双螺旋的发现与生物学的统一

yuhaizju 2017-06-05

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导言：

双螺旋的发现和遗传密码的破译是20世纪激动人心的大事。在生物学的这个发展过程中，洛克菲勒基金会对分子生物学研究的资助以及大批物理学家向生物学的转移对分子生物学的发展起到了重要的推动作用。两位年轻的热血青年——克里克和沃森在薛定谔的感召下，踏上了分子生物学研究的征程。他们成功搭建了DNA双螺旋模型，这既是天时、地利、人和的结果，也是分子生物学几十年发展的必然。双螺旋的发现，不仅揭示了遗传的奥秘，而且促进了生物学的统一。

撰文 | 李建会（北京师范大学哲学与社会学学院）

责编 | 王静、小雨

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James Watson（左）、Francis Crick（右）与DNA双螺旋模型的合影

20世纪有很多发现是由年轻人做出的，然而像沃森这样如此年轻就做出如此巨大的成就却是不多见的。他及他的合作者克里克的成功可以说是分子生物学几十年发展的必然结果。

1 物理学家步入生物学

探讨基因的分子本质并不是轻而易举的事，它不仅需要生物学的知识，而且需要物理学和化学的技能和方法。因此，生物学的进一步发展，迫切需要精通物理学和化学的人才。1932年，量子物理的先驱玻尔作了题为《生命和光》的演讲，表现出对生命奥秘的极大兴趣。玻尔的学生德尔布吕克继承和发展了玻尔的思想，试图用新方法来研究生命。他组织的声名远扬的噬菌体研究小组以及由他开设的充满新思想的冷泉港课题吸引了大批的科学家。科学研究是需要资金的。20世纪30年代，洛克菲勒基金会对分子生物学的支持对生物学的发展起到了巨大的推动作用。分子生物学作为一门学科在20世纪30年代并不存在。“分子生物学”这个术语是维维尔（Weaver）在1938年的洛克菲勒基金会年度报告中首次引入的。维维尔报告的最重要一点是指出，生物学的发展必须用到大量的物理技术。布拉格和德尔布吕克等，都受到过洛克菲勒基金会的支持。

洛克菲勒基金会

物理学转向生物学的另一个重要原因与第二次世界大战有关。20世纪40年代初，令人恐怖的第二次世界大战使欧洲的上空硝烟弥漫，也使大批的年轻人或者走上战场，或者从事军事技术的研究。二战结束后，物理学家们普遍感到一种“职业不适症”。原子战争的幽灵和物理学所可能导致的毁灭作用引起了许多物理学家们的普遍反感[1]。西拉德是西方提出并实施物理学裂变理论的第一人，曾密切参与“曼哈顿工程”。原子弹在日本爆炸后，他一直感到很内疚，试图通过转向生物学开释自己的良心。维尔金斯、伯格等转向生物学也都与原子弹有关。也有一些物理学家转向生物学是由于他们感到量子物理学大发展的黄金时间已经过去，余下的工作即使必要，也不过是改正理论的细节之类不大振奋人心的工作。于是便产生了疏远传统科学的情绪。恰在此时，量子力学的创立者玻尔和薛定谔对生物学的见解为大批的物理学家指明了新的研究方向。

1945年，量子力学的奠基人之一、著名的物理学家薛定谔出版了一本题为《生命是什么？——活细胞的物理观》的书。他自己用物理学的概念分析生命现象，试图为解释生命系统内所存在的特殊性、有序性和基因的本质提供线索。

Erwin Schr?dinger

《生命是什么？》（英文版，1948）

薛定谔的新探索向人们展现出了诱人的生物学前景，吸引了一大批有创造力、甚至是有浪漫倾向的物理学家。就这样，在生物学翘首以待的时候，薛定谔的著作成为一个契机，召唤着许多物理学家从事生物学研究。许多物理学家在读了薛定谔的著作后，无不着迷于其新奇的思想。为了从生命现象中发现新的规律，许多人义无返顾地走上了探索生命的道路。著名的生物学家沃森、克里克、威尔金斯等都是如此。发现双螺旋的沃森曾说：“从读到《生命是什么？》的那一刻起就急于阐明基因的秘密。”[1]

2 DNA的X-射线研究

用物理化学方法研究生命在当时形成了三个学派：一个是结构学派，主要关注于生物大分子的结构；一个是信息学派，主要关注于研究基因所决定的遗传信息如何表现出来的过程；一个是生化学派，主要关注于生物分子在细胞代谢和遗传中的相互作用。这些学派在相当长的时间内很少来往。但是在涉及生命物质的遗传本质的问题上，它们终于相遇了[1]。

结构学派起源于用X射线研究分子的结构。布拉格父子可以说是X射线晶体学之父，他们因为在这方面的开创性工作相继获得诺贝尔奖金。后来，他们的学生阿斯伯里开始用这种方法探讨生物大分子的结构，由于他在生物大分子结构研究上的突出贡献使他成为“结构学派”的鼻祖。开始人们主要探讨蛋白质的结构，到20世纪50年代初，几乎所有结构学派的成员都在注视着DNA的X射线研究的成果。

威尔金斯是DNA结构测定会战中的主力之一。威尔金斯是物理学家兰道尔的学生。在第二次世界大战前，他跟随着兰道尔研究晶体的荧光现象以及电子的运动。大战期间，他参加了曼哈顿计划，为研制原子弹而工作。战后，威尔金斯与他的老师兰道尔一起都为薛定谔《生命是什么？》的著作所影响，投身于基因的研究。他在伦敦成立了一个研究小组，采用X射线衍射技术潜心研究DNA的结构，1951年，威尔金斯已经认识到DNA的螺旋结构，并测到了一些数据，但由于各种原因，他们没有成功。

Maurice Hugh Frederick Wilkins

在这个关键时刻，一位年轻的女物理学家弗兰克林参加了这个小组。弗兰克林是英国剑桥大学毕业的第一流高材生，是一位多才多艺的科学家，在X射线结晶学上有特殊的才能。她的到来使威尔金斯小组的实力大大加强[2]。1951年弗兰克林获得了一张非常出色的DNA衍射的照片，但遗憾的是她没有从中引出正确的结论。

Rosalind Elsie Franklin

DNA衍射图谱

当时，威尔金斯与卡文迪许实验室的一位研究生克里克有着非常密切的关系。克里克因为第二次世界大战耽误了学业，战后因为受到薛定谔著作的影响转向生物学的学习研究。当他开始从事生物大分子结晶学研究时已经33岁了。在科学事业上，以这样的年龄改行从事一个完全陌生的事业，显然没有足够的勇气和炽热的事业心，是决不敢冒此风险的。1951年10月，美国信息学派的年轻的生物学家沃森来到了剑桥大学的卡文迪许实验室，正好与克里克在同一办公室工作。这实在是一种历史的巧合。由于学术思想上共同受到薛定谔的影响，都对遗传的本质问题有浓厚的兴趣，所以他们一见如故。从此开始了遗传学史上最富于成效、最激动人心的合作。

沃森，1928年出生于美国的芝加哥，从小聪明好学，15岁时进入芝加哥大学学习动物学。大学毕业后，他计划到哈佛大学或加州理工学院攻读博士学位，但遗憾的是这两个学校都没有录取他，所以他又申请到印地安纳大学学习，结果他成了诺贝尔奖金获得者穆勒的学生。但是当他到达印地安纳大学不久，他发现生物学界研究果蝇的大好日子已经过去，许多优秀的年轻人正在研究微生物，所以在衡量了什么是最有希望从根本上促进生物学的发展的思考之后，他毅然决然地决定转在卢里亚的手下工作，卢里亚后来也是诺贝尔奖获得者。由于卢里亚的建议，沃森投入到了噬菌体小组的研究工作。沃森工作得很出色，22岁时他就获得了博士学位，并且在这个小组中已经小有名气。

1951年他到欧洲那不勒斯开会，听到了威尔金斯有关DNA的X射线结晶学研究成果的报告，他受到了极大的吸引，决定立即到英国工作。没过多久他就获准在英国的剑桥从事这方面的研究[3]。

3 站在巨人肩上

在沃森和克里克着手研究DNA时，远远落后于他们的同行。但最终结果是他们的同行都输给了起步较晚的没有名气的沃森和克里克。他们成功的奥秘是天时、地利、人和的结果。所谓天时是指，当时的生物学发展为DNA结构的最终确定作了必要、充足的准备。当时，人们已经清楚了DNA分子的基本组成，弗兰克林等人已经推测出DNA分子有多股链，呈螺旋型等特点，离DNA双股链的螺旋结构只有一步之遥。

所谓地利是指沃森和克里克所处的学术环境是世界上一流的。闻名于世的剑桥大学的卡文迪许实验室拥有世界上X衍射分析的最高声誉，不仅有最好的仪器设备，还能及时获得各方面的研究资料。他们所处的环境还能使他们经常接触一流的学者。

所谓人和是指他们能精诚合作，频繁地与各方面有关学者接触请教，取百家之长，经常进行广泛而慎重的讨论。

1952年6月，生物化学家查哥夫访问剑桥，沃森和克里克向他请教，从查哥夫那里，他们得到了DNA分子中嘌呤和嘧啶碱基1∶1的正确比。后来，他们由此想到了碱基的配对问题。

1952年底，关于DNA结构的研究进入了紧锣密鼓的阶段，美洲的结构学派也向DNA的结构发起了冲击。鲍林在1952年的最后一天向美国科学院发表了他的DNA三链模型，鲍林模型把DNA的密度计算过高，也有一些明显错误。1953年2月6日，沃森和威尔金斯对鲍林的模型进行讨论，威尔金斯向沃森第一次显示了弗兰克林一年半前所获得的一张极好的DNA的X衍射照片[3]。这使沃森很受震动，因为他从来没有看到过如此清晰的DNA照片。这张照片使他立刻领悟到DNA 肯定具有螺旋结构，并且是双链的。

沃森和克里克立即着手建立DNA的双链模型，在建立DNA结构模型最关键的时刻，他们又请教了在同一办公室工作的美国化学家多纳休[3]。在此之前，沃森和克里克一直使用了一种错误的碱基形式，所以很难说明氢键的形成。当多纳休指出他们的错误，并给出正确的碱基形式时，他们两人豁然开朗。至此，DNA分子双螺旋结构的模型已经完整地呈现在他们的面前。他们的模型还没发表，就立即传遍了世界各地。3月7日欧洲的结构学派成员，布拉格、肯德鲁、威尔金斯等人都来参观这个模型。美国的德尔布鲁克、鲍林也都写信对这个模型表示赞同。4月25 日在布拉格和兰道尔的安排下英国的《自然》杂志发表了三封来信，一封是沃森、克里克提出的双螺旋模型，另外两封是威尔金斯和弗兰克林等人出示的支持双螺旋模型的证据。

就在沃森和克里克提出DNA的双螺旋模型之后几个星期，在给《自然》杂志的第二封信中，他们设想了DNA分子的半保留复制模式，即DNA分子首先解螺旋，然后分别以DNA的一条链为模板，按碱基互补配对原则，合成两条新的与原来一模一样的DNA链。

DNA中碱基的结合方式

这是他们导演的生物学革命上的又一壮丽的一幕。遗传学上“种瓜得瓜，种豆得豆”的现象，终于在分子水平上得到了说明。

1962年，克里克（左）、威尔金斯（中）、沃森（右）共同分享了诺贝尔生理奖或医学奖

4 生物学在分子水平的统一

双螺旋的发现不仅揭示了遗传的奥秘，而且促进了生物学的统一。DNA模型告诉人们遗传信息都写在DNA这本“书”里，是它决定了病毒为什么会成为生命的“瘟疫”，细菌为什么那么善变，老鼠为什么生来就会打洞，马为什么跑得那么敏捷，人为什么会成为万物之灵等等。然而它是如何决定生物性状的呢？即是说DNA是如何决定蛋白质的合成的呢？

不过在20世纪50年代，要破译这些密码还为时过早。为解决这个问题，人们还必须清理一下手边所有关于蛋白质合成的材料。从DNA到蛋白质的合成是一个巨大的系统工程，经过了近十年的积累，60年代初，人们终于获得了足够的材料来破译生命密码了。

美国生物学家尼伦伯格首当其冲。1961年他用人工合成的RNA模板，进行无细胞蛋白质合成，以破译人们已经设想的遗传密码。他合成了一种只含尿嘧啶的多聚核苷酸，以它为模板合成蛋白质，结果产生了一种只有苯丙氨酸组成的蛋白质。这表明UUU就是苯丙氨酸的密码。这一成功非常令人振奋，许多生物学家开始投入到破译遗传密码的工作，到1967年，64个遗传密码全部得到破译。