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美哉普世 精选

已有 62676 次阅读 2014-8-25 10:32 |系统分类:海外观察

美哉普世

 

     人类最崇高的必定有普世意义;

科学最优秀的必定有普世价值。

年轻的生物学家与物理学家合作,于1953年提出DNA双螺旋结构,揭示了适用于全球所有生物的根本规律、带来了人类对自身和外界的深刻认识、奠定了改变世界的全新途径。

创造性的科学是人类的智力之光,其探寻的真理有普世意义,其取得的成就有普世价值。

再见康桥

做出二十世纪后五十年最重要科学发现的美国人沃森(James D Watson1928-)当时年仅25岁,英国人克里克(Francis HC Crick1916-2004)时年37岁。

1953年,沃森和克里克正在英国剑桥大学的卡文迪许(Cavendish)实验室工作和学习,沃森已获美国的博士学位在英国镀金做博士后培训、克里克因二战影响学业还在念博士学位研究生。

三百多年前拥有牛顿(Isaac Newton1642-1727)的剑桥大学,在多个自然科学学科的贡献经久不衰,长期领导全世界的科学前沿。

 

 

 

文本框:左图为剑桥大学三一学院牛顿雕塑;右为剑河上的桥;

卡文迪许实验室建立于1874年,首位主任为物理学家麦克斯韦(James Clerk Maxwell1831-1879),出产过二十多位诺贝尔物理奖,发现过电子、中子。

1938年至1953年,卡文迪许实验室主任为小布拉格(W Lawrence Bragg1890-1971)。布拉格在22岁时提出X线衍射可用于解析分子的结构、提出布拉格方程,推动物理、化学、金属、矿物分析,于25岁成为有史以来最年轻的诺贝尔奖得主。布拉格对生物分子感兴趣,支持佩鲁兹(Max Perutz1914-2002)和肯德鲁(John Kendrew1917-1997)用X线衍射研究生物分子的结构,于1947年起由英国医学研究委员会支持,在卡文迪许实验室成立“生物系统分子结构单元”。

佩鲁兹领导的单元演变为“分子生物学实验室”,以生物研究出产了13位诺贝尔生理奖和化学奖得主。佩鲁兹和肯德鲁改进了X线分析蛋白质结构的技术,他们解析了血红蛋白的晶体结构,还教会了大龄研究生克里克和欠缺修养的美国人沃森用X线衍射分析技术,并勉强容忍了克里克和沃森。

  

文本框:左为卡文迪许实验室墙上的标记;右为卡文迪许实验室墙上的雕刻


简约之美

生物与物理两个学科交叉,结果绚丽多彩。遗传学出身的沃森坚信1944年埃弗里(Oswald Avery1877-1955)等提出DNA是遗传的分子基础,研究DNA的热情非同寻常;物理学出身的克里克有足够背景用X线衍射分析物质结构,研究DNA结构得心应手。

1951年至1953年,沃森和克里克合作无间。他们不认真跟随老师佩鲁兹和肯德鲁专心研究蛋白质和病毒结构——这一以后得诺贝尔奖的工作,而是“不务正业”地横插一杠研究DNA。他们热切地与伦敦大学国王学院的富兰克林(Rosalind Franklin1920-1958)和威尔金斯(Maurice Wilkins1916-2004)交流科学,自己不做实验,看他们的研究结果,讨论、思考、建立模型。出过错误,被讽刺挖苦,也被罚回去做自己的“正事”。年轻的沃森一边做研究、一边追哈佛大学教授的女儿,却遭情场失意。

1953228日上午,沃森和克里克提出DNA的双螺旋结构。

当天午饭在剑桥的“鹰”咖啡馆,他们——特别是克里克——兴奋地逢人便介绍自己的发现。

 

 文本框:左为咖啡馆纪念1953年2月28日的标记;右为Eagle咖啡馆

 

425日,《自然》杂志以一页的篇幅发表他们的论文:“脱氧核糖核酸的一种结构”。他们提出,DNA由两条链反向环绕而成,两链上相对的碱基有特定匹配:ATCG;这种配对由氢键介导。

双螺旋不仅美丽,而且含重要信息,沃森和克里克在第一篇文章的最后用典型的英国学者双重否定式英文写道:“没有逃脱我们的注意,我们提出的特异配对,立即提示了遗传物质的拷贝机理”。同年,在他们的第二篇《自然》论文中,他们解释了这句话的意思。既然一条链与另外一条链配对,那么,知道一条链的碱基序列就自动知道了另外一条链的碱基序列。而DNA复制就是一条链的碱基序列指导另外一条链的序列,也就是说遗传信息可以从一条链拷贝到另外一条链。

文本框:左为双螺旋结构示意图;右为克里克当年为13岁儿子讲解DNA复制

至此,遗传信息从概念上的因子,变成了清晰的化学分子的碱基配对要求;遗传研究也从孟德尔进化到了沃森-克里克。

这是结构生物学最精彩的一章:结构提供了其他方法所不能提供的特有信息;结构解析不是一系列功能和生物化学研究的结束、而是更多研究的起点,是多个学科的基础。

沃森和克里克的科学新思想优美且不朽。

先俊后杰

1865年,在捷克工作的德国修道士孟德尔(GregorJohann Mendel1822-1884)提出遗传的基本规律。1869年,在德国工作的瑞士科学家米歇尔(Johann Friedrich Miescher1844-1895)从化脓的伤口提取出核酸。十九世纪末二十世纪初,德国的科塞尔(Albrecht Kossel1853-1927)发现核酸含多种碱基,包括A(腺嘌呤)、T(胸腺嘧啶)、C(胞苷酸)、G(鸟嘌呤)等,这些碱基分别与核糖形成核苷,再与磷酸形成核苷酸。1912年至1935年,美国洛克菲勒医学研究所的利文(Phoebus Levene1869-1940)确定了核苷酸如何链接形成核酸。1944年,洛克菲勒的埃弗里等提出脱氧核糖核酸(DNA)是遗传的物质基础。1944年埃弗里等的工作和1953年沃森-克里克的工作,是二十世纪生物学最重要的两项研究。

沃森-克里克延续孟德尔的道路,师承布拉格父子学术谱系的佩鲁兹和肯德鲁,研究承接1930年代老布拉格的学生William Astbury1898-1961)开启的DNA结构分析,直接受益于犹太裔女科学家富兰克林。她获得清晰的DNA衍射图片,并独立提出DNA双螺旋结构。但富兰克林未提出碱基配对。因此,这一具有重要遗传学意义的概念并非从X线衍射结果所直接看到,而是沃森-克里克在实验结果的基础上提出的创造性见解。

DNA碱基配对的概念,直到1970年代才真正为实验所证明,但在1953年提出之后就指导当时的研究,首先是遗传复制和传代的机理。而且,指导遗传密码的研究。克里克等从1954年至1965年提出和理解遗传密码,密码工作原理的核心是碱基配对。美国生物化学家Marshal Nirenberg1927-2010)、西班牙裔美国科学家SeveroOchoa1905-1993)和印度裔美国科学家GobindKhorana1922-2011)等,解出了遗传密码,这套密码普遍适用于地球上从病毒、细菌到人的所有生物。

分子生物学的诞生带来了革命,影响超出生命科学。新的学科因之而出现:分子神经生物学、分子药理学、分子医学……;人类疾病的基因被发现,诊断方法被改进……。分子生物学发展到1970年以后,技术开始突飞猛进,到今天,种种以前不可想象的未知,正纷纷成为的现实:从DNA中既可发现人类的历史,也可验证家系的渊源;可用微量DNA确定凶手排除冤案;也可用DNA在经济适用的培养瓶中生产原本需要从大量动物小型器官获取的药物……。

沃森和克里克的成就是生物学有史以来屈指可数的改变世界的重要发现,推动了人类对自然的理解,奠定了新型产业——生物技术——的基石,带来了生物、医学、农业、药学的革命。

科学发现给人类社会带来的提升和改变有时具有深远意义。随着人类认识的推进,科学的前沿不断扩展,更多美丽的自然有待探索、更多重要的规律有待发现。

科学可以永恒……

 

注:

1)获得普世价值不一定需要大权在握,如斯大林长期独裁大国、权倾一时,但待1953年与世长辞时,其毕生实践虽经猛力打造和推广却没有成为人类普遍热衷珍藏的精神遗产;而当年沃森和克里克除了自己没有领导过他人,通却过智力激荡发现了普适的规律。

2)富兰克林的学生、1982年诺贝尔化学奖获得者Aaron Klug1926-)在富兰克林去世后从其笔记本发现证据,显示她独立提出双螺旋结构。

31958年富兰克林逝于癌症。沃森、克里克、威尔金斯因解析DNA结构获1962年诺贝尔生理或医学奖,他们的老师佩鲁兹和肯德鲁因为解析血红蛋白的结构获同年的诺贝尔化学奖。

4Ochoa的遗传密码工作与Nirenberg的并驾齐驱,而且一系列工作中有一步他比Nirenberg更巧妙。但通常讲遗传密码多提Nirenberg而忽视Ochoa,因为很多人(包括一些主要教科书的作者)并未读原始文献,只按1968年诺贝尔奖给了NirenbergKhorana(和发现tRNARobert Holley),而未给OchoaOchoa未得1968奖的原因很可能是因为诺贝尔委员会1959错奖了他。与他共享的Arthur Kornberg1918-2007)因为发现DNA多聚酶得奖,而Ochoa发现的RNA代谢相关的酶并非RNA多聚酶,但委员会1959年不清楚而误给了奖,所以1968年很可能觉得无需再给一次。这是天上掉下馅饼害人哭笑不得的一个例子。

5)文中6张彩色照片为作者摄于2012年。DNA双螺旋示意图来自沃森和克拉克1953年原文,克里克在信中为儿子的讲解DNA复制的机理所画示意图来自Olby2009)。

 

参考文献

Astbury WT and Bell FO (1938).X-ray study ofthymonucleic acid.Nature 141:747-748.

Astbury WT (1947) X-ray studies of nucleic acids.Symposium of the Society of ExperimentalBiology 1:66-76.

Avery OT, MacLeod CM and McCarty M (1944).Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation ofpneumococcal types. Journal of Experimental Medicine 79: 137-158.

Franklin R and Gosling RG (1953).Molecularconfiguration in sodium thymonucleate.Nature 171:740-741.

Hall KT (2014). The man in the monkeynutcoat.William Astbury and the forgotten road to the double helix.OxfordUniversity Press.

Klug A (1974). Rosalind Franklin and the doublehelix.Nature 248:787-788.

Levene PA and Jacobs WA (1912).On the structureof thymus nucleic acid.Journal of Biological Chemistry12: 411-420.

Levene PA andTipson RS (1935).The ring structureof thymidine.Journal of BiologicalChemistry 109:623-630.

Olby R (2009). Francis Crick. Hunter of life’ssecrets. Cold Spring Harbor Laboratory Press, New York.

Sayre A (1975). Rosalind Franklin and DNA. W. W.Norton, New York.

Miescher JF (1871).Ueber diechemische Zusammensetzung der Eiterzellen. Medisch-chemische Untersuchungen4:441-460.

Watson JD (1968). Double helix. Atheneum, NewYork.

Watson JD and Crick FHC (1953a).A structure fordeoxyribose nucleic acid.Nature 171:737-738.

Watson JD and Crick FHC (1953b).Geneticalimplications of the structure of deoxyribonucleic acid.Nature171:964-967.

Wilkins MHF, Stokes AR and Wilson HR (1953).Molecularstructure of deoxypentose nucleic acids.Nature 171:738-740.

 

首发于微信公号《赛先生》

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3OTgzMzUzOA==&mid=200672738&idx=1&sn=d2390f2d5eb2c5c944c72652fbb52153#rd




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