世界当代科技史-第11章
按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
生物技术迅速兴起，成为高技术中的佼佼者，并创造出了前所未有的奇迹。
1。分子生物学的早期研究
分子生物学主要是在研究遗传的物质基础及遗传信息的传递中形成和发
展的。
（1）遗传学的发展
20世纪初，以孟德尔（1822—1884）遗传定律重新发现为转折，遗传学
研究逐渐进入成熟时期。1903年，美国生物学家萨顿（1877—1916）和德国
的鲍弗里（1862—1915）提出了遗传的染色体学说，认为遗传因子就在染色
体上。1910年，美国人摩尔根（1866—1945）发表了关于果蝇性连锁遗传的
论文，第一次将一个基因和一个具体的染色体的行为联系起来。此后，摩尔
根和他的学生又发表了《遗传的物质基础》和《基因论》，系统地阐述了基
因学说和染色体理论，证明了基因是染色体上的遗传单位。
细菌和噬菌体遗传学是遗传学发展的一个重要阶段。早在本世纪 30年
代，微生物学家施莱辛格 （1913—）和埃利斯 （1906—）就研究过噬菌体。
德尔布吕克 （1906—1981）了解了埃利斯的研究工作后，认为噬菌体是研究
基因复制的最有希望的材料。1942年，卢里亚（1912—）和安德逊（1911—）
用电子显微镜揭示出噬菌体T颗粒头部和尾部的详细结构。1946年，德尔布
2
吕克和贝利用两个近缘噬菌体的突变体去感染细菌，在噬菌体后代中获得重
组体。噬菌体遗传学开始形成了。美国细菌学家莱德伯格 （1925—）研究了
大肠杆菌的内部结构，并于1947年证明两个大肠杆菌细胞可以重组，于是开
创了细菌遗传学。40年代中期开始的细菌附加体研究，既丰富了细胞质遗传
理论，又为70年代基因工程准备了运载工具。
40年代以后，人们逐渐认识到核酸是基因的载体，遗传学研究又掀起一
个新的热潮。物理学和化学向生物学的渗透，使遗传学又取得重大突破，产
生分子遗传学。它一产生就超出遗传学范围，把分子水平的研究迅速扩展到
生物学领域，从而形成分子生物学，引起生物学革命，又发展了遗传工程这
一崭新的生物技术。
（2）传统生物化学
到50年代初，在传统生物化学领域，对生物大分子化学结构的研究已取
得丰硕成果。20年代，列文（1869—1940）等人发现核酸分为核糖核酸（RNA）
和脱氧核糖核酸（DNA）两种类型。它们都是由不同的核苷酸组成的。列文根
据当时较粗糙的分析方法得出的结果，错误地认为核酸中的4种碱基含量相
等，于是提出了四核苷酸假说。1947—1952年，查哥夫（1905—）对核酸的
4种碱基重新测定后，证明在DNA大分子中，嘌呤和嘧啶在总量上是相等的
（T＋C=A＋G），其中腺嘌呤和胸腺嘧啶相等，鸟嘌呤和胞嘧啶相等，即A=T，
G=C，但A＋T不一定等于C＋G。这一发现推翻了错误的四核苷酸假说，成为后
来DNA双螺旋结构模型中碱基配对原则的实验依据。英国生物学家托德（1907
… Page 44…
—）于1952年解决了核酸化学结构中长期混乱的难题，明确指出核酸是由磷
酸二酯键把一个个核苷酸连接成一条长链。查哥夫和托德的研究使人们对核
酸结构有了清晰的认识，为建立正确的DNA空间结构模型奠定了基础。
（3）三个学派的工作
分子生物学是由生物大分子的晶体结构学、遗传的生物化学和遗传信息
学的研究成果综合而产生的。50年代后，三个学派的研究工作由彼此独立转
到融为一体，是导致分子生物学诞生至关重要的一步。
结构学派由一批结晶学家组成。1912年，X射线衍射晶体分析技术开始
出现。1931—1935年，英国科学家阿斯布勒（1898—1961）和贝尔纳（1901
—1971）用这种方法研究头发、羊毛这一类较大分子的结构。30年代末，他
们又对核酸、蛋白质的结构进行分析，证明它们都是折叠、卷曲的长纤维。
美国著名结构化学家鲍林（1901—1994）于40年代肯定了肽键是蛋白质的基
本结构，而且还有一种弱相互作用的氢键支持着肽链缠绕的结构。50年代
初，他又根据结构化学规律提出蛋白质多肽骨架的α螺旋结构。鲍林的工作
是DNA双螺旋结构建立的直接实验基础。
伦敦皇家学院的威尔金斯（1916—）和女科学家弗兰克林（1920—1958）
也于1950—1951年系统地研究DNA的晶体结构。他们应用X射线衍射分析技
术观察一种高度定向的DNA纤维，拍出了一张非常清楚的X射线衍射照片，
从中可以得出DNA结构的重要数据。这张由弗兰克林拍摄的非常高超的照片
对DNA结构模型的建立起到了极其重要的作用。
信息学派由玻尔和他的学生德尔布吕克所倡导。1932年，玻尔在题为《生
命和光》的讲演中指出，不能把有机体简单地还原为化学的相互作用，也不
可能存在与已知物理定律和化学定律不相容的某种特殊的生物学定律。他主
张建立一个互补性的理论构架，使物理、化学规律和生物学规律调和起来。
德尔布吕克深受玻尔影响，把兴趣从物理转向生物学。他认为基因是一个大
分子，用传统的化学方式不可能说明基因的功能；还强调研究比细菌更简单
的病毒非常重要。他领导的噬菌体小组坚持不懈地研究了30年。1944年，
薛定谔发表了《生命是什么？》一书，用量子力学观点论证了基因的稳定性
和基因突变的可能性。他认为，基因是无数同分异构的连续构成的非周期性
晶体，其中巨大数量的排列组合构成了大量复杂的遗传密码。这些密码形成
遗传信息。薛定谔这本著作在40—50年代产生了极大影响，曾使一批物理学
家转向生物学研究领域。薛定谔把量子论和信息论引入生物学和遗传学，对
分子生物学的产生起了很大的推动作用。有人将他的这本书称为“唤起生物
学革命的小册子”。
信息学派最重要的成就是证明了DNA是遗传信息的载体。1944年，美国
细菌学家艾弗里 （1877—1955）同他的合作者用不同种的肺炎双球菌做转化
实验，首次证明DNA是遗传信息的载体。但当时大多数科学家还囿于“四核
苷酸”的错误假说，不肯承认这一结果，仍坚持认为：只有蛋白质才是遗传
信息的载体。艾弗里等人尽管在实验中做出了发现，但没有勇气同旧的观念
决裂。不过他们的工作对DNA的研究还是起到了推动作用。
40年代，德尔布吕克与卢里亚和赫尔希（1908—）组成了闻名世界的噬
菌体小组。1952年，赫尔希和他的学生蔡斯（1921—）用同位素硫和磷分别
标记噬菌体的蛋白质和 DNA，发现当一个噬菌体感染一个细菌细胞时，噬菌
体将它的DNA注射到细菌细胞中，而把蛋白质留在细胞外面；噬菌体DNA进
… Page 45…
入细菌细胞后，细菌开始合成噬菌体DNA，并给DNA包上蛋白质外壳，释放
出许多同原来一模一样的噬菌体。DNA在噬菌体生活周期的这种连续性，证
明DNA是遗传物质。这是DNA作为遗传物质的直接证据。这个结果立即得到
公认，从此很少再有人相信蛋白质是遗传信息的载体了。有人认为，从这个
实验中得到的知识对沃森和克里克生几个月内作出DNA结构模型，也许是最
重要的刺激因素之一。
生化学派以美国生物学家比德尔 （1903—）为代表。他研究遗传与代谢
的关系以及基因是如何起作用的。1940年，比德尔和泰特姆 （1909—1975）
在链孢菌 （即红色面包霉）开始做有关生化突变体的研究工作。他们发现，
用X射线或紫外线处理链孢菌的孢子可使某些孢子变得不能在最低培养基上
生长；如果在培养基中增加某种氨基酸或者核苷酸、维生素，它就能继续生
长。这说明照射使某些个体失去合成某种物质的能力。实验证明，这种性状
的变化是可以遗传的。这种突变体称为生化突变体。比德尔等根据几百个生
化突变型分析，认为一个基因的功能相当于一个特定的蛋白质（酶），每一
个基因突变都影响着一种酶的活性，于是在 1941年提出了“一个基因一个
酶”的假说。它表明基因与遗传性状的关系并不是原先所认为的是直接对应
的关系，而是每一基因都通过一种特殊的酶起作用。基因决定酶的形成，酶
控制生化反应，从而控制代谢过程。这一假说使人们设想：基因是形成酶的
一个模板。比德尔的发现对认识基因作用的性质有重大意义，很快被普遍接
受。以后“一个基因一个酶”的学说被修正了，但它对分子遗传学的诞生起
了促进作用。一个基因去控制细胞代谢方面只有一个功能的概念，曾推动人
们去寻找这种功能。因此，这一学说的历史地位是应予以肯定的。
到1952年，三个学派在各自领域中都取得了一系列重要成果，为分子生
物学诞生做好了充分准备。三条支流只有汇聚在一起才能成为波澜壮阔的大
河。当时许多科学家努力将各派的研究成果进行综合，生物学的一场重大革
命即将来临。
2。分子生物学的诞生
分子生物学是研究生物大分子的结构和功能关系的科学。沃森（1928—）
和克里克 （1916—）在早期信息学派工作的基础上把遗传生化学派和结构学
派的研究成果结合起来，建立了 DNA双螺旋结构模型，标志着分子生物学的
诞生。50年代末60年代初，遗传中心法则建立起来，遗传密码被破译，使
分子生物学发展成为一门完整的学科。
（1）DNA双螺旋结构分子模型
40年代末，DNA的功能和结构日益引起学术界的重视。维尔金斯、弗兰
克林小组和鲍林的小组在DNA晶体结构研究方面都取得了卓有成效的进展。
沃森在上大学时就被薛定谔的《生命是什么？》迷住了，决心揭开基因
的奥秘。后来他在卢里亚领导的噬菌体小组攻读博士学位。1951年，沃森听
到维尔金斯关于DNA晶体衍射分析的阶段性学术报告，决心从事X射线晶体
衍射分析生物大分子的研究。1951年秋，沃森来到英国剑桥卡文迪许实验室
与克里克相遇，开始了现代生物学史上最有成效的合作。克里克原是学物理
的，也是由于受薛定谔的影响，决心把物理学知识用于生命科学的研究。从
1951年11月起，沃森和克里克并肩从事DNA结构的研究。他们同维尔金斯
… Page 46…
和弗兰克林进行了几次学术交流。1951年11月，弗兰克林在关于DNA结构
的报告中指出，DNA呈螺旋型，其中磷酸根基因暴露在水中。沃森听了这个
报告后，与克里克很快提出了一个3股螺旋的DNA结构的设想，并把亲水性
的磷酸基团放在螺旋的内侧。1951年底，弗兰克林指出他们把DNA的含水量
少算了一半。这个模型失败了。
1952年5月以后，沃森和克里克得到了维尔金斯和弗兰克林的进一步的
实验报告。克里克请数学家帮助计算的结果表明，嘌呤有吸引嘧啶的趋势，
并从查哥夫那里知道嘌呤与嘧啶的碱基比为1∶1，于是形成了碱基配对的概
念。沃森和克里克此时已知道鲍林建立了氢键连接的3链结构，这对他们也
是一个促动。经过紧张的工作，不断修正错误，他们终于在1953年2月建立
起DNA双螺旋结构的分子模型。按照这个模型，DNA分子是由两条多核苷酸
组成的，它们互相缠绕成双螺旋，靠碱基之间的氢键联结在一起，配对的碱
基是不同的，但存在互补关系。腺嘌呤与胸腺嘧啶联结，鸟嘌呤与胞嘧啶联
结。这个模型公布后，鲍林很快提出在鸟嘌呤和胞嘧啶之间是3个氢键，纠
正了模型中的一个错误。
DNA双螺旋结构分子模型的建立是科学发展的必然，是众多科学家共同
努力的结果。沃森和克里克能够抓住时机，综合当时各方面的研究成果，发
挥他们的创造性思维，坚持不懈地日夜奋斗，终于摘取了这一伟大发现的桂
冠。从1951年11月到1953年4月，短短18个月，就取得这样重大的成就，
堪称科学史上的一个奇迹。1953年4月，英国的《自然》杂志发表了沃森和
克里克的论文，同时发表了维尔金斯和弗兰克林的两篇实验报告。DNA双螺
旋结构模型的建立，是生物学史上、也是 20世纪科学史上最重大的发现之
一。1962年，沃森、克里克和维尔金斯同获诺贝尔生物和医学奖。弗兰克林
因于1958年逝世而未授予。但她和鲍林在DNA双螺旋结构分子模型建立中的
杰出贡献是不可磨灭的。
（2）遗传密码的破译和遗传中心法则的建立
沃森和克里克建立DNA双螺旋结构模型后不久，又发表文章说明DNA分
子结构的遗传含义。他们设想DNA双螺旋结构就是基因，携带着遗传密码；
在复制过程中，原来的一个双螺旋结构分子变为两个同原来完全相同的双螺
旋分子。1956年，美国的科恩伯格（1918—）从大肠杆菌里分离了一种催化
核苷酸形成DNA的酶——DNA聚合酶。1957年，他用含有4种核苷酸、聚合
酶和DNA的无细胞体系合成了DNA。他的重要发现是，产物DNA中碱基比例
和原先的DNA碱基比例相同。1958年，梅塞尔森（1930—）等用大肠杆菌研
究DNA复制。实验结果证明，在细胞分裂中DNA确实是以半保留复制的方式
产生的。1959年，美国生化学家泰勒（1916—）用氘标记碱基追踪DNA的复
制。以上实验结果都证明沃森和克里克的设想是正确的。DNA双螺旋结构的
重大意义显示出来，它解决了基因自我复制的分子基础问题。此后，基因是
如何表达的问题，成为分子生物学研究的中心课题。
在探求基因如何控制蛋白质合成时，面临一个难题：4种不同的碱基怎
样排列组合进行编码才能表达出20种不同的氨基酸。美国物理学家伽莫夫于
1955—1956年间用数字的排列组合来估算编码。他认为，应用3个碱基组成
3
3联密码，4=64＞20。由此他进一步推断一种氨基酸可能不只有一个密码。
伽莫夫专门组织对遗传密码设计的讨论，克里克也参加了。1961年，克里克
和布伦纳进行了研究密码比例和翻译机制的实验。结果表明，密码确是以3
… Page 47…
联体核苷酸的形式代表着20种不同的氨基酸。1961年，美国科学家尼伦贝
格（1927—）和德国科学家马太首先用实验确定了苯丙氨酸的遗传密码是RNA
上的尿嘧啶。这个结果一公布，在科学界引起很大反响。人们竞相
