楊謙
毫無(wú)疑問(wèn)，生命科學(xué)與化學(xué)有著密不可分的聯(lián)系，我甚至認(rèn)為生命科學(xué)就是用化學(xué)來(lái)解釋生命。然而，僅僅知道一種物質(zhì)的化學(xué)成分是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，結(jié)構(gòu)才是其功能的基礎(chǔ)。我們知道，構(gòu)成元素相同的物質(zhì)，由于結(jié)構(gòu)不同，可能在功能上就相去甚遠(yuǎn)：左、右旋光物質(zhì)的不同生理作用就是一個(gè)很好的例子。但是，我們不能孤立地來(lái)闡述生命科學(xué)與結(jié)構(gòu)化學(xué)的關(guān)系，也就是說(shuō)不能把生命科學(xué)看成一塊，再把結(jié)構(gòu)化學(xué)看成另一塊，然后再說(shuō)明他們間千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系；我認(rèn)為，結(jié)構(gòu)化學(xué)與生命科學(xué)是揉合在一起的，很多結(jié)構(gòu)化學(xué)家在生命科學(xué)領(lǐng)域就有不凡的建樹。鮑林就是以化學(xué)向生物學(xué)滲透的先驅(qū)者，他不僅進(jìn)行了大分子研究，還對(duì)鐮刀形細(xì)胞貧血分子病和大腦化學(xué)進(jìn)行了大量的研究。然而我認(rèn)為，最能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)化學(xué)與生命科學(xué)揉合一體的歷史故事，就是鮑林與沃森和克里克關(guān)于DNA結(jié)構(gòu)之爭(zhēng)。在這個(gè)過(guò)程中，我們無(wú)法定義他們到底是化學(xué)家還是生物學(xué)家。而且，結(jié)構(gòu)化學(xué)的知識(shí)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謬誤、為他們的結(jié)論提供事實(shí)支持等方面起到了至關(guān)重要的作用。從這個(gè)故事中我們不僅可以看出，解決DNA結(jié)構(gòu)這個(gè)世界性的生命科學(xué)課題，是許多化學(xué)家、物理學(xué)家、晶體學(xué)家、生化學(xué)家共同努力的結(jié)果
在一九二四年以前，沒(méi)有一個(gè)人真正懂得DNA的重要性。但就在那一年，科學(xué)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(xué)家們發(fā)現(xiàn)DNA僅存在于細(xì)胞核中。到了一九三一年，科學(xué)家喬基姆?哈默林用實(shí)驗(yàn)證明了植物長(zhǎng)成什么樣子完全取決于細(xì)胞核。隨后的一切實(shí)驗(yàn)事實(shí)都表明，發(fā)出遺傳信息的正是細(xì)胞核里的DNA。
于是，在美洲和歐、亞、非三洲各試驗(yàn)室里的人們都開始研究這個(gè)問(wèn)題。在美國(guó)，著名的化學(xué)家萊納斯?鮑林開始了對(duì)DNA的研究。在劍橋大學(xué)的卡文迪斯實(shí)驗(yàn)室里，英國(guó)人弗朗西斯?克里克和美國(guó)人詹姆斯?沃森也著手進(jìn)行對(duì)奇異的DNA結(jié)構(gòu)的探索。這是一場(chǎng)用結(jié)構(gòu)化學(xué)來(lái)解釋生命科學(xué)的競(jìng)賽，也是“一個(gè)遠(yuǎn)方傳奇大力士被兩個(gè)無(wú)名小卒砍倒的故事”。雖然我們已經(jīng)知道了這場(chǎng)競(jìng)賽的結(jié)果，但我認(rèn)為，這一探索的過(guò)程更讓人留下深刻的印象。我將雙方的研究進(jìn)行了一些對(duì)比，確實(shí)從中學(xué)到了一些東西，希望和大家一起探討。
一、雙方的開端：
當(dāng)時(shí)的鮑林已經(jīng)是化學(xué)界的“權(quán)威”，他致力于蛋白質(zhì)的研究。1951年夏天，鮑林開始深入研究有關(guān)DNA的材料，并常常找人討論。他認(rèn)為，與蛋白質(zhì)相比，弄清DNA的結(jié)構(gòu)不會(huì)很難，“這算不上一個(gè)最為緊迫的問(wèn)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(xué)者認(rèn)為，蛋白質(zhì)部分最有可能包含著遺傳的信息。相對(duì)而言，DNA似乎就比較簡(jiǎn)單了，它很可能只是一種結(jié)構(gòu)性的成分，只是用來(lái)幫助染色體折疊和打開的。鮑林就這樣認(rèn)為。在1952年初，幾乎所有重要的遺傳學(xué)學(xué)者都持這一種觀點(diǎn)。我們可以看看后來(lái)鮑林自己的話：“我以前就知道DNA是一種遺傳物質(zhì)的論點(diǎn)，然而我沒(méi)有接受這一論點(diǎn)。你們知道，那時(shí)我正熱衷于蛋白質(zhì)的研究，我認(rèn)為蛋白質(zhì)最有可能是遺傳物質(zhì)，不可能是核酸當(dāng)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(huì)提到核蛋白的概念。當(dāng)時(shí)，我考慮得更多的是蛋白質(zhì)，而不是核酸�！彪m然如此，鮑林還是著手研究DNA的結(jié)構(gòu)。此時(shí)，
他需要清晰的DNAX光照片，他曾先后寫信給相片持有者物理學(xué)家威爾金斯（英國(guó)）及其上司，但均遭拒絕。1951年11月，《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)》上刊登了一篇論述DNA結(jié)構(gòu)的文章。鮑林據(jù)其深厚的結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)，一下子?是如何構(gòu)筑起來(lái)的問(wèn)題。鮑林設(shè)想，如果堿基朝外，那么螺旋的內(nèi)核就應(yīng)當(dāng)是由磷酸堆積起來(lái)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結(jié)構(gòu)的問(wèn)題就已經(jīng)轉(zhuǎn)化為如何將磷酸堆積在一起的問(wèn)題了。我們現(xiàn)在知道，鮑林的這一開端是錯(cuò)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(duì)DNA研究總是被各種事務(wù)打斷，使他曾多次中斷自己的思路。是否是因?yàn)轷U林沒(méi)能看到威爾金斯的相片而導(dǎo)致他的失敗呢？暫且不回答這個(gè)問(wèn)題，我們先來(lái)看看沃森和克里克是如何開始的。
在戰(zhàn)爭(zhēng)期間，克里克原來(lái)是從事武器方面研究的。后來(lái)他決定研究生物。于是他到劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)分子學(xué)。至于沃森，他本來(lái)就一直在研究DNA。他到劍橋大學(xué)是為了對(duì)此作進(jìn)一步的研究。他們都是熱心探索的人�！拔�?克組合”相對(duì)于鮑林的地位可以說(shuō)是“一個(gè)在天，一個(gè)在地”，他們并沒(méi)有引起人們多大的重視，也沒(méi)有引起鮑林的注意。他們就憑著一股勁和對(duì)目標(biāo)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(duì)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(xué)家威爾金斯，另一位是青年女晶體學(xué)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，感到自己有能力解開DNA之謎。唯一的問(wèn)題是，會(huì)不會(huì)有人搶先取得勝果，但是，他不會(huì)把這一點(diǎn)真正放在心上。他認(rèn)為威爾金斯和富蘭克林兩人(更不用說(shuō)沃森和克里克了)，沒(méi)有誰(shuí)有足夠的化學(xué)基礎(chǔ)對(duì)鮑林產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅。
二、對(duì)對(duì)手的不同看法：
鮑林是自負(fù)的，他不相信有人能夠在他之前發(fā)現(xiàn)DNA的結(jié)構(gòu)，特別是他認(rèn)為沒(méi)有人有他那樣深厚的化學(xué)功底。他“知道”，沃森是一個(gè)好學(xué)生，但因成績(jī)還不夠突出，因而他到加州理工學(xué)院當(dāng)研究生的申請(qǐng)未被批準(zhǔn)。克里克已經(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(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們至今尚未在任何競(jìng)賽中打敗過(guò)鮑林。甚至有人認(rèn)為，沃森和克里克看上去就像是一對(duì)“雜耍演員”。
而沃森和克里克則不同。對(duì)于年方19的沃森來(lái)說(shuō)，鮑林是一位值得仿效的榜樣。在盧瓦蒙會(huì)議上，沃森就是圍聚在鮑林身邊的人之一，他十分用心地聽了鮑林的講話�？死锟碎_始并不是鮑林的崇拜者，他是鮑林的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，因?yàn)轷U林曾用阿爾法螺旋表明他們的一篇關(guān)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的論文漏洞百出，讓克里克承受了由此而來(lái)的屈辱。從此，克里克借鑒了鮑林的研究方法。說(shuō)實(shí)話，他們對(duì)鮑林這位怪杰都極為佩服。更重要的是，他們兩人都互相傾慕，他們可謂是天生一對(duì)。相對(duì)于鮑林來(lái)說(shuō)，沃森和克里克謙遜多了。
三、研究方法及進(jìn)程：
鮑林首先想到DNA的結(jié)構(gòu)可能是螺旋型，因?yàn)槠渌麡?gòu)型與他所看到和掌握的照片資料不相符合。但他認(rèn)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(diǎn)就聚焦于找出磷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(shí)驗(yàn)測(cè)算得出的數(shù)據(jù)和X光衍射照片，但他認(rèn)為這些都只是細(xì)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(shí)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(shí)證明了他這種策略是明智的。另外，鮑林有些急于求成，他希望能夠盡快地發(fā)表相關(guān)文章，搶在其他科學(xué)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結(jié)構(gòu)。
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(chǎng)，因?yàn)樗麄儼l(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(dāng)時(shí)他們將這一結(jié)果給晶體學(xué)家富蘭克林看的時(shí)候，被她以充足的論據(jù)否認(rèn)，因?yàn)樗萘繂?wèn)題與這種構(gòu)型嚴(yán)重不符。也正是因?yàn)檫@次錯(cuò)誤，他們兩人被認(rèn)為不適合研究DNA構(gòu)型問(wèn)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(méi)有就此放棄，他們?nèi)匀凰较聢?jiān)持不懈地進(jìn)行研究和探索。他們?cè)谘芯糠椒ㄉ弦恢本陀泄沧R(shí)：與其推導(dǎo)出復(fù)雜的數(shù)學(xué)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(xué)常識(shí)構(gòu)筑結(jié)構(gòu)的一個(gè)模型。正如沃森所說(shuō)，他們決定“仿效鮑林，并在他本人發(fā)起的這場(chǎng)競(jìng)賽中將他擊敗”。富蘭克林的批評(píng)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(xué)家切加夫的啟示，得知內(nèi)側(cè)各對(duì)堿基之間存在著一一對(duì)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，他們看到了富蘭克林最新的DNA照片，不僅使他們確認(rèn)了DNA是一種螺旋，而且他們得到了幾個(gè)主要參數(shù)。由此，他們開始著手制造模型，通過(guò)不懈的努力，最終獲得了成功。
可以看出，不論是成功者還是失敗者，他們都用了一種結(jié)構(gòu)化學(xué)中重要的研究方法建模。同時(shí)，沃森和克里克不僅受到了多學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)家的啟示和幫助，而且他們自己都承認(rèn)，他們的研究方法來(lái)源于偉大的化學(xué)家鮑林。由此可見，生命科學(xué)是集多學(xué)科，特別是化學(xué)的大成所在，他與化學(xué)，乃至物理、數(shù)學(xué)的揉合可見一斑。
為什么鮑林會(huì)失��？
鮑林有著深厚的化學(xué)知識(shí)作為自己研究的基礎(chǔ)。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？鮑林輸在浮躁和自負(fù)上。他急于求成，因?yàn)镈NA是當(dāng)時(shí)最大的課題，他要去搶占這一高地。他沒(méi)有把研究的準(zhǔn)備工作做好就想碰碰自己的運(yùn)氣了。同時(shí)，他順利解決阿爾法螺旋給他套上了成功的光環(huán)，他的確是世界上解決巨分子結(jié)構(gòu)的最佳人選，但他也從此染上了自負(fù)的惡習(xí)，他以為自己不再需要做別人需要做的那些研究的準(zhǔn)備工作了。他過(guò)于相信自己的直覺(jué)和運(yùn)氣，結(jié)果輸?shù)袅诉@場(chǎng)大比拼。
沃森和克里克為什么會(huì)成功？
其實(shí)這個(gè)問(wèn)題的答案從前面的敘述中都可以看出，但我覺(jué)得最重要的一點(diǎn)是不懈的思索與踏實(shí)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(jì)算時(shí)找到了有關(guān)DNA結(jié)構(gòu)的答案嗎？他們雖然被拆散到兩個(gè)不同的研究小組，但仍然踏實(shí)地合作與工作，正是這樣，幸運(yùn)之神才降臨在他們的頭上。另外還有一點(diǎn)，就是他們沒(méi)有放過(guò)看似微不足道的東西。奧地利生物化學(xué)家切加夫?qū)A基一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系同樣告訴了鮑林，但卻沒(méi)有得到鮑林的重視，而沃森和克里克并沒(méi)有放過(guò)這一點(diǎn)，而最終獲得啟發(fā)，找到了DNA的正確結(jié)構(gòu)。
結(jié)構(gòu)化學(xué)與生命科學(xué)的揉合已無(wú)需多說(shuō)，我相信這種相互融合在將來(lái)會(huì)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(lái)源于此，相信它對(duì)所有的科研者都會(huì)有所幫助：
鮑林的研究方法
實(shí)驗(yàn)研究和理論探討相結(jié)合
鮑林比一般的化學(xué)研究生掌握了更多的數(shù)學(xué)和物理學(xué)知識(shí)。他一方面是重視實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)；另一方面又深信化學(xué)結(jié)構(gòu)問(wèn)題可以通過(guò)應(yīng)用現(xiàn)代物理學(xué)的理論來(lái)解決。他常采用半經(jīng)驗(yàn)的方法：既有根據(jù)物理學(xué)基本原理進(jìn)行的演繹推導(dǎo)或論證，又有對(duì)實(shí)驗(yàn)資料的歸納，二者互相補(bǔ)充。
量子力學(xué)與化學(xué)經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合
鮑林在總結(jié)過(guò)去對(duì)離子半徑的研究時(shí)曾指出：“應(yīng)用量子力學(xué)可以近似計(jì)算……但是，這種理論計(jì)算是十分復(fù)雜的，需要很大的工作量；因此，從化學(xué)方面考慮，最好有一套經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)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(lái)概括實(shí)驗(yàn)資料和總結(jié)化學(xué)結(jié)構(gòu)規(guī)律。
發(fā)展簡(jiǎn)單的理論。
努力把量子力學(xué)的研究成果轉(zhuǎn)譯成化學(xué)家的習(xí)用語(yǔ)言。
采用移植方法開拓邊緣學(xué)科
鮑林不斷把結(jié)構(gòu)化學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)方法移植到生物學(xué)、醫(yī)學(xué)以及核物理的研究中去。他按照自己的專長(zhǎng)不斷地把新的理論原理和新的實(shí)驗(yàn)方法移植于另一領(lǐng)域，解決新的研究課題，努力開拓新的邊緣學(xué)科地帶。這是他五十多年來(lái)研究成果綿綿不斷的重要原因。
直覺(jué)和模型方法
在鮑林的研究工作中，直覺(jué)的運(yùn)用占有非常突出的地位。無(wú)論是鮑林本人還是別人對(duì)他的評(píng)述都常常提到直覺(jué)。綜合起來(lái)大致有以下表現(xiàn)：
1.是與數(shù)學(xué)計(jì)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(duì)某個(gè)科學(xué)課題的注意，并直接領(lǐng)悟到有可能用經(jīng)驗(yàn)的方式來(lái)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)則和過(guò)程”，它和某種“深邃的洞察力”有關(guān)。
4.鮑林對(duì)一個(gè)晶體的結(jié)構(gòu)的確定，分為兩步：一是推測(cè)，二是證實(shí)。這種“推測(cè)”，或者是鮑林本人自稱的“隨機(jī)方法”也在直覺(jué)之列。
5.“借助于對(duì)化學(xué)事實(shí)的非凡記憶”，是“經(jīng)過(guò)實(shí)踐”養(yǎng)成的。
從整體看待世界從實(shí)踐對(duì)待科學(xué)
鮑林作為一位自然科學(xué)家，物質(zhì)世界的統(tǒng)一性對(duì)于他來(lái)說(shuō)似乎是不言而喻的。鮑林重視理論思維，并不完全同意實(shí)證主義的見解。他強(qiáng)調(diào)自己“是純粹從實(shí)踐的方面對(duì)待科學(xué)；可以說(shuō)是實(shí)用地對(duì)待科學(xué)�！必灤U林研究方法中的極其寶貴的思想正是這種“從實(shí)踐的方面對(duì)待科學(xué)”的態(tài)度。
本文來(lái)自：逍遙右腦記憶 http://www.yy-art.cn/gaozhong/843926.html
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