科学界的“腐败”:谈谈DNA双螺旋那些事

作者:玄起泽来源:蝌蚪五线谱发布时间:2016-12-15

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  有没有感觉科学研究是一件很高大上的事情?尤其是像分子生物学这样前沿的科目。虽然整天面对的是一堆瓶瓶罐罐,但是探究的却是困扰人们多年的科学问题;是不是感觉科学家都是“神”一样圣洁的存在?似乎他们不食人间烟火,在他们面前我们的平时工作显得多么的苍白无力,尤其是在他们又在哪个顶级期刊发表了自己的最新研究成果的时候。其实,这一切只是我们的片面理解,科研也仅仅是众多工作的一种,科学家也是芸芸众生,只不过是我们感兴趣的方向不同而已。我们这次的故事或许会将科学家拽下“神坛”,让我们可以更加全面地了解他们。

  一个人的科研能力并不能代表他的优秀品质,就像阎肃老先生说的,一个人的成功需要“四分”--天分、勤奋、缘分和本分,而其中的本分的坚持是最简单的也是最难的。所以即使在如此庄严的科学界也会发生有失本分的事情。当然这在科学界也是极少数的例子。今天我们来挖一挖有关DNA双螺旋结构发现的那些往事。事情的发生要追溯到上个世纪50年代。

  罗莎琳德·富兰克林的一生

  了解这段历史,我们就不得不提到一个人和她的一生。女主人公罗莎琳德·富兰克林出生于一个犹太的富人家庭,从小受到叔叔的影响,她对科学研究有着一种近乎疯狂的热爱,她视她的科研工作重于生命,这在她的后来科研生涯中体现的极为显著。她的高中在当时以教育著称的伦敦圣保罗女子学校,学校里自由的学习氛围使他能够自主选择自己喜欢的课程,这在当时那个歧视女性的时代里显得弥足珍贵。1941,富兰克林在剑桥大学纽纳姆学院顺利完成大学学业,但是由于当时的剑桥大学并不授与女性文学士因此富兰克林只拥有一个名义上的学位

罗莎琳德·富兰克林

  之后几次辗转,再加之世界第一次世界大战的原因,富兰克林随后展开了对煤炭孔隙结构的研究,这与她以后的研究方向毫不相干。但有时候,命运之神总是会眷顾某些人。就在在国家中央化学实验室研究煤炭的过程里,她系统地学习了当时比较先进的X射线衍射技术,当然在富兰克林的整个生涯里从来也不会缺少努力两个字。这段经历使得富兰克林拥有了独立利用X射线衍射技术研究DNA结构的能力,

  《自然》期刊于1953425日同时发表三篇论文,顺序是以沃森与克里克为先,再来是威尔金斯等人,最后是富兰克林,其论文名称是《胸腺核酸的结构》其实三人最终论文的发表,都与一张图片脱不开干系,这张图片正是富兰克林利用X射线衍射拍摄而来

photo 51(DNA衍射照片)

  1956年夏天,富兰克林在前往美国进行与工作有关的旅行时,察觉了健康问题,并且在同年9月发现腹部有两颗肿瘤。不过富兰克林仍继续她的工作,在这两年间发表了十多篇论文1958年,富兰克林返回正常的工作岗位,并前往生物物理研究协会任职。同年416日因为卵巢癌逝世于英国伦敦。她得到癌症的原因,与X射线的辐射很大

  诺贝尔奖背后的罪恶

  而就在她逝世的五年后,也就是1963沃森、克里克和威尔金斯由于发现DNA双螺旋结构荣获诺贝尔生物学或医学奖。但沃森他们所引用的数据并没署上富兰克林的名字,更恶心的是,几乎没怎么接触过罗瑟琳德的沃森,在回忆录《双螺旋》里竟把弗兰克琳塑造成一个性格乖僻、目中无人的女巫形貌,并刻意贬低甚至无视她的贡献所以说有时候,学术领域的龌龊和腐败要比政治领域中的更令人愤恨。科学家虽然有时候可能不为金钱所动摇,但是追求名誉的心却与我们普通人一样强烈。

  如果我们走进学术圈,我们就会自然而然地发现科研人最注重的是成果的归属问题,因为大家都懂得实验结果的来之不易。沃森等人的行为的确有失科研人的素质。当然,后来沃森与克里克皆坦承富兰克林的研究结果,是建构双螺旋结构的必要线索。克里克在一篇纪念DNA结构发现40周年的文章中说道:富兰克林的贡献没有受到足够的肯定,她清楚的阐明两种型态的DNA,并且定出ADNA的密度、大小与对称性。另外在2003年,国王学院将新大楼命名为罗莎琳德威尔金斯馆时,沃森在命名演说中说道:罗莎琳德的贡献是我们能够有这项重大发现的关键。这个尘封了近半个世纪的冤案终于昭雪,我们可能会为富兰克林的研究贡献被人们重新认识而感到欣慰,可能也会为她的早逝而感到惋惜。但科学有时就是如此无情,规则的无情,科研竞争的无情。

  从DNA衍射图到DNA结构

  当时我读到这里的时候,除了惋惜、同情和愤恨相互交织在一起的复杂感情外,还有个疑问我们一直没有解开,即如何从一个简单的DNA 的X射线衍射图片就能够洞悉DNA的结构?当然作为一篇科普文,似乎这才是重点。

  其实,想要解答这个问题,我们需要深入了解当时的专业背景。当时的有关DNA的认识已经经历了下列阶段:1865年,孟德尔的豌豆杂交实验生物特性是由基因决定的。1871年,米歇尔发现一种高分子量物质,即DNA。现在我们知道基因是在染色体上排列的。但当时由于认为DNA成分过于简单,当时并没有将DNA和基因相互关联,而只是认为DNA是一种普通的物质。直到1905年,摩尔根通过对果蝇的研究才发现所谓的基因是在更大一些的物质--染色体上。即使到了1936年,微生物学家艾弗里还坚持认为DNA并不是遗传物质的理论,这也是当时人们普遍接受的一种观点,就算人们已经知道DNA是构成染色体的一种物质,但人们依然认为它不过是细胞内的一种烦人的蛋白质黏合剂。最终在1944年,艾弗里及其同事通过肺炎双球菌的转化实验,最终证明DNA就是遗传物质。但是此时还有一个问题没有解决,也就是当时人们为什么在知道DNA是染色体的组成成分后却依然认为他不可能遗传物质的原因,因为我们知道,DNA是由磷酸、脱氧核糖和四种碱基构成,但是如此简单的四种碱基排列怎么会承载如此丰富的遗传信息,是当时人们不能想通的。正因为如此,DNA的巧妙结构或许正是这个问题的关键答案。但不仅仅如此,这里还不得不提到薛定谔的《生命是什么》的演讲,他从一个物理学家的角度提出了一个生物学的问题:根据热力学第二定律,熵增将导致生物崩溃,有序变为无序,那为什么基因不会解体?为什么他能完整地代代相传?他给的答案就在于至今还未明了的DNA结构。他的演讲所起到的重要性,并不在于指出了问题的关键,而是激励和鼓舞了一大批献身该领域研究的年轻科学家,其中就包括富兰克林、沃森、克里克、威尔金斯等人。

  了解到这里,我们只是知道了研究DNA结构的必要性,而要想解决一开始我们提出的问题,还要解释一下当时一些对于双螺旋结构有铺垫作用的发现。当时战前的英国,有几个晶体学家包括奥斯特伯和贝纳尔等人,而他们所采用的技术即X射线衍射技术。并且当时奥斯特伯正确地推断出平面的碱基是以3.4埃的间距像硬币一样堆叠在一起。在1949年的时候,哥伦比亚大学的查戈夫分析了DNA碱基中的四中碱基的比例,发现嘌呤数总是与嘧啶数相等。这大约就是在富兰克林开始接触DNA结构研究的整个专业背景。

  富兰克林通过X射线衍射拍出的photo 51,是解析DNA结构的关键。了解推论的过程,我们就会更加容易理解富兰克林对于DNA结构解密的巨大贡献。下面我们通俗地解释一下当年富兰克林推导DNA结构的过程

  (a)图中 X 形说明DNA结构是螺旋形的;要了解这一点,我们必须要知道照片的拍摄位置,从哪个方向去拍摄所得到的投影是不同的,想象一下,当我们拿一支激光笔向白色墙面垂直照射弹簧,此时,所得到的墙面的投影为一个标准的正弦函数图像。而当我们减小激光笔与弹簧之间的距离时,墙面投影则会缩小为正弦函数的一小部分,而正如我们看到图中的X形其实只是双螺旋结构的一小部分。

  (b图中菱形说明DNA分子是长链;其实这个从空间结构上很容易理解,由于照片的拍摄位置和基本的螺旋结构已经确定,所以图中菱形空白说明了DNA结构并不是圆形或者方形等,而是向两边延伸的长链状。

  (c图中直线的间距是DNA分子一个完整的螺旋的间距 ;在当时人们对于DNA结构还完全没有概念的时候,能够有如此的推论还是很难做到的,但是我们作为后人已经知道结果后,再去看他们的分析就显得容易理解多了。显然,某一方向的光束照射,会在周期性螺旋的在相同螺旋段形成投影,所以图中两直线的间隔其实就是两个重复单元的间距。

  分析到这里,加之前期奥斯特伯和贝纳尔碱基堆积的正确推论和查戈夫在一个DNA分子中嘌呤数和嘧啶数总相等的结论,我们就会得到比较完备的DNA结构,也就是沃森克里克提出的DNA构型。

  结语:

  话题谈到这里,关于DNA结构的整个历程相信你已经基本清楚了。但我不得不再提一点,当时的英国是一个有严格界限的阶级社会,所以女性的地位是很低的,尤其是在科学界。所以也有人说,即使富兰克林没有早逝,或许她也并不能够被授予诺贝尔奖。富兰克林被埋没是那一个时代的悲哀,我们不能仅仅局限在几个人身上。而我们为此除了惋惜,更多的应该是对现今社会的感恩和思考。

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