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生命科学划时代的事件——DNA分子双螺旋结构模型的诞生

摘要 : DNA分子双螺旋结构模型的诞生开创了一门新的学科——分子生物学。它的提出就如马克斯·普朗克的同量子理论开创了量子力学一样,是生命科学史上最为光辉灿烂的成就之一。

DNA分子双螺旋结构模型的诞生开创了一门新的学科——分子生物学。它的提出就如马克斯·普朗克的同量子理论开创了量子力学一样,是生命科学史上最为光辉灿烂的成就之一。

1953年4月25日,詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克在英国《自然》杂志上发表了描述DNA双螺旋结构的论文,这短短两页论文所披露的研究成果已成为20世纪人类科学史上最重要的里程碑事件。50年来,这一科学事件已经以各种方式影响了我们的生活,并将长久地影响着人类的科技和文明进程。为了纪念这一划时代的科学发现,探讨生命科学在新世纪的发展趋势,本刊日前特邀部分知名学者座谈,畅谈这一重大发现的意义及深刻的启示。

dna双螺旋发现的科学意义

为什么说DNA双螺旋发现的意义重大?沃森和克里克所选的DNA双螺旋这一点,正好抓住了生命科学物质基础里最关键的分子,才产生这么大的意义。由此看来,怎么才能够抓住那些最重要的问题,是在科学上有所创新的关键。

李载平:为什么说DNA双螺旋发现的意义重大?科学上的许多工作虽然都是做在某一点上,但这个点选得准不准意义是不一样的。沃森和克里克所选的DNA双螺旋这一点,正好抓住了生命科学物质基础里最关键的分子,才产生这么大的意义。

50年以来的发展也越来越清楚地证明,要研究生命科学就要知道生命世界和非生命的物质世界有什么不同,这个不同主要在于生命系统有两个特点,一是遗传,另一个是发育。无论植物或动物,都能从种子或胚胎这些很简单的系统发育成非常复杂的成体。DNA分子正好“肩负重任”,把遗传和发育两方面的工作都负担起来了。根据沃森写的那本《双螺旋》看,他就是想抓住基因是怎样荷载信息的。我觉得他正是抓住了生命科学研究领域里最重要的分子的结构,所以一旦这个突破了,意义就大了。然后由它衍生出来的一些陆陆续续的科研成果,像中心法则、mRNA、遗传密码等一大堆成果,都取得了诺贝尔奖,(在这个领域的研究先后产生了几十位诺贝尔奖获得者)。为什么呢?就是因为他们抓住了最关键的东西。有一篇访谈里写得很有意思,与其说沃森和克里克让DNA有名了,不如说是DNA让他俩出名了。所以,怎么才能够抓住那些最重要的问题,是在科学上有所创新的关键。

赵寿元:我同意李载平先生对沃森和克里克发现双螺旋工作的评价。从遗传学角度来讲,实际上遗传学到目前为止解决了三个问题:首先要解决的是为什么会遗传,上代和下代为什么相像?这是孟德尔和摩尔根解决的,由当时被孟德尔称为“遗传因子”、1908年被定为“基因”的物质来传递。基因排列在染色体上,一分为二可以传给下一代。由于有基因把遗传信息传递下来,所以才会有种瓜得瓜、种豆得豆。这是孟德尔和摩尔根的主要贡献,也就是阐明了传递遗传信息要通过基因。

探讨基因是什么引出了第二个问题。摩尔根预言,基因是一种化学实体,一种有机分子,但那时他还不知道就是DNA。明确遗传物质是DNA,这第二个问题就解决了。而沃森和克里克正是解决了DNA是怎么把遗传信息传递下去的问题。基因之所以能传递遗传信息,是因为它是一个双链,这个双链上的四个碱基是互补的,这样一个母链就能被分为两个子链,每条子链带的信息跟母链相同。从遗传学的角度讲,过去是从杂交来看,如果性状改变了就说明基因发生了改变,这是从外面看到里面;知道了DNA是遗传物质以后,就可以把DNA分离出来、把基因克隆出来,在体外把基因改变以后(通过表达)看看它的功能有什么改变(从里面看到外面),这样就可以直接研究基因的功能,这就开辟了一条新路,不但提升了对生命现象的认识,而且可以由实验操作来验证,这是非常了不起的事情。

吴家睿:我先来谈一下从历史学的角度来看DNA双螺旋发现的意义。我比较同意刚才赵先生、李先生说的,DNA双螺旋的发现实际上是一个对统一性、简单性的追求,这里暗含了一个还原论的思想,就是说,所有体系哪怕是像生命这么复杂的系统,都可以用最简单的物理学定律来解释,或者倒过来说,再复杂的系统也要服从最简单的规律。正因为有了这种还原论的思想,才有了随之而来的生物学的发展,因为它基本是一种实验室的操作,把复杂的现象变成一个简单的现象来加以解释。

但还原论在今天也遇到了一些新的挑战,尽管我们可以将(复杂的生命现象)还原到一个简单的DNA分子,但是,理解了DNA双螺旋分子是不是就等于揭示了生命现象了呢?举个最简单的例子,癌症直到现在都无法被攻克,这说明什么,说明复杂的生命现象还不能简单地用还原论来加以解释。基因组的功能实际上就不是一个单独的基因的行为,而是成千上万个基因作用的结果。在人的基因组里,只有2%到2.5%是基因编码序列,80%是别的非编码序列,那么这些序列跟基因有什么关系呢?光DNA双螺旋结构是不能解释的。进一步讲,这2%中也有成千上万种基因,这些基因之间的关系又是什么?这些以现有的生命科学知识很难给出一个完整的解释。

生物学、物理学交融互补的成果

未来分子生物学要再创辉煌,真正解开生命起源之谜,不仅要依靠生物学本身的新转变,而且还需要生物学借以为基础的数学、物理学、化学等学科愈益深入的新进展,如此才能促成新世纪生物学的伟大革命。

沈:我是学物理,又是教物理的,不免时时由衷地赞叹并颂扬:美哉,物理!其实,最美的或许是生命科学,因为它揭示了生命的本质、生命的意义。就如DNA双螺旋结构,具有明显的对称性,也相当简洁明了,并通过碱基的互补配对而变得十分规则。难怪沃森等人当这模型一建成,便意识到“如此雅致美观的结构非存在不可”。从审美观点而论,各学科本亦相通;可谓美的东西往往不至于失真。

20世纪四、五十年代,有不少人在探索DNA的结构,为什么沃森和克里克会捷足先登?这两人可算得绝妙的互补型搭配:沃森是热衷于利用物理方法研究生命物质之分子结构的生物学家,克里克是醉心于探讨生命物质遗传学机制的物理学家。幸运的是,已有许多科学家做了大量有效的前期工作,而他俩能博采众长、充分利用已有的成果。他俩的长处,或许是对X射线技术及其探测结果非常重视,特别是克里克,对这门技术相当娴熟;从对X衍射图的正确分析出发,而能灵活、果断地设定DNA的空间结构。洞察探测结果,又加上丰富的想象力,自然就比别人走前了一步。而最重要的,我以为大概是“时势造英雄”吧。当时,生物学从实验到学科本身的发展,已到了试图从分子水平揭示生命本质的阶段,物理学和化学的进步,从概念、原理到方法和实验手段,已为生命物质的深层次研究准备了足够的条件。生物学与物理学、化学的结合势在必行,分子生物学正待破土而出,克里克和沃森这两位作为应运而生的弄潮儿就登上了历史舞台。

最近几天重读了薛定谔的名著《生命是什么》,觉得薛定谔的一些观点含义颇深。不说具体的观点,只说一个总体论断。他说:“我们必须去发现在生命物质中占支配地位的新物理学定律”,这新原理不是别的,“只不过是量子论原理的再次重复”。分子生物学50年的发展历史正好证明了生命物质运动变化并不违背物理学的一些基本定律,而且在描述生命物质的分子之间、分子内粒子之间的相互作用时,需要借助于量子力学原理及其非线性的拓展形式。从长远看,生命科学的深层次研究必然会导致物理学产生新的突破。

未来分子生物学要再创辉煌,真正解开生命起源之谜,不仅要依靠生物学本身的新转变,而且还需要生物学借以为基础的数学、物理学、化学等学科愈益深入的新进展,以及借以为研究工具的高新技术如计算技术、信息技术等等“更上一层楼”,如此才能促成新世纪生物学的伟大革命。由此宏伟目标来看,某些高校重视生物学系科的建设,又加强对非生物学专业学生的生命科学基础知识的教学,应当说是极其必要的。

赵寿元:我认为,做到学科间的交叉这一点非常重要。双螺旋的发现就是很典型的生命科学和物理学的结合。1931年,量子学鼻祖尼尔斯·玻尔写过一篇文章《光与生命》,他提出,根据牛顿物理学的概念,世界上凡是在相同条件下,不论任何物质都服从同样的规律,因此,生命科学也可以用物理学的观点进行研究,而一旦用物理学方法研究,生命科学一定会上升到更高的阶段。

他的学生德尔布吕克开始对噬菌体进行研究,他确定噬菌体是最简单的生命物质,它没有像其他生命体那样具有那么复杂的遗传系统,但它也能进行复制,但在噬菌体复制规律的研究中能否发现以前没有发现的物理学规律,所以他才着眼于噬菌体的研究。

德尔布吕克后来在哈佛大学开了一个有关噬菌体的讲习班,沃森正是那个讲习班的成员,大学时他原本最喜欢的是鸟类学,后来听了德尔布吕克的讲习班后才转入生物化学领域的研究。此时在英国剑桥大学卡文迪许实验室里就是用X光衍射来研究蛋白质、噬菌体。所以当时沃森到了剑桥后,就着手与克里克合作,用X光衍射来研究核酸。这两个人的合作可以看作是生物学家和X光晶体学家走到了一起,当时他俩都受到了薛定谔1943年发表的演讲《生命是什么?》(后于1944年出版)的影响,在这之中,薛定谔对生命科学中很多基本的现象用物理学的概念进行解释,比如遗传密码的概念,染色体的非周期性结构等等。可以说,双螺旋结构的发现是物理学家长期介入,并真正参与和生物学家共同研究的结果。现在在斯坦福大学实行的Bio-X实际上就是这种好风气的延续。

我看到一个报道说,斯坦福大学Bio-X的工作已经重点转向本科生与研究生的课程,除了已经在生物学界很有建树的科学家相互讨论研究外,更重要的是让Bio-X的思想真正渗入到学生的课程中去,只有把生物跟其他学科的基础打扎实,才可能在今后有所建树、有所发展。

吴家睿:其实现在又到了新一轮的需要多学科交叉的时代。自从DNA双螺旋开辟了这么一个分子生物学实验科学的时代后,到现在我们发现,现有的工具不够了,于是就考虑能否从数学或物理学领域的新方法中找到需要的东西,把它们与生命科学再一次紧密结合起来。像复旦的Bio-X沙龙、交大的Bio-X中心等就是这种思想的体现。

赵寿元:物理学的介入对生命科学很重要。当时的物理学家之所以要进入生命科学领域研究生物学,他们是基于两个目的:一个是想看看在生命活动过程当中,现有的物理学规律能否解释生命的现象,另一个是想知道在生命科学中能否发现一些新的、迄今还不知道的新的物理学规律。因此他们把生物作为研究对象回归到物理学的本身。但目前为止,我的看法是并没有找到新的物理学规律,生命现象基本上还是一个生命物质的运动,而生命物质的基本构成与物理无机物是相同的,所以,基本的规律是遵从现有的物理化学规律。

李载平:但另一方面,物理学家那种思维方式和追求在生物学上还是取得了很大的成功。为什么呢?因为物理学家试图追求最基本、最简单的(对象),那么在生物学界存在这种最基本最简单的(对象)吗?过去,生物学家的研究是专门找不同的东西,发现一个细菌首先看它和其他细菌有什么差别,生物学家用这种方法考虑问题的太多,换个角度去追求相同点的却比较少,而追求“简单”与“同一”恰好是物理学家擅长的思维方法,所以我觉得,物理学家在这方面的介入很成功。如果是从前,谁能想象到世界上那么多复杂的生物,他们的遗传物质都是DNA,比如人和噬菌体的遗传密码几乎是一样的。当年达尔文提出进化论的时候,有人问他为什么树和人也有亲缘关系,达尔文答不出,但现在从遗传角度来看,树的遗传密码和人的也一样,所以把人的基因放到植物里去也能表达,同样把人的胰岛素放到细菌里也能表达出胰岛素来,这就是说生物界有着通用的遗传密码。这么个简单的规律把整个生物界变成一个“大一统”,所以这种追求简单的思维方式我觉得还是取得了很大的成功。

DNA双螺旋带来的启示

沃森和克里克确实很聪明,但他们的成功更重要的在于一种原创性的思维,这个非常重要。这种原创性的思维,恰恰是我们在教育中要注意培养的。

从遗传学的角度来说,双螺旋模型解决了遗传信息是怎么传递的这一问题,它的意义已远远走出了基因的范畴,在整个生命科学里都举足轻重。

陈蓉霞:沃森和克里克得奖以后确实有不少非议,比如,查伽夫讲过他们的工作是取巧的,不过是运气很好罢了。应该说,查伽夫的碱基配对理论对双螺旋工作是非常有启发的,可以想象,查伽夫为此不知在实验室中度过了多少日日夜夜,但从沃森有关发现双螺旋一书中的描写来看,他似乎没有花多少时间在科研上,难怪后来会有不少人对他们提出一些看法。对此我觉得,一方面沃森和克里克确实很聪明,但可能更重要的是,他们成功在于一种原创性的思维,这个非常重要,并不是说研究一个复杂课题,你就必须天天在实验室里才能做出来。这种原创性的思维,恰恰是我们在教育中要注意培养的。我记得看双螺旋那本书时有一个情节给我的印象特别深:有一次,查伽夫问克里克,他研究的碱基的分子式是怎样的,克里克总是说他写不出来,后来查伽夫就很轻蔑地说,你竟然连这个东西都写不出来,还想研究双螺旋,克里克不服气,辩解道这种分子式只要回去查书,每一本教科书上都能查得到,没有必要把它背出来。看到这里我非常感慨,在我们的教育中就是让学生们背的东西太多了。

赵寿元:值得指出的是,这些重大的发现在发现的当时并没有像现在一样能那么看清楚它的重大意义,就拿沃森和克里克的工作来说,他们的文章仅仅只有两页,登在《Nature》上面,很短很小的文章,当时也没有特别引起学术界的轰动,为什么呢?我举个例子:双螺旋模型是1953年提出,得诺贝尔奖是1962年,1953年到1962年间每年都是有生理学奖的,而他们是隔了9年之后才得了诺贝尔奖。当年得化学奖的是搞血红蛋白和肌红蛋白的肯德鲁和佩鲁茨。他们的文章是1960年发表的,1962年就得了诺贝尔奖,为什么呢,是因为当时对蛋白质作用的认识比较传统,一开始的时候很多人都认为基因是蛋白质,包括摩尔根,后来才证明是DNA。像这样有重大意义的科学发现或伟大成果,在当时的学术界都没有引起像现在这么多的重视和轰动;这件事给我们的一个启示是,我们对于一个基础研究的学术成果的评价恐怕主要要留给时间做评价,让历史做评价,而不是靠当时的炒作,有不少所谓的重大成果当时很轰动,但隔了一、两年以后它就烟消云散了。所以我的意见是,从遗传学的角度来说,双螺旋模型解决了遗传信息是怎么传递的这一问题。而现在来看,它的意义已远远走出了基因的范畴,在整个生命科学里都举足轻重。

结合沃森和克里克发现双螺旋结构这一事件并联系我们国家的情况,我觉得至少有两点应加以注意:第一,重大基础理论研究的成果有待于历史、时间来做结论和评价,这是最客观、最公正的,只要是真正有价值的工作,哪怕它被埋没的时间很长,它的光芒最终还是会显露出来,不会被永远埋没的,像孟德尔学说被埋没了35年,最后不是照样显露出它的光芒了吗?沃森和克里克的成果也是一样;第二,对基础研究方向的重大决策,切忌掺入非学术的眼光,要真正地广泛听取科学家的意见来作出正确的决策。

关注基因伦理问题

“人类”跟“人”是有差别的,人是有尊严的,在社会中生存的人有人格、有隐私权,但作为“人类”来讲,并不涉及所谓的“尊严”问题。经典的进化论已经说明人是由低等动物进化而来的,人和老鼠、猴子的DNA相似这一事实有什么可耻的吗?在讨论伦理学时,就要注意一些问题。

陈蓉霞:对于发现双螺旋结构的意义,我就不再赘述它带来的种种正面影响了,只是我看到最近有个现象,很多科普读物中都非常强调我们所有的行为,包括情感都是由基因所决定的。我们向来都很崇拜科学,觉得科学家讲的东西都有道理,这样会不会走向“基因决定论”而产生一些负面影响呢?从西方的观点来看,他们始终有两种张力,一种强调任何事情都必须寻求一个最终的原因(源头),扩展到生物学范畴的代表思想就是认为我们所有的一切都是由基因决定的,不少生物学家是这一思想的拥护者,包括社会生物学的开创者威尔逊,他们持有的观点是,“这是一个由基因决定一切的时代”,基因是不是能够决定一切,这个问题已经跨越了生物学的界限,应该有更多的学科来积极参与。

吴家睿:生命是独特的,有着它独特的价值,如果用物理学或化学来解释的话就不贴切了,所以在伦理学争论的背后,也隐藏着这个概念,不是能不能解释,而是我们愿不愿意用它来解释,西方普遍存在的一种观点是把人看作一台机器,而这样的话,人不就被贬值了吗?所以,当用DNA双螺旋来解释的时候,我们不得不考虑这个问题,当遗传信息被揭示了以后,是不是人的价值就没有了?换个角度,从商业上来看,遗传信息被揭示了以后,需要保密吗?打个比方,我们都知道,基因是决定遗传疾病的,如果一个人有遗传病,而他的基因没有保密,那么保险公司就会搜集这些信息,只找那些没病或只得小疾病的人加入保险,那么一定只赚不赔。所以国外对保险公司是否有权利搜集遗传信息展开过专门的讨论。当然还可以从伦理的角度来看,就像刚才赵老师所说的人和人类的区别,人类的基因组和老鼠的基因组一样是不是就对人是一种打击呢?这些问题都会变成一种伦理学上的问题。

赵寿元:对于基因决定论,我是同意基因是中心这一观点的,这没错。为什么呢?人和猴子的基因组的差别很小,但由人的基因发育出来就是人,猴子的基因组发育出来就是猴子而不会变人,人和小鼠的也一样。我跟学生上课时,第一堂课就是讲“基因型+环境=表型”,这是遗传学最基本的规律,基因型只有跟环境相互作用后才决定产生怎样的表型。举个最基本的例子,农民种苹果在没熟的红苹果上贴个“喜”字,成熟后撕下来,照着阳光的一面是红的,不照阳光的地方就是青颜色的。青色部分与红色部分的基因型当然是一样的,但环境不一样。所以可见,虽然基因是起决定作用的,但基因要通过和环境相互作用以后才能够决定最终的表型,出现特定的性状。

关于伦理的问题,有人说基因组的研究影响到了人类的尊严。这里需要指出的是,人类跟人是有差别的,人是有尊严的,在社会中生存的人有人格、有隐私权,但作为“人类”来讲,有何“尊严”可言?经典的进化论已经说明人是由低等动物进化而来的,人和老鼠、猴子的DNA相似这一事实有什么可耻的吗?在讨论伦理学问题的时候就要注意一些问题,比如人是从什么时候开始定义为“人”的,现在有三种说法,一种认为受精卵形成的一刹那就是人生命的开始,但体细胞可以克隆,可以不经过精卵结合、不经过受精过程,所以这种说法就有欠缺了;第二种说法认为,婴儿自母体出生以后才能算是人,那么胎儿在母亲肚子里时就不算是人,有人驳斥道,这样的话,做流产术不就等于杀人了么;第三种说法就是现在普遍由英国议会通过的怀孕14天后的胚胎算人,但严格地说是胚胎着床后发育成三层的胚层,已经具有发育成特定物种个体的“生物学独立性”了,它不可能再发育成别的个体,所以在拿怀孕14天以前的胚胎做实验是不犯法的,以后做就犯法了。但对于我们国家的伦理学,应该采取什么标准是一件相当棘手的问题,如果采取第一或第三种说法的话,就与计划生育相违背了,如果采取第二种说法,那么就应该取消对胚胎进行实验的所有的限制(因为那时候还不是人、不违法),但我们这里的伦理学家没有明确的立场,所以没有说服力。

未来生命科学的突破口

在完成了人类基因组测序后,还有更重大的发现、更大的挑战在等待着生命科学家。

在DNA双螺旋发现50周年、人类基因组破译完毕的今天,我们也可以这样思考,就是这一切并不代表着一门科学的终结,反过来说,我们现在又面临着一个新的转折期。

吴家睿:关于未来生命科学的发展,实际上在今天来说,DNA双螺旋引来的是现在的人类基因组计划以及所谓的后基因组时代,后基因组时代涉及到一个很大的问题,正如刚才李先生所说的,我们能否在测完序列后做到所谓的“破译生命遗传信息”,这实际上是一个很大的挑战,并不是说在完成了人类基因组测序后就只剩一些修修补补的工作,我认为应该是有更重大的发现在等着我们。事实上,就我们对基因组现有的理解来看,已经有很多现象是现有的知识很难解释的了,比如人和小鼠的基因组差异只有1%,这么微小的差别为什么会表现出如此巨大的物种间的差异?我曾经提出一个观点,产生这种情况不是因为它们在基因组上的差异,而是在由基因表达蛋白质的过程中,不同的蛋白质之间相互作用的差异,可能简单的生物蛋白质之间的相互作用简单,复杂的生物就相对复杂,比如同样10种蛋白质,在简单的生物中可能只有5种相互作用,到了高等生物中就可能产生20种相互作用。所以对我们来说,这些就完全是新的挑战了。

未来生命科学发展的路上肯定还有着许多根本性的重大东西等待着我们去寻找,就像20世纪初的物理学那样。本世纪初的物理学原本被认为只剩下一些修修补补的东西,但忽然一下子一个巨大的变化就诞生了量子物理学、相对论,使人们对整个物理学、整个世界的看法完全改变,今天的生命科学也许也面临着这么一个关口,从双螺旋引出的结果可能跳跃到另一个我们现在无法想象的一个全新的境界里。在DNA双螺旋发现50周年、人类基因组破译完毕的今天,我们也可以这样思考,就是这一切并不代表着一门科学的终结,反过来说,我们现在似乎又找到一个平台期,如果说DNA双螺旋的发现提供给我们宽广的领域和一个有利的工具的话,那么我们现在已经基本把这个工具用得差不多了,这个领域也开拓得差不多了,我们必须跳到一个新的领域去,我觉得这是我们现在纪念DNA双螺旋发现50周年之际应该去思考的。

作者:weiyanjie 点击:

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