生命科学的伟大发现

1、生命科学的伟大发现一纪念DNA螺旋结构模型创立50周年1953年美国遗传学家沃森和英国物理学家克里克在英国自然杂志上发表论文，提出了DNA双螺旋结构模型。这一发现在生物科学史上翻开了划时代的一页，从此生物学步入了分子科学的新时代。有人称这一发现为继达尔文创立进化论后生物学发展史上的第二次革命、二战后最伟大的科学发现，把它和相对论、量子力学视为20世纪最富创新力的三大科学发现。一、DNA双螺旋结构提出的背景1866年孟德尔发表“植物杂交试验”一文，1900年孟德尔定律被重新发现，为遗传学界所关注。但当时的研究仅限于生物体的整体水平，并不知道遗传因子位于何处、是何物质、如何传递和起作用。美国遗传学

2、家萨顿注意到染色体的行为与孟德尔所说的遗传因子的行为相似，于1902年提出遗传因子在染色体上的假说。1909年丹麦遗传学家约翰提出“基因”一词，用来代替孟德尔的遗传因子。同年，摩尔根通过果蝇杂交实验证实了基因在染色体上，把遗传学推进到了染色体水平。1928年，英国科学家格里菲思进行了肺炎双球菌转化实验，拉开了发现DNA是遗传物质的序幕。在他的启发下，1944年美国科学家艾弗里通过细菌转化实验首次证明DNA是遗传物质。1952年美国的赫尔希和查斯用噬菌体侵染细菌的实验进一步证明DNA是遗传物质。1945年美国的比德尔和塔特姆通过对链孢霉突变型的研究提出了“一个基因一个酶”理论，用来说明基因是通过

3、酶控制性状发育的观点。至此，什么是遗传物质及遗传物质的作用机制已基本明确，但它的结构怎样？怎样储存和传递信息？信息又怎样到酶（蛋白质）的合成过程？结构决定功能，要回答这些问题，搞清DNA的结构是关键。二、DNA双螺旋结构提出的过程1938年，欧洲结构学派的先驱者阿斯特伯里提出了DNA的第一个结构假说。他发表了一张DNA的X射线衍射照片，并指出DNA是一个具有较强刚性的纤维结构。1945年他采用X射线衍射技术，测出了两种碱基的间隔，提出了碱基与DNA长轴垂直，得出了DNA具有晶体结构的结论。这些发现大大加快了揭示DNA结构的进程。20世纪50年代初，世界上有三个研究小组继承阿斯特伯里开创的工作，

4、围绕DNA的结构展开了一场激烈的竞赛。这三个小组分别是：1美国加州理工学院的鲍林小组    鲍林，美国化学家，是研究化学结构的无可争议的世界权威（因对蛋白质空间结构的研究而获1954年诺贝尔化学奖，1962年又获和平奖）。他测定并解释了X射线通过晶体时在底片上形成的反射图象。50年代初，他毅然把自己的注意力从他已有许多成就的蛋白质结构方面转向了DNA。他在X射线晶体学方面的贡献，给了沃森和克里克以很大的启发。同时，他对DNA表现出来的兴趣也给沃森和克里克指明了目标。2英国伦敦皇家学院的威尔金斯小组   威尔金斯在20世纪40年代末就开始采用X射

5、线衍射技术去研究DNA的晶体结构，并测得了一些数据，但由于X射线衍射图谱不清楚，没有获得成功。在这关键时刻，女物理学家富兰克林参加了他的研究小组，她极有才华，研究风格严谨，在X射线晶体学方面有特殊才能。她在1951年底获得了一张极好的DNA的X射线衍射照片。只是由于脾气、性格等方面原因，她和威尔金斯之间很少能够坦诚合作，彼此之间难得相互交流和协调思想，因此没能很快地对照片作出正确的解释。但是这张珍贵的照片，对沃森和克里克能够最终建立DNA双螺旋结构模型起到了关键性的作用。3英国剑桥大学卡文迪什实验室的沃森、克里克小组     克里克原来是个物理学家，对生

6、物学懂得很少，他受到薛定谔（奥地利理论物理学家，创立了波动力学，提出了薛定谔方程，与德国物理学家狄拉克同获1933年诺贝尔物理学奖）性命是什么（1944年出版）一书及鲍林的影响后，才开始了生物学的研究。在卡文迪什实验室佩鲁茨（英国化学家，因用X射线衍射技术确定球蛋白的结构而与肯德鲁同获1962年诺贝尔化学奖）手下作血红蛋白的X射线研究。沃森于1951年秋来到卡文迪什实验室，开始在肯德鲁手下研究肌红蛋白的结构，遇到克里克后，两人开始合作从事DNA分子结构的研究。1951年11月，两人建立起了第一个DNA模型：三链螺旋结构模型，但很快便被威尔金斯提供的实验数据否定了。1952年春天，克里克与同事、

7、数学家约翰·格里菲思（进行肺炎双球菌转化实验的格里菲思的侄子）进行了碱基配对的能量问题的计算。他们发现，嘌呤与嘌呤或嘧啶与嘧啶碱基之间的配对在能量分布上不合理，表明在4个碱基中，腺嘌呤趋向与胸腺嘧啶连接，而鸟嘌呤趋向与胞嘧啶连接，这种专一的配对可能反映了天然的亲和力。1952年5月，哥伦比亚大学的查加夫访问剑桥，会见了沃森和克里克。他告诉两人，他的测量表明，DNA分子中腺嘌呤的总量等于胸腺嘧啶，鸟嘌呤的量总等于胞嘧啶。虽然查加夫在1950年就发表了这个结果，查加夫的发现与约翰·格里菲思对城基亲和力的判断十分吻合，但是沃森和克里克显然不曾重视这些发现，没有立即意识到这些发现的

8、重要意义。1952年12月，美国的鲍林也提出了一个DNA的三链螺旋模型，与沃森和克里克在一年多以前被否定的模型基本相似仅略有出入。沃森很快觉察到他的模型有问题，并认定它是错误的。这更加刺激了沃森和克里克加紧有关DNA结构的工作。1953年2月6日，沃森赶到伦敦与威尔金斯、富兰克林等对鲍林的模型进行讨论。此间，威尔金斯向沃森出示了富兰克林于1951年11月所获得的一张极好的DNA分子X射线衍射照片，沃森看后深受震动。尽管威尔金斯和富兰克林主张X射线资料倾向于排除双链，但沃森一看到这张照片，就立刻意识到只有DNA分子为双螺旋结构，才能呈现出照片上那种醒目的交叉的黑色反射线条。回到剑桥后，沃森和克里

9、克加紧了DNA分子模型的建构工作。2月19日，两人建立了一个新的DNA模型，即双链螺旋结构的碱基同配（即A与A配对，T与T配对等）模型。正当他们为同配模型的建立而高兴时，与他们同在一个办公室（但在佩鲁茨小组），刚从鲍林的实验室来的研究氢键的美国化学家多诺休对此提出了异议。他告诉两人：按照碱基的天然构型，A只和T紧紧结合，G只与C紧紧结合，这些配合之间的紧紧结合是由氢键形成的。当这种氢键连接的AT和GC互补对重叠在一起时，它们正好占据同等的空间。这样，碱基的形状及其氢键亲和性的理论、DNA的碱基组成的事实都统一起来了。2月28日，沃森和克里克根据多诺休的建议用纸板重新做出4个碱基的模型。当他们将

10、其粘到两条主键的骨架上构成螺旋并朝向里面时，它们搭配得非常完美。克里克马上意识到只有当两条链的走向相反时，才能这样搭配。于是，现在的模型和X射线资料的要求相一致了。在随后的几天里，他们加紧工作，最终建立了著名的DNA分子的双螺旋结构模型。他们的巨大成就立即传遍了全世界。3月7日，欧洲结构学派的学者，如布拉格（英国物理学家，因采用X射线进行晶体结构研究取得的成果而与其父亲同获1915年诺贝尔物理学奖，是诺贝尔奖历史上最年轻的获奖者，获奖时只有25岁）、肯德鲁、威尔金斯等都来参观这个模型。模型的完美和出色使大家承认模型是正确的。美国的鲍林也写信对这个模型表示赞同。4月25日，英国著名的自然杂志发表

11、了沃森和克里克的论文脱氧核糖核酸的结构。三、沃森和克里克成功的原因在当时研究DNA分子结构的三个小组中，沃森和克里克不仅资金、设备是最差的，而且在研究DNA方面所具备的知识也是最差的，起步也最晚，却最终获得了成功。从1951年秋到1953年2月，他们仅用了18个月就创立了DNA双螺旋结构模型。他们成功的原因有以下几点：1两人的组合是他们成功最主要的原因    两人性格完全相左，克里克性格开朗，大声说笑；沃森遇事不轻易开口，但又性格急躁，具有强烈的竞争意识，是典型的工作狂。沃森有着丰富的信息知识而克里克在X射线分析研究方面经验丰富。在处事上，他们都惯于把自己的想法很

12、直接地表达出来，从未考虑到这样可能会伤害别人。在科学研究上这种性格是极其宝贵的，两个人思想上的交锋确实能产生许多新的东西。当时克里克35岁，沃森只有23岁，两个人在科学研究上都没有取得什么较大的成果，都是急欲爬到科学“顶层”的年轻人，这使他们很快有了共同语言。他们都受生命是什么一书的影响，在观念上是新的，看问题的角度是独特的，对DNA的认识高于其他人。他们都认为DNA的结构是生物学最根本的问题。互补的性格和学科知识，共同的成功欲望和认识，使他们走上了成功之路。2“博采众长”是成功的基础   在创立模型的过程中，他们注意及时吸收和借鉴别人的最新研究成果。如前所述，查加夫、威尔

13、金斯、富兰克林、多诺休等人的研究成果给了他们很大的帮助。甚至一些“外行”的研究也给了他们以很大的启迪，如薛定谔的用量子观点来解释基因行为、维纳（控制论的先驱）的“结构一功能”思想等。3科学无国界精神是成功的灵魂   在创立模型的过程中，他们得到了威尔金斯、富兰克林、鲍林等的无私帮助，而实际上他们正是同一研究领域的竞争对手。4逻辑推理与实验有机结合是成功的保证。当时，实验的成果已经达到可以做出比较合理的推测的阶段，关键是要使建立起来的模型符合已有的实验数据。而其他的研究小组还认为数据不足，需要进一步获取证据，他们太看重做实验，算数据了。就在别人还犹豫不决的时候，沃森和克里克做

14、出了他们的模型。5创新氛围是产生高水平新成果的温床   沃森和克里克所在的剑桥大学卡文迪什实验室是一个物理实验室，以物理学前沿为主要研究方向，二战期间参与发展核武器和雷达的工作。战后，由于核武器的发展规模大、保密要求高，不能在大学的实验室进行而独立出去。这时，担任该实验室主任的布拉格，果断地开辟了用X射线衍射技术进行生物大分子分析和利用雷达技术进行天文观测研究两个新领域，利用物理学的仪器和物理学家的思维方法进行生物学和天文学的研究，这本身就是一个大胆、创新的决定。实验室充分尊重科学家的自主权和学术自由，积极开展学术争论，注重学科间的交叉与协作，为科学家发挥自己的创造潜能提供

15、了良好的条件。四、DNA双螺旋结构建立的意义DNA双螺旋结构的建立标志着分子生物学及分子遗传学的诞生。鲍林对此评价说：“我相信DNA双螺旋的这个发现以及这个发现的将要取得的进展，必将成为近一百多年来生命科学以及所有我们对生命认识的最大的进步。”德尔布鲁克（美籍德国人，因对噬菌体遗传变异的研究而与美国的卢利亚、赫尔希同获1969年的诺贝尔医学奖）在给沃森和克里克的信中预言：“我有一种感觉，如果你们的模型是正确的话，如果所建议的有关复制的本质有一点正确的话。那么，理论生物学将进入一个最为激动人心的时期。”的确，DNA双螺旋结构的建立起到了“纲举目张”的作用。在它的指引下，50年来生物科学的基础研究

16、获得了前所未有的大发展。在DNA双螺旋结构公市后的几个星期，沃森和克里克又提出了DNA自我复制的假说。1955年美国的奥乔亚发现RNA聚合酶，并首次实现RNA的人工合成。1957年，美国的科恩伯格（奥乔亚的学生，两人同获1959年诺贝尔医学奖）发现DNA聚合酶，并首次实现DNA的人工合成。1958年克里克提出“中心法则”学说。1961年，法国的雅各布、莫诺和雷沃夫提出关于基因调控的操纵子学说，并为稍后的研究成果所证实（三人同获1965年诺贝尔医学奖）；同年，雅各布等人发现mRNA韦斯和赫维赤。霍尔和斯皮格曼分别通过RNA的酶促会成实验和DNARNA杂交实验证明了转录现象。19611966年，美

17、国的尼伦伯格和科拉纳分别阐明了遗传密码；1965年，美国的霍利测定了丙氨酸tRNA的核苷酸序列和三叶草结构及反密码子，三人共获  1968年诺贝尔医学奖。1967年发现DNA连接酶。1970年，美国的特敏、巴尔蒂莫和杜尔贝科发现逆转录酶，发展了中心法则的内容（三人于1975年获诺贝尔医学奖）；同年，美国的史密斯、纳森斯和瑞土的阿尔伯发现并应用限制性核酸内切酶，三人因此而获1978年诺贝尔医学奖。上述工作有力的推动了生物科学研究的发展，也使人类进一步了解了生命的奥秘。同时，也为基因工程的诞生奠定了坚实的基础。1972年，美国的伯格首次实现了DNA的体外重组，使得人类有可能人为地改变生物的遗传特性，定向繁殖自然界从未有过的新物种。他因此与美国的桑格和吉尔伯特（两人分别提出了DNA碱基顺序的测定方法）分享了1980年诺贝尔化学奖。1973，美国斯坦福大学以科恩为首的研究小组将外源基因导入大肠杆菌并得到表达，这标志着基因工程的诞生。1976年，美国加州大学的博耶成功地实现了人生长激素释放抑制因子在大肠杆菌中的表达，这标志着人类能够掌握生命、操作生命为人类造福的开端。这样，以基因工程为核心的生物工程迅速发展起来。1982年第一个基因工程产品胰岛素在美国投放市场，拉开