生命科學(xué)的偉大發(fā)現(xiàn)

1、生命科學(xué)的偉大發(fā)現(xiàn)一紀(jì)念DNA螺旋結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)立50周年1953年美國遺傳學(xué)家沃森和英國物理學(xué)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(jié)構(gòu)模型。這一發(fā)現(xiàn)在生物科學(xué)史上翻開了劃時代的一頁，從此生物學(xué)步入了分子科學(xué)的新時代。有人稱這一發(fā)現(xiàn)為繼達(dá)爾文創(chuàng)立進(jìn)化論后生物學(xué)發(fā)展史上的第二次革命、二戰(zhàn)后最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，把它和相對論、量子力學(xué)視為20世紀(jì)最富創(chuàng)新力的三大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。一、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)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(xué)界所關(guān)注。但當(dāng)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(xué)

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(xué)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(xué)推進(jìn)到了染色體水平。1928年，英國科學(xué)家格里菲思進(jìn)行了肺炎雙球菌轉(zhuǎn)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(xué)家艾弗里通過細(xì)菌轉(zhuǎn)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(xì)菌的實驗進(jìn)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(jī)制已基本明確，但它的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)決定功能，要回答這些問題，搞清DNA的結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵。二、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)提出的過程1938年，歐洲結(jié)構(gòu)學(xué)派的先驅(qū)者阿斯特伯里提出了DNA的第一個結(jié)構(gòu)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(qiáng)剛性的纖維結(jié)構(gòu)。1945年他采用X射線衍射技術(shù)，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(jié)構(gòu)的結(jié)論。這些發(fā)現(xiàn)大大加快了揭示DNA結(jié)構(gòu)的進(jìn)程。20世紀(jì)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(jié)構(gòu)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(xué)院的鮑林小組    鮑林，美國化學(xué)家，是研究化學(xué)結(jié)構(gòu)的無可爭議的世界權(quán)威（因?qū)Φ鞍踪|(zhì)空間結(jié)構(gòu)的研究而獲1954年諾貝爾化學(xué)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(jié)構(gòu)方面轉(zhuǎn)向了DNA。他在X射線晶體學(xué)方面的貢獻(xiàn)，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(biāo)。2英國倫敦皇家學(xué)院的威爾金斯小組   威爾金斯在20世紀(jì)40年代末就開始采用X射

5、線衍射技術(shù)去研究DNA的晶體結(jié)構(gòu)，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(guān)鍵時刻，女物理學(xué)家富蘭克林參加了他的研究小組，她極有才華，研究風(fēng)格嚴(yán)謹(jǐn)，在X射線晶體學(xué)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(jié)構(gòu)模型起到了關(guān)鍵性的作用。3英國劍橋大學(xué)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(xué)家，對生

6、物學(xué)懂得很少，他受到薛定諤（奧地利理論物理學(xué)家，創(chuàng)立了波動力學(xué)，提出了薛定諤方程，與德國物理學(xué)家狄拉克同獲1933年諾貝爾物理學(xué)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(xué)的研究。在卡文迪什實驗室佩魯茨（英國化學(xué)家，因用X射線衍射技術(shù)確定球蛋白的結(jié)構(gòu)而與肯德魯同獲1962年諾貝爾化學(xué)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(jié)構(gòu)，遇到克里克后，兩人開始合作從事DNA分子結(jié)構(gòu)的研究。1951年11月，兩人建立起了第一個DNA模型：三鏈螺旋結(jié)構(gòu)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(xué)家約翰·格里菲思（進(jìn)行肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗的格里菲思的侄子）進(jìn)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(xué)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(jié)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(rèn)定它是錯誤的。這更加刺激了沃森和克里克加緊有關(guān)DNA結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jié)構(gòu)，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蚝螅稚涂死?/p>

9、克加緊了DNA分子模型的建構(gòu)工作。2月19日，兩人建立了一個新的DNA模型，即雙鏈螺旋結(jié)構(gòu)的堿基同配（即A與A配對，T與T配對等）模型。正當(dāng)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(xué)家多諾休對此提出了異議。他告訴兩人：按照堿基的天然構(gòu)型，A只和T緊緊結(jié)合，G只與C緊緊結(jié)合，這些配合之間的緊緊結(jié)合是由氫鍵形成的。當(dāng)這種氫鍵連接的AT和GC互補(bǔ)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(dāng)他們將

10、其粘到兩條主鍵的骨架上構(gòu)成螺旋并朝向里面時，它們搭配得非常完美。克里克馬上意識到只有當(dāng)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(jié)構(gòu)模型。他們的巨大成就立即傳遍了全世界。3月7日，歐洲結(jié)構(gòu)學(xué)派的學(xué)者，如布拉格（英國物理學(xué)家，因采用X射線進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)研究取得的成果而與其父親同獲1915年諾貝爾物理學(xué)獎，是諾貝爾獎歷史上最年輕的獲獎?wù)?，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(rèn)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(jié)構(gòu)。三、沃森和克里克成功的原因在當(dāng)時研究DNA分子結(jié)構(gòu)的三個小組中，沃森和克里克不僅資金、設(shè)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(jié)構(gòu)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(qiáng)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(dá)出來，從未考慮到這樣可能會傷害別人。在科學(xué)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(dāng)時克里克35歲，沃森只有23歲，兩個人在科學(xué)研究上都沒有取得什么較大的成果，都是急欲爬到科學(xué)“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(rèn)識高于其他人。他們都認(rèn)為DNA的結(jié)構(gòu)是生物學(xué)最根本的問題。互補(bǔ)的性格和學(xué)科知識，共同的成功欲望和認(rèn)識，使他們走上了成功之路。2“博采眾長”是成功的基礎(chǔ)   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(jié)構(gòu)一功能”思想等。3科學(xué)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(lǐng)域的競爭對手。4邏輯推理與實驗有機(jī)結(jié)合是成功的保證。當(dāng)時，實驗的成果已經(jīng)達(dá)到可以做出比較合理的推測的階段，關(guān)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(rèn)為數(shù)據(jù)不足，需要進(jìn)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(xué)卡文迪什實驗室是一個物理實驗室，以物理學(xué)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(dá)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(xué)的實驗室進(jìn)行而獨立出去。這時，擔(dān)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(shù)進(jìn)行生物大分子分析和利用雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行天文觀測研究兩個新領(lǐng)域，利用物理學(xué)的儀器和物理學(xué)家的思維方法進(jìn)行生物學(xué)和天文學(xué)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(xué)家的自主權(quán)和學(xué)術(shù)自由，積極開展學(xué)術(shù)爭論，注重學(xué)科間的交叉與協(xié)作，為科學(xué)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(jié)構(gòu)建立的意義DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的建立標(biāo)志著分子生物學(xué)及分子遺傳學(xué)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(jìn)展，必將成為近一百多年來生命科學(xué)以及所有我們對生命認(rèn)識的最大的進(jìn)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(xué)獎）在給沃森和克里克的信中預(yù)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(guān)復(fù)制的本質(zhì)有一點正確的話。那么，理論生物學(xué)將進(jìn)入一個最為激動人心的時期。”的確，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)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(xué)的基礎(chǔ)研究

16、獲得了前所未有的大發(fā)展。在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)公市后的幾個星期，沃森和克里克又提出了DNA自我復(fù)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(xué)生，兩人同獲1959年諾貝爾醫(yī)學(xué)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(xué)說。1961年，法國的雅各布、莫諾和雷沃夫提出關(guān)于基因調(diào)控的操縱子學(xué)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(xué)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)及反密碼子，三人共獲  1968年諾貝爾醫(yī)學(xué)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(zhuǎn)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(xué)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(yīng)用限制性核酸內(nèi)切酶，三人因此而獲1978年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎。上述工作有力的推動了生物科學(xué)研究的發(fā)展，也使人類進(jìn)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(chǔ)。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(xué)獎。1973，美國斯坦福大學(xué)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(dá)，這標(biāo)志著基因工程的誕生。1976年，美國加州大學(xué)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(dá)，這標(biāo)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