德弗里斯(左图)1877年曾到英国拜访达尔文并有过一次长谈,这使他专心致志于解决当时进化论所面临的最大的问题:遗传机理。象孟德尔一样,他以植物为研究材料,不过他用的是月见草。他种了二十年超过五万株的月见草,从中发现了新种。他认为这些新种是由于“突变”导致的,并认为突变是产生变异的原因。现在已知道,他所发现的这些新种并不是基因突变,而是染色体畸变所致,不过他仍然被视为发现基因突变的第一人。之后,他就转往研究性状的传递问题。1900年,德弗里斯认为自己已发现了遗传定律,写成论文,分寄法兰西科学院和德国植物学学会。法语版的论文先登了出来,柯灵斯读了以后,发觉实际上就是孟德尔所发现的定律,就给德弗里斯寄去了一份孟德尔的论文。德弗里斯赶在德语版论文出来之前,匆忙在论文中加注了孟德尔的论文,但声明“在实验就要全部完成并已得出结论后,才读到孟德尔的论文”。
柯灵斯(右图)也在做植物杂交的实验,在德弗里斯之后也赶紧发表了实验结果。他在论文中提到了孟德尔,但也象德弗里斯一样,声明是在自己独立地发现了遗传定律之后才读到孟德尔的论文的。
契马克(左图)也在几星期后发表了论文,在论文中引用了孟德尔,但同样称自己独立地发现了遗传定律,然后才验证孟德尔的实验。
不论他们发表论文的动机如何,这三位著名的生物学家在一年之内同时发表论文宣扬孟德尔,使孟德尔定律很快引起了生物学界的重视。生物学界掀起了验证孟德尔定律的热潮。
1909年,丹麦生物学家约翰逊(Wilhelm Ludwig Johannsen,1857~1927)(右图)根据希腊文“给予生命”之义,创造了基因(gene)一词,并用这个术语代替孟德尔的“遗传因子”。不过他所说的基因并不代表物质实体,而是一种与细胞的任何可见形态结构毫无关系的抽象单位。因此,那时所指的基因只是遗传性状的符号,还没有具体涉及基因的物质概念。
美国遗传学家摩尔根(Thomas Hunt Morgan,1866~1945)(左图)对基因学说的建立作出了卓越的贡献。1915年至1928年,他和他的助手以果蝇(右图)作为实验材料,第一次将代表某一特定性状的基因,同某一特定的染色体联系了起来,创立了遗传的染色体理论。随后遗传学家又应用当时发展的基因作图(gene mapping)技术,构筑了基因的连锁图,进一步揭示了在染色体载体上基因是按线性顺序排列的。
首先用实验证明基因的化学本质就是DNA分子的是加拿大生物化学家艾弗里(Oswald Theodore Avery,1877~1955 )(左图)。1945年,他和他的合作者在纽约进行细菌转化的研究(右图),实验材料是肺炎链球菌,结果说明,使细菌性状发生转化的因子是DNA(即脱氧核糖核酸),而不是蛋白质或RNA(即核糖核酸)。
这一重大的发现轰动了整个生物界。因为当时许多研究者都认为,只有像蛋白质这样复杂的大分子才能决定细胞的特征和遗传。而艾弗里等人的工作打破了这种信条,在遗传学理论上树起了全新的观点,即DNA分子是遗传信息的载体。
当人们为艾弗里的实验而激烈争论时,美国微生物学家赫尔希(Alfred Day Hershey,1908~1997)(左图)等人在考虑,能否将蛋白质和DNA完全分开,单独观察DNA的作用呢?他们的实验材料是T2噬菌体(右图)。实验证实,进入细菌细胞的噬菌体是核酸;进而说明,携带遗传信息的是核酸,而不是蛋白质。噬菌体的DNA不但包括噬菌体自我复制的信息,而且包括合成噬菌体蛋白质所需要的全部信息。1952年,赫尔希和他的学生共同发表报告,肯定了艾弗里的结论。此后,再也无人怀疑DNA是遗传物质了。
英国生物物理学家阿斯特伯里(William Thomas Astbury,1898~1961)(右图)1938年曾通过X射线结晶衍射图发现DNA分子是多聚核苷酸分子的长链排列。然而阿斯特伯里所发现的DNA图片极其不清楚,无法真实反映DNA清晰的图像。
1950年,爱尔兰科学家威尔金斯(Maurice Wilkins,1916~)(左图)的研究小组就测定了DNA在较高温度下的X射线衍射,得到的照片比阿斯特伯里的要精美得多。其中一个主要原因就是他们保持了DNA纤维的湿润状态。DNA的X光衍射照片中有明显的几组点组成了十字的一横,提示DNA的整个结构为螺旋形,但证据并不充分。后来,威尔金斯似乎再也无法深入到更深层面了解DNA的真实结构。
具有非凡才能的英国女科学家罗沙琳德·弗兰克林(Rosalind Franklin,1920~1958)(右图)加盟到威尔金斯小组。她凭着独特的思维,设计了更能从多方面了解物质不同现象的实验方法,如获取在不同温度下的DNA的X射线衍射图。把这些各种局部的结构形状汇总,DNA的衍射图片越来越全面。1952年5月她获得了一张清晰的DNA的X光衍射照片。弗兰克林与威尔金斯提出DNA的结构可能是双螺旋。
美国化学家鲍林(Linus Pauling,1901~1994)(左图)从1951年起就在用同样的X射线晶体衍射方法研究蛋白质的氨基酸和多肽链,最后发现了血红蛋白多肽链为α螺旋链,他成为X射线晶体衍射的权威。鲍林将注意力转到了DNA,并获得了一些DNA的X射线晶体衍射图片。也许是由于实验的问题,或是指导思想的问题,鲍林一直认为DNA是三螺旋结构,走入了误区。
1953年,最伟大的模型——DNA双螺旋结构模型被提出来了,两位创立者是美国生物化学家沃森(James Dewey Watson,1928~)(左图一)和英国生物物理学家克里克(Francis Harry Compton Crick,1916~)(左图二)。
1951年,沃森前往意大利参加生物大分子结构会议。威尔金斯和弗兰克林关于DNA的X射线晶体衍射图分析报告吸引了沃森。博士毕业后沃森在英国的卡文迪什实验室与克里克相遇并共同研究DNA的结构。虽然受到自威尔金斯和弗兰克林的报告的启发,但是,DNA具体是一个什么样的螺旋结构,是双链、三链还是四链的,沃森和克里克心中并没有谱。
起初,沃森与克里克认为DNA的螺旋结构应该是三螺旋,并从鲍林那里获得启示开始了“搭积木”式的研究(右图)。因为鲍林发现血红蛋白的α螺旋链就是靠“搭积木”摆弄出来的。许多化学分子的结构模型都是这样被人们认识的。
沃森与克里克按照他们的理解搭出了DNA三螺旋的结构。他们认为,这个模型与威尔金斯和弗兰克林提供的X衍射图比较吻合,尽管弗兰克林当时并不知道DNA的精确结构应当是什么样的,但她指出这个模型过分模仿水分子,DNA结构不应当是三螺旋。
沃森和克里克对DNA螺旋结构的数种设想都被威尔金斯和弗兰克林否定。在1953年2月14日的讨论中,威尔金斯出示了一幅弗兰克林获得的非常清晰的DNA晶体衍射照片。这张照片突然激发了沃森头脑中的思维,DNA链只能是双链的才会显示出这样漂亮而清晰的图。1953年2月28日沃森和克里克重新摆弄出了正确的DNA双螺旋结构。1953年4月25日《自然》杂志发表了沃森与克里克的DNA双螺旋结构假说的不到1000字短文《核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型》,并配有威尔金斯和弗兰克林的两篇文章,以支持沃森和克里克的假说。后来鲍林和其他科学家的研究也从不同方面证明了DNA双螺旋结构。一个月后,沃森与克里克在《自然》杂志上又发表一篇论文,讨论了遗传物质复制的机制。
沃森和克里克在一封信中对弗兰克林说,她和威尔金斯的DNA双螺旋结构X衍射图片对他们启发很大。正是在这张图片和弗兰克林与威尔金斯的不断指引,他们才走上了正确的跑道,并最终完成了一项具有划时代意义的伟大工作。DNA双螺旋结构的发现标志着分子生物学从此诞生。它不仅说明了DNA为什么是遗传信息的携带者,而且说明了基因的复制和突变等机理。
随着研究的深入,人们已经了解到生物界并非所有的基因都是由DNA构成的。某些病毒和噬菌体,它们遗传体系的基础是RNA,而不是DNA。1956年,德国科学家吉尔(Alfred Gierer)和施拉姆(G.Schramm) 在研究烟草花叶病毒时,首先发现了RNA分子能够传递遗传信息,同时他们还发现烟草花叶病毒的RNA成分在感染的植株叶片中能够诱导合成新的病毒颗粒。(左图显示了RNA与DNA的比较)
最初由孟德尔提出的遗传因子(hereditary factor)的概念,通过摩尔根、艾弗里、赫尔希和沃森、克里克等数代科学家的研究,已经使生物遗传机制建立在遗传物质DNA的基础之上。 科学家们围绕DNA的结构和作用,继续开展研究,取得了一系列重大进展。1961年,美国生物学家尼伦伯格(Marshall Warren Nirenberg,1927~)现在,基因已经是以一种真正的分子物质呈现在我们面前,再也不是一种神秘成分了。科学家可以像研究其它大分子一样,客观地探索基因的结构和功能,并已经开始向控制遗传机制、防治遗传疾病、合成生命等更大的造福于人类的工作方向前进。 (右图)等人成功破译了遗传密码,以无可辩驳的科学依据证实了DNA双螺旋结构的正确性。人们对遗传机制有了更深刻的认识。
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