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揉合一体的结构化学与生命科学 ——我看DNA结构探索过程 | |||||
作者:佚名 论文来源:本站原创 点击数: 更新时间:2008-12-6 | |||||
毫无疑问,生命科学与化学有着密不可分的联系,我甚至认为生命科学就是用化学来解释生命。然而,仅仅知道一种物质的化学成分是远远不够的,结构才是其功能的基础。我们知道,构成元素相同的物质,由于结构不同,可能在功能上就相去甚远:左、右旋光物质的不同生理作用就是一个很好的例子。但是,我们不能孤立地来阐述生命科学与结构化学的关系,也就是说不能把生命科学看成一块,再把结构化学看成另一块,然后再说明他们间千丝万缕的联系;我认为,结构化学与生命科学是揉合在一起的,很多结构化学家在生命科学领域就有不凡的建树。鲍林就是以化学向生物学渗透的先驱者,他不仅进行了大分子研究,还对镰刀形细胞贫血分子病和大脑化学进行了大量的研究。然而我认为,最能体现结构化学与生命科学揉合一体的历史故事,就是鲍林与沃森和克里克关于DNA结构之争。在这个过程中,我们无法定义他们到底是化学家还是生物学家。而且,结构化学的知识不仅为他们建立模型提供了理论支持,而且在帮助他们判别真理与谬误、为他们的结论提供事实支持等方面起到了至关重要的作用。从这个故事中我们不仅可以看出,解决DNA结构这个世界性的生命科学课题,是许多化学家、物理学家、晶体学家、生化学家共同努力的结果,而且能受到许多在科学研究上的启发。在多学科交叉渗透的今天,我们更不能仅仅只重视专业课的学习,必须同时汲取其他学科的知识,为将来的研究打下基础。 在一九二四年以前,没有一个人真正懂得DNA的重要性。但就在那一年,科学家罗伯特·福尔根发现了一种方法能将DNA染成淡紫色。在这种方法的帮助下,科学家们发现DNA仅存在于细胞核中。到了一九三一年,科学家乔基姆·哈默林用实验证明了植物长成什么样子完全取决于细胞核。随后的一切实验事实都表明,发出遗传信息的正是细胞核里的DNA。 于是,在美洲和欧、亚、非三洲各试验室里的人们都开始研究这个问题。在美国,著名的化学家莱纳斯·鲍林开始了对DNA的研究。在剑桥大学的卡文迪斯实验室里,英国人弗朗西斯·克里克和美国人詹姆斯·沃森也着手进行对奇异的DNA结构的探索。这是一场用结构化学来解释生命科学的竞赛,也是“一个远方传奇大力士被两个无名小卒砍倒的故事”。虽然我们已经知道了这场竞赛的结果,但我认为,这一探索的过程更让人留下深刻的印象。我将双方的研究进行了一些对比,确实从中学到了一些东西,希望和大家一起探讨。 一、双方的开端: 当时的鲍林已经是化学界的“权威”,他致力于蛋白质的研究。1951年夏天,鲍林开始深入研究有关DNA的材料,并常常找人讨论。他认为,与蛋白质相比,弄清DNA的结构不会很难,“这算不上一个最为紧迫的问题”。DNA在重量上是染色体的一种重要成分,但蛋白质也一样。大多数学者认为,蛋白质部分最有可能包含着遗传的信息。相对而言,DNA似乎就比较简单了,它很可能只是一种结构性的成分,只是用来帮助染色体折叠和打开的。鲍林就这样认为。在1952年初,几乎所有重要的遗传学学者都持这一种观点。我们可以看看后来鲍林自己的话:“我以前就知道DNA是一种遗传物质的论点,然而我没有接受这一论点。你们知道,那时我正热衷于蛋白质的研究,我认为蛋白质最有可能是遗传物质,不可能是核酸 当然,核酸也有作用。在我著述的有关核酸的文字材料中,我总会提到核蛋白的概念。当时,我考虑得更多的是蛋白质,而不是核酸。”虽然如此,鲍林还是着手研究DNA的结构。此时,他需要清晰的DNA X光照片,他曾先后写信给相片持有者物理学家威尔金斯(英国)及其上司,但均遭拒绝。1951年11月,《美国化学学会学报》上刊登了一篇论述DNA结构的文章。鲍林据其深厚的结构化学基础,一下子就看出这篇文章的结果是错的;同时,此事刺激了他开始思考DNA是如何构筑起来的问题。鲍林设想,如果碱基朝外,那么螺旋的内核就应当是由磷酸堆积起来的。磷酸聚集在中间,碱基朝外,这与X射线的资料是“吻合”的。在鲍林的头脑中,DNA结构的问题就已经转化为如何将磷酸堆积在一起的问题了。我们现在知道,鲍林的这一开端是错的,并最终使他败给了沃森和克里克。另外还必须一提的是,鲍林对DNA研究总是被各种事务打断,使他曾多次中断自己的思路。是否是因为鲍林没能看到威尔金斯的相片而导致他的失败呢?暂且不回答这个问题,我们先来看看沃森和克里克是如何开始的。
鲍林是自负的,他不相信有人能够在他之前发现DNA的结构,特别是他认为没有人有他那样深厚的化学功底。他“知道”, 沃森是一个好学生,但因成绩还不够突出,因而他到加州理工学院当研究生的申请未被批准。克里克已经三十五六岁了,还在读研究生,年龄是大了一些。况且,卡迪文斯实验室的科学家们至今尚未在任何竞赛中打败过鲍林。甚至有人认为,沃森和克里克看上去就像是一对“杂耍演员”。 三、研究方法及进程: 鲍林首先想到DNA的结构可能是螺旋型,因为其他构型与他所看到和掌握的照片资料不相符合。但他认为,DNA是由三条链互相缠绕在一起,磷酸处于中央的位置。之后,他的工作重点就聚焦于找出磷酸分子在中央合理的排列方法。虽然他知道自己提出的构型不能完美地符合实验测算得出的数据和X光衍射照片,但他认为这些都只是细枝末节的东西,就像他发现蛋白质阿尔法螺旋一样 开始的时候也有难以解释的数据,他大胆地将之忽略,而其后的事实证明了他这种策略是明智的。另外,鲍林有些急于求成,他希望能够尽快地发表相关文章,抢在其他科学家之前,宣布自己再次成功地解决了又一世界性的难题。于是,他很快地发表了他“发现”的DNA结构。 可以看出,不论是成功者还是失败者,他们都用了一种结构化学中重要的研究方法 建模。同时,沃森和克里克不仅受到了多学科领域的科学家的启示和帮助,而且他们自己都承认,他们的研究方法来源于伟大的化学家 鲍林。由此可见,生命科学是集多学科,特别是化学的大成所在,他与化学,乃至物理、数学的揉合可见一斑。 为什么鲍林会失败? 鲍林有着深厚的化学知识作为自己研究的基础。照常理而言,成功的应该是他,但他为什么输给了沃森和克里克呢?鲍林输在浮躁和自负上。他急于求成,因为DNA是当时最大的课题,他要去抢占这一高地。他没有把研究的准备工作做好就想碰碰自己的运气了。同时,他顺利解决阿尔法螺旋给他套上了成功的光环,他的确是世界上解决巨分子结构的最佳人选,但他也从此染上了自负的恶习,他以为自己不再需要做别人需要做的那些研究的准备工作了。他过于相信自己的直觉和运气,结果输掉了这场大比拼。
其实这个问题的答案从前面的叙述中都可以看出,但我觉得最重要的一点是不懈的思索与踏实的努力。克里克不就是在因头疼而不得不休息,却又忍不住开始计算时找到了有关DNA结构的答案吗?他们虽然被拆散到两个不同的研究小组,但仍然踏实地合作与工作,正是这样,幸运之神才降临在他们的头上。另外还有一点,就是他们没有放过看似微不足道的东西。奥地利生物化学家切加夫将碱基一一对应的关系同样告诉了鲍林,但却没有得到鲍林的重视,而沃森和克里克并没有放过这一点,而最终获得启发,找到了DNA的正确结构。 结构化学与生命科学的揉合已无需多说,我相信这种相互融合在将来会愈演愈烈。最后我想总结的是有关鲍林的研究方法,毕竟沃森与克里克的成功也来源于此,相信它对所有的科研者都会有所帮助: 鲍林的研究方法 实验研究和理论探讨相结合 [参考书目] 甘道初著,《化学大渗透》,195-199,中国青年出版社,1987年5月。 [美]L.鲍林著,《化学键的本质》,VIII,上海科技出版社,1966年。 |
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