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

1、揉合一體的構(gòu)造化學(xué)與生命科學(xué) 我看DNA構(gòu)造探究過(guò)程毫無(wú)疑問(wèn)，生命科學(xué)與化學(xué)有著密不可分的聯(lián)絡(luò)，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，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(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)與構(gòu)造化學(xué)的關(guān)系，也就是說(shuō)不能把生命科學(xué)看成一塊，再把構(gòu)造化學(xué)看成另一塊，然后再說(shuō)明他們間千絲萬(wàn)縷的聯(lián)絡(luò)；我認(rèn)為，構(gòu)造化學(xué)與生命科學(xué)是揉合在一起的，很多構(gòu)造化學(xué)家在生命科學(xué)領(lǐng)域就有非凡的建樹(shù)。鮑林就是以化學(xué)向生物學(xué)浸透的先驅(qū)者，他不僅進(jìn)展了大分子研

2、究，還對(duì)鐮刀形細(xì)胞貧血分子病和大腦化學(xué)進(jìn)展了大量的研究。然而我認(rèn)為，最能表達(dá)構(gòu)造化學(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構(gòu)造之爭(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，構(gòu)造化學(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錯(cuò)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構(gòu)造這個(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，而且能受到許多在科學(xué)研究上的啟發(fā)。在多學(xué)科穿插浸透的今天，我們更不能僅僅只重視專業(yè)課的學(xué)習(xí)，必須同時(shí)汲取其他學(xué)科的知識(shí)，為將

3、來(lái)的研究打下基矗在一九二四年以前，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。隨后的一實(shí)在驗(yàn)事實(shí)都說(shuō)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(kāi)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(kāi)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)展對(duì)奇異的dna構(gòu)造的探究。這是一場(chǎng)用構(gòu)造化學(xué)來(lái)解釋生命科學(xué)的競(jìng)

4、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，這一探究的過(guò)程更讓人留下深化的印象。我將雙方的研究進(jìn)展了一些比照，確實(shí)從中學(xué)到了一些東西，希望和大家一起討論。一、雙方的開(kāi)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(kāi)始深化研究有關(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的構(gòu)造不會(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，它很可能只是一種構(gòu)造性的成分，只是用來(lái)

5、幫助染色體折疊和翻開(kāi)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)有承受這一論點(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。雖然如此，鮑林還是著手研究dna的構(gòu)造。此時(shí)，他需要明晰的dnax光照片，他曾先后寫(xiě)信給相片持有者物理學(xué)家威爾金斯英國(guó)及其上司，但均遭回絕。1951年11月，?美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)?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(xué)根底，一下子就看出這篇文章的結(jié)果是錯(cuò)的；同時(shí)，此事刺激了他開(kāi)始考慮dna是如何構(gòu)筑起來(lái)的問(wèn)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(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構(gòu)造的問(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?nèi)缃裰?，鮑林的這一開(kāi)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，使他曾屢次中斷自己的思路。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？暫且不答復(fù)這個(gè)問(wèn)題，我們先來(lái)看看沃森和克里克是如何開(kāi)始的。在戰(zhàn)爭(zhēng)期間，克里克原來(lái)是從事

7、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。他們都是熱心探究的人?！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)目的的執(zhí)著追求開(kāi)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，感到自己有才能解開(kāi)dna之謎。唯一的問(wèn)題是

8、，會(huì)不會(huì)有人搶先獲得勝果，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)根底對(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，他不相信有人可以在他之前發(fā)現(xiàn)dna的構(gòu)造，特別是他認(rèn)為沒(méi)有人有他那樣深沉的化學(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，因此他到加州理工學(xué)院當(dāng)研究生的申請(qǐng)未被批準(zhǔn)?？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(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。而沃森和克里克那么不同。對(duì)于年方19的沃森來(lái)說(shuō)，鮑林是一位

9、值得仿效的典范。在盧瓦蒙會(huì)議上，沃森就是圍聚在鮑林身邊的人之一，他非常用心地聽(tīng)了鮑林的講話?？死锟碎_(kāi)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林曾用阿爾法螺旋說(shuō)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(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，他們兩人都互相愛(ài)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的構(gòu)造可能是螺旋型，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

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(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(kāi)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，他希望可以盡快地發(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(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)

11、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)為不適宜研究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)展研究和探究。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)筑構(gòu)造的一個(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(kāi)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(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(kāi)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，不管是成功者還是失敗者，他們都用了一種構(gòu)造化學(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，而且他們自己都成認(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(jiàn)，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(jiàn)一斑。為什么鮑林會(huì)失敗？鮑林有著深沉的化學(xué)知識(shí)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(fù)上。他急于求成，因?yàn)閐na是當(dāng)時(shí)

13、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)，他確實(shí)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(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)題的答案從前面的表達(dá)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(kāi)始計(jì)算時(shí)找到了有關(guān)dna構(gòu)造的答案嗎？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。

14、另外還有一點(diǎn)，就是他們沒(méi)有放過(guò)看似微缺乏道的東西。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的正確構(gòu)造。構(gòu)造化學(xué)與生命科學(xué)的揉合已無(wú)需多說(shuō)，我相信這種互相交融在將來(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)研究和理論討論相結(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)歷知識(shí)；另一方面又堅(jiān)信化學(xué)構(gòu)造問(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)歷的方法：既有根據(jù)物理

15、學(xué)根本原理進(jìn)展的演繹推導(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)歷相結(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)算是非常復(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)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(lái)概括實(shí)驗(yàn)資料和總結(jié)化學(xué)構(gòu)造規(guī)律。開(kāi)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)家的慣用語(yǔ)言。采用移植方法開(kāi)拓邊緣學(xué)科鮑林不斷把構(gòu)造化學(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(kāi)拓新的邊

16、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)歷的方式來(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)那么和過(guò)程，它和某種“深邃的洞察力有關(guān)。4.鮑林對(duì)一個(gè)晶體的構(gòu)造確實(shí)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)理論養(yǎng)成的。從整體對(duì)待世界從理論對(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(jiàn)解。他強(qiáng)調(diào)自己“是純粹從理論的方面對(duì)待科學(xué)；可以說(shuō)是實(shí)用地對(duì)待科學(xué)。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(duì)待科學(xué)的態(tài)度。參考書(shū)目甘道初著，?化學(xué)大浸透?，195-199，中國(guó)青年出版社，1987年5月。吳守玉等著，?化學(xué)史圖冊(cè)?，166，142，高等教育出版社，1993年5月。中國(guó)自然辨證法研究會(huì)化學(xué)化工專業(yè)組?化學(xué)哲學(xué)基捶編委會(huì)編著，?化學(xué)哲