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