揉合一體的結構化學與生命科學 ——我看DNA結構探索過程

論文類別:理學論文 > 理學相關論文
論文標簽:化學教育論文
論文作者: 楊謙
上傳時間:2003/4/30 17:50:00

毫無疑問,生命科學與化學有著密不可分的聯系,我甚至認為生命科學就是用化學来解釋生命。然而,僅僅知道一种物質的化學成分是遠遠不夠的,結構才是其功能的基礎。我們知道,構成元素相同的物質,由於結構不同,可能在功能上就相去甚遠:左、右旋光物質的不同生理作用就是一個很好的例子。但是,我们不能孤立地來闡述生命科學與結構化學的关系,也就是說不能把生命科学看成一塊,再把結構化學看成另一塊,然後再說明他們间千絲萬縷的聯系;我認为,結構化學與生命科学是揉合在一起的,很多結構化學家在生命科學領域就有不凡的建樹。鲍林就是以化學向生物學滲透的先驅者,他不僅进行了大分子研究,還對鐮刀形細胞貧血分子病和大腦化學進行了大量的研究。然而我認為,最能體現結構化學與生命科學揉合一體的歷史故事,就是鮑林與沃森和克裏克關於DNA結构之爭。在這個過程中,我們無法定義他們到底是化學家還是生物學家。而且,结構化學的知識不僅为他們建立模型提供了理論支持,而且在幫助他們判別真理与謬誤、為他們的結論提供事實支持等方面起到了至關重要的作用。從這個故事中我們不僅可以看出,解決DNA結構這個世界性的生命科學課題,是許多化學家、物理學家、晶體學家、生化學家共同努力的結果,而且能受到許多在科學研究上的啟發。在多學科交叉滲透的今天,我們更不能僅僅只重視專业課的學習,必須同时汲取其他學科的知識,為將來的研究打下基礎。

  在一九二四年以前,沒有一個人真正懂得DNA的重要性。但就在那一年,科學家羅伯特·福爾根發現了一種方法能將DNA染成淡紫色。在這種方法的幫助下,科學家們發現DNA僅存在於細胞核中。到了一九三一年,科學家喬基姆·哈默林用實驗證明了植物長成什麽样子完全取決於細胞核。隨后的一切實驗事實都表明,發出遺傳信息的正是細胞核裏的DNA。

  於是,在美洲和歐、亞、非三洲各試驗室裏的人們都開始研究這个問題。在美國,著名的化學家萊納斯·鮑林開始了對DNA的研究。在劍橋大學的卡文迪斯實驗室裏,英國人弗朗西斯·克裏克和美國人詹姆斯·沃森也著手進行對奇異的DNA結構的探索。這是一場用結構化學來解釋生命科學的競賽,也是“一個远方傳奇大力士被兩個無名小卒砍倒的故事”。雖然我們已經知道了這場競賽的結果,但我認為,这一探索的過程更讓人留下深刻的印象。我將雙方的研究進行了一些對比,确實從中學到了一些東西,希望和大家一起探討。

  一、雙方的開端:

  當時的鮑林已經是化學界的“權威”,他致力於蛋白質的研究。1951年夏天,鮑林開始深入研究有關DNA的材料,並常常找人讨論。他認為,與蛋白质相比,弄清DNA的結構不會很難,“這算不上一個最為緊迫的問题”。DNA在重量上是染色體的一種重要成分,但蛋白质也一樣。大多數學者認為,蛋白質部分最有可能包含著遺傳的信息。相對而言,DNA似乎就比較简單了,它很可能只是一種结構性的成分,只是用來幫助染色體折疊和打開的。鮑林就這樣認為。在1952年初,幾乎所有重要的遺傳學學者都持这一種觀點。我們可以看看後來鮑林自己的話:“我以前就知道DNA是一種遺傳物質的论點,然而我沒有接受這一論點。你們知道,那時我正熱衷於蛋白质的研究,我認為蛋白質最有可能是遺傳物質,不可能是核酸 當然,核酸也有作用。在我著述的有關核酸的文字材料中,我總會提到核蛋白的概念。當時,我考慮得更多的是蛋白質,而不是核酸。”雖然如此,鮑林還是著手研究DNA的結構。此時,他需要清晰的DNA X光照片,他曾先后寫信給相片持有者物理學家威爾金斯(英國)及其上司,但均遭拒絕。1951年11月,《美國化學學會學報》上刊登了一篇論述DNA結構的文章。鮑林據其深厚的結構化學基础,一下子就看出這篇文章的结果是錯的;同時,此事刺激了他開始思考DNA是如何構築起来的問題。鮑林設想,如果堿基朝外,那麽螺旋的內核就應当是由磷酸堆積起來的。磷酸聚集在中間,堿基朝外,這与X射線的資料是“吻合”的。在鮑林的頭腦中,DNA結構的問题就已經轉化為如何將磷酸堆積在一起的問題了。我們現在知道,鮑林的這一開端是錯的,並最終使他敗給了沃森和克裏克。另外還必須一提的是,鮑林對DNA研究總是被各種事務打斷,使他曾多次中斷自己的思路。是否是因為鮑林沒能看到威爾金斯的相片而導致他的失敗呢?暂且不回答這個問題,我們先來看看沃森和克裏克是如何開始的。
  在戰爭期間,克裏克原來是從事武器方面研究的。後来他決定研究生物。於是他到劍橋大學學習分子學。至於沃森,他本來就一直在研究DNA。他到劍橋大學是為了對此作進一步的研究。他們都是热心探索的人。“沃·克組合”相對於鮑林的地位可以說是“一個在天,一個在地”,他們並沒有引起人們多大的重視,也沒有引起鲍林的註意。他們就憑著一股勁和對目標的執著追求開始了他們的研究。還必須提到的是另外兩位对他們的成功起著至關重要的作用的人:一位是上文提到的物理學家威爾金斯,另一位是青年女晶體學家羅莎琳德·富兰克林。他們拍出了非常漂亮的DNA X光照片,不僅啟發了沃森和克裏克,而且為他們的發现提供了佐證。
  鮑林頗為自信,感到自己有能力解開DNA之謎。唯一的問題是,會不會有人搶先取得勝果,但是,他不會把這一點真正放在心上。他認為威爾金斯和富蘭克林两人(更不用說沃森和克裏克了),没有誰有足夠的化學基礎對鲍林產生嚴重的威脅。转貼於 免費论文下載中心 http://www.hi138.com

  二、對對手的不同看法:

  鮑林是自負的,他不相信有人能夠在他之前發現DNA的結構,特別是他认為沒有人有他那樣深厚的化學功底。他“知道”, 沃森是一個好學生,但因成绩還不夠突出,因而他到加州理工學院當研究生的申請未被批準。克裏克已經三十五六歲了,还在讀研究生,年齡是大了一些。况且,卡迪文斯實驗室的科學家們至今尚未在任何競賽中打敗過鮑林。甚至有人認为,沃森和克裏克看上去就像是一對“雜耍演員”。
  而沃森和克裏克則不同。對於年方19的沃森來說,鮑林是一位值得仿效的榜樣。在盧瓦蒙會議上,沃森就是圍聚在鮑林身邊的人之一,他十分用心地聽了鮑林的講话。克裏克開始並不是鮑林的崇拜者,他是鮑林的竞爭對手,因為鮑林曾用阿爾法螺旋表明他們的一篇關於蛋白質結構的論文漏洞百出,让克裏克承受了由此而來的屈辱。從此,克裏克借鑒了鮑林的研究方法。說實話,他們對鮑林這位怪傑都極為佩服。更重要的是,他們兩人都互相傾慕,他們可謂是天生一對。相對於鮑林來说,沃森和克裏克謙逊多了。

  三、研究方法及進程:

  鮑林首先想到DNA的結構可能是螺旋型,因為其他構型与他所看到和掌握的照片資料不相符合。但他認為,DNA是由三條鏈互相纏繞在一起,磷酸處於中央的位置。之后,他的工作重點就聚焦於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構型不能完美地符合實驗測算得出的數據和X光衍射照片,但他认為這些都只是細枝末節的東西,就像他發現蛋白质阿爾法螺旋一樣 開始的時候也有難以解釋的数據,他大膽地將之忽略,而其後的事實證明了他這種策略是明智的。另外,鮑林有些急於求成,他希望能夠盡快地發表相關文章,搶在其他科學家之前,宣布自己再次成功地解決了又一世界性的難題。於是,他很快地發表了他“發現”的DNA結構。
  鮑林將自己的論文也寄給了沃森和克裏克。他们兩人虛驚了一場,因為他們发現,鮑林設想的這種構型是他們最初設想的結果,当時他們將這一結果給晶體學家富蘭克林看的時候,被她以充足的論據否認,因為水容量問題与這種構型嚴重不符。也正是因为這次錯誤,他們兩人被認為不适合研究DNA構型問題,被拆散到不同的課題組,從事別的研究。但沃森和克裏克並沒有就此放棄,他們仍然私下堅持不懈地進行研究和探索。他們在研究方法上一直就有共識:與其推導出復杂的數學模型,直接而又明確地解釋X光的衍射結果,还不如借助化學常識構築結構的一個模型。正如沃森所說,他们決定“仿效鮑林,並在他本人發起的這場競賽中將他擊败”。富蘭克林的批評已經促使他們將磷酸放到了分子的外側;又受到奧地利生物化學家切加夫的啟示,得知內侧各對堿基之間存在著一一對應的關系。他們開始設想,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。之後,他們看到了富蘭克林最新的DNA照片,不僅使他們確认了DNA是一種螺旋,而且他們得到了幾個主要參数。由此,他們開始著手制造模型,通過不懈的努力,最终獲得了成功。

  可以看出,不論是成功者還是失敗者,他們都用了一種結構化學中重要的研究方法 建模。同時,沃森和克里克不僅受到了多學科領域的科学家的啟示和幫助,而且他們自己都承認,他們的研究方法來源於偉大的化學家 鮑林。由此可见,生命科學是集多學科,特別是化學的大成所在,他與化学,乃至物理、數學的揉合可見一斑。

為什么鮑林會失敗?

  鮑林有著深厚的化學知識作為自己研究的基礎。照常理而言,成功的應該是他,但他為什麽輸給了沃森和克裏克呢?鮑林輸在浮躁和自負上。他急於求成,因为DNA是當時最大的課題,他要去搶占這一高地。他沒有把研究的準備工作做好就想碰碰自己的運氣了。同時,他順利解決阿爾法螺旋給他套上了成功的光環,他的確是世界上解決巨分子結构的最佳人選,但他也從此染上了自負的惡習,他以為自己不再需要做別人需要做的那些研究的準備工作了。他過於相信自己的直覺和運氣,結果輸掉了這場大比拼。 免費論文下載中心 http://www.hi138.com

沃森和克裏克為什麽會成功?

  其實這個问題的答案從前面的敘述中都可以看出,但我覺得最重要的一點是不懈的思索與踏實的努力。克裏克不就是在因頭疼而不得不休息,卻又忍不住開始計算時找到了有關DNA结構的答案嗎?他們虽然被拆散到兩個不同的研究小組,但仍然踏实地合作與工作,正是這樣,幸運之神才降臨在他們的頭上。另外還有一點,就是他們沒有放过看似微不足道的東西。奧地利生物化學家切加夫將堿基一一對應的關系同樣告訴了鮑林,但卻没有得到鮑林的重視,而沃森和克裏克並沒有放過這一點,而最终獲得啟發,找到了DNA的正確結構。

  結構化學與生命科學的揉合已無需多說,我相信這種相互融合在將來會愈演愈烈。最後我想總結的是有關鲍林的研究方法,畢竟沃森與克裏克的成功也來源於此,相信它對所有的科研者都會有所幫助:

鮑林的研究方法

實驗研究和理論探討相結合
  鮑林比一般的化學研究生掌握了更多的數學和物理學知識。他一方面是重視實驗,強調經驗知識;另一方面又深信化學結構问題可以通過應用現代物理學的理論來解決。他常采用半經驗的方法:既有根據物理學基本原理進行的演繹推導或論證,又有對實驗資料的歸納,二者互相補充。  
量子力學與化學經驗相結合
  鮑林在總結過去對離子半徑的研究時曾指出:“應用量子力學可以近似計算……但是,這種理論計算是十分復杂的,需要很大的工作量;因此,從化學方面考慮,最好有一套經驗或半经驗的離子半徑數據……”
他的主要做法是:
不斷提出新的概念,利用它來概括實驗資料和總結化學結构規律。
發展簡單的理論。
努力把量子力學的研究成果轉譯成化學家的習用語言。
采用移植方法 開拓邊緣學科
  鮑林不斷把結構化學的理論和實驗方法移植到生物學、醫學以及核物理的研究中去。他按照自己的专長不斷地把新的理論原理和新的實驗方法移植於另一領域,解決新的研究課題,努力開拓新的邊緣學科地帶。這是他五十多年來研究成果綿綿不斷的重要原因。
直覺和模型方法
  在鮑林的研究工作中,直觉的運用占有非常突出的地位。無論是鮑林本人還是別人對他的評述都常常提到直覺。綜合起來大致有以下表現:
1.是與數學计算不同的一種尋求答案的方式。
2.一種好奇心,它引起鮑林對某個科學課題的註意,並直接領悟到有可能用經驗的方式來解答它。
3.和想象一樣,“不能歸結為僅僅采用通常的逻輯規則和過程”,它和某種“深邃的洞察力”有關。
4.鲍林對一個晶體的結構的確定,分为兩步:一是推測,二是證實。這種“推測”,或者是鲍林本人自稱的“隨機方法”也在直覺之列。
5.“借助於對化學事實的非凡記憶”,是“经過實踐”養成的。
從整體看待世界 從實踐對待科学
  鮑林作為一位自然科學家,物質世界的統一性對於他来說似乎是不言而喻的。鮑林重視理論思維,並不完全同意實證主義的見解。他强調自己“是純粹從實踐的方面對待科學;可以說是實用地對待科學。”貫穿鮑林研究方法中的極其寶貴的思想正是這種“從實踐的方面對待科學”的態度。
 

[參考書目]

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中國自然辨證法研究會化學化工專業組《化學哲學基础》編委會編著,《化学哲學基礎》,431-435,科學出版社,1986年12月。
趙匡華編著,《化学通史》,361,高等教育出版社,1990年5月。
[美]J.D.沃森,《双螺旋 發现DNA結構的故事》,科學出版社,1984年8月。
[美]L.鮑林著,《告別戰爭:我們的未來设想》,3-7,湖南出版社,1992年12月。
[美]托馬斯.哈格著,《20世紀的科学怪傑 鮑林》,399-436,復旦大学出版社,1999年1月。
[英]羅斯曼裏.保丹爾著,《六個偉大的科学家》,51-66,江蘇人民出版社,1980年7月。 免費论文下載中心 http://www.hi138.com
[美]L.鮑林著,《化學鍵的本质》,VIII,上海科技出版社,1966年。

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