翁羽翔：生命体系里的物理——生物物理初步【云里·悟理-第5课】

主讲人

《云里 · 物理》系列微课简介

在这一课，初步给大家介绍一下生物物理学，从孟德尔到摩根的经典生物学开始，到伟大的物理学家薛定谔及其一个思想，再到通过使用众多物理学家智慧结晶出来的技术手段，将DNA分子的结构从猜测到实验验证，以及将蛋白质的高精尖结构解析出来。

如今疫情蔓延，冠状病毒在四处传播，我跟大家一样感到很紧张。那么冠状病毒与物理学有什么关系呢？通过仪器观测，冠状病毒呈红色，表面布满鸡冠花般的突刺。人体中有很多蛋白质，其中一种叫血管紧张素，当其与病毒对应的突刺蛋白结合后，就像一把钥匙开了一道锁，病毒就把人体细胞的防御系统打开了。如果时间倒退150年或者哪怕几十年，科学家都无法像现在这样，在这么短的时间内弄清新冠病毒入侵人体的机制，而且还设计出了针对此蛋白质与病毒的药物来控制病情，这一切其实都离不开物理学家的努力。

新型冠状病毒

遗传基因——

从孟德尔到摩根

01

格雷戈尔·孟德尔是现代遗传学之父。他来自于奥地利，从小便受到家人的熏陶，对园艺和农学有着浓厚的兴趣。他为了谋生，选择传教士作为职业，但并没放弃自己的爱好，在修道院里安安静静地做起了豌豆的杂交实验。在多年的实验中，他观察到豌豆具有某种可相互区分的稳定性状，且分显性性状和隐性性状。比如豌豆苗的高茎和矮茎，这两种豌豆杂交后第一代的都是高茎，这说明高茎是其显性性状，而到了第二代高矮分离，且其比例是3:1。孟德尔通过对豌豆性状的观察，第一次把统计的概念引进了生物学。当时他把影响生物性状的因子称为遗传因子，1909年科学家将其正式命名为基因，这个概念沿用至今。

继孟德尔之后，出现了一位伟大的生物学家——托马斯·亨特·摩根。他发现了基因和染色体之间的关系，是现代实验生物学奠基人。1902 年美国学者提出了遗传基因在染色体上的学说，1888年正式被命名为染色体（染色体因能够被一种染料染色而得名）。1902 年生物学家萨顿通过观察细胞的减数分裂，发现染色体是成对存在的，且和遗传基因有一种平行的关系，推测基因在染色体上。1928 年摩根通过选择果蝇杂交，证实了染色体是遗传基因的载体。果蝇的性状比豌豆多很多，且其繁殖快，便于观察，是研究遗传性状较好的选择，摩根由此写出了对人类产生巨大影响的《基因论》。

显微镜下细胞核中的染色体

在光学显微镜下可观察到细胞核中的染色体，发现染色体是基因的载体，DNA是一种核糖核酸分子。对于人类而言，细胞核里有23对染色体。就单个基因来讲，染色体的平均长度是4微米左右，当时便可通过光学显微镜观察到。而将4微米的染色体解开，将其慢慢拉直能够得到2.15米左右长的DNA。当时并不知道DNA的结构，只知道它是一种遗传物质的载体。这时候物理学要破译生命的密码就出现了两个方向，其一是用物理学的思想照亮探索的前进方向，其二除了思想以外，还要寻找看得见摸得着的实际证据。这时候物理学的手段便至关重要，思想和手段两者缺一不可。

从染色体到DNA

物理学破译生命奥

秘的思想和手段

02

埃尔温·薛定谔作为量子力学的奠基者，提出波动力学方程这一贡献大家都耳熟能详，然而除此之外他也是生物物理学的创始人之一。他第一个提出将遗传物质设定为信息分子的想法，认为遗传是遗传信息的复制。在获得诺贝尔物理学奖后他把兴趣转到了生物物理上，三次到都柏林的三一学院作出演讲，演讲报告著成《生命是什么？——活细胞的物理面貌》一书。该书中他提出了几个观点：第一，基因是一种非周期性的晶体或者固体；第二，将量子力学的概念引入生物领域，认为突变是基因分子中量子力学的跃迁；第三，认为染色体是遗传密码子。这本薄薄的小册子召唤了几代青年物理学家投身到生物物理的研究中去，沃森和克里克提出DNA的双螺旋模型时，就给薛定谔写了一封信，信中说到“亲爱的薛定谔教授，我（克拉克）和沃森一起讨论是如何进入分子生物学这一领域时，发现我们两个不约而同地受到那本小册子《生命是什么》的影响。”

《生命是什么?》

前面提到，在1879年时染色体就已经能在显微镜下被看到，但是却无法再深入观察了，原因是什么呢？因为光的波长决定了光学显微镜的分辨率，其分辨率是波长的一半，用600～700纳米的可见光观察时，分辨率只有0.3微米左右。这种情况下，突破光学衍射极限提高分辨率是摆在物理学家面前的一个重大问题。1895年，伦琴在从事阴极射线的研究时，发现了X射线。当时已经知道阴极射线里有电子，可电子在空气中的穿透深度也就几厘米。然而他在做实验时把放电管封住，在切断电源时，两米开外的荧光屏会亮，这说明其并不是阴极射线，而是一种未知射线——X射线。伦琴并不知道X射线的本质，只能观察到一些衍射现象。这时德国物理学家索末菲通过物理模型估算出未知射线的波长大概10^-10米（1～0.1埃这个量级），他的博士后劳厄想到原子晶格的尺度也在埃这一量级上，提出可以用原子晶体来作为光栅来对X射线进行衍射。索末菲的一个助手弗里德里希将劳厄的想法做成了实验，他用这一未知射线打在硫酸铜晶体上，观察到了衍射的斑点（劳厄斑），这也是劳厄第一次证实X射线具有光性质的波。布拉格父子对劳厄的实验结果特别感兴趣，开始建立模型去计算，他们把X射线当作一种光，在它的衍射或者反射方向上，如果两列波正面相互叠加，就会出现强度增强，如果两个波相位不一样，就会有相互抵消的部分，由此提出了简单漂亮的布拉格方程：nλ=2dsinθ，λ是波长，n是衍射级次，θ是衍射角，d是原子间距。利用巧妙的方式计算晶体的原子间距，比如氯化钠晶体，已知它的密度和原子质量，就能算出两个氯化钠（最近邻离子）之间的距离，大概是2.82埃，再通过布拉格方程便能精确地算出X射线的波长。发现X射线波长在原子级别后，就可以通过实验观测晶体的衍射现象，并结合布拉格方程，计算原子间距，由此科学家发明了劳厄X射线单晶衍射分析仪，又称劳厄照相机。

布拉格衍射公式

花开两朵，各表一枝，前面介绍了X射线的发现与应用，现在我们来讲讲电子的应用。那个时候是量子力学暴发的时代，1900年初期，德布罗意根据光是一种波但具有粒子性，进行反推提出微观粒子也可以呈现波的形式的设想，并写出了德布罗意公式 λ=h/p（λ是波长，h是普朗克常量，p是粒子动量），波长代表波动性质，动量代表粒子性质，德布罗意就这样把波动性和粒子性用一个简单的公式给联系起来了。伦琴发现X射线时大家都知道电子是一种粒子，但并不知道电子有没有波动性。那么我们假设它能像X射线一样，能够通过双缝发生衍射，得到衍射条纹便能证明它就具有波动性。1927年，英国的汤姆孙还有美国的戴维森和革末分别独立地用电子替代X射线来照射镍的单晶，得到了电子的衍射图案。这个实验一箭双雕，它一方面揭示了电子具有物质波的性质，延伸为微观粒子具有波动性；另一方面证明了德布罗伊的假设——粒子具有波粒二象性，对微观世界都适用，这个工作当之无愧获得了1937年诺贝尔奖。

X射线

知道电子的波长大概就是跟晶格常数一样在埃的量级，那么突破光学衍射极限便有了方向。既然电子的波长那么短，如果用电子束来替代光束，便可以制造一个分辨率更高的显微镜。这时候德国工程师恩斯特·鲁斯卡化想法为实践，制造出了世界上第一台电子显微镜。通过画出电子显微镜的光路图，会发现电子走的路线跟光学显微镜中的光线是一模一样的，唯一不同的是不能用玻璃而应该用磁场来让电子进行偏折和聚焦，所以在电子显微镜中磁透镜替代了光学显微镜里的玻璃透镜。这个电镜的效果还不是太好，于是德国的西门子公司加入了鲁斯卡和波里斯这个团队，帮他们改进制作了两台电子显微镜。改进后的电子显微镜，功能更加齐全，一下子把放大倍率提高到了3万倍。

正所谓上阵亲兄弟，打仗父子兵，这两台仪器他们一台自用，另一台留给了恩斯特·鲁斯卡的弟弟——哈尔墨特·鲁斯卡。哈尔墨特·鲁斯卡用这台电镜解决了当时生物学家最感兴趣但一直头疼的问题，即观察病毒的具体形态。第一张用电子显微镜观察到的病毒是一种针形冠状病毒，大概长为300纳米，直径为15纳米。有了这个观测手段，科学家就迫不及待地开始解析 DNA和蛋白质的结构。前面已经提过DNA是遗传密码的载体，具有重要的生物性质。

1939第一张病毒（烟草花叶）电镜照片

在英国的卢瑟福实验室，佩鲁茨实验组的研究方向是蛋白质的X射线衍射，克里克和沃森在这个组里面比较特别，擅于提出模型结构。他们通过X射线衍射出的第51号 DNA的照片，提出了 DNA的双螺旋结构模型，这个模型在当时引起非常大的轰动。这个DNA的衍射图其实是罗莎琳德·富兰克林通过实验做出来的，也得到了相应的实验数据，她是一朵早谢但不该凋谢的玫瑰。在当时的DNA研究领域，美国的鲍林提出了三螺旋结构，罗莎琳德·富兰克林就写信告诉鲍林他的模型是不对的，包括沃森和克里克他们提的模型也是不对的，但由于竞争的关系，她无法提供照片给他们。这时与富兰克林同实验室的威尔金斯偷偷摸摸地把这个照片提供给了沃森和克里克，凭此他们在《Nature》上发表了关于DNA结构的文章，沃森、克里克和威尔金斯他们三个人也因此获得了诺贝尔奖。我们现在认为威尔金斯并不够格获得诺奖，但是那时富兰克林已经去世了。最不应该的是沃森他们所引用的数据却并没有署富兰克林的名字，而沃森在几乎没有接触过罗莎琳德·富兰克林的情况下，在回忆录《双螺旋》这本书里面把富兰克林塑造成一个性格乖僻、目中无人的女巫形象，刻意对她的贡献进行了贬低。希望后人知道关于DNA结构的学术成就时，不要忘记富兰克林的贡献，世人欠她一个诺贝尔奖。我觉得在科学研究里面，不但要做出学术贡献还要讲究学术道德。

第51号照片

在DNA双螺旋模型提出后，物理学家、科普作家、提出大爆炸模型之一的天文学家伽莫夫立马就在《Nature》上发表了一篇文章，他按照双螺旋模型思考怎么样通过四个碱基A、G、C、T组成的 DNA对应去编码20种氨基酸。他画了个表格，A、B、C、D、E、F、G…一直画下来，列出了一个4×5的表格，他发现要得到20种氨基酸最多用三个碱基就能够进行编码。用排列组合来计算，进行全排列，如果我们4个碱基同时用上只用一个的话，只能排出4个编码（4^1=4）；如果用上两个，4×4=16个（4^2=16），还不能够编码20个氨基酸；那么最少可以用到三个，4×4×4 =64个 （4^3=64）。通过这么简单的数学就提出了三联密码子的概念。

那么DNA作为遗传物质的缺陷在哪呢？我们看到核酸是在细胞核里头，由于DNA没有办法到核外去，而蛋白质却是在核外的细胞浆中被合成的，这意味着信息从核内的DNA被传递到核外头的胞浆里，肯定有一种特别的传递物质。1961年，查柯柏和莫洛德提出了信使RNA的概念，顾名思义，信使RNA能把DNA里的信息传递出来，这个信使RNA的序列应该是跟DNA的序列对应的，并且决定了蛋白质合成的序列。这时克拉克参与了他们的实验，克里克和布伦纳在实验上得出了三个核苷酸编码一个氨基酸的结论，证实了遗传密码子或三联密码子的概念。

从 DNA 双螺旋模型

到遗传中心法则的提出

03

这时得到了遗传学中的中心法则，这个中心法则在1958年克里克已经提出来了，他又在1970年《Nature》的一篇论文里面重申了一遍。这个遗传的中心法则指的是信息从DNA传给RNA，再从RNA传递给蛋白质，就完成了遗传信息的转录和翻译过程；DNA传给DNA，就完成了DNA的复制过程。所有的细胞结构生物学都遵循了这一个法则，但是有一些病毒的遗传物质是RNA，RNA可以把信息逆转录给DNA，也可以进行RNA自我复制，这个过程是对中心法则的补充。

有了DNA，再来了解RNA的合成过程，RNA是通过RNA聚合酶转录成信使RNA。双螺旋结构解开时，以它一条链为模板、三磷酸核糖核苷为底物通过磷酸二酯键合成RNA。RNA聚合酶把DNA的双链打开，单个碱基与DNA单链一个一个地配对聚合，信使RNA合成后，再释放出来，得到了一段完整的带有DNA遗传信息的RNA。有了这段RNA的信息以后，DNA的信息就被转移到细胞浆里头去。合成蛋白质的过程，光有遗传信息的 RNA还不够，还需要一种叫转运tRNA（t是transfer的缩写）的物质，它在核糖体上共同参与了蛋白质和多肽的合成。在蛋白质的合成过程中，核糖体和信使RNA组合起来像拉链的结构一样，先从信使RNA上面的前三个密码子读出来一个信息，然后tRNA就把包浆里面的对应的氨基酸给搬运上去，第一个氨基酸固定下来后，该点位释放出来的tRNA又回到这个溶液中去继续搬运对应的氨基酸，第二个氨基酸与第一个连接到一起，第三个，第四个重复…组成了一条多肽链。

遗传中心法则

蛋白质结构——

X射线晶体结构解析

04

现在遗传物质传递的整个过程我们已经介绍清楚，从信息转录到氨基酸搬运，以及整个多肽链的合成。然而，解析蛋白质的结构才是最大的一个挑战。因为DNA双螺旋结构并不需要去分辨原子尺度的分子结构，你只要知道它是双螺旋结构就行了。但是探测蛋白质的结构，需要知道原子确切的位置。这时候沃森和克里克的老板佩鲁茨出马了，他想要获得能够做X射线衍射的蛋白质晶体，他首先想到血管里面有大量的红细胞，红细胞破裂后可以得到肌红蛋白和血红蛋白两种蛋白质。提纯得到血红蛋白晶体后，通过观察发现它的氨基酸排列中间有个亚铁离子，我们知道这个蛋白质的结构后，就了解到氧气在血液中的运输机制：在血液里，一个红细胞出来，氧气进去以后并不是跟氨基酸结合，而是跟蛋白质里面的配合物亚铁离子结合，然后再输运到别的地方去。整个过程把氧气是怎么与蛋白质结合和在血液中输运的机制解释的非常清楚。对于现在的科技水平而言，只要你长出蛋白质晶体，基本上都可以机械化地去进行操作和分析。

 1957年第一次准确得到蛋白质大分子的三维结构：肌红蛋白

那么问题又来了，人体中的很多蛋白质是长在膜上的。比方说冠状病毒突刺蛋白的受体蛋白就是长在细胞膜上，而且这类蛋白质的水溶性特别差，呈疏水性，在水溶液中获得蛋白质几乎是不可能的事情，这一点都已经被写进教科书里了。当时德国物理学家兼化学家哈特穆特·米歇尔不信邪，在生长紫红蛋白晶体时，他发现一种胶原状的蛋白，这说明了不溶于水的蛋白也可以被生长出来。来经过很多年的努力，他们把紫细菌光合反应中心从膜质上给分离出来，最后非常成功地长成了蛋白晶体，得到了世界上第一个膜蛋白晶体结构。这个结构于1986年发表，1988年就获得了诺贝尔奖。这个工作拉开了膜蛋白三维结构生物学的序幕，知道了膜蛋白的结构，很多与细胞与生物相关的问题就迎刃而解了。

紫细菌光合反应中心

但是获得膜蛋白晶体依然是非常难的一件事情，对于物理学家而言，我们需要思考怎么去把生物学家从生长蛋白质晶体里面解放出来。其中最理想的方法，就是不需要晶体，而是通过单个的蛋白质颗粒，就能够解出其分子结构。于是设想改进X射线衍射法，以前X射线都是连续入射的，现在只要把X射线做成飞秒（10^-15秒）脉冲，让X射线打在蛋白质上，一个分子上打一枪，X射线就能把蛋白质分子上的电子给打飞掉发生衍射。因为打飞到库伦爆炸还没有发生的时候，我就把这个衍射斑点给实现了，这时候原则上只要有单个的分子颗粒就可以了。

物理学最新方法

05

花了这么长时间，从电子衍射讲到电镜突然中断了，回过头来我们来继续讲电镜。2017年的诺贝尔化学奖授予了冷冻电子显微镜技术，冷冻电镜技术与X射线法解晶体结构相比是生物领域一个迟到的春天。生物电镜分辨率长期在6~8个埃之间的徘徊，这个尺度能分辨一些粗糙的结构却又不能得到清晰的原子空间排列。那么冷冻电镜为什么等了这么多年才实现呢？巧妇难为无米之炊，冷冻电镜需要高精度的仪器和先进合理的数学方法，只有CCD板跟上去了，数学方法跟上去了，冷冻电镜才得以实现。冷冻电镜的观测原理其实很简单，将样品溶液扑在铜网上面，再快速地进行冷冻把样品固定下来，就可以看到一个圆的三维结构，从各个方向去做它的投影衍射图，然后再把投影图拼起来通过数学上傅里叶变换把相位返回去，拼出来一个三维电镜重构的办法。如今冷冻电镜的分辨率已经达到了2埃，已可以与 X射线的分辨率相互比拟了。不过它最大的优势是不再需要去长单晶，大大的解决了目前的很多生命科学的问题。这也是我们看一些报道，比如冠状病毒蛋白的受体结构，都是由冷冻电镜解析出来的而不是X射线法解析出来的原因。除此之外，冷冻电镜在生物这个领域里面还大有用武之地。

电镜重构方法

通过这一讲座，大家能够看到生物学应该是为物理学提供了非常广泛的研究领域，物理学同样为生物学提供了强大的思想和技术方法。在分子层面上，人类对生命奥秘的探究也就才100多年的历史，物理学在生命科学领域，还有极大的用武之地。目前还有很多没有被解决的问题，我们期望同学们将来能够给“生命是什么”带来全新的一个答案。作为物理学的老师我也非常希望你们将来能够到中科院物理研究所软物质实验室，来从事生物物理学方向的研究。