺旋结构模型。”

这些竞争者,或是结构化学的巨匠,或是X衍射的专家,在这些专业的知识和技术上,远远超过沃森和克利克,也没有像沃森和克利克犯那样多的错误,但竞争结果,获胜的却是犯错误最多的、既不是结构化学家也不是X衍射学家的沃森和克利克。

他们在强手如林的竞争中之所以成为优胜者,一是他们具有敏锐的科学判断力,能迅速地抓住遗传物质——DNA分子结构模型这一关键课题;二是具有高超的综合分析能力,善于取百家之长,把当时的生化学派、结构学派和信息学派的研究成果汇合在一起,以解遗传之谜;三是具有突出的勤于思考、不耻下问、勤于实践和不怕失败的科学品德。直接向他们指出错误的有:维尔金斯、富兰克林、格里费思、查尔加夫、多诺休,还有间接向他们提供帮助的鲍林父子。

这两位年轻人做出如此重大的科学发现,真可谓“涓涓细流,汇成大海;博采众长,自成一派”。