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第1章

dna双螺旋结构的发现-周光召-第1章

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  主讲人简介 
  周光召院士,1951年毕业于清华大学物理系。1954年毕业于北京大学研究生院。1996…1997年任中科院院长、中国科协主席。1998年当选为全国人大常委副委员长。 
  内容简介 
  今年是DNA双螺旋结构发现50周年,是20世纪生物学最重要的发现,这个发现阐明了生物遗传基因密码的构成,开辟了分子生物学的新学科领域,为人类从分子水平认识生命过程的发生、遗传、发育、衰老、进化以及生命体内部细胞和器官的结构、功能和运行的模式,都奠定了坚实的基础。21世纪将要看到它会对我们人类的生活、生产,产生巨大的影响。 
  发现DNA双螺旋结构做出重大贡献的四位科学家,他们在大学学的都是不同的专业,所以他们具有不同的知识背景,在同一时间又都致力于研究遗传基因的分子结构,在又合作、又竞争,充满了学术交流和争论的环境中,发挥了各自专业的特长,为双螺旋结构的发现,做出了各自的贡献,所以这是科学史上由学科交叉,而产生的一次重大的科研成果。 
  那么自然科学的重大科学发现的过程,它不仅是科学家用严谨的科学态度,严格的科学方法,有敏锐的思维和观察对自然现象和规律进行的一种探索的过程,它又表现出科学家的个性、他的爱好和他们的观点,在竞争和合作中所形成的学术思想上的融合、碰撞和冲突,也反映出社会和学术群体的评价,给予他们的鼓励、包容和压力,这些都在他们发现的过程中间不停地在起着作用。所以我们不仅应当从自然科学本身的规律出发,去了解这个发现的过程,而且应当从人文和社会的角度来研究这个过程,创造促进创新的条件和环境。 
  研究DNA双螺旋结构这个重大发现产生的背景、环境和条件,能够吸取有益的经验,采取相应的措施,对改进我国基础研究的环境和氛围,对促进我国科技创新,是有重大的现实意义的。从DNA双螺旋结构的发现过程,我们可以得到很多有益的启示。 
  中国目前正处在科技发展物质条件最好的时期,但是如果能够迅速创造一个好的人文环境,选好科学前沿的发展方向和领军人才,吸引一批最优秀的青年,中国科学的起飞是指日可待的。 
  DNA双螺旋结构的发现》(全文) 
  上世纪最重要的三个大的发现,就是相对论、量子力学和DNA双螺旋结构,这是20世纪自然科学最伟大的三个发现,都是在物质条件,不是太好的情况下产生的。相对论我们不去说它了,因为爱因斯坦这是一个天才,在1905年发现的特殊相对论。 
  量子力学是在德国发现的,是1925年。而1918年,第一次世界大战结束,德国是失败了,而1925年那个时候在德国肯定生活是很困难。然后DNA双螺旋结构在英国发现的,是1953年,也是在第二次世界大战以后的英国,那个时候相对来讲,它比美国是困难多了,美国当时是惟一没有受到战争影响的一个大国,而且由于战争的关系,使得美国非常重视科学,所以在“二战”以后,美国大量投钱来发展科学。而英国,这个实验室和这批科学家,是处于一个很困难的境地,但是尽管如此,他们还是发现了DNA双螺旋结构。所以就可见,我得出来的一个结论,就是投资是很重要的,是一个必要的条件,但是绝对不是一个充分的条件,也不是说在投资不够的情况下,就不能做出世界最高的、最重要的成果,所以我们就必须要研究,为什么他们能够在这样比较困难的情况下,能做出世界最重要的科学成果,我想这是今天值得我们来深思的一些课题。 
  那么今年,是DNA双螺旋结构发现50周年,这个是20世纪生物学最重要的发现,这个发现阐明了生物遗传基因密码的构成,开辟了分子生物学的新学科领域,为人类从分子水平认识生命过程的发生、遗传、发育、衰老、进化以及生命体内部细胞和器官的结构、功能和运行的模式,都奠定了坚实的基础。 
  同时DNA的发现和后来紧接着的由RNA转录、翻译为蛋白质的中心法则的发现,以及后来发明的基因重组和克隆技术,就使人类获得了崭新的干预生物进化和优化生物功能的途径,为农业、林业、医疗、环保、化学、材料、信息和能源工业都提供了新的发展途径,像品质优良,抗击性强的转基因和克隆的生物,改变结构提高功能的蛋白质,用于医疗检测和环保监测的生物芯片,高疗效个性化的基因治疗药物,克隆器官,生产化学工业原料,有机材料和可再生能源的转基因的生物工厂,DNA计算机,用于控制和消除环境污染的转基因微生物等等。所以不仅是一个非常重要的基础性的发现,而且在应用方面,我想21世纪将要看到它会对我们人类的生活、生产,产生巨大的影响。 
  那么DNA双螺旋结构的发现,做出重大贡献的科学家有四位,是弗郎西丝·克里克、詹姆斯·沃森、莫里斯·威尔金丝、罗萨琳·富兰克琳这四位,当时都是在战后的英国工作的,他们发现的时候都在英国实验室里面。此外,有一位美国的著名科学家叫里纳斯·鲍林,他是美国惟一参与这个竞赛的,他也是很想做出这个DNA结构的一个人。还有一位是叫做杰里·多洛,在他们发现DNA双螺旋结构的时候,他提供了非常重要的意见。 
  那么这四位中间,最后一位是位女科学家,1962年他们获得诺贝尔奖的时候,她已经去世了,而诺贝尔奖又只能发给三个人,所以就发给了前面这三个。发现DNA双螺旋结构的四位科学家中,只有沃森是毕业于生物专业的,克里克和威尔金丝是毕业于物理专业,富兰克琳是毕业于化学专业,他们在大学学的都是不同的专业,所以他们具有不同的知识背景,在同一时间又都致力于研究遗传基因的分子结构,在又合作、又竞争,充满了学术交流和争论的环境中,发挥了各自专业的特长,为双螺旋结构的发现,做出了各自的贡献,所以这是科学史上由学科交叉,而产生的一次重大的科研成果。 
  那么自然科学的重大科学发现的过程,它不仅是科学家用严谨的科学态度,严格的科学方法,有敏锐的思维和观察对自然现象和规律进行的一种探索的过程,它又表现出科学家的个性、他的爱好和他们的观点,在竞争和合作中所形成的学术思想上的融合、碰撞和冲突,也反映出社会和学术群体的评价,给予他们的鼓励、包容和压力,这些都在他们发现的过程中间,都不停地在起着作用。所以我们不仅应当从自然科学本身的规律出发,去了解这个发现的过程,而且应当从人文和社会的角度来研究这个过程,创造促进创新的条件和环境。 
  研究DNA双螺旋结构这个重大发现产生的背景、环境和条件,吸取有益的经验,采取相应的措施,对改进我国基础研究的环境和氛围,对促进我国科技创新,我相信是有重大的现实意义的。 
  我们现在来看看DNA双螺旋结构发现的背景。绚丽多彩的生物世界,它是怎么样产生的?成千上万种不同性状和习性的生物之间有什么关系,这就是自古以来人们一直在追问的一个问题。那么到了1859年,达尔文发表了《物种的起源》一本书,就提出了生物进化的学说,那么不同的物种,它有共同的祖先,它们是由同一个祖先发展而来的,而这个共同的祖先是通过遗传变异,生存竞争和适应选择逐步发展起来的,所以遗传在我们生命的世界中,是起了非常重要的作用。这个在历史上当然不断有人提出来,但是达尔文在这里是系统地提出来了这样一个学说,那么遗传机制一直是生物学家关注的重大课题。那么在达尔文提出进化论不久,1865年孟德尔通过豌豆子代性状显示的规律,他把豌豆一代一代培育起来,然后去研究它们的性状,就发现由父母向子代遗传,并且能够一代一代遗传下去,今天我们把它叫做基因的这种遗传信息的单位。孟德尔他写了一篇文章,但是很少有人去看,所以谁也不知道。就说再过了三十几年以后,他的这结论被另外几位科学家又重新再发现,这就说明科学的传播不够的时候,科学的成果就不能起到它应有的作用,这个至少使得我们生物学的进展推迟了几十年。 
  那么1869年,一位科学家叫梅肖尔,他从鱼的精子细胞核中间分裂出有DNA分子,但他不知道是干什么用的,不知道这里头有个叫做DNA分子的这样的东西。1882年,另外一位科学家弗来明,他发现了染色体。1914年罗伯特·浮戈发现DNA是可以染色的。到1910年的时候,美国科学家摩尔根,他研究果蝇的遗传规律的时候发现,遗传信息是位于染色体上面,所以知道染色体跟遗传有非常大的关系。 
  但是染色体上面它有DNA还有蛋白质,以后相当长的一段时间里,人们更多猜测这个蛋白质是遗传信息的载体,到底是蛋白质、还是DNA是遗传信息载体,这个很长时间都弄不明白,认为蛋白质是,染色体和DNA就在细胞核里面,人的染色体一共有23对,那么我们可以知道这个染色体,它有DNA和蛋白质,从染色体里面可以拉出一条长链来,这个长链就是DNA,这个DNA缠绕在一些蛋白质上面,就能够形成我们叫染色体的这个形状,这是我们现在的认识,当年一八几几年没有这种认识。 
  那么同时在20世纪20年代的时候,科学家戈里菲斯他就发现了一个叫转移因子,这个转移因子,实际上就是我们现在所谓的基因。那么以后生物学家研究转移因子,当时叫转移因子,现在叫基因,到底是碳水化合物呢?是脂肪呢?是蛋白质呢?还是DNA?因为淡水化合物和脂肪很容易被提掉,所以很快就知道不是的,但对是蛋白质还是DNA,就不容易做出判断,因为这个染色体它既有蛋白质又有DNA,作为化学分子来讲,这个DNA比较简单,它不可能是的,那现在我们知道这个想法是错的。 
  然后到了1944年,才有几位科学家,他们初步确定这个转移因子是在DNA中间,不是在蛋白质中间。但是尽管如此,一直到“二战”结束还是有很多人怀疑他们这个实验的结论,在1950年的时候,有一位科学家叫洽嘎弗,他指出这个DNA中间的核苷酸分子,A和T、C和G的数目是相等的,就是A和G是嘌呤分子,T和C是嘧啶分子,就发现不管你这个DNA从那里取来,里边的A和T的数目、G和C的数目都是一样的,那么如果你要相信1944年那个结论,DNA是遗传物质,又有了洽嘎弗定则的话,其实发现DNA分子结构的时机就成熟了,因为这是两个非常重要的实验,已经一个显示的DNA是遗传信息,另一个,这个定则在一定程度上就告诉你,将来遗传的这个信息是怎么样产生的,不过在这里要说明,尽管这些实验已经指明了方向了,多数科学家还是不太相信,只有少数的科学家,其实我们刚才讲那四位科学家,加上鲍林,他们早就相信是DNA了,比较早地相信,所以他们起步就早,当1953年他们就得到了这个发现,这里头实际上也有科学家的思维方法问题。那我们看他们是怎么来发现这几个关键问题的。 
  在讲这个之前,还有一件很重要的事情,就是这里边最重要的发现者是克里克、沃森,他虽然一个是物理学出身的,一个是生物学出身的,可是他们两个人当时都在一个物理实验室里边工作,这个物理实验室,就是剑桥大学里边的一个物理学实验室,叫做卡文迪什实验室,这个实验室原来是从事物理学的,它在20世纪初的物理学革命中,扮演了非常重要的角色。从1884年开始,它就是由著名的发现电子的物理学家叫做汤普森,就是首先发现电子的这个物理学家,他来做室主任。到1919年又由发现原子结构,就是我们现在知道原子核在中间,电子在周围绕的,这么个结构的,一个也是很著名的物理学家恩斯特·罗斯福他来做这个主任。那么在“二战”以前,卡文迪什实验室在原子物理、原子核物理领域是当时世界上最著名的一个研究中心,它不仅出了很多重要的科研成果,而且形成了使其长盛不衰的学术风格和传统,在这个实验室又发明了中子,做出了世界第一台加速器等等,有非常重要的发现。 
  那么对这个实验室,下面我想引一个美国学生的一个回忆,当时他在这个实验室做学生,他说这个实验室是很难描写的,就是说它是把一种比较矛盾的风格结合在一起的,这个一方面,因为它这个主任都是非常著名的科学家,所以主任在这个实验室里边有一种决定性的作用。但是另外一方面,它里边的人又没有什么限制,又是非常之独立思考的,而且他的学生之间是有很好的友谊。比如说他一个学生可以发现另外一个学生做得不对,他就可以直截了当跑到那儿去,跟他讲你做的什么什么不对,而且证明他不对,这个在很多其他地方是做不到的,因为这样一做,这个友谊就要破坏了,这是他讲的一段话。第二段话他说,使他觉得相互矛盾的这种性格,是学生和教授之间的这个关系。这毫无疑问,当时这些教授都是非常有名的,但是每个人都是独立思考,他说在这里,教授的理论和实验所遭受学生的批评并不亚于其他的人,就是说学生可以随意地在这个讨论中去评、和教授去争论,我想这个很可能是他们的一个非常重要的风格和传统,也是中国今天最缺乏的,需要怎么样来解决的一个问题。 
  那么“二战”结束以后,鉴于核科学研究,对国家安全的重要性,当时包括英国在内,就觉得不应该再在卡文迪什一个大学的实验室里边进行,就专门为此成立了一个国家的实验室,是在另外一个地方,那是专门来从事核物理的,所以从事核物理的这些科学家,他们的研究就转移到新的实验室去了,而且钱也就转移过去了,这样卡文迪什实验室就没有经费了,因为它的主要经费来源都转移到别的地方去了,而且主要的一批科学家也转移过去了,所以它不仅是经费短缺,而且原来的研究方向也就丧失了,就是面临一个很大的考验。这个实验室当时的主任叫做布拉格,他当机立断地就把卡文迪什实验室的发展方向,从纯物理研究转到两个方向,一个是用战时他们自己的科学家发展出来的雷达探测技术,用这个来发展射电天文,以及另外一个就是布拉格,是个有名的,也是得了诺贝尔奖金的物理学家,他得诺贝尔奖金是因为他在X光的分析上面做出了杰出的贡献,而且他做这个贡献时的年纪很轻,他大概是最年轻的得诺贝尔奖的,他25岁就得了诺贝尔奖金,跟他父亲一起,那么他本人和他父亲在卡文迪什实验室发展出的X光晶体分析技术,来进行生物大分子结构的跨学科的研究,使他转了两个完全跟原来不同的新的方面上去了,那么没有钱怎么办,他一方面是支持他的两个部下,一个叫瑞勒,一个叫拉特科里夫,他们去收集军队不要的雷达,当时仗打完了,军队有些不要的雷达,就组成了原始的射电望远镜,他又从医学研究委员会,大概在英、美,这个医学研究委员会,一般都是经费相对比物理学要多的一个地方,就组成了由马克思·佩鲁茨和约翰·肯德鲁为首的研究蛋白质晶体结构的小组,就是用X光来做蛋白质结构晶体的分析。那么这几位科学家,刚才提到这四位都得过诺贝尔奖金,因为他们

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