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第2章

030929dna双螺旋结构的发现-周光召-第2章

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决定性的作用。但是另外一方面,它里边的人又没有什么限制,又是非常之独立思考的,而且他的学生之间是有很好的友谊。比如说他一个学生可以发现另外一个学生做得不对,他就可以直截了当跑到那儿去,跟他讲你做的什么什么不对,而且证明他不对,这个在很多其他地方是做不到的,因为这样一做,这个友谊就要破坏了,这是他讲的一段话。第二段话他说,使他觉得相互矛盾的这种性格,是学生和教授之间的这个关系。这毫无疑问,当时这些教授都是非常有名的,但是每个人都是独立思考,他说在这里,教授的理论和实验所遭受学生的批评并不亚于其他的人,就是说学生可以随意地在这个讨论中去评、和教授去争论,我想这个很可能是他们的一个非常重要的风格和传统,也是中国今天最缺乏的,需要怎么样来解决的一个问题。 

  那么“二战”结束以后,鉴于核科学研究,对国家安全的重要性,当时包括英国在内,就觉得不应该再在卡文迪什一个大学的实验室里边进行,就专门为此成立了一个国家的实验室,是在另外一个地方,那是专门来从事核物理的,所以从事核物理的这些科学家,他们的研究就转移到新的实验室去了,而且钱也就转移过去了,这样卡文迪什实验室就没有经费了,因为它的主要经费来源都转移到别的地方去了,而且主要的一批科学家也转移过去了,所以它不仅是经费短缺,而且原来的研究方向也就丧失了,就是面临一个很大的考验。这个实验室当时的主任叫做布拉格,他当机立断地就把卡文迪什实验室的发展方向,从纯物理研究转到两个方向,一个是用战时他们自己的科学家发展出来的雷达探测技术,用这个来发展射电天文,以及另外一个就是布拉格,是个有名的,也是得了诺贝尔奖金的物理学家,他得诺贝尔奖金是因为他在X光的分析上面做出了杰出的贡献,而且他做这个贡献时的年纪很轻,他大概是最年轻的得诺贝尔奖的,他25岁就得了诺贝尔奖金,跟他父亲一起,那么他本人和他父亲在卡文迪什实验室发展出的X光晶体分析技术,来进行生物大分子结构的跨学科的研究,使他转了两个完全跟原来不同的新的方面上去了,那么没有钱怎么办,他一方面是支持他的两个部下,一个叫瑞勒,一个叫拉特科里夫,他们去收集军队不要的雷达,当时仗打完了,军队有些不要的雷达,就组成了原始的射电望远镜,他又从医学研究委员会,大概在英、美,这个医学研究委员会,一般都是经费相对比物理学要多的一个地方,就组成了由马克思·佩鲁茨和约翰·肯德鲁为首的研究蛋白质晶体结构的小组,就是用X光来做蛋白质结构晶体的分析。那么这几位科学家,刚才提到这四位都得过诺贝尔奖金,因为他们这个工作都是在最前沿,克里克是马克思·佩鲁茨的研究生,他大概是1948年去的,沃森是1951年去做了约翰·肯德鲁博士后,沃森他是博士毕业了,他们两个都加入了这个蛋白质结构分析的小组,但是这两个人,都对DNA有浓厚的兴趣,他们是很少有的,又比较年轻,又不信大多数人所相信这个蛋白质是遗传信息这种说法的人,他们对DNA分子结构具有浓厚的共同兴趣,他们就密切合作、共同讨论、坚持不懈,最后就发现了DNA双螺旋结构。所以他们不是领导交给的任务,而是自选课题选出来的,这点也值得我们思考。 

  布拉格的远见,在困难的条件下,保证的卡文迪什实验室在这两个新兴学科上做出了辉煌的成果,发现了类星体,脉冲星,DNA双螺旋结构,确定了血红蛋白这个结构等等,造就了一大批诺贝尔奖金获得者,为战后英国的科学争得了极高的荣誉。 

  那么当时在美国,20世纪50年代初,还有两个知名的研究小组,来做DNA分子结构的研究工作,一个是在美国加州理工大学,由当时知名的量子化学家鲍林来领导,他在1950年成功地发现了蛋白质的α螺旋结构,并且从那个时候起,他就开始DNA分子结构的分析工作,他这个α螺旋的结构,对DNA的发现,也起了很重要的作用,因为他是第一个用分子形成螺旋这种结构生物大分子之人,所以就启发了很多的人,在研究DNA的时候,考虑那是一个螺旋结构。 

  那么还有一个小组,就是威尔金丝和富兰克琳,他们在英国伦敦皇家学院的两个人,这个威尔金丝是个学物理的,他战争时候是参加了曼哈顿计划,就是美国的核武器研制的曼哈顿计划,战争完了以后他就回来到了英国,他是开始用X光分析DNA晶体结构最早的一个物理学家。那么1951年,富兰克琳加入进来了,但是富兰克琳的技术非常之高,所以她很快就获得了更清楚的DNA的照片。由于他们所提供的X光照片,就成为发现双螺旋结构最重要的实验根据。富兰克琳不仅拍出了当时最清楚的DNA结构的照片,而且指出了沃森和克里克早期构造的DNA结构模型的错误,但好几次沃森、克里克想跟她合作,都被她拒绝了,这也可能伤害了他们的自尊心,我想可能是因为男的看不起她,她大概也看不起男的,总之这里头有点问题,她不愿意跟男的合作,以至于沃森和克里克在1962年他们得诺贝尔奖的时候,他们做了一个报告,这个报告里头引用的98篇文章,一次也没有提到富兰克琳的工作,这个非常是不公平,因为底下我们要看到,正是由于富兰克琳的工作,才使得沃森和克里克得出了这个双螺旋结构的结论的。 这里有一位画家打抱不平,就画了一张富兰克琳的像,里面画了两个富兰克琳的像,一个是红的,一个是蓝的,红像的脸后边就是沃森和克里克,里头画了沃森和克里克在讨论这个DNA双螺旋结构,右下角有一个小的像就是威尔金丝,他把富兰克琳画得这么大,把威尔金丝画这么小,把沃森和克里克画在她的脑袋里边,实际上说明的意思就是沃森和克里克所得的很多结论,实际上是因为她的贡献而得来的,某种意义上表示这个意思,我想可能是这位画家他是打抱不平。后来从富兰克琳的工作笔记中发现,在沃森和克里克发表他们双螺旋结构文章的前夕,除了这个配对方案以外,她已经独立地得到了相同的结论,作为有经验的化学家,她必定会在短期之内解决这个问题,如果不是当时英国科学界对妇女的歧视,和开始的时候威尔金丝对她不够尊重,造成两人之间的不合,影响了他们的工作进度,那完全可能最先发现双螺旋结构的桂冠,会落在威尔金丝和富兰克琳的头上。双螺旋结构的发现过程,是有一定的戏剧性的,当事人的回忆也不尽相同,褒贬也不一,这大概是因为每个人都想把自己的功劳说得大一点,而当事人的个性和复杂的人际关系,在其中又起了相当大的作用。下面我就以沃森和克里克这一组为主线做一个简单的介绍。 

  沃森是一个天才,20岁大学就毕业了,22岁就得了动物学的博士学位,并且得到了一年的资助到哥本哈根去从事病毒的DNA研究。他很早就对DNA很感兴趣,在欧洲一次学术会议上,他听到了威尔金丝报告DNA结构的X光分析,他的印象是很深刻的,所以他就想做DNA分子结构的破译工作,那时他是一个刚毕业的学生,在他要申请下一个博士后工作岗位的时候,他曾经做了一些考虑,他觉得鲍林已经很有名了,不会花时间帮助他,他当时认为他是一个小人物,所以他决定不去。同时他对威尔金丝的报告很有兴趣,他跟威尔金丝谈,但是威尔金丝对他好像没有显出很高的热情要把他留下做博士后。所以他就申请到了卡文迪什,去做了博士后。在1951年的时候,开始跟克里克一起工作,克里克他是在战前就已经在物理系毕业了,在战时他也是从事军事、军工,所以做过磁性地雷和雷达的研发,他在战后读了一个物理学家薛定谔写的书,这本书是《生命的本质》,是物理学家写的,是量子力学的发明人之一,这个书里边当时是按照物理学家的观点,指出来研究决定生命现象内部的分子结构是非常重要的,因为物理学家是还原论了,至少在很长时间之内,一切东西都是由分子、电子、原子所决定的,生命现象他认为也不应该有所例外,所以他这本书特别强调了这一点。受这个影响,克里克就决定改学分子生物,他就重新到卡文迪什实验室去做研究生,沃森来的时候,他正在从事红血球的X光晶体分析的博士论文工作,那是1951年,那个时候他已经35岁,他也是当时和沃森一样,少数坚定相信DNA是遗传物质载体的人之一,这点是使得他们成功很重要的因素,因为他们并没有盲从当时大多数的科学家相信蛋白质是遗传载体,就是说比较普遍的这种观念,而是有自己很明确的想法。 

  这个沃森和克里克他们认定了,大概是克里克的一段话,说所有生命的现象,都是在分子的层次所产生的,所以如果不懂得这些分子的话,我们不可能懂得任何的生命现象。当然他说得稍微过头一点,不过他坚定地相信这个,才能使得他俩认为基因的三维分子结构是了解生命现象的关键,是应当抓紧研究的重大课题,那么这个认识,使得他们能够排除一切困难,紧密合作,抓住这个题目不放,最后终于获得成功。刚才讲了他抓住不放的,是他自选的课题,那么由于当时的布拉格和伦敦皇家学院有一个君子协定,这个君子协定就是卡文迪什实验室只做蛋白质的X光分析,DNA的X光分析是由皇家学院进行,因此沃森和克里克他们只能到皇家学院,才能得到有关的实验数据,他们在卡文迪什是得不到的,那么在这个情况下,他们是在一些并不是条件非常优越的情况下,来完成他们自己热衷的研究工作的。 

  最初,沃森以书本上的核苷酸化学结构为出发点,认为基对是由相同的核苷酸分子通过氢键组成的,就是他原来以为A、G、C、T四个分子,A和A配对,C和C配对,因为按照当时他所认识的这个分子结构只能这样配对,但是这样一配对,就不能解释刚才那个洽嘎弗规则,就不可能是A的数目和T的数目相等,C的数目和G的数目相等,而且我们刚才讲了这个嘌呤分子,它是有两个六角形,所以它比嘧啶的分子大,如果这样来组成一个双螺旋的话,这个双螺旋就忽大忽小了,这个直径就不可能统一,所以他觉得也不太对,他就找到当时在隔壁有一个工作的化学家叫杰里·多洛,征求他的意见,这个杰里·多洛就指出来,他说你用的这个核苷酸化学结构是不对的,更对的是他用的叫做稀醇型的,是氢和氧原子结合,这个不对,他说应该是氢和氮结合的一个酮类型,他说用这样一个分子结构你再试试。结果第二天,沃森就得到了正确的核苷酸分子,A和T、C和G配对的这个模型,他和克里克也早已确认两条骨架链应该是反平行的,有了这些认识,他们很快就创造出一个新的模型,也就很快得到威尔金丝和富兰克琳的认可,必须A和T配对,G和C配对。有了这样一个配对以后,当然就很清楚了,这两条模型,两条链,是完全相同的信息,因为它是严格配对的,一个可以作为另外一个模板,而且打开了以后,两个可以作为新的模板,可以创造出两条新的DNA长链来,糖和磷酸在外边, A、T、C、G遗传信息单位在里边,而且外边的骨架是反平行的。 

  那好了,我们从刚才讲的这些故事中间,能够得到些什么启示?从DNA双螺旋结构的发现过程,我们可以得到很多有益的启示。一个,是把一个学科发展成熟的知识技术和方法,应用到另一个学科的前沿,能够产生重大的创新成果,学科交叉是创新思想的源泉,物理的分析方法和化学关于分子结合键的知识,对建立正确的DNA双螺旋结构起了决定性的作用。 

  第二个是科学的发现,是一个知识不断积累,认识不断深化的一个过程,我在前面讲了一段很长的历史,在DNA双螺旋结构之前,有上百年的历史,科学家都在追求怎么来认识遗传和基因,所以善于学习和鉴别,对已有的结论经过去粗取精,去伪成真,有选择地继承并且加以发展,才能做出重大创新。重大的科学发现,它不会孤立出现,在它之前,必然已经有前人大量的探索,它不断突出矛盾,不断扫清外围,等待着幸运儿的出现。因此只有掌握了前人发展的全部关键知识,但是又不盲从,才能站在巨人的肩膀上抓住机遇,实现突破。 

  第三,高明的学术领导人,像布拉格他善于利用自己积累的知识优势,发现学科交叉的切入点,

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