揉合一體的結(jié)構(gòu)化學與生命科學 ――我看DNA結(jié)構(gòu)探索過程

1、揉合一體的構(gòu)造化學與生命科學 我看DNA構(gòu)造探究過程毫無疑問，生命科學與化學有著密不可分的聯(lián)絡(luò)，我甚至認為生命科學就是用化學來解釋生命。然而，僅僅知道一種物質(zhì)的化學成分是遠遠不夠的，構(gòu)造才是其功能的基矗我們知道，構(gòu)成元素一樣的物質(zhì)，由于構(gòu)造不同，可能在功能上就相去甚遠：左、右旋光物質(zhì)的不同生理作用就是一個很好的例子。但是，我們不能孤立地來闡述生命科學與構(gòu)造化學的關(guān)系，也就是說不能把生命科學看成一塊，再把構(gòu)造化學看成另一塊，然后再說明他們間千絲萬縷的聯(lián)絡(luò)；我認為，構(gòu)造化學與生命科學是揉合在一起的，很多構(gòu)造化學家在生命科學領(lǐng)域就有非凡的建樹。鮑林就是以化學向生物學浸透的先驅(qū)者，他不僅進展了大分子研

2、究，還對鐮刀形細胞貧血分子病和大腦化學進展了大量的研究。然而我認為，最能表達構(gòu)造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里克關(guān)于dna構(gòu)造之爭。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，構(gòu)造化學的知識不僅為他們建立模型提供了理論支持，而且在幫助他們判別真理與錯誤、為他們的結(jié)論提供事實支持等方面起到了至關(guān)重要的作用。從這個故事中我們不僅可以看出，解決dna構(gòu)造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(jié)果，而且能受到許多在科學研究上的啟發(fā)。在多學科穿插浸透的今天，我們更不能僅僅只重視專業(yè)課的學習，必須同時汲取其他學科的知識，為將

3、來的研究打下基矗在一九二四年以前，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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)dna僅存在于細胞核中。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么樣子完全取決于細胞核。隨后的一實在驗事實都說明，發(fā)出遺傳信息的正是細胞核里的dna。于是，在美洲和歐、亞、非三洲各試驗室里的人們都開始研究這個問題。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里，英國人弗朗西斯?克里克和美國人詹姆斯?沃森也著手進展對奇異的dna構(gòu)造的探究。這是一場用構(gòu)造化學來解釋生命科學的競

4、賽，也是“一個遠方傳奇大力士被兩個無名小卒砍倒的故事。雖然我們已經(jīng)知道了這場競賽的結(jié)果，但我認為，這一探究的過程更讓人留下深化的印象。我將雙方的研究進展了一些比照，確實從中學到了一些東西，希望和大家一起討論。一、雙方的開端：當時的鮑林已經(jīng)是化學界的“權(quán)威，他致力于蛋白質(zhì)的研究。1951年夏天，鮑林開始深化研究有關(guān)dna的材料，并常常找人討論。他認為，與蛋白質(zhì)相比，弄清dna的構(gòu)造不會很難，“這算不上一個最為緊迫的問題。dna在重量上是染色體的一種重要成分，但蛋白質(zhì)也一樣。大多數(shù)學者認為，蛋白質(zhì)部分最有可能包含著遺傳的信息。相對而言，dna似乎就比較簡單了，它很可能只是一種構(gòu)造性的成分，只是用來

5、幫助染色體折疊和翻開的。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這一種觀點。我們可以看看后來鮑林自己的話：“我以前就知道dna是一種遺傳物質(zhì)的論點，然而我沒有承受這一論點。你們知道，那時我正熱衷于蛋白質(zhì)的研究，我認為蛋白質(zhì)最有可能是遺傳物質(zhì)，不可能是核酸當然，核酸也有作用。在我著述的有關(guān)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(zhì)，而不是核酸。雖然如此，鮑林還是著手研究dna的構(gòu)造。此時，他需要明晰的dnax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，但均遭回絕。1951年11月，?美國化學學會學報?上登載了一篇闡述dna構(gòu)造的文

6、章。鮑林據(jù)其深沉的構(gòu)造化學根底，一下子就看出這篇文章的結(jié)果是錯的；同時，此事刺激了他開始考慮dna是如何構(gòu)筑起來的問題。鮑林設(shè)想，假設(shè)堿基朝外，那么螺旋的內(nèi)核就應(yīng)當是由磷酸堆積起來的。磷酸聚集在中間，堿基朝外，這與x射線的資料是“吻合的。在鮑林的頭腦中，dna構(gòu)造的問題就已經(jīng)轉(zhuǎn)化為如何將磷酸堆積在一起的問題了。我們?nèi)缃裰?，鮑林的這一開端是錯的，并最終使他敗給了沃森和克里克。另外還必須一提的是，鮑林對dna研究總是被各種事務(wù)打斷，使他曾屢次中斷自己的思路。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？暫且不答復這個問題，我們先來看看沃森和克里克是如何開始的。在戰(zhàn)爭期間，克里克原來是從事

7、武器方面研究的。后來他決定研究生物。于是他到劍橋大學學習分子學。至于沃森，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。他們都是熱心探究的人?！拔?克組合相對于鮑林的地位可以說是“一個在天，一個在地，他們并沒有引起人們多大的重視，也沒有引起鮑林的注意。他們就憑著一股勁和對目的的執(zhí)著追求開始了他們的研究。還必須提到的是另外兩位對他們的成功起著至關(guān)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?富蘭克林。他們拍出了非常漂亮的dnax光照片，不僅啟發(fā)了沃森和克里克，而且為他們的發(fā)現(xiàn)提供了佐證。鮑林頗為自信，感到自己有才能解開dna之謎。唯一的問題是

8、，會不會有人搶先獲得勝果，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兩人(更不用說沃森和克里克了)，沒有誰有足夠的化學根底對鮑林產(chǎn)生嚴重的威脅。二、對對手的不同看法：鮑林是自負的，他不相信有人可以在他之前發(fā)現(xiàn)dna的構(gòu)造，特別是他認為沒有人有他那樣深沉的化學功底。他“知道，沃森是一個好學生，但因成績還不夠突出，因此他到加州理工學院當研究生的申請未被批準?？死锟艘呀?jīng)三十五六歲了，還在讀研究生，年齡是大了一些。況且，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。甚至有人認為，沃森和克里克看上去就像是一對“雜耍演員。而沃森和克里克那么不同。對于年方19的沃森來說，鮑林是一位

9、值得仿效的典范。在盧瓦蒙會議上，沃森就是圍聚在鮑林身邊的人之一，他非常用心地聽了鮑林的講話。克里克開始并不是鮑林的崇拜者，他是鮑林的競爭對手，因為鮑林曾用阿爾法螺旋說明他們的一篇關(guān)于蛋白質(zhì)構(gòu)造的論文破綻百出，讓克里克承受了由此而來的屈辱。從此，克里克借鑒了鮑林的研究方法。說實話，他們對鮑林這位怪杰都極為佩服。更重要的是，他們兩人都互相愛慕，他們可謂是天生一對。相對于鮑林來說，沃森和克里克謙遜多了。三、研究方法及進程：鮑林首先想到dna的構(gòu)造可能是螺旋型，因為其他構(gòu)型與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，磷酸處于中央的位置。之后，他的工作重點就聚焦于找出磷

10、酸分子在中央合理的排列方法。雖然他知道自己提出的構(gòu)型不能完美地符合實驗測算得出的數(shù)據(jù)和x光衍射照片，但他認為這些都只是細枝末節(jié)的東西，就像他發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)阿爾法螺旋一樣開始的時候也有難以解釋的數(shù)據(jù)，他大膽地將之忽略，而其后的事實證明了他這種策略是明智的。另外，鮑林有些急于求成，他希望可以盡快地發(fā)表相關(guān)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。于是，他很快地發(fā)表了他“發(fā)現(xiàn)的dna構(gòu)造。鮑林將自己的論文也寄給了沃森和克里克。他們兩人虛驚了一場，因為他們發(fā)現(xiàn)，鮑林設(shè)想的這種構(gòu)型是他們最初設(shè)想的結(jié)果，當時他們將這一結(jié)果給晶體學家富蘭克林看的時候，被她以充足的論據(jù)否認，因為水容量問

11、題與這種構(gòu)型嚴重不符。也正是因為這次錯誤，他們兩人被認為不適宜研究dna構(gòu)型問題，被拆散到不同的課題組，從事別的研究。但沃森和克里克并沒有就此放棄，他們?nèi)匀凰较聢猿植恍傅剡M展研究和探究。他們在研究方法上一直就有共識：與其推導出復雜的數(shù)學模型，直接而又明確地解釋x光的衍射結(jié)果，還不如借助化學常識構(gòu)筑構(gòu)造的一個模型。正如沃森所說，他們決定“仿效鮑林，并在他本人發(fā)起的這場競賽中將他擊敗。富蘭克林的批評已經(jīng)促使他們將磷酸放到了分子的外側(cè)；又受到奧地利生物化學家切加夫的啟示，得知內(nèi)側(cè)各對堿基之間存在著一一對應(yīng)的關(guān)系。他們開始設(shè)想，在螺旋中，嘌呤和嘧啶以某種方式挨次排列在分子中心下部。之后，他們看到了富蘭

12、克林最新的dna照片，不僅使他們確認了dna是一種螺旋，而且他們得到了幾個主要參數(shù)。由此，他們開始著手制造模型，通過不懈的努力，最終獲得了成功?？梢钥闯?，不管是成功者還是失敗者，他們都用了一種構(gòu)造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(lǐng)域的科學家的啟示和幫助，而且他們自己都成認，他們的研究方法來源于偉大的化學家鮑林。由此可見，生命科學是集多學科，特別是化學的大成所在，他與化學，乃至物理、數(shù)學的揉合可見一斑。為什么鮑林會失敗？鮑林有著深沉的化學知識作為自己研究的基矗照常理而言，成功的應(yīng)該是他，但他為什么輸給了沃森和克里克呢？鮑林輸在急躁和自負上。他急于求成，因為dna是當時

13、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(huán)，他確實是世界上解決巨分子構(gòu)造的最正確人選，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。他過于相信自己的直覺和運氣，結(jié)果輸?shù)袅诉@場大比拼。沃森和克里克為什么會成功？其實這個問題的答案從前面的表達中都可以看出，但我覺得最重要的一點是不懈的思索與踏實的努力?？死锟瞬痪褪窃谝蝾^疼而不得不休息，卻又忍不住開始計算時找到了有關(guān)dna構(gòu)造的答案嗎？他們雖然被拆散到兩個不同的研究小組，但仍然踏實地合作與工作，正是這樣，幸運之神才降臨在他們的頭上。

14、另外還有一點，就是他們沒有放過看似微缺乏道的東西。奧地利生物化學家切加夫?qū)A基一一對應(yīng)的關(guān)系同樣告訴了鮑林，但卻沒有得到鮑林的重視，而沃森和克里克并沒有放過這一點，而最終獲得啟發(fā)，找到了dna的正確構(gòu)造。構(gòu)造化學與生命科學的揉合已無需多說，我相信這種互相交融在將來會愈演愈烈。最后我想總結(jié)的是有關(guān)鮑林的研究方法，畢竟沃森與克里克的成功也來源于此，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討論相結(jié)合鮑林比一般的化學研究生掌握了更多的數(shù)學和物理學知識。他一方面是重視實驗，強調(diào)經(jīng)歷知識；另一方面又堅信化學構(gòu)造問題可以通過應(yīng)用現(xiàn)代物理學的理論來解決。他常采用半經(jīng)歷的方法：既有根據(jù)物理

15、學根本原理進展的演繹推導或論證，又有對實驗資料的歸納，二者互相補充。量子力學與化學經(jīng)歷相結(jié)合鮑林在總結(jié)過去對離子半徑的研究時曾指出：“應(yīng)用量子力學可以近似計算但是，這種理論計算是非常復雜的，需要很大的工作量；因此，從化學方面考慮，最好有一套經(jīng)歷或半經(jīng)歷的離子半徑數(shù)據(jù)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(jié)化學構(gòu)造規(guī)律。開展簡單的理論。努力把量子力學的研究成果轉(zhuǎn)譯成化學家的慣用語言。采用移植方法開拓邊緣學科鮑林不斷把構(gòu)造化學的理論和實驗方法移植到生物學、醫(yī)學以及核物理的研究中去。他按照自己的專長不斷地把新的理論原理和新的實驗方法移植于另一領(lǐng)域，解決新的研究課題，努力開拓新的邊

16、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，直覺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(xiàn)：1.是與數(shù)學計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注意，并直接領(lǐng)悟到有可能用經(jīng)歷的方式來解答它。3.和想象一樣，“不能歸結(jié)為僅僅采用通常的邏輯規(guī)那么和過程，它和某種“深邃的洞察力有關(guān)。4.鮑林對一個晶體的構(gòu)造確實定，分為兩步：一是推測，二是證實。這種“推測，或者是鮑林本人自稱的“隨機方法也在直覺之列。5.“借助于對化學事實的非凡記憶，是“經(jīng)過理論養(yǎng)成的。從整體對待世界從理論對待科學鮑林作為一位自然科學家，物質(zhì)世界的統(tǒng)一性對于他來說似乎是不言而喻的。鮑林重視理論思維，并不完全同意實證主義的見解。他強調(diào)自己“是純粹從理論的方面對待科學；可以說是實用地對待科學。貫穿鮑林研究方法中的極其珍貴的思想正是這種“從理論的方面對待科學的態(tài)度。參考書目甘道初著，?化學大浸透?，195-199，中國青年出版社，1987年5月。吳守玉等著，?化學史圖冊?，166，142，高等教育出版社，1993年5月。中國自然辨證法研究會化學化工專業(yè)組?化學哲學基捶編委會編著，?化學哲