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DNA双螺旋结构的发现过程

来源:未解之谜网时间:2021-01-07 14:37:26编辑:最记录: 手机版

  DNA双螺旋结构的发现过程:科学技术的发展在增进人类认知与智慧的同时,也极大地改变了我们的生活,推动着社会的进步。自1901年以来,一年一度颁发的诺贝尔科学奖广受瞩目,它们授予的自然科学之重大发现和科学方法之重大发明,当属最高层次的创造性智慧,其获奖者亦堪称人中翘楚、科学精英。从本期开始,“探索发现”栏目将陆续登载诺贝尔科学奖得主的人生故事,敬请读者朋友垂注。
  距今整整63年前的那个春天,詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克这两个初出茅庐的年轻科学家构建出DNA结构模型,轰动世界。这是20世纪下半叶最重要的科学发现,也是生物学自达尔文提出物种起源理论以来最重要的进展。围绕这一事件,有许许多多让人意想不到的曲曲折折,也有颇多耐人寻味之处。

DNA双螺旋结构的发现过程

  染色体(计算机模拟图)
  “突破”前夜的困惑


  当第二次世界大战临近结束的时候,一门把生物学、化学和物理学融合在一起,从分子水平上研究生命现象物质基础的学科—分子生物学,渐渐地有了一个雏形。
  1944年,奥地利物理学家埃尔温·薛定谔在《生命是什么?—活细胞的物理学观》一书中,非常清楚地表达了一个信念:生命的基本特征就是能够储存和传递信息,亦即遗传密码能够代代相传。基因是活细胞的关键组成部分,要懂得什么是生命,就必须知道基因是如何发挥作用的。

  生物学家将“承载遗传信息的最小单位”称为“基因”,可当时没人知道基因到底什么样,它“寄存”在哪里?当时,细胞核中的染色体已被证实在遗传过程中起到关键作用,它主要由脱氧核糖核酸(DNA)和蛋白质组成,而染色体中蛋白质要比DNA多一些。

  此外,已通过细菌转化实验证实:远不如蛋白质来得复杂的DNA,实际上竟然是细胞中的一种遗传物质,它在决定遗传性状上扮演着主要角色。进一步的研究表明:所有的生物都包含DNA分子,即储存制造蛋白质的遗传指令分子。
  这意味着,要解开基因本质之谜—基因是由什么组成的?它们怎样精确地复制?又如何控制(至少是影响)蛋白质的合成?—就必须对DNA的化学及物理构造有更多的了解。


  两个天才的相遇


  1950年秋,22岁的“神童”詹姆斯·沃森从美国印第安纳大学取得遗传学博士学位后,拿到一笔研究奖学金,去往哥本哈根大学,从事生物化学方面的研究工作。1951年春,他受邀到意大利那不勒斯参加一个有关生物大分子结构的学术会议。在这次会议上,伦敦国王学院的物理学家莫里斯·威尔金斯展示了DNA的X射线衍射图片。沃森看后深受启发,意识到:假使基因能像一般化学物质一样被结晶出来,那就一定可以用通常的化学、物理方法测定其结构。

  那一瞬间,沃森突然对化学产生了很大的兴趣,并且萌生了与威尔金斯进行合作研究的念头。几个月后,沃森设法变更了自己的学习计划,来到英国剑桥大学卡文迪什实验室,并在那里遇到了刚从物理学领域转型、虽起步较晚但一心想在交叉学科上有所作为的生物学研究生弗朗西斯·克里克。

  这两个知识背景不同、相差12岁的年轻人一见如故,发现彼此的兴趣、思维方式和行为做派都惊人的相似。他们很快就擦出了智慧的火花,决计携手合作,以建模方式确定DNA结构。



  起初,这两个名不见经传、专业基础也不甚牢靠的“闯关者”,对于能否斩获成功并没有什么把握。不过,他们愿意“赌”一把,拼一拼。
  不错,像许多科学发现一样,DNA结构的发现也有多种可能的途径。即便有些科学家有着相同的想法,但他们解决问题的办法却可能各不相同,不同的方法决定了谁将最先实现目标;而且,往往是谁先发表了论文,谁才能最终赢取发明、发现权。


  一对冤家的纠结


  这一时期,就在同一个伦敦城里,沃森与克里克最大的竞争对手、同处伦敦国王学院同一个研究小组的威尔金斯与罗沙琳德·富兰克林,也在紧锣密鼓地寻思、鼓捣DNA结构,而且他们手中握有与之密切相关的独门“利器”—X射线衍射装置。

  但是,与沃森与克里克这对心灵相通的“黄金搭档”形成极大反差的是,威尔金斯与富兰克林之间的关系势同水火,几乎到了不理不睬、恶语相向的地步。

  DNA对富兰克林而言,只是一种实验材料。1952年前后,她已通过实验证明,DNA根据水分含量的差别分A型和B型两种形式存在。谨慎的天性使富兰克林的工作进展缓慢,她在不断地完善DNA的X射线衍射图谱,并独自进行数学解析。1952年5月,她终于获取了一张极其重要的图谱。遗憾的是,当时她并没有认识到这张图谱的重要性。她始终也不敢相信DNA在任何情况下都会呈螺旋形,而是以为这种形状只是特殊条件下出现的一种特殊情况。

  在大洋彼岸的美国,化学界声名显赫的大人物、化学键理论的奠基人莱纳斯·鲍林,是沃森与克里克更为强劲的一个对手。在人们心中,他是最有可能率先做出正确选择、解决DNA结构问题的“大拿”。1953年1月中旬,一直在有意识地跟鲍林之子彼得套近乎的沃森,直截了当地向他这位铁哥们问询,他老爸最近在家信中可曾透露过什么研究新信息?半个月后,沃森与克里克从彼得手中拿到一份父亲寄给他的关于DNA结构的手稿,大吃一惊,心当即就沉下来了。

  此时,一场围绕DNA结构之谜而展开的激烈竞争,已然到了白热化的程度。

DNA双螺旋结构的发现过程

  富兰克林

DNA双螺旋结构的发现过程
  DNA的X射线衍射图谱

  道破天机的图片


  可是,认真读罢鲍林手稿,沃森与克里克马上就松了一口气。原来,鲍林提出了一个以糖和磷酸骨架为中心的三链螺旋结构,这恰恰是此前不久他们也曾设想过、但已被证实不对的玩意。鲍林误入歧途了,并且还犯了“忘记化学基本常识”的错误。


  几天之后,沃森面见富兰克林,向她通报了鲍林模型之误。富兰克林的反应令沃森感到十分奇怪。他们吵了起来,不欢而散。
  随后,沃森会见了威尔金斯,后者给他看了一些新的X射线照片,其中包括由富兰克林拍摄、一直秘而不宣的一张DNA之B型X射线衍射照片。看到后一张照片时,沃森“惊得下巴差点掉了下来”,“心跳也加快了”。很显然DNA模型应该是双链,因为重要生物对象都是成对出现的。威尔金斯此举,富兰克林毫不知情,后人评价:“如果这不是一次无私的为了科学进步而分享信息的举动,那也应该算是一次愤怒的报复行为。”


  再说,备受激励的沃森与克里克随即展开新一轮建模工作。广揽信息所收获的两个关键点大大简化并推动了他们的进展:一是对含氮碱基结构的更深了解,二是对这些碱基如何配对的深刻洞察。他们最终揭示出:DNA分子具有双螺旋梯形结构,每级梯级就是一个碱基对,碱基对的排列顺序就代表了DNA中存贮的信息。他们撰写的千字论文发表在1953年4月25日的《自然》杂志上。

  一个新的时代开始了。


  弗朗西斯·克里克简介


  弗朗西斯·克里克(Francis Crick,1916-2004),英国生物学家、物理学家和神经科学家。早年在伦敦大学学习物理,“二战”爆发后到英国海军部研究制造水雷,战后进入剑桥大学从事蛋白质晶体结构的研究。晚年的研究兴趣转向神经科学,尤其是意识问题的研究。著有《惊人的假说:灵魂的科学探索》和《狂热的追求:对科学发现的个人见解》等。


  詹姆斯·沃森简介


  詹姆斯·沃森(James Watson,1928-),美国生物学家。早年在芝加哥大学、印第安纳大学学习。1953年和弗朗西斯·克里克发现DNA双螺旋结构。1962年与克里克、莫里斯·威尔金斯三人获得诺贝尔生理学或医学奖。他还是人类基因组计划的倡导者和主持人。著有《基因的分子生物学》《DNA:生命的秘密》和《双螺旋:发现DNA结构的个人经历》等。




  沃森和克里克童年趣事


  沃森小时候异常聪明好学,他有一个口头禅是“为什么?”,大人们简单的回答常常不能满足他的要求。他通过阅读《世界年鉴》记住了大量的知识,因此在参加的一次广播节目比赛中获得了“天才儿童”的称号,并赢得100美元的奖励。

  沃森用这笔钱买了一个双筒望远镜,专门用来观鸟,这也是他和父亲的共同爱好。他曾经的理想,是能够成为一名自然历史博物馆中鸟类馆的馆长。

  克里克小时候的家庭条件不错,但父母都没有什么科学基础,他对于周围世界的知识,是从父母给他买的一套儿童百科全书获得的。这一系列出版物在每一期中都包括艺术、科学、历史、神话和文学等方面的内容,并且十分有趣,克里克最感兴趣的是科学。他吸取了各种知识,并为知道了超出日常经验、出乎意料的答案而洋洋得意,自认为是一块做科学家的料。

  “能够发现自然的奥秘是多么了不起啊!我一定要成为一名科学家!”克里克常常想。可是,渐渐地忧虑也萦绕在他心头:虽然未来看起来还很遥远,但等到我长大后,会不会所有的东西都已经被发现了呢?少年克里克把他的这种担心告诉了母亲,一向看好他并深信他才能超群的母亲向他保证说:“别担心!宝贝儿,还会剩下许多东西等着你去发现呢!”


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