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超越双螺旋:DNA对科学与社会文化的影响

 立体哲学 2014-01-17

              超越双螺旋:DNA对科学与社会文化的影响 

                       365心血管网

五十年前,四位年轻的科学家及其领导的研究小组,在世界著名的科学杂志《自然》(Nature)杂志上发表的三篇论文,以两股相互缠绕的优美的螺旋线勾勒出彰显生命奥秘的蓝图,标志着生命科学一个崭新时代的到来。五十年来,在科学家的努力下,蕴藏在复杂的生命现象中的许多法则不断被揭示出来。对这些法则的诠释不仅包含了人类对生命有机体秩序和演化历程的深刻理解,而且也展示出人类期冀从变幻无常的生命现象中把握住其永恒真谛的努力。回想半个世纪生命科学的跃迁,无论怎样高度评价DNA分子的双螺旋结构模型的建立都不过分。

一、从平行线到双螺旋

1、遗传因子与核酸:互不相干的独立发现

十九世纪中叶,两项当时看来互不相干的发现,揭开了现代遗传学的序幕。1854年,一名奥地利的修道士孟德尔(J. Mendel, 1822~1884)在修道院的花园里开始了植物杂交育种的遗传研究。在经过连续8年的豌豆杂交试验后,他于1865年,写出了一篇题为《植物杂交试验》的论文。他以精确的实验数据和严密的数理分析,揭示了生物遗传性状在后代的传递规律,即“遗传因子”的“分离和自由组合定律”。孟德尔在奥地利布隆自然科学年会上分两次宣读了他的论文。遗憾的是,他这项划时代的惊人发现没有引起任何反响而遭受冷遇,甚至与其同时代的达尔文也不承认孟德尔的研究成果对他的进化论有意义。就在孟德尔发表他的研究成果后不久,1868年,一位瑞士年轻的化学家米歇尔(J.Miescher, 1844~1895)从脓液的白细胞的细胞核中获得了一种含磷量很高的未知物质。他将这种物质命名为“核素”(nuclein)。米歇尔的指导老师霍佩-赛勒(F. Hoppe-Seyler,1825~1895)推测这种新物质“可能在细胞发育中发挥着极为重要的作用。”然而,当时一些科学家认为, “核素”无非是一种不纯净的蛋白质物质,随后,德国科学家塞勒也从酵母菌中分离到了这种物质。在相当长的一段时期内,遗传因子与核酸的研究一直保持着互不相干的平行发展。

1900年,在孟德尔的论文被束之高阁30多年后,三位欧洲学者各自独立地重新发现了孟德尔的理论。1906年,孟德尔主义最热心的支持者巴特森在他担任第三届国际杂交育种大会主席所致的开幕词中指出,孟德尔的原理“将在今后所有进化问题的讨论上都会起到显著的作用”,并向大会提议用遗传学(Genetics)一词代表孟德尔定律被重新发现后、蓬勃兴起的新兴学科。1909年,约翰森提议用“基因”(gene)一词代表孟德尔因子,创用“表现型”和“基因型”来描述个体外貌和实际的遗传类型。从此,基因的概念及其行为规律构成了现代遗传学的基础。在孟德尔之后,遗传学沿着两条路径发展,一是遗传类型的统计分析,二是从亚细胞结构来研究遗传的物质基础。当这两条研究路径发生交叉、融合时,遗传学顿时凸现出其在生命科学领域中的重要地位。1885年,德国医生魏斯曼首先意识到遗传是由具有一定化学成分,具有一定分子性质的物质,从这一代到另一代的传递来实现的,并指出染色质是细胞核内最重要的成分。 1903年,萨顿提出来自父本和母本染色体的结合与在以后减数分裂时的分离,是孟德尔遗传定律的物质基础。1911年,摩尔根根据对果蝇的实验研究,提出了“染色体遗传理论”,对遗传学和细胞学的发展产生了巨大影响。然而,“核素”的研究却不如遗传因子的研究那么顺利。20世纪初,科塞尔(1910年,诺贝尔生理医学奖)等人证明了“核素”是由糖、磷酸与嘌呤碱、嘧啶碱等成分组成。后来人们发现,“核素”具有酸性,因此更名为“核酸”。1909年,美国生物化学家欧文发现,核酸中的碳水化合物是由5个碳原子组成的核糖分子。到了1930年,他又发现米歇尔所发现的“胸腺核酸”中的糖分子比塞勒从酵母菌中发现的“酵母核酸”中的糖分子少一个氧原子,因此将这种糖分子称作“脱氧核糖”;含两种不同糖分子的核酸分别称为“脱氧核糖核酸”(DNA)与“核糖核酸”(RNA)。1934年,欧文将核酸分解成许多亚单位——“核苷酸”。这就是说,核酸是由核苷酸组成的。核苷酸还可以进一步分解为嘌呤或嘧啶碱基、戊糖和磷酸。DNA和RNA的发现和早期研究似乎并没有掀起多少波澜,因为它们的发现者们并没有能够很好地说明DNA、RNA与生物遗传基因究竟有什么关系。从1910年代到1930年代,人们并没有将染色质当作是遗传物质的基础,甚至在关于染色质化学的许多论文中,基本不讨论它可那具有的生物学作用。人们一直认为蛋白质才是生命体内主要的遗传物质。

2、DNA是遗传物质的基础

19世纪中叶的两项重大发现,及其产生的科学成果一直保持着各自独立的平行发展,直至75年之后,它们才被科学家“联姻”在一起。1944年,艾弗里(O. Avery)及其同事麦克里奥德(C. Macleod)、麦卡梯(M.McCarty)通过细菌转化实验,直接证明了DNA就是那个被遗传学家们千回百度寻找的基因物质,揭示了基因的本质。1951-1952年,美国科学家赫尔希和德尔布吕克通过噬菌体感染的研究,进一步证实了艾弗里的论点。因为当时对DNA分子结构认识限制,所以艾弗里等人的伟大发现尚未被普遍接受,而与诺贝尔奖无缘。等到诺贝尔奖颁发委员会意识到艾弗里工作的意义时,他早已谢世(1955年)。艾弗里的发现揭示了遗传学与生物化学的特殊关系,从而奠定了生物化学遗传学(Biochemical Genetics)(即分子遗传学)的基础。1946-1950年间,查伽夫对DNA化学性质的研究,改变了当时认为核酸是简单的线性排列的四核甘酸多聚体的观点,指出核酸和蛋白质一样是结构复杂、作用独特的生物大分子。在以上几位科学家所取得的巨大成就的鼓舞下,生物化学家们开始重新考察核酸的结构。

3、伟大的DNA双螺旋

50年代前后,有一批物理学家和化学家正在采用X线衍射技术研究分子结构。美国加州理工学院的鲍林就是其中之一;此外,还有英国皇家学院的威尔金斯(M.Wilkins,诺贝尔奖,1962)和弗兰克林(R. Franklin),他们一直在用此技术研究DNA结构。当时还有两个青年人——詹姆斯•沃森(J. Watson) 和弗朗西斯•克里克(F.Crick)也被吸引到这一研究领域。沃森在大学时期就对鸟类学感兴趣,大学毕业后在美国印第安那大学从事X线对噬菌体的致死效应研究,1950年获得博士学位;1951年赴丹麦留学,后来转到英国剑桥大学研究基因。在那里沃森遇到了年轻的物理学家克里克,当时克里克正在进行蛋白质的X线衍射分析。共同的研究兴趣和科学思想将两人结合到一起,开始研究DNA的结构。受鲍林的蛋白质α螺旋结构的启示,在威尔金斯和弗兰克林工作的基础上,沃森和克里克在1953年提出了DNA双螺旋结构模型(诺贝尔奖,1962)。 1953年4月25 日,世界著名的科学杂志《自然》(Nature)刊登的3篇论文,确立了DNA分子的双螺旋结构模型。第一篇由沃森和克里克提出 DNA的双螺旋模型,另外两篇是威尔金斯与富兰克林等人支持这一模型的X衍射分析实验数据。DNA双螺旋结构的模型有4个重要特点:①DNA分子是由两条成对的链,以双螺旋方式按一定空间距离相互平行盘绕;DNA分子中的两条相对的平行链从头至尾都严格遵守碱基配对原则。②两条长链的方向是相反的。③腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶(T)以两个氢键联结配对,胞嘧啶(C)与鸟嘌呤(G)以三个氢键联结配对。比如,一条链上的碱基排列顺序是TCGACTGA,那么,另一条链上的碱基排列顺序一定是AGCTGACT。这就意味着,DNA中一条链的碱基顺序一旦确定,那么另一条链的碱基顺序也就确定了。④DNA双螺旋结构对碱基顺序不存在任何限制。DNA双螺旋结构模型的建立具有划时代的意义。从此,生物化学发展进入了一个新阶段,生命科学开始了以生物大分子结构与功能研究为主体的分子生物学时期。沃森、克里克和威尔金斯(当时弗兰克林已经去世)也因为他们具有划时代意义的重大发现获得了1962年的诺贝尔生理与医学奖。

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三、启示与思考

1、科学发展需要人类智慧的接力和综合科学的发展需要人类前赴后继的努力。重大科学成就的获得或科学史上**性的转变,都不是一个孤立的事件,而是一个过程。以DNA双螺旋结构的建立为标志的分子生物学**就是一个典型。从孟德尔的豌豆实验,到基因的概念提出;从染色体性质的研究到摩尔根“染色体遗传理论”的提出;从查伽夫的核酸研究到沃森和克里克在威尔金斯和富兰克林实验的基础上确定DNA的分子结构模型,现代分子生物学**的完成经过了数代科学家持续不懈的努力。DNA双螺旋结构的建立绝非偶然,而是科学界长期探索、辛勤工作的结果。现代科学研究既需要科学家强烈的好奇心、敏锐的洞察力、需要个人才智的充分发挥,但同时它也需要科学家的合作精神。回顾DNA双螺旋的发现史,我们发现,在探索DNA分子结构的开,沃森和克里克远远地落后于他们的竞争者——伦敦皇家学院的富兰克林和威尔金斯,落后于美国化学家鲍林。伦敦皇家学院研究小组由于成员之间个人性格上的不相容不能有效地工作,鲍林则由于在研究方法上误入歧途而与成功失之交臂。沃森和克里克两人虽然性格截然相反,但克里克把沃森看作是“我所遇到过的,以同我一样的方式思考生物学问题的第一个人”。而沃森则认为克里克是“我所共同工作过的最聪明的人”。他们两人取长补短,形成“黄金搭档”,幸运地成为DNA分子结构的发现人。克里克曾经写道:“沃森和我没有‘发明’这个结构,它就在那里,等待着我们去发现。我似乎觉得我们两人中无论是谁都不能独立地发现它,但富兰克林已经非常接近这一点了,威尔金斯也会达到这一步。鲍林是否将作第二次尝试,如果是这样,结果又会有什么不同呢?”

2、DNA双螺旋结构模型的建立体现了多学科交叉渗透的成果DNA双螺旋的发现是建立在科技进步、技术储备基础上的。设想,如果没有核酸分离、纯化、结晶和X-线衍射技术,要演绎出DNA双螺旋是根本不可能的。此外,DNA双螺旋的提出是多学科理论知识融合的结晶。仅仅就X射线衍射图的资料分析和综合而言至少融合了化学、物理学和数学原理。所以,分子生物学的理论和应用之所以有今天的成就,关键是它与多门学科的交叉与综合。物理、化学、应用数学和计算机科学的成果共同把分子生物学的研究推向前进。随着分子生物学的深入发展,不断分化的分子生物学各学科又出现了新的交叉与融合。基因组测序产生了浩瀚的数,管理、计算、存储、检索、交换、更新这样的海量数据要求高性能的计算机、安全高速的网络连接、完善的生物信息软件和多个大型数据库的支持。在这些要求的推动下,一门新的学科——生物信息学应运而生。

2、需要密切关注分子生物学的社会影响

分子生物学**不仅使生命科学及其相关领域发生了巨大变化,而且也深刻地影响到人类的社会生活与思想观念,甚至影响到社会文明的前景。迄今,生物技术和遗传工程在农业和医药方面的应用倍受重视。重组DNA技术、转基因技术以及其他遗传工程对基因组的操作将在全球范围产生巨大的影响。在未来世界,绝大多数的食品、燃料、化学原料都将可以是我们通过遗传工程操纵基因组而获得的产品。通过改造家禽家畜和农作物的基因组,可以增强作物抗病、抗虫的能力,提高产量,以及培育新的动植物品种,还可以生产出常规手段无法合成或合成价格昂贵的一些物质。尽管目前还存在很多疑问和困难,例如转基因植物释放到环境中去的安全性问题,但毫无疑问,这一技术在改善全球人口的营养状况、提高健康水平方面,有着无可比拟的潜力。我国是一个农业大国,人多地少,人均占有的土地资源、水资源、能源都十分有限,生物技术给我们提供了前所未有的新希望,在有限的资源条件下大幅度提高农产品的数量和质量,满足人民需要,协助实现可持续发展的目标。在医学领域,从胎儿出生前的诊断到老年性痴呆症的临床治疗,从转基因疫苗到转基因药物,似乎使人们感到可以通过生物医学技术来消除一切病痛。基因治疗一直是近十几年来人们所关注的焦点之一。自从开始基因治疗的临床试验以来,基因治疗的支持者们一直对其前景持乐观态度。然而,到目前为止,在数百个基因治疗试验中,尚还没有获得确切的临床疗效。前不久广为报道的几起基因治疗试验中患者死亡的事故引人瞩目,这是对于基因治疗中的急功近利倾向提出的警告。当然,我们不能由此否定基因治疗在临床医学领域的广阔前景,但却应当以更严格的科学态度来审视它。在另一方面,我们也应当认真地对待在实行治疗过程中可能引起的伦理学的问题,例如知情同意问题以及对生殖系细胞施行遗传操作所涉及的对未来世代的责任问题。这些问题已引发了社会的广泛争议,这也是我们在进行科学研究过程中时刻不敢轻忽的方面。遗传筛查已经成为预测一个人对疾病的易感性的重要工具。这些疾病,尤其是遗传病和先天疾病,常常需要终生的治疗和护理。社会保障制度的建立使得治疗疾病的费用并不一定直接落到家庭或个人的身上,而是由各种形式的医疗保险予以承担。因此,在讨论医学遗传学对社会生活影响的时候,人们更关注的是求职、入学、投保、婚姻、生育等过程中可能遇到的遗传歧视问题。1997年,英国科学家威尔莫特成功地培育出克隆羊多利轰动了全世界。克隆技术的突破是一项重大科技成果,但它也引起了一系列的伦理和法律问题。人们迫切要求国际社会制定有关伦理准则和法律条文,规范这种技术的研究和应用,使它最大限度地造福人类。利用克隆技术、转基因技术可以用来解决目前疾病治疗中的一些问题,如移植器官的缺乏,但是,跨种间的器官移植和转基因治疗,是否会导致某些致死性病毒打破物种界限侵入人类基因组,造成人类染上一些原本仅在动物身上才有的疾病、甚至是新的疾病,是值得我们警惕的。干细胞的研究是人类对抗疾病的又一件新型武器,它可以用来作为基因治疗的载体,替代坏死或变性的细胞,修复组织损伤,甚至更换缺损的器官。由于研究使用的干细胞有一个来源是胚胎组织,各国出于自己的文化背景和宗教信仰,对这一研究工作做出了不同的规定。我国在符合国际公认的生物伦理守则的基础上,从自己的国情出发,发挥我国科学家的聪明才智,将有可能在这一研究上做出造福人类的贡献。生物技术和遗传工程的飞速发展不仅正在改变生物学的面貌,它的影响也波及到社会科学的各个领域。事实上,这些问题正是当前科学与社会互动最为频繁的层面,尤其是人类基因组计划开始实施以后,社会各界广泛参与的争论和反思几乎伴与其研究进程相伴随。实际上,人类基因组计划的社会、伦理和法律问题本身已成为人类基因组计划的一部分。科学知识与人类的哲学思考和社会的价值判断空前复杂地交织在一起。人们已经认识到,解决现代生命科学的问题需要哲学家、社会学家、伦理学家、语言学家、历史学家的参与。与此同时,生命科学的最新进展也给这些学科提供了全新的思考素材。纵览DNA分子模型建立以来的分子生物学,我们看到人类思想的闪光从实验室里迸发出去,引起的反响一波接着一波,扩大到了象牙塔外的广袤世界。

4、主动迎接生物技术世纪和知识经济时代的挑战

放眼世界,知识经济的时代已经来临,在这场知识经济的**中,生命科学是主力之一。目前科学技术产业化的速度不断加快,产学研一体化已经成为科技发展的大趋势。无论在发达国家、新兴工业化国家还是发展中国家,生物技术、新医药产业都以其蕴藏的巨大经济效益和社会效益,引起政府部门和私人投资者的高度重视。在西方国家,基因组研究成果的开发应用现在正越来越多地从政府部门和非盈利机构转移到私人企业的手中,这就意味着这一领域的技术转化今后将明显地受到市场需求和利润的驱动。为了求得高效的回报,这些私人企业通常把研发力量集中在工业化国家发病率最高的几种疾病上面,而不太可能投入人力物力去开发适用于中国或其他发展中国家的诊断试剂、疫苗和药物。有鉴于此,我们必须依靠自己的力量,培养科研队伍,在基因组学的研究中大力开展源头创新工作。尽管我国目前在这一领域起步较晚,经费投入也比发达国家要少得多,但我们在遗传资源上占有很大的优势。我国的人口基数大,疾病谱广,此外很多地区保留有大量相对隔离的人群,农村地区同一家系的成员仍趋向于集中居住,为研究疾病的家族史提供了十分便利的条件。这些有利条件使我们有可能扬长避短,从基因的功能研究出发,从分析病原体的基因组入手,在遗传病研究和基因治疗方面取得原创性的突破。另外,由于基因作为可申请专利的产品,受到知识产权法的保护,西方国家的研究机构为了取得对基因产品的开发权和使用权,已经开展了争先注册基因专利的拚抢热潮。这种局面可能产生的社会后果在西方世界迄今已经引起许多有识之士的忧虑。一些法律专家指出,基因不同于一般的专利产品,每个人的基因组对于他自己都是独一无二,不可替代的。如果一位遗传病患者在接受治疗时需要使用有关自己遗传物质的资料,但又受到专利权规定的限制,不能随意使用这些数据,患者的生命就可能受到威胁。此外,当下的基因注册热潮实际上不是激励、而是阻碍了技术革新的步伐,这有违专利法制定的初衷。专家们提议,通过一些途径对基因注册专利实行限制,其中包括限定基因知识产权的保护范围,使它只作用于基因研究中获得的信息,而不作用于基因的物质实体。在国外的专利法还没有实际修订之前,我们更应加倍注意,保护好我国宝贵的遗传资源,使它作为中华民族的遗产继续属于我们的子孙后代。生物技术时代的到来,为中国科学家提供了施展才华的大好时机。作为生物医学领域的工作者,我们应该围绕我国医学科技发展的需要和卫生工作防病治病的重点难点,将生物技术应用于广大人群的疾病干预措施,力争做到早期预防、早期诊断、早期治疗。优先开发价格低廉适应面广的药物和疫苗。迄今为止,中国在生物医学的各个领域已组织起一支精干的科研队伍,获得了一批重要的研究成果。1993年国家自然科学基金委批准重大项目《中华民族基因组中若干位点基因结构的研究》,1996年863高科技计划批准重点资助《重大疾病相关基因的定位、克隆、结构与功能研究》,这些项目进展顺利。1998年以来,在北京和上海成立了两个国家级的基因组研究中心,我国在全球人类基因组计划中承担的1%测序任务已于2001年4月胜利完成工作草图。2002年,中国科学家绘制出水稻基因组精细图和水稻第四号染色体精确测序图,同年,我国的科学家初步阐明人类细胞衰老的主导基因P16是衰老过程中遗传控制程序的主要环节,这一切表明了我国科学界在发展科学、对人类有所贡献方面的不懈努力。世界卫生组织在2002年发布的一份报告《基因组学与世界卫生》(Genomics andWorldHealth)中,将中国与巴西、印度和亚太地区作为发展中国家的四个优秀典范,称这些国家和地区在基因组学的若干领域培养出了具备世界水平的研究力量。报告还特别指出了中国在人类基因组计划中作出的贡献,并且提到,中国通过发展基因组学研究和相关领域的研究,成立了一批重点研究机构,扩建了基础研究设施,吸引一批学有所成的海外留学人士阶段性回国工作,使国内有关方面的人员通过与高水平的科学家进行密切的学术交流和企业间合作,时刻保持在这个领域的前沿。报告认为,中国的这一作法已显示出巨大的成功。从DNA分子模型建立之日算起,分子生物学已经走过了半个世纪的道路。这半个世纪里,科学技术和整个人类世界都经历了沧海桑田的变化。今天我们又站在一个历史的转折点上,展望未来,充满机遇和挑战。在科学技术进步的大潮中,我们相信,中国一定会实现自己的目标,中国科学家不仅会在分子生物学的研究前沿作出自己的贡献,而且也会创造出更多的生命科学成果造福于人民。

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