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摘 要: 通过对DNA分子结构发现案例的梳理,探讨科学发现过程中一些重要的因素。认为: 强烈的兴趣与执着的追求、敏锐的洞察力、密切的合作与协同、充分的学术思想交流和科研 信息获取、各种科学研究方法的熟练运用等要素是现代科学做出重大发现所必备的。
关键词:科学发现;洞察力;合作与协同;学术交流
中图分类号:N031文献标识码:A文章编号:1672-1101(2010)02-0100-05
Research on the essential elements in
the process of scientifi c discoveries
——from the discovery of molecular structure of DNA
BU Xiao-yong,MAO Jia-xing
(Department of Humanity and Social Sciences,Anhui University of T echnology and Science,Wuhu,Anhui 241000,China)
Abstract:Through analyzing the discovery process of molecular s tructure of DNA, this paper discovers some important elements in the process of scientific disco veries,holding that strong interest and clinging pursuit,acute insight,tightcooperation and coordination,sufficient intercommunion in research and attainme nt of scientific research information,as well as adept use of all methods of sc ientific research are necessities in crucial discoveries in modern science.
Key words:scientific discoveries;insight;cooperation andcoordination;intercommunion in research
1953年4月,詹姆斯•沃森(James Watson 1928～)和弗兰西斯•克里克(Francis Crick 191 6～2004) 提出了DNA(脱氧核糖核酸)分子的双螺旋结构[1]737-738。 他们俩人通过解释英国物理学家莫里斯•威尔金斯(M.H.F.Wilkins 1916～2004)和罗莎琳 德• 富兰克林(Rosalind Elsie Franklin 1920～1958)的DNA分子晶体X射线衍射图谱,提 出了 DNA双螺旋的三维结构模型,并且他们的这一结论为此后的科学实践所证实。为此,科学界 为了奖励沃森和克里克对分子生物学的贡献,他们和威尔金斯一道获得1962年的诺贝尔生理 学和医学奖。
重要的是,这一发现不仅仅在科学上具有重大意义,其发现的过程也是耐人寻味的。因为在 这场科学竞赛过程中,有好几组科学家都有机会发现DNA双螺旋结构,而且从某种程度上说 ,他们相对都比沃森和克里克有优势。按照传统的科学发现观,要作出重大发现,需要有深 厚科学知识功底和长期的努力,刚刚进入DNA结构研究领域才一年左右的沃森和克里克似乎 都不应该是发现DNA双螺旋结构的理想人选。然而,科学史实表明,DNA分子的双螺旋结构确 实属于这两个年轻人——沃森、克里克。本文就这一发现的背景、过程和原因进行初步的探 讨。
一、沃森和克里克的研究背景
詹姆斯•沃森,1928年生于芝加哥。1947年,他毕业于芝加哥大学动物系,其实他对这一学 科一点都不感兴趣(他的真正兴趣在于鸟类学,他本来想成为博物学家),但即使这样他的学 科成绩也是相当优秀的。重要的是,在这期间,沃森学习了生物学各门主要基础课程。
沃森在芝加哥大学获得学士学位后,接着进入印第安纳大学研究生院深造,并在微生物学家 卢里亚(S.E.Luria,1912～1991)的指导下进行有关噬菌体的博士论文研究,卢里亚告诉 了沃森要用X射线来研究基因的方法。
此后,沃森通过一系列博士后研究员基金去欧洲深造。1951年他得到机会去意大利那不勒斯 参加一个关于生物大分子结构的学术会议,听到了也是碰巧到会的英国人威尔金斯作的有关 DNA的X射线结晶学研究成果的报告。虽然他的报告没有引起太多的反响,但沃森却受 到了 极大的吸引,因此,沃森费尽周折,于1951年进入英国剑桥大学卡文迪什实验室,从事植物 病毒中提取核酸分子(RNA)结构的研究。在那里,沃森虽然不能和威尔金斯一起合作研 究DNA,但他可以经常见到威尔金斯,和他进行有关方面的交流。更重要的是,沃森和克里 克相遇,开始了遗传学史上最富于成效、最激动人心的迷人合作。
弗朗西斯•克里克,1916年出生在英国北安普敦,是当地鞋厂主的儿子,他的中学 校长麦可 •哈特回忆说,他是一个“非常能干”且“自我期许甚高”的学生[2]。克 里克于1938年伦敦大学毕业,主攻物理和数学。
克里克获得理科学士学位之后,仍继续物理学方面的研究,但正如沃森一样,他也受薛定谔 关于《什么是生命?》一书的深刻影响。克里克认为薛定谔的书和他自己的思想非常相似, 他们都相信生命可以用物理和化学原则来加以理解。并且克里克相信薛定谔的观点很快就会 引导出一条可以用化学和物理来阐释生命的新研究领域,因而克里克决定要投入到这个研究 领域中。因此,1949年,他有机会加入卡文迪什实验室的佩鲁茨小组,两年后,他等来了极 负成效的合作者——沃森。
二、DNA分子结构的发现过程
沃森和克里克的合作是从1951年秋天开始的,到1953年春完成主要工作。在不到两 年的时间里,他们前后建立了3个模型,并且最终获得了成功。
首先他们从接识的第一天起,就被相互的观点所吸引,他们发现彼此对DNA、基因、遗传性 质的看法是如此的相同,而且都对此十分的着迷。此时,两人个性及专业背景有着惊人的差 异,当时克里克35岁,刚开始博士学位的课程;而只有23岁的沃森己获得博士学位。同时他 们两人在各自的科学领域都只沾到一点边而已,克里克是从物理学转入DNA分子的研究,正 在自修生物学,而沃森原来学的是遗传学,还只是在自修X射线晶体学教科书,以便有 足够 的理论去跟随佩鲁茨(Max Perutz,1914～2002)做X射线照相工作。虽然,不是生物学 科班出身的背景使他们俩人在DNA 的研究工作上碰到很多困难,但这也使他们能够以更新、更宽广、更与众不同的角 度来看待有关DNA的问题。
克里克和沃森认识不久,由于兴趣相投,两人时常能时常在一起,包括共进午餐。更幸运的 是,他们甚至一起被分到一间远离其他研究人员的办公室工作,因为如此一来,他们便能在 “不干扰到其他科学家的情况下讨论事情”。很快地,他们愉快对话的重点便集中在有关DN A 结构的问题上,他们渴望能尽快找出DNA分子的组成方式。重要的是,他们认为对DNA结构研 究的主要方法,就是采用鲍林(L.Pauling 1901～1994)特有的方法——建立理论模型,也就 是 将DNA分子中的糖/磷酸基团、4种碱基用模型,根据X射线衍射图设想出DNA分子的结构 ,以便了解DNA分子的本质。
沃森与克里克在DNA 的研究过程中同维尔金斯小组有几次重要学术交往。1951年11月,沃森 了解到弗兰克林关于DNA结构的较详细的报告,她根据所拍摄的DNA晶体X射线衍射图指 出:D NA纤维的圆柱状构造可能是由核酸链卷绕圆柱体轴所组成,她还进一步推断核酸链的糖/磷 酸盐骨架是位于圆柱体的外侧,而氮碱基则位于内侧。初具晶体结构分析知识的沃森和克里 克立刻认识到他们要从事DNA的研究,最好也只能利用伦敦国王学院的试验分析数据,从分 子模型的建立着手。根据富兰克林的报告,他们很快就提出了一个令他们自己颇具信心的模 型,这是一个三股螺旋的DNA结构,是一个糖/磷酸盐骨架在内,而氮碱基在外的三链模型 。但是沃森由于平时对自己的过于自信,他在听弗兰克林的报告时并没有做记录,而且他对 弗兰克林所说的结晶影像图学懂得并不多,以致他并不能完全了解弗兰克林的演讲内容。更 严重的错误是他记错了附属于DNA分子的水分子数量。弗兰克林估算出DNA分子中每个核甘酸 是由八个水分子环绕着,而沃森则误解为每一段的DNA分子,含有八个水分子。因此,当他 们请维尔金斯和弗兰克林来讨论这个模型时,弗兰克林当即提出他们把DNA的含水量至少少 算了一半。于是,他们的第一次模型构建的尝试宣告失败。
第一次模型构建的尝试宣告失败对非常自信的沃森和克里克来说是一个不小的打击,他们不 免要受到同行们的嘲讽。而且同时,这也引发了另外的问题,这就是在当时的英国科学研究 领域,由于研究经费的紧张,英国政府很难同时补助国内不同的研究机构同时研究相同的课 题,因此优先研究权变成了获得政府资助的先决条件。而由于威尔金斯、弗兰克林及国王学 院的研究小组,早在沃森和克里克之前就已从事DNA结构的研究。因此按理来说,只有国王 学院才有优先研究权,而不是卡文迪什实验室的沃森和克里克。就这样卡文迪什实验室的主 管布拉格(W.L.Bragg,1890～1971)公开要求沃森和克里克停止有关DNA的研究,并将DNA 模 型送给威尔金斯。虽然他们不情愿地将模型交给了威尔金斯,但威尔金斯对建构模型不感兴 趣,他并不想用这组模型,以至于使模型闲置在实验室。
由于这些变故,沃森和克里克俩人皆不情愿、但又不得不回到他们原来的研究工作上。因为 克里克的博士论文主题是有关多胜肽和蛋白质的X光衍射分析,而沃森根据奖学金的约 定, 他应该是从事植物病毒的研究。但是两人都无法忘记DNA,虽然他们知道不能再公开试图建 立有关DNA的模型了,但这并不能限制他们阅读、讨论和思考关于DNA的问题。在此期间,沃 森和克里克知道了关于DNA的两个重要知识。1952年春,克里克向剑桥大学的年轻数学家约 翰•葛瑞菲斯(John Grifith)请教四种氮碱基可能互相吸引的方式。葛瑞菲斯发现,由于电 子的作用力,腺嘌呤(A)会和胸腺嘧啶(T)相互吸引,而胞嘧啶(C)则会与鸟嘌呤(G)相吸 引。 之后,克里克利用共进午餐机会,向来自哥伦比亚大学的生物化学家尔文•查加夫(Erwin C hargaff 1905～2002)请教有关DNA分子中四种氮碱基间的比值,那就是重要的嘌呤和嘧啶等 量的 比值,即腺膘呤和腺嘧啶的比值是1:1,胞嘧啶和鸟膘呤的比值也是1:1。由于这两个重要 的知识,沃森和克里克很快得出相同的结论,即DNA内的氮碱基一定是成双成对的,腺膘呤 对胸腺嘧啶,胞嘧啶对鸟膘呤。
1952年12月,在美国做研究的鲍林宣布自己发现了DNA分子的 结构模型,但可惜的是,他也犯了与沃森和克里克同样的错误,建立了一个内部是糖/磷酸 盐,外部是氮碱基骨架为中心的由三条链所组成的DNA分子模型。1953年2月6日,沃森和威 尔金斯有机会对鲍林的模型进行讨论,期间,威尔金斯向沃森第一次显示了弗兰克林在1952 年5月拍摄的“第51号影像图谱”见(图1)[3]100。
这是当时拍摄得最清楚的X光衍射影像,沃森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。至此,沃森和克里克建立DNA结构模 型进入相当紧张的时刻。沃森和威尔金斯的谈话结束后,他在回去的路上就尽可能地画出所 记得的第51号影像图谱。很快,沃森就把他对DNA分子X光衍射影像的发现告诉布拉格、肯德 鲁及克里克,此时的布拉格认识到他阻止不了沃森和克里克对DNA分子的痴迷,于是他就默 许他们可以重新建立DNA的分子模型。
正当在建立DNA结构模型最关键的时刻,沃森和克里克又请教了在同一办公室工作的美国晶 体学者、氢键专家多纳休(Jerry Donohue)。多纳休及时提醒他们:烯醇式碱基在自然界 中很少存在,并建议采用酮式碱基。至此,DNA分子双螺旋结构的模型已开始完整地呈现在 他们的面前。1953年2月28日,他们终于建成了DNA双螺旋结构的分子模型(图2)[1] 737-738:两条螺旋带代表两条糖/磷酸链,中间的水平杆代表碱基对,竖立在中央的线表示轴。这个模型 表明,两股DNA长链以右手螺旋方向围绕着一个中心轴盘旋,两股螺旋链的走向相反,其外 侧为磷酸基团,内侧为4种碱基,由于腺嘌呤和胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶之间产生相互吸 引的氢键(即碱基配对),从而使两条DNA长链之间存在互补的关系。
在沃森和克里克的分子模型公布后,美国的鲍林还进一步完善了他们的DNA双螺旋分子模型 ,即指出存在于鸟嘌呤和胞嘧啶之间是3个氢键,而不同于腺嘌呤和胸腺嘧啶之间的2个氢键 ,但这并不影响沃森和克里克对DNA分子结构的贡献。很快,他们的伟大发现得到了科学界 的认同和奖励。
三、DNA分子结构发现的方法
DNA分子结构的发现有它特殊的社会和科学发展的背景,到1953年,DNA分子结构已经是呼之 欲出了,所期待的只是到底是谁最先发现,在什么时间发现?而这些都取决于科学家的研究 方法和创造力。从沃森和克里克的发现过程,我们可以看出一些端倪。
(一) 强烈的兴趣与执着的追求
对于沃森和克里克而言,很显然从遗传学和物理学转而研究分子生物学,探讨基因的分子本 质并不是轻而易举的事。它不仅需要物理学和化学的技能和方法,而且需要生物学知识的储 备,这就使得沃森和克里克必须拼命地自修生物学及其相关的知识。我们知道克里克开始 从事生物大分子结晶学研究时已经33岁了,还在为博士学历犯愁。因而在科学事业上,以这 样的年龄和背景改行,从事一个相当陌生的事业,如果没有足够的兴趣和炽热的事业心,是 决不敢冒此风险的。
沃森对于DNA,更达到了一种痴迷的程度。他自从听了威尔金斯有关DNA的X射线结晶学 研究成果的报告之后,为了对他的研究内容能有更进一步的了解,企望能和威尔金斯合作研究 。沃森甚至打算介绍他的妹妹伊丽莎白给威尔金斯认识,期望他们两人能彼此吸引,再借由 妹妹的牵线,使他成为威尔金斯的合作者,从而能尽快介入到DNA的研究中。但他最终费了 很大的周折,才如愿以偿的在卡文迪什实验室工作,能不时地与威尔金斯就DNA的研究进行 交流。沃森和克里克对于DNA的痴迷,主要时基于对科学发展阶段的正确认识。在薛定谔等 科学领军人物的倡导下,有许多物理学家转到生物学的研究中来。沃森和克里克正是利用了 这一契机,顺应了那个时期生物学的发展要求,坚定不移的转入到这一新兴学科的研究中来 。因此,沃森和克里克对DNA的热爱,是基于正确把握科学发展阶段和方向的基础上的,而 不是一厢情愿的盲目热爱。
他们在研究初期的失败中也从没有气馁,而是从中总结经验,即使是他们的上司布拉格公开 阻止他们研究DNA时,也是如此,并最终使布拉格改变了对他们的看法。很显然,兴趣是他 们持之以恒坚持关注DNA的重要保证。
(二) 敏锐的洞察力
沃森和克里克从一开始就清楚地认识到DNA的生物学意义。当时的大多数生物学家、遗传学 家都不太注意DNA的研究,他们大多以为基因是一种蛋白质,而与核酸无关。这样的观点使 威尔金斯作的有关DNA的X射线结晶学研究成果的报告并没有引起大多数科学家的重视 ,反 而沃森却受到了极大的吸引。克里克也同样如此,沃森在《双螺旋》中写到:在弗兰西斯( 克里克)看来……蛋白质并不是真正解开生命之谜的罗塞达石碑。相反地,DNA则是至关重 要,根据DNA,我们就能发现基因是如何决定生物性状的,包括决定我们的头发和眼睛的颜 色……[3]6。
沃森偶尔听了威尔金斯的一个影响不大的报告,就强烈地认识到报告的重要作用,并要尽可 能的想办法,作进一步了解。从只看了一眼由于威尔金斯透露出来的“第51号影像图谱”, 心 跳都加速起来,突然就能领悟到DNA肯定具有螺旋结构,并且是双链的。这种科学洞察力是 当今科学工作者所必需掌握的。
(三) 密切的合作与协同
同时在科研过程中,真诚的合作是通往成功之路的基石,沃森在所著的《双螺旋》中说:当 他(克里克)的一些公式不得其解的时候,他常常向我问及噬菌体方面的问题,其他时间, 克里克就用晶体学武装我的头脑。这些知识通常需要耐心阅读专业杂志才能获得的[3 ]29。克 里克原本学习物理学,而沃森原本学习生物遗传学,虽然他们的生物学知识并不很全面,但 两人各有优势的一面,生物学与物理学、遗传学和分子生物学的交叉互补,形成了颇具优势 的创新思想。除了俩人的专业(差异)之外,沃森和克里克两个人的性格、年龄也相差很大 ,沃森文静、内向;克里克却性情急躁,喜欢大声说话。但是由于兴趣的相同,他们一见面 就成了知音,为了一个共同的目标而走到一起,从而最终取得成功。以至在决定谁是DNA论 文的第一作者时候,他们是通过抛硬币产生的。诚然,真诚无私的合作是现代科学研究的重 要特征。
(四) 充分的学术思想交流和科研信息
从表面看,沃森和克里克虽然没有做什么具体的实验,没有亲自获得研究所需的必要试验数 据,但他们掌握的资料在当时的几组研究DNA的科学家中,应该算是最充分的,这必然使得 他们有可能对问题的看法比谁都更加全面和深邃。他们在进行研究DNA的过程中广泛地接触 了各学科的科学家,仅诺贝尔奖获得者就有10余位,有微生物学、遗传学、生物化学、结晶 学、结构化学等方面许多著名科学家,其中有卢里亚、鲍林、布拉格、查加夫、佩鲁茨、肯 德鲁、葛瑞非斯、威尔金斯、弗兰克林和多纳休等。这使得沃森和克里克能够通过频繁地与 各学科的科学家接触、请教,取百家之长,进行广泛、慎重和深入的讨论。因此不同学科背 景的相关资料和各种学术观点的会聚和交流是他们得以首先发现DNA双螺旋结构的前提。
而且,沃森和克里克所处的卡文迪什实验室,在那时正处在一个富有活力、消息灵通,富有 竞争的环境中。这一突出的优势使他们能很快地获得成熟的资料,即可以方便地获得威尔金 斯和富兰克林的DNA分子晶体X射线衍射的结果,又可以通过鲍林的儿子--彼得•鲍林知道他 在美国加州理工学院的父亲最新的研究进展。而且沃森和克里克能够以批判的眼光吸取同事 们或者来访者(例如威尔金斯和查加夫)的思想,并将它们整合在一起。而其他几组科学家则 大多数只是埋头于自己研究中,尽管他们都掌握着有关DNA分子某一方面的资料,对DNA的某 些方面有较深刻的认识,但他们却无法从全局、综合的层面去进行创造性的研究和发现。
在发现DNA结构的最后关头,还是学术交流帮了沃森和克里克的大忙。当多纳休替他们指出 碱基形式的错误,并给出正确的碱基形式时,最后,沃森和克里克采用多纳休了的建议。这 说明在科学研究过程中,科学家之间的学术交流是保证少犯错误的重要环节,不同科学家的 思想有时甚至比教科书还要重要。
(五) 恰当地综合运用各种科学研究方法
沃森和克里克在DNA分子结构的整个研究过程中,从选题开始就恰当地运用了当时最先进的 科学方法,他们使用了综合、移植、类比、模型等关键的研究方法,并将它们始终贯串于整 个DNA分子结构的研究中。
沃森和克里克这种很强的综合能力显示:任何科学研究的方法都不是孤立使用的。沃森和克 里克所运用的科学方法都不是他们首创,其他研究小组对其中某些方法的运用可以说达到了 空前熟练的程度,而沃森和克里克的长处就在于将这些方法有机地联系起来,相互结合,相 互补充,把DNA所有散落的信息都整合起来,以至他们最终获得了成功。当我们从历史的角度看,DNA双螺旋结构的发现应该是,也只能是由沃森和克里克首 先完成,这对50多年后的今天依然有着十分重要的借鉴意义。
参考文献:
[1] J.D.Watson,F.H.C.Crick.Molecular Structure of Nucleic Acids[J]. Nature,1953(171):737-738.
[2] 隆美尔.詹姆士沃森与法兰西斯克里克:DNA结构发现者 [M].张国廷,译.北京:外文出版社,1999:14.
[3] J.D.沃森.双螺旋[M].刘望夷,译.北京:科学出版社,1984.
[责任编辑:吴晓红]
关键词:科学发现;洞察力;合作与协同;学术交流
中图分类号:N031文献标识码:A文章编号:1672-1101(2010)02-0100-05
Research on the essential elements in
the process of scientifi c discoveries
——from the discovery of molecular structure of DNA
BU Xiao-yong,MAO Jia-xing
(Department of Humanity and Social Sciences,Anhui University of T echnology and Science,Wuhu,Anhui 241000,China)
Abstract:Through analyzing the discovery process of molecular s tructure of DNA, this paper discovers some important elements in the process of scientific disco veries,holding that strong interest and clinging pursuit,acute insight,tightcooperation and coordination,sufficient intercommunion in research and attainme nt of scientific research information,as well as adept use of all methods of sc ientific research are necessities in crucial discoveries in modern science.
Key words:scientific discoveries;insight;cooperation andcoordination;intercommunion in research
1953年4月,詹姆斯•沃森(James Watson 1928～)和弗兰西斯•克里克(Francis Crick 191 6～2004) 提出了DNA(脱氧核糖核酸)分子的双螺旋结构[1]737-738。 他们俩人通过解释英国物理学家莫里斯•威尔金斯(M.H.F.Wilkins 1916～2004)和罗莎琳 德• 富兰克林(Rosalind Elsie Franklin 1920～1958)的DNA分子晶体X射线衍射图谱,提 出了 DNA双螺旋的三维结构模型,并且他们的这一结论为此后的科学实践所证实。为此,科学界 为了奖励沃森和克里克对分子生物学的贡献,他们和威尔金斯一道获得1962年的诺贝尔生理 学和医学奖。
重要的是,这一发现不仅仅在科学上具有重大意义,其发现的过程也是耐人寻味的。因为在 这场科学竞赛过程中,有好几组科学家都有机会发现DNA双螺旋结构,而且从某种程度上说 ,他们相对都比沃森和克里克有优势。按照传统的科学发现观,要作出重大发现,需要有深 厚科学知识功底和长期的努力,刚刚进入DNA结构研究领域才一年左右的沃森和克里克似乎 都不应该是发现DNA双螺旋结构的理想人选。然而,科学史实表明,DNA分子的双螺旋结构确 实属于这两个年轻人——沃森、克里克。本文就这一发现的背景、过程和原因进行初步的探 讨。
一、沃森和克里克的研究背景
詹姆斯•沃森,1928年生于芝加哥。1947年,他毕业于芝加哥大学动物系,其实他对这一学 科一点都不感兴趣(他的真正兴趣在于鸟类学,他本来想成为博物学家),但即使这样他的学 科成绩也是相当优秀的。重要的是,在这期间,沃森学习了生物学各门主要基础课程。
沃森在芝加哥大学获得学士学位后,接着进入印第安纳大学研究生院深造,并在微生物学家 卢里亚(S.E.Luria,1912～1991)的指导下进行有关噬菌体的博士论文研究,卢里亚告诉 了沃森要用X射线来研究基因的方法。
此后,沃森通过一系列博士后研究员基金去欧洲深造。1951年他得到机会去意大利那不勒斯 参加一个关于生物大分子结构的学术会议,听到了也是碰巧到会的英国人威尔金斯作的有关 DNA的X射线结晶学研究成果的报告。虽然他的报告没有引起太多的反响,但沃森却受 到了 极大的吸引,因此,沃森费尽周折,于1951年进入英国剑桥大学卡文迪什实验室,从事植物 病毒中提取核酸分子(RNA)结构的研究。在那里,沃森虽然不能和威尔金斯一起合作研 究DNA,但他可以经常见到威尔金斯,和他进行有关方面的交流。更重要的是,沃森和克里 克相遇,开始了遗传学史上最富于成效、最激动人心的迷人合作。
弗朗西斯•克里克,1916年出生在英国北安普敦,是当地鞋厂主的儿子,他的中学 校长麦可 •哈特回忆说,他是一个“非常能干”且“自我期许甚高”的学生[2]。克 里克于1938年伦敦大学毕业,主攻物理和数学。
克里克获得理科学士学位之后,仍继续物理学方面的研究,但正如沃森一样,他也受薛定谔 关于《什么是生命?》一书的深刻影响。克里克认为薛定谔的书和他自己的思想非常相似, 他们都相信生命可以用物理和化学原则来加以理解。并且克里克相信薛定谔的观点很快就会 引导出一条可以用化学和物理来阐释生命的新研究领域,因而克里克决定要投入到这个研究 领域中。因此,1949年,他有机会加入卡文迪什实验室的佩鲁茨小组,两年后,他等来了极 负成效的合作者——沃森。
二、DNA分子结构的发现过程
沃森和克里克的合作是从1951年秋天开始的,到1953年春完成主要工作。在不到两 年的时间里,他们前后建立了3个模型,并且最终获得了成功。
首先他们从接识的第一天起,就被相互的观点所吸引,他们发现彼此对DNA、基因、遗传性 质的看法是如此的相同,而且都对此十分的着迷。此时,两人个性及专业背景有着惊人的差 异,当时克里克35岁,刚开始博士学位的课程;而只有23岁的沃森己获得博士学位。同时他 们两人在各自的科学领域都只沾到一点边而已,克里克是从物理学转入DNA分子的研究,正 在自修生物学,而沃森原来学的是遗传学,还只是在自修X射线晶体学教科书,以便有 足够 的理论去跟随佩鲁茨(Max Perutz,1914～2002)做X射线照相工作。虽然,不是生物学 科班出身的背景使他们俩人在DNA 的研究工作上碰到很多困难,但这也使他们能够以更新、更宽广、更与众不同的角 度来看待有关DNA的问题。
克里克和沃森认识不久,由于兴趣相投,两人时常能时常在一起,包括共进午餐。更幸运的 是,他们甚至一起被分到一间远离其他研究人员的办公室工作,因为如此一来,他们便能在 “不干扰到其他科学家的情况下讨论事情”。很快地,他们愉快对话的重点便集中在有关DN A 结构的问题上,他们渴望能尽快找出DNA分子的组成方式。重要的是,他们认为对DNA结构研 究的主要方法,就是采用鲍林(L.Pauling 1901～1994)特有的方法——建立理论模型,也就 是 将DNA分子中的糖/磷酸基团、4种碱基用模型,根据X射线衍射图设想出DNA分子的结构 ,以便了解DNA分子的本质。
沃森与克里克在DNA 的研究过程中同维尔金斯小组有几次重要学术交往。1951年11月,沃森 了解到弗兰克林关于DNA结构的较详细的报告,她根据所拍摄的DNA晶体X射线衍射图指 出:D NA纤维的圆柱状构造可能是由核酸链卷绕圆柱体轴所组成,她还进一步推断核酸链的糖/磷 酸盐骨架是位于圆柱体的外侧,而氮碱基则位于内侧。初具晶体结构分析知识的沃森和克里 克立刻认识到他们要从事DNA的研究,最好也只能利用伦敦国王学院的试验分析数据,从分 子模型的建立着手。根据富兰克林的报告,他们很快就提出了一个令他们自己颇具信心的模 型,这是一个三股螺旋的DNA结构,是一个糖/磷酸盐骨架在内,而氮碱基在外的三链模型 。但是沃森由于平时对自己的过于自信,他在听弗兰克林的报告时并没有做记录,而且他对 弗兰克林所说的结晶影像图学懂得并不多,以致他并不能完全了解弗兰克林的演讲内容。更 严重的错误是他记错了附属于DNA分子的水分子数量。弗兰克林估算出DNA分子中每个核甘酸 是由八个水分子环绕着,而沃森则误解为每一段的DNA分子,含有八个水分子。因此,当他 们请维尔金斯和弗兰克林来讨论这个模型时,弗兰克林当即提出他们把DNA的含水量至少少 算了一半。于是,他们的第一次模型构建的尝试宣告失败。
第一次模型构建的尝试宣告失败对非常自信的沃森和克里克来说是一个不小的打击,他们不 免要受到同行们的嘲讽。而且同时,这也引发了另外的问题,这就是在当时的英国科学研究 领域,由于研究经费的紧张,英国政府很难同时补助国内不同的研究机构同时研究相同的课 题,因此优先研究权变成了获得政府资助的先决条件。而由于威尔金斯、弗兰克林及国王学 院的研究小组,早在沃森和克里克之前就已从事DNA结构的研究。因此按理来说,只有国王 学院才有优先研究权,而不是卡文迪什实验室的沃森和克里克。就这样卡文迪什实验室的主 管布拉格(W.L.Bragg,1890～1971)公开要求沃森和克里克停止有关DNA的研究,并将DNA 模 型送给威尔金斯。虽然他们不情愿地将模型交给了威尔金斯,但威尔金斯对建构模型不感兴 趣,他并不想用这组模型,以至于使模型闲置在实验室。
由于这些变故,沃森和克里克俩人皆不情愿、但又不得不回到他们原来的研究工作上。因为 克里克的博士论文主题是有关多胜肽和蛋白质的X光衍射分析,而沃森根据奖学金的约 定, 他应该是从事植物病毒的研究。但是两人都无法忘记DNA,虽然他们知道不能再公开试图建 立有关DNA的模型了,但这并不能限制他们阅读、讨论和思考关于DNA的问题。在此期间,沃 森和克里克知道了关于DNA的两个重要知识。1952年春,克里克向剑桥大学的年轻数学家约 翰•葛瑞菲斯(John Grifith)请教四种氮碱基可能互相吸引的方式。葛瑞菲斯发现,由于电 子的作用力,腺嘌呤(A)会和胸腺嘧啶(T)相互吸引,而胞嘧啶(C)则会与鸟嘌呤(G)相吸 引。 之后,克里克利用共进午餐机会,向来自哥伦比亚大学的生物化学家尔文•查加夫(Erwin C hargaff 1905～2002)请教有关DNA分子中四种氮碱基间的比值,那就是重要的嘌呤和嘧啶等 量的 比值,即腺膘呤和腺嘧啶的比值是1:1,胞嘧啶和鸟膘呤的比值也是1:1。由于这两个重要 的知识,沃森和克里克很快得出相同的结论,即DNA内的氮碱基一定是成双成对的,腺膘呤 对胸腺嘧啶,胞嘧啶对鸟膘呤。
1952年12月,在美国做研究的鲍林宣布自己发现了DNA分子的 结构模型,但可惜的是,他也犯了与沃森和克里克同样的错误,建立了一个内部是糖/磷酸 盐,外部是氮碱基骨架为中心的由三条链所组成的DNA分子模型。1953年2月6日,沃森和威 尔金斯有机会对鲍林的模型进行讨论,期间,威尔金斯向沃森第一次显示了弗兰克林在1952 年5月拍摄的“第51号影像图谱”见(图1)[3]100。
这是当时拍摄得最清楚的X光衍射影像,沃森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。至此,沃森和克里克建立DNA结构模 型进入相当紧张的时刻。沃森和威尔金斯的谈话结束后,他在回去的路上就尽可能地画出所 记得的第51号影像图谱。很快,沃森就把他对DNA分子X光衍射影像的发现告诉布拉格、肯德 鲁及克里克,此时的布拉格认识到他阻止不了沃森和克里克对DNA分子的痴迷,于是他就默 许他们可以重新建立DNA的分子模型。
正当在建立DNA结构模型最关键的时刻,沃森和克里克又请教了在同一办公室工作的美国晶 体学者、氢键专家多纳休(Jerry Donohue)。多纳休及时提醒他们:烯醇式碱基在自然界 中很少存在,并建议采用酮式碱基。至此,DNA分子双螺旋结构的模型已开始完整地呈现在 他们的面前。1953年2月28日,他们终于建成了DNA双螺旋结构的分子模型(图2)[1] 737-738:两条螺旋带代表两条糖/磷酸链,中间的水平杆代表碱基对,竖立在中央的线表示轴。这个模型 表明,两股DNA长链以右手螺旋方向围绕着一个中心轴盘旋,两股螺旋链的走向相反,其外 侧为磷酸基团,内侧为4种碱基,由于腺嘌呤和胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶之间产生相互吸 引的氢键(即碱基配对),从而使两条DNA长链之间存在互补的关系。
在沃森和克里克的分子模型公布后,美国的鲍林还进一步完善了他们的DNA双螺旋分子模型 ,即指出存在于鸟嘌呤和胞嘧啶之间是3个氢键,而不同于腺嘌呤和胸腺嘧啶之间的2个氢键 ,但这并不影响沃森和克里克对DNA分子结构的贡献。很快,他们的伟大发现得到了科学界 的认同和奖励。
三、DNA分子结构发现的方法
DNA分子结构的发现有它特殊的社会和科学发展的背景,到1953年,DNA分子结构已经是呼之 欲出了,所期待的只是到底是谁最先发现,在什么时间发现?而这些都取决于科学家的研究 方法和创造力。从沃森和克里克的发现过程,我们可以看出一些端倪。
(一) 强烈的兴趣与执着的追求
对于沃森和克里克而言,很显然从遗传学和物理学转而研究分子生物学,探讨基因的分子本 质并不是轻而易举的事。它不仅需要物理学和化学的技能和方法,而且需要生物学知识的储 备,这就使得沃森和克里克必须拼命地自修生物学及其相关的知识。我们知道克里克开始 从事生物大分子结晶学研究时已经33岁了,还在为博士学历犯愁。因而在科学事业上,以这 样的年龄和背景改行,从事一个相当陌生的事业,如果没有足够的兴趣和炽热的事业心,是 决不敢冒此风险的。
沃森对于DNA,更达到了一种痴迷的程度。他自从听了威尔金斯有关DNA的X射线结晶学 研究成果的报告之后,为了对他的研究内容能有更进一步的了解,企望能和威尔金斯合作研究 。沃森甚至打算介绍他的妹妹伊丽莎白给威尔金斯认识,期望他们两人能彼此吸引,再借由 妹妹的牵线,使他成为威尔金斯的合作者,从而能尽快介入到DNA的研究中。但他最终费了 很大的周折,才如愿以偿的在卡文迪什实验室工作,能不时地与威尔金斯就DNA的研究进行 交流。沃森和克里克对于DNA的痴迷,主要时基于对科学发展阶段的正确认识。在薛定谔等 科学领军人物的倡导下,有许多物理学家转到生物学的研究中来。沃森和克里克正是利用了 这一契机,顺应了那个时期生物学的发展要求,坚定不移的转入到这一新兴学科的研究中来 。因此,沃森和克里克对DNA的热爱,是基于正确把握科学发展阶段和方向的基础上的,而 不是一厢情愿的盲目热爱。
他们在研究初期的失败中也从没有气馁,而是从中总结经验,即使是他们的上司布拉格公开 阻止他们研究DNA时,也是如此,并最终使布拉格改变了对他们的看法。很显然,兴趣是他 们持之以恒坚持关注DNA的重要保证。
(二) 敏锐的洞察力
沃森和克里克从一开始就清楚地认识到DNA的生物学意义。当时的大多数生物学家、遗传学 家都不太注意DNA的研究,他们大多以为基因是一种蛋白质,而与核酸无关。这样的观点使 威尔金斯作的有关DNA的X射线结晶学研究成果的报告并没有引起大多数科学家的重视 ,反 而沃森却受到了极大的吸引。克里克也同样如此,沃森在《双螺旋》中写到:在弗兰西斯( 克里克)看来……蛋白质并不是真正解开生命之谜的罗塞达石碑。相反地,DNA则是至关重 要,根据DNA,我们就能发现基因是如何决定生物性状的,包括决定我们的头发和眼睛的颜 色……[3]6。
沃森偶尔听了威尔金斯的一个影响不大的报告,就强烈地认识到报告的重要作用,并要尽可 能的想办法,作进一步了解。从只看了一眼由于威尔金斯透露出来的“第51号影像图谱”, 心 跳都加速起来,突然就能领悟到DNA肯定具有螺旋结构,并且是双链的。这种科学洞察力是 当今科学工作者所必需掌握的。
(三) 密切的合作与协同
同时在科研过程中,真诚的合作是通往成功之路的基石,沃森在所著的《双螺旋》中说:当 他(克里克)的一些公式不得其解的时候,他常常向我问及噬菌体方面的问题,其他时间, 克里克就用晶体学武装我的头脑。这些知识通常需要耐心阅读专业杂志才能获得的[3 ]29。克 里克原本学习物理学,而沃森原本学习生物遗传学,虽然他们的生物学知识并不很全面,但 两人各有优势的一面,生物学与物理学、遗传学和分子生物学的交叉互补,形成了颇具优势 的创新思想。除了俩人的专业(差异)之外,沃森和克里克两个人的性格、年龄也相差很大 ,沃森文静、内向;克里克却性情急躁,喜欢大声说话。但是由于兴趣的相同,他们一见面 就成了知音,为了一个共同的目标而走到一起,从而最终取得成功。以至在决定谁是DNA论 文的第一作者时候,他们是通过抛硬币产生的。诚然,真诚无私的合作是现代科学研究的重 要特征。
(四) 充分的学术思想交流和科研信息
从表面看,沃森和克里克虽然没有做什么具体的实验,没有亲自获得研究所需的必要试验数 据,但他们掌握的资料在当时的几组研究DNA的科学家中,应该算是最充分的,这必然使得 他们有可能对问题的看法比谁都更加全面和深邃。他们在进行研究DNA的过程中广泛地接触 了各学科的科学家,仅诺贝尔奖获得者就有10余位,有微生物学、遗传学、生物化学、结晶 学、结构化学等方面许多著名科学家,其中有卢里亚、鲍林、布拉格、查加夫、佩鲁茨、肯 德鲁、葛瑞非斯、威尔金斯、弗兰克林和多纳休等。这使得沃森和克里克能够通过频繁地与 各学科的科学家接触、请教,取百家之长,进行广泛、慎重和深入的讨论。因此不同学科背 景的相关资料和各种学术观点的会聚和交流是他们得以首先发现DNA双螺旋结构的前提。
而且,沃森和克里克所处的卡文迪什实验室,在那时正处在一个富有活力、消息灵通,富有 竞争的环境中。这一突出的优势使他们能很快地获得成熟的资料,即可以方便地获得威尔金 斯和富兰克林的DNA分子晶体X射线衍射的结果,又可以通过鲍林的儿子--彼得•鲍林知道他 在美国加州理工学院的父亲最新的研究进展。而且沃森和克里克能够以批判的眼光吸取同事 们或者来访者(例如威尔金斯和查加夫)的思想,并将它们整合在一起。而其他几组科学家则 大多数只是埋头于自己研究中,尽管他们都掌握着有关DNA分子某一方面的资料,对DNA的某 些方面有较深刻的认识,但他们却无法从全局、综合的层面去进行创造性的研究和发现。
在发现DNA结构的最后关头,还是学术交流帮了沃森和克里克的大忙。当多纳休替他们指出 碱基形式的错误,并给出正确的碱基形式时,最后,沃森和克里克采用多纳休了的建议。这 说明在科学研究过程中,科学家之间的学术交流是保证少犯错误的重要环节,不同科学家的 思想有时甚至比教科书还要重要。
(五) 恰当地综合运用各种科学研究方法
沃森和克里克在DNA分子结构的整个研究过程中,从选题开始就恰当地运用了当时最先进的 科学方法,他们使用了综合、移植、类比、模型等关键的研究方法,并将它们始终贯串于整 个DNA分子结构的研究中。
沃森和克里克这种很强的综合能力显示:任何科学研究的方法都不是孤立使用的。沃森和克 里克所运用的科学方法都不是他们首创,其他研究小组对其中某些方法的运用可以说达到了 空前熟练的程度,而沃森和克里克的长处就在于将这些方法有机地联系起来,相互结合,相 互补充,把DNA所有散落的信息都整合起来,以至他们最终获得了成功。当我们从历史的角度看,DNA双螺旋结构的发现应该是,也只能是由沃森和克里克首 先完成,这对50多年后的今天依然有着十分重要的借鉴意义。
参考文献:
[1] J.D.Watson,F.H.C.Crick.Molecular Structure of Nucleic Acids[J]. Nature,1953(171):737-738.
[2] 隆美尔.詹姆士沃森与法兰西斯克里克:DNA结构发现者 [M].张国廷,译.北京:外文出版社,1999:14.
[3] J.D.沃森.双螺旋[M].刘望夷,译.北京:科学出版社,1984.
[责任编辑:吴晓红]