生命科學的偉大發(fā)現(xiàn)

1、生命科學的偉大發(fā)現(xiàn)一紀念DNA螺旋結構模型創(chuàng)立50周年1953年美國遺傳學家沃森和英國物理學家克里克在英國自然雜志上發(fā)表論文，提出了DNA雙螺旋結構模型。這一發(fā)現(xiàn)在生物科學史上翻開了劃時代的一頁，從此生物學步入了分子科學的新時代。有人稱這一發(fā)現(xiàn)為繼達爾文創(chuàng)立進化論后生物學發(fā)展史上的第二次革命、二戰(zhàn)后最偉大的科學發(fā)現(xiàn)，把它和相對論、量子力學視為20世紀最富創(chuàng)新力的三大科學發(fā)現(xiàn)。一、DNA雙螺旋結構提出的背景1866年孟德爾發(fā)表“植物雜交試驗”一文，1900年孟德爾定律被重新發(fā)現(xiàn)，為遺傳學界所關注。但當時的研究僅限于生物體的整體水平，并不知道遺傳因子位于何處、是何物質(zhì)、如何傳遞和起作用。美國遺傳學

2、家薩頓注意到染色體的行為與孟德爾所說的遺傳因子的行為相似，于1902年提出遺傳因子在染色體上的假說。1909年丹麥遺傳學家約翰提出“基因”一詞，用來代替孟德爾的遺傳因子。同年，摩爾根通過果蠅雜交實驗證實了基因在染色體上，把遺傳學推進到了染色體水平。1928年，英國科學家格里菲思進行了肺炎雙球菌轉化實驗，拉開了發(fā)現(xiàn)DNA是遺傳物質(zhì)的序幕。在他的啟發(fā)下，1944年美國科學家艾弗里通過細菌轉化實驗首次證明DNA是遺傳物質(zhì)。1952年美國的赫爾希和查斯用噬菌體侵染細菌的實驗進一步證明DNA是遺傳物質(zhì)。1945年美國的比德爾和塔特姆通過對鏈孢霉突變型的研究提出了“一個基因一個酶”理論，用來說明基因是通過

3、酶控制性狀發(fā)育的觀點。至此，什么是遺傳物質(zhì)及遺傳物質(zhì)的作用機制已基本明確，但它的結構怎樣？怎樣儲存和傳遞信息？信息又怎樣到酶（蛋白質(zhì)）的合成過程？結構決定功能，要回答這些問題，搞清DNA的結構是關鍵。二、DNA雙螺旋結構提出的過程1938年，歐洲結構學派的先驅(qū)者阿斯特伯里提出了DNA的第一個結構假說。他發(fā)表了一張DNA的X射線衍射照片，并指出DNA是一個具有較強剛性的纖維結構。1945年他采用X射線衍射技術，測出了兩種堿基的間隔，提出了堿基與DNA長軸垂直，得出了DNA具有晶體結構的結論。這些發(fā)現(xiàn)大大加快了揭示DNA結構的進程。20世紀50年代初，世界上有三個研究小組繼承阿斯特伯里開創(chuàng)的工作，

4、圍繞DNA的結構展開了一場激烈的競賽。這三個小組分別是：1美國加州理工學院的鮑林小組    鮑林，美國化學家，是研究化學結構的無可爭議的世界權威（因?qū)Φ鞍踪|(zhì)空間結構的研究而獲1954年諾貝爾化學獎，1962年又獲和平獎）。他測定并解釋了X射線通過晶體時在底片上形成的反射圖象。50年代初，他毅然把自己的注意力從他已有許多成就的蛋白質(zhì)結構方面轉向了DNA。他在X射線晶體學方面的貢獻，給了沃森和克里克以很大的啟發(fā)。同時，他對DNA表現(xiàn)出來的興趣也給沃森和克里克指明了目標。2英國倫敦皇家學院的威爾金斯小組   威爾金斯在20世紀40年代末就開始采用X射

5、線衍射技術去研究DNA的晶體結構，并測得了一些數(shù)據(jù)，但由于X射線衍射圖譜不清楚，沒有獲得成功。在這關鍵時刻，女物理學家富蘭克林參加了他的研究小組，她極有才華，研究風格嚴謹，在X射線晶體學方面有特殊才能。她在1951年底獲得了一張極好的DNA的X射線衍射照片。只是由于脾氣、性格等方面原因，她和威爾金斯之間很少能夠坦誠合作，彼此之間難得相互交流和協(xié)調(diào)思想，因此沒能很快地對照片作出正確的解釋。但是這張珍貴的照片，對沃森和克里克能夠最終建立DNA雙螺旋結構模型起到了關鍵性的作用。3英國劍橋大學卡文迪什實驗室的沃森、克里克小組     克里克原來是個物理學家，對生

6、物學懂得很少，他受到薛定諤（奧地利理論物理學家，創(chuàng)立了波動力學，提出了薛定諤方程，與德國物理學家狄拉克同獲1933年諾貝爾物理學獎）性命是什么（1944年出版）一書及鮑林的影響后，才開始了生物學的研究。在卡文迪什實驗室佩魯茨（英國化學家，因用X射線衍射技術確定球蛋白的結構而與肯德魯同獲1962年諾貝爾化學獎）手下作血紅蛋白的X射線研究。沃森于1951年秋來到卡文迪什實驗室，開始在肯德魯手下研究肌紅蛋白的結構，遇到克里克后，兩人開始合作從事DNA分子結構的研究。1951年11月，兩人建立起了第一個DNA模型：三鏈螺旋結構模型，但很快便被威爾金斯提供的實驗數(shù)據(jù)否定了。1952年春天，克里克與同事、

7、數(shù)學家約翰·格里菲思（進行肺炎雙球菌轉化實驗的格里菲思的侄子）進行了堿基配對的能量問題的計算。他們發(fā)現(xiàn)，嘌呤與嘌呤或嘧啶與嘧啶堿基之間的配對在能量分布上不合理，表明在4個堿基中，腺嘌呤趨向與胸腺嘧啶連接，而鳥嘌呤趨向與胞嘧啶連接，這種專一的配對可能反映了天然的親和力。1952年5月，哥倫比亞大學的查加夫訪問劍橋，會見了沃森和克里克。他告訴兩人，他的測量表明，DNA分子中腺嘌呤的總量等于胸腺嘧啶，鳥嘌呤的量總等于胞嘧啶。雖然查加夫在1950年就發(fā)表了這個結果，查加夫的發(fā)現(xiàn)與約翰·格里菲思對城基親和力的判斷十分吻合，但是沃森和克里克顯然不曾重視這些發(fā)現(xiàn)，沒有立即意識到這些發(fā)現(xiàn)的

8、重要意義。1952年12月，美國的鮑林也提出了一個DNA的三鏈螺旋模型，與沃森和克里克在一年多以前被否定的模型基本相似僅略有出入。沃森很快覺察到他的模型有問題，并認定它是錯誤的。這更加刺激了沃森和克里克加緊有關DNA結構的工作。1953年2月6日，沃森趕到倫敦與威爾金斯、富蘭克林等對鮑林的模型進行討論。此間，威爾金斯向沃森出示了富蘭克林于1951年11月所獲得的一張極好的DNA分子X射線衍射照片，沃森看后深受震動。盡管威爾金斯和富蘭克林主張X射線資料傾向于排除雙鏈，但沃森一看到這張照片，就立刻意識到只有DNA分子為雙螺旋結構，才能呈現(xiàn)出照片上那種醒目的交叉的黑色反射線條?；氐絼蚝?，沃森和克里

9、克加緊了DNA分子模型的建構工作。2月19日，兩人建立了一個新的DNA模型，即雙鏈螺旋結構的堿基同配（即A與A配對，T與T配對等）模型。正當他們?yōu)橥淠Ｐ偷慕⒍吲d時，與他們同在一個辦公室（但在佩魯茨小組），剛從鮑林的實驗室來的研究氫鍵的美國化學家多諾休對此提出了異議。他告訴兩人：按照堿基的天然構型，A只和T緊緊結合，G只與C緊緊結合，這些配合之間的緊緊結合是由氫鍵形成的。當這種氫鍵連接的AT和GC互補對重疊在一起時，它們正好占據(jù)同等的空間。這樣，堿基的形狀及其氫鍵親和性的理論、DNA的堿基組成的事實都統(tǒng)一起來了。2月28日，沃森和克里克根據(jù)多諾休的建議用紙板重新做出4個堿基的模型。當他們將

10、其粘到兩條主鍵的骨架上構成螺旋并朝向里面時，它們搭配得非常完美?？死锟笋R上意識到只有當兩條鏈的走向相反時，才能這樣搭配。于是，現(xiàn)在的模型和X射線資料的要求相一致了。在隨后的幾天里，他們加緊工作，最終建立了著名的DNA分子的雙螺旋結構模型。他們的巨大成就立即傳遍了全世界。3月7日，歐洲結構學派的學者，如布拉格（英國物理學家，因采用X射線進行晶體結構研究取得的成果而與其父親同獲1915年諾貝爾物理學獎，是諾貝爾獎歷史上最年輕的獲獎者，獲獎時只有25歲）、肯德魯、威爾金斯等都來參觀這個模型。模型的完美和出色使大家承認模型是正確的。美國的鮑林也寫信對這個模型表示贊同。4月25日，英國著名的自然雜志發(fā)表

11、了沃森和克里克的論文脫氧核糖核酸的結構。三、沃森和克里克成功的原因在當時研究DNA分子結構的三個小組中，沃森和克里克不僅資金、設備是最差的，而且在研究DNA方面所具備的知識也是最差的，起步也最晚，卻最終獲得了成功。從1951年秋到1953年2月，他們僅用了18個月就創(chuàng)立了DNA雙螺旋結構模型。他們成功的原因有以下幾點：1兩人的組合是他們成功最主要的原因    兩人性格完全相左，克里克性格開朗，大聲說笑；沃森遇事不輕易開口，但又性格急躁，具有強烈的競爭意識，是典型的工作狂。沃森有著豐富的信息知識而克里克在X射線分析研究方面經(jīng)驗豐富。在處事上，他們都慣于把自己的想法很

12、直接地表達出來，從未考慮到這樣可能會傷害別人。在科學研究上這種性格是極其寶貴的，兩個人思想上的交鋒確實能產(chǎn)生許多新的東西。當時克里克35歲，沃森只有23歲，兩個人在科學研究上都沒有取得什么較大的成果，都是急欲爬到科學“頂層”的年輕人，這使他們很快有了共同語言。他們都受生命是什么一書的影響，在觀念上是新的，看問題的角度是獨特的，對DNA的認識高于其他人。他們都認為DNA的結構是生物學最根本的問題?；パa的性格和學科知識，共同的成功欲望和認識，使他們走上了成功之路。2“博采眾長”是成功的基礎   在創(chuàng)立模型的過程中，他們注意及時吸收和借鑒別人的最新研究成果。如前所述，查加夫、威爾

13、金斯、富蘭克林、多諾休等人的研究成果給了他們很大的幫助。甚至一些“外行”的研究也給了他們以很大的啟迪，如薛定諤的用量子觀點來解釋基因行為、維納（控制論的先驅(qū)）的“結構一功能”思想等。3科學無國界精神是成功的靈魂   在創(chuàng)立模型的過程中，他們得到了威爾金斯、富蘭克林、鮑林等的無私幫助，而實際上他們正是同一研究領域的競爭對手。4邏輯推理與實驗有機結合是成功的保證。當時，實驗的成果已經(jīng)達到可以做出比較合理的推測的階段，關鍵是要使建立起來的模型符合已有的實驗數(shù)據(jù)。而其他的研究小組還認為數(shù)據(jù)不足，需要進一步獲取證據(jù)，他們太看重做實驗，算數(shù)據(jù)了。就在別人還猶豫不決的時候，沃森和克里克做

14、出了他們的模型。5創(chuàng)新氛圍是產(chǎn)生高水平新成果的溫床   沃森和克里克所在的劍橋大學卡文迪什實驗室是一個物理實驗室，以物理學前沿為主要研究方向，二戰(zhàn)期間參與發(fā)展核武器和雷達的工作。戰(zhàn)后，由于核武器的發(fā)展規(guī)模大、保密要求高，不能在大學的實驗室進行而獨立出去。這時，擔任該實驗室主任的布拉格，果斷地開辟了用X射線衍射技術進行生物大分子分析和利用雷達技術進行天文觀測研究兩個新領域，利用物理學的儀器和物理學家的思維方法進行生物學和天文學的研究，這本身就是一個大膽、創(chuàng)新的決定。實驗室充分尊重科學家的自主權和學術自由，積極開展學術爭論，注重學科間的交叉與協(xié)作，為科學家發(fā)揮自己的創(chuàng)造潛能提供

15、了良好的條件。四、DNA雙螺旋結構建立的意義DNA雙螺旋結構的建立標志著分子生物學及分子遺傳學的誕生。鮑林對此評價說：“我相信DNA雙螺旋的這個發(fā)現(xiàn)以及這個發(fā)現(xiàn)的將要取得的進展，必將成為近一百多年來生命科學以及所有我們對生命認識的最大的進步。”德爾布魯克（美籍德國人，因?qū)κ删w遺傳變異的研究而與美國的盧利亞、赫爾希同獲1969年的諾貝爾醫(yī)學獎）在給沃森和克里克的信中預言：“我有一種感覺，如果你們的模型是正確的話，如果所建議的有關復制的本質(zhì)有一點正確的話。那么，理論生物學將進入一個最為激動人心的時期?！钡拇_，DNA雙螺旋結構的建立起到了“綱舉目張”的作用。在它的指引下，50年來生物科學的基礎研究

16、獲得了前所未有的大發(fā)展。在DNA雙螺旋結構公市后的幾個星期，沃森和克里克又提出了DNA自我復制的假說。1955年美國的奧喬亞發(fā)現(xiàn)RNA聚合酶，并首次實現(xiàn)RNA的人工合成。1957年，美國的科恩伯格（奧喬亞的學生，兩人同獲1959年諾貝爾醫(yī)學獎）發(fā)現(xiàn)DNA聚合酶，并首次實現(xiàn)DNA的人工合成。1958年克里克提出“中心法則”學說。1961年，法國的雅各布、莫諾和雷沃夫提出關于基因調(diào)控的操縱子學說，并為稍后的研究成果所證實（三人同獲1965年諾貝爾醫(yī)學獎）；同年，雅各布等人發(fā)現(xiàn)mRNA韋斯和赫維赤?；魻柡退蛊じ衤謩e通過RNA的酶促會成實驗和DNARNA雜交實驗證明了轉錄現(xiàn)象。19611966年，美

17、國的尼倫伯格和科拉納分別闡明了遺傳密碼；1965年，美國的霍利測定了丙氨酸t(yī)RNA的核苷酸序列和三葉草結構及反密碼子，三人共獲  1968年諾貝爾醫(yī)學獎。1967年發(fā)現(xiàn)DNA連接酶。1970年，美國的特敏、巴爾蒂莫和杜爾貝科發(fā)現(xiàn)逆轉錄酶，發(fā)展了中心法則的內(nèi)容（三人于1975年獲諾貝爾醫(yī)學獎）；同年，美國的史密斯、納森斯和瑞土的阿爾伯發(fā)現(xiàn)并應用限制性核酸內(nèi)切酶，三人因此而獲1978年諾貝爾醫(yī)學獎。上述工作有力的推動了生物科學研究的發(fā)展，也使人類進一步了解了生命的奧秘。同時，也為基因工程的誕生奠定了堅實的基礎。1972年，美國的伯格首次實現(xiàn)了DNA的體外重組，使得人類有可能人為地改變生物的遺傳特性，定向繁殖自然界從未有過的新物種。他因此與美國的桑格和吉爾伯特（兩人分別提出了DNA堿基順序的測定方法）分享了1980年諾貝爾化學獎。1973，美國斯坦福大學以科恩為首的研究小組將外源基因?qū)氪竽c桿菌并得到表達，這標志著基因工程的誕生。1976年，美國加州大學的博耶成功地實現(xiàn)了人生長激素釋放抑制因子在大腸桿菌中的表達，這標志著人類能夠掌握生命、操作生命為人類造福的開端。這樣，以基因工程為核心的生物工程迅速發(fā)展起來。1982年第一個基因工程產(chǎn)品胰島素在美國投放市場，拉開