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揉合一体的结构化学与生命科学 ——我看DNA结构

发布时间:2015-07-07 11:44

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。wWW.lw881.com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。
在战争期间,克里克原来是从事武器方面研究的。后来他决定研究生物。于是他到剑桥大学学习分子学。至于沃森,他本来就一直在研究dna。他到剑桥大学是为了对此作进一步的研究。他们都是热心探索的人。“沃·克组合”相对于鲍林的地位可以说是“一个在天,一个在地”,他们并没有引起人们多大的重视,也没有引起鲍林的注意。他们就凭着一股劲和对目标的执着追求开始了他们的研究。还必须提到的是另外两位对他们的成功起着至关重要的作用的人:一位是上文提到的物理学家威尔金斯,另一位是青年女晶体学家罗莎琳德·富兰克林。他们拍出了非常漂亮的dna x光照片,不仅启发了沃森和克里克,而且为他们的发现提供了佐证。
鲍林颇为自信,感到自己有能力解开dna之谜。唯一的问题是,会不会有人抢先取得胜果,但是,他不会把这一点真正放在心上。他认为威尔金斯和富兰克林两人(更不用说沃森和克里克了),没有谁有足够的化学基础对鲍林产生严重的威胁。



二、对对手的不同看法:

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”。
而沃森和克里克则不同。对于年方19的沃森来说,鲍林是一位值得仿效的榜样。在卢瓦蒙会议上,沃森就是围聚在鲍林身边的人之一,他十分用心地听了鲍林的讲话。克里克开始并不是鲍林的崇拜者,他是鲍林的竞争对手,因为鲍林曾用阿尔法螺旋表明他们的一篇关于蛋白质结构的论文漏洞百出,让克里克承受了由此而来的屈辱。从此,克里克借鉴了鲍林的研究方法。说实话,他们对鲍林这位怪杰都极为佩服。更重要的是,他们两人都互相倾慕,他们可谓是天生一对。相对于鲍林来说,沃森和克里克谦逊多了。

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。
鲍林将自己的论文也寄给了沃森和克里克。他们两人虚惊了一场,因为他们发现,鲍林设想的这种构型是他们最初设想的结果,当时他们将这一结果给晶体学家富兰克林看的时候,被她以充足的论据否认,因为水容量问题与这种构型严重不符。也正是因为这次错误,他们两人被认为不适合研究dna构型问题,被拆散到不同的课题组,从事别的研究。但沃森和克里克并没有就此放弃,他们仍然私下坚持不懈地进行研究和探索。他们在研究方法上一直就有共识:与其推导出复杂的数学模型,直接而又明确地解释x光的衍射结果,还不如借助化学常识构筑结构的一个模型。正如沃森所说,他们决定“仿效鲍林,并在他本人发起的这场竞赛中将他击败”。富兰克林的批评已经促使他们将磷酸放到了分子的外侧;又受到奥地利生物化学家切加夫的启示,得知内侧各对碱基之间存在着一一对应的关系。他们开始设想,在螺旋中,嘌呤和嘧啶以某种方式挨次排列在分子中心下部。之后,他们看到了富兰克林最新的dna照片,不仅使他们确认了dna是一种螺旋,而且他们得到了几个主要参数。由此,他们开始着手制造模型,通过不懈的努力,最终获得了成功。

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。



沃森和克里克为什么会成功?

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
鲍林比一般的化学研究生掌握了更多的数学和物理学知识。他一方面是重视实验,强调经验知识;另一方面又深信化学结构问题可以通过应用现代物理学的理论来解决。他常采用半经验的方法:既有根据物理学基本原理进行的演绎推导或论证,又有对实验资料的归纳,二者互相补充。
量子力学与化学经验相结合
鲍林在总结过去对离子半径的研究时曾指出:“应用量子力学可以近似计算……但是,这种理论计算是十分复杂的,需要很大的工作量;因此,从化学方面考虑,最好有一套经验或半经验的离子半径数据……”
他的主要做法是:
不断提出新的概念,利用它来概括实验资料和总结化学结构规律。
发展简单的理论。
努力把量子力学的研究成果转译成化学家的习用语言。
采用移植方法 开拓边缘学科
鲍林不断把结构化学的理论和实验方法移植到生物学、医学以及核物理的研究中去。他按照自己的专长不断地把新的理论原理和新的实验方法移植于另一领域,解决新的研究课题,努力开拓新的边缘学科地带。这是他五十多年来研究成果绵绵不断的重要原因。
直觉和模型方法
在鲍林的研究工作中,直觉的运用占有非常突出的地位。无论是鲍林本人还是别人对他的评述都常常提到直觉。综合起来大致有以下表现:
1.是与数学计算不同的一种寻求答案的方式。
2.一种好奇心,它引起鲍林对某个科学课题的注意,并直接领悟到有可能用经验的方式来解答它。
3.和想象一样,“不能归结为仅仅采用通常的逻辑规则和过程”,它和某种“深邃的洞察力”有关。
4.鲍林对一个晶体的结构的确定,分为两步:一是推测,二是证实。这种“推测”,或者是鲍林本人自称的“随机方法”也在直觉之列。
5.“借助于对化学事实的非凡记忆”,是“经过实践”养成的。
从整体看待世界 从实践对待科学
鲍林作为一位自然科学家,物质世界的统一性对于他来说似乎是不言而喻的。鲍林重视理论思维,并不完全同意实证主义的见解。他强调自己“是纯粹从实践的方面对待科学;可以说是实用地对待科学。”贯穿鲍林研究方法中的极其宝贵的思想正是这种“从实践的方面对待科学”的态度。
 

[参考书目]

甘道初著,《化学大渗透》,195-199,


[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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