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沃森和克裡克發現DNA雙螺旋的過程和重大意義

圖文 更新时间:2024-11-30 02:03:07

“我們正面臨一個艱難的時期。美國正在走下坡路,中國在走上坡路嗎?我并不清楚。表面上看,我們确實走在下坡路上,因為我們在抗拒真相。拒絕真相是危險的。”

昨日,20世紀兩位偉大的科學家聚首清華大學,一是89歲高齡的DNA雙螺旋結構發現者之一、美國生物學家詹姆斯·沃森(James Watson),二是95歲的物理學家楊振甯。沃森做了題為“雙螺旋:科學、文化和人生”的主題發言,并對楊振甯的兩個尖銳問題做出了回應。上世紀50年代,沃森和英國科學家弗朗西斯·克裡克(Francis Crick)共同發現了DNA雙螺旋結構,沃森憑此獲得了1962年的諾貝爾生理學或醫學獎。1988至1992年間,他參與了美國國家衛生研究院人類基因組計劃的制訂。

沃森和克裡克發現DNA雙螺旋的過程和重大意義(89歲沃森來華發現過DNA雙螺旋)1

清華演講:多數不平等源于基因,因而基因學一直頗具争議

在20多分鐘的發言中,這位老者從兒時以讀書為樂談起,講到了自己在人生道路上的諸多榜樣——他的父親、羅斯福總統、德裔美籍生物物理學家馬克斯·德爾布呂克、他的合作夥伴弗朗西斯·克裡克等等——這些人使他意識到為人正直道德、理性判斷真相的重要性。沃森還從去年的美國大選和全球局勢,聊到了基因學家當下的緘默,他說:“對學術界人士來說,現在的政治局面令人憂慮。整體來講,我們不在乎‘不平等’了。然而,對生物學家來說,不平等并不來自于邪惡,而是生物上的區别。所以基因學一直都是很具争議性的,而現在基因學家也正變得非常緘默。以往,作為重要科學家的我們,非常擔憂不好的基因所帶來的問題——不平等并不是邪惡導緻的結果,而是源于内在的,是基因病變的後果。當然,我并不是說所有不平等都是如此,但大多數不平等确實源于基因。如果科學告訴我了一些什麼,我會想要把它分享給其他人。”

物理學家楊振甯作為嘉賓,在現場向沃森提出了兩個難題。第一個問題是,在1953年沃森和克裡克共同發表論文來描繪DNA雙螺旋結構時,沃森并未在文中明确說明雙螺旋結構解釋了基因遺傳的機制,這是否因為他在當時還不确認這一點。沃森回答說,因為克裡克當時連續3個月不斷地向别人講他們做出了多麼了不起的工作,所以他本人保持着低調,試圖“不斷地縮小這個成就的重要性”,但是“從來沒有懷疑過”其正确性。第二個問題是關于沃森的一位“宿敵”。1968年沃森出版回憶錄《雙螺旋:發現DNA結構的故事》,在科學界引起了巨大的興趣和争議,生物學家埃爾文·查戈夫(Erwin Chargaff)在《科學》雜志上發表了一篇言辭激烈的批評文章。查戈夫在1950年發現DNA中的腺嘌呤與胸腺嘧啶數量幾乎完全一樣,鳥嘌呤與胞嘧啶的數量也是一樣,這項研究得出了著名的“查戈夫第一法則”,幫助克裡克及沃森推斷出了DNA的雙螺旋形結構,然而查戈夫卻被諾獎“無情抛棄”了。楊振甯問沃森如何評價查戈夫此人,沃森直言他認為查戈夫是個讨厭鬼,第一次見面就不喜歡他,而“讨厭一個人的話,你就會讨厭他的研究成果”。

《雙螺旋》:“非典型”科學史寫作,惹怒一衆同行

沃森出版自傳《雙螺旋》時年僅40歲,他寫這部自傳的主要原因是“為了避免後來的傳記作家把你基本的生活事實寫錯了”。在他與克裡克發現DNA結構的過程中,“有許多叫人意想不到的曲曲折折,應該讓公衆知道,此事一直萦繞在我的心頭”。在1962年紐約的一次晚宴演講之後,沃森靈感爆發,寫得行雲流水、率性不羁,整本書開篇第一句便是:“我從來沒有見過克裡克表現出謙虛謹慎的态度。”

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沃森曾經想了兩個書名,一是“誠實的吉姆”——這是一位同僚對他的挖苦稱呼,他希望用這本書來回應對方“提出的連諷帶刺、具有争議的問題,我想要說清楚,弗朗西斯和我在構想DNA結構的過程中是否不當使用了國王學院的保密數據”;另一個書名是平平的“堿基對”。連他的搭檔克裡克也覺得這本書“不是一本好曆史”,“一些斷言缺乏根據,把科學史搞成了嚼舌頭”,“嘩衆取寵,難以自圓”,“如果把它視為自傳,那還有誤導作用,趣味也惡劣。”

1968年,沃森的回憶錄以《雙螺旋》之名出版,旋即登上《紐約時報》暢銷書排行榜,并連續16周上榜。截至年底,《雙螺旋》在美國賣出了7萬餘冊。書中對同僚科學家的批評挖苦和對女科學家羅莎琳·富蘭克林的男性沙文主義式評語,着實惹怒了不少同行,而這非典型的科學史寫作筆法以及科學家個人生活的細節,也為科研圈之外好奇的普通讀者們掀起了一角窺探的面紗。

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《我的好搭檔克裡克》(節選自《雙螺旋》)

文 | 詹姆斯·沃森

我從來沒有見過克裡克表現出謙虛謹慎的态度。也許,在有些人眼裡,他就是一個自大傲慢的家夥,但是我并不認為有任何理由可以這樣去評價他。這與他現在享有的盛名毫無關系。現在,人們經常談起他,談論時通常都頗有敬意。我還相信,總有一天,公衆很有可能将克裡克與歐内斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford)或尼爾斯·玻爾(Niels Bohr)這樣的偉大人物相提并論。但在1951年秋天,情況卻并非如此。當時我剛剛來到劍橋大學,在卡文迪許實驗室加入了一個由從事蛋白質三維結構研究的物理學家和化學家組成的研究小組。那一年,克裡克35歲,在科學界隻是一個默默無聞的小人物。雖然他周圍的同事都承認,他思考問題時思維敏捷、見解深刻,同事們都常常向他請教,但是從更大的範圍來看,他并沒有獲得足夠的賞識,甚至許多人都覺得他有些過于誇誇其談。

克裡克所在實驗室的負責人是馬克斯·佩魯茨(Max Perutz),他是一位出生于奧地利的化學家,于1936年來到英國。佩魯茨從事結晶血紅蛋白質X射線衍射的資料收集工作已經有十多年了,當時剛剛取得一些實質性進展。卡文迪許實驗室主任布拉格爵士為他提供了全面的支持。作為一位諾貝爾獎獲得者,同時又是結晶學的創立人之一,布拉格爵士在長達40年的時間裡一直密切關注着X射線衍射法在解決日趨困難的結構問題中的作用。一種新方法能闡明的分子結構越複雜,布拉格爵士就越高興。就這樣,在第二次世界大戰後的幾年時間裡,他對解決蛋白質分子結構的各種方法特别着迷,因為蛋白質分子是所有分子中最複雜的。在管理工作允許的情況下,布拉格爵士跑去佩魯茨的辦公室,與其探讨新近積累起來的X射線資料。即使在回家之後,布拉格爵士也仍然沉浸在對這些資料進行解釋的思考中。

克裡克既不是一個像布拉格爵士那樣的理論家,也不是一個像佩魯茨那樣的實幹家,他是介于這兩種類型之間的科學家。克裡克偶爾會做些實驗,但更多的時間都在埋頭思考解決蛋白質結構的理論問題。他經常會突然冒出一些新想法,然後整個人就變得非常激動,并立刻把自己的想法告訴任何願意聽的人。然而經過一兩天的沉澱後,他通常會意識到自己的理論原來站不住腳,于是又回過頭去做實驗,等到做實驗做得厭倦了,他又會陷入沉思,對理論發起新一輪沖擊。伴随着克裡克層出不窮的新想法,卡文迪許實驗室發生了許多戲劇性事件。這大大活躍了整個實驗室的氣氛。要知道,這個實驗室裡的許多實驗經常會持續幾個月甚至幾年之久。對氣氛的活躍部分要歸功于克裡克的大嗓門。他說話的聲音比較大,說話的語速也比其他任何人都快。隻要他開懷大笑,大家就知道他身在卡文迪許實驗室的哪個地方了。我們幾乎每個人都享受過克裡克帶來的快樂,特别是當我們傾聽完他的想法,表示對他說的東西完全摸不着頭腦時。

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我們中也有例外,那就是布拉格爵士。克裡克的談笑經常打擾到布拉格爵士,因為他的嗓門實在太大了,布拉格爵士經常不得不躲到更加安靜的房間裡去。布拉格爵士很少參與卡文迪許實驗室的早茶和午茶,因為那意味着必須忍受克裡克震耳欲聾的“噪聲”轟炸。當然,即使布拉格爵士不參加,他也無法保證自己是完全“安全”的。有兩次,布拉格爵士辦公室外的走廊就被從克裡克所在的實驗室裡不斷漫出的水給淹沒了。克裡克完全沉浸在對理論的思考中,竟然忘記了把抽水機龍頭上的橡皮管綁緊。

我到卡文迪許實驗室時,克裡克的理論研究已經遠遠超出了蛋白質結晶學的範圍。任何重要的問題都能吸引他的注意力,他經常到其他實驗室去,目的隻是為了了解一下别人都完成了哪些新實驗。一般來說,克裡克對待實驗室裡的其他科學家都表現得彬彬有禮,而對那些并不理解自己實驗真正意義的同事,他也會顧及他們的感受,但是他從來不隐瞞自己的目的。克裡克在極短的時間内就可以設計出一系列能夠證實自己的解釋的新實驗。緊接着,他就會開始誇誇其談:克裡克會告訴所有願意聽他講解的人,他聰明的新想法将會怎樣推動科學的進步。

克裡克這種做法通常會引發其他科學家對他的一種心照不宣的、真實的恐懼,尤其是在那些尚未成名的同輩人中,這種傾向更明顯。克裡克掌握别人的資料并将之簡化為内在一緻性的統一模式的速度之快,常常令他的朋友們倒吸一口涼氣。他們擔心,不久的将來克裡克取得成功後,會在全世界面前揭露:劍橋大學各學院給外人留下的謹言慎行、溫文爾雅的良好印象隻是一種掩飾——掩飾他們頭腦的糊塗。

在凱斯學院(Caius College),克裡克有每周吃一頓飯的權利,但他仍然不是任何一個學院的在編研究員。這是他自己選擇的結果。很顯然,他不想讓本科生過多地找他,那會加重他的負擔。另外,他的大笑也是一個原因,如果每個星期都要忍受他那種雷鳴般的笑聲好多次,許多學監肯定會跳起來反對。我确信,這一點偶爾也會使克裡克自己感到煩惱。克裡克非常清楚地知道,“高桌吃飯的生活”都被那些學究式的中年人把持住了,而這些人既不會使他感到愉快,也不會使他得到任何教益。幸好還有國王學院,它曆史悠久、财力雄厚,又素來不受古闆傳統的羁絆。國王學院接受了克裡克,無論是他還是學院本身,都不用放棄自己的風骨或特色,因此這是一件相得益彰的事情。然而,克裡克的朋友們卻不得不時刻如履薄冰,盡管他們都知道克裡克是一個讨人喜歡的午餐夥伴,但他們都無法回避這樣一個事實:在酒桌上的每一次偶爾失言,都可能給克裡克提供機會,從而使自己的生活遭受莫大的沖擊。

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《卧薪嘗膽》(節選自《雙螺旋》)

富蘭克林将克裡克和我批得體無完膚的消息很快就傳到了樓上布拉格爵士那裡。布拉格爵士對這個消息無意多說什麼,在他看來,這件事情與之前的事實一樣都表明,如果克裡克能少說多做的話,研究進展肯定會更快一些。然而,正如我們預料的那樣,這個消息繼續向更廣泛的範圍擴散開着。看來,現在該是威爾金斯的上司和布拉格爵士本人坐下來談談的時候了:讓克裡克和我也像倫敦國王學院的研究小組一樣,耗費大量時間、精力和資金去研究DNA結構真的值得嗎?

對于克裡克這種一再節外生枝的做法,布拉格爵士早就見怪不怪了。誰都說不準什麼時候克裡克又會再次惹是生非。在實驗室中,如果他執迷不悟,不及時改弦易轍,那麼很可能又會白白浪費五年時間,甚至連撰寫博士論文所需的資料也無法收集完整。要布拉格爵士在他身為卡文迪許教授的剩餘任期裡繼續容忍克裡克這樣一意孤行下去看上去很困難。事實上,這是任何一個精神正常的教授都無法容忍的。另外,布拉格教授本人也長期生活在他父親顯赫聲譽的陰影之下,許多人都錯誤地認為“布拉格定律”主要是出于他父親的卓越貢獻,而他本人則沒有什麼了不起的成就。現在,布拉格教授已經擁有了科學界最崇高的教席,這正是他享受崇高榮譽的時刻,卻不得不為克裡克這樣一個不得志的天才人物的古怪行為負責。

布拉格爵士要求佩魯茨通知克裡克和我,立即放棄對DNA結構的研究。在此之前,布拉格爵士征求了佩魯茨和肯德魯的意見,想要了解我們的工作有什麼原創性的地方,他對自己的這個決定堅信不疑,認為這樣做并不會阻礙科學的進步。

一般人都認為,在鮑林獲得成功之後再繼續研究螺旋結構,除了可以說明這樣做的人頭腦過于簡單之外,沒有任何意義。不管怎麼說,讓倫敦國王學院的研究小組先去嘗試制作DNA螺旋模型是對的。這樣一來,克裡克就能靜下心來專心緻志地完成他的博士論文了。再者說,研究血紅蛋白結晶在不同濃度鹽溶液裡的收縮情況也不是一件容易的事情。如果克裡克能夠腳踏實地幹上一年到一年半的時間,或許就能搞清楚血紅蛋白分子的形狀了。布拉格教授則打算等克裡克拿到博士學位後就打發他另謀高就。

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我和克裡克從來沒有想過向任何人求情,事實上,我們克制住了自己,沒有公開對布拉格教授的決定表示質疑,這使佩魯茨和肯德魯大大松了一口氣。但是我們知道,如果吵鬧起來大家就會知道布拉格教授并不明白DNA這三個字母到底意味着什麼。我們有絕對的理由相信,布拉格教授認為DNA結構的重要性還不及金屬結構的百分之一。他曾懷着極大的興趣制作了許多肥皂泡般的金屬結構模型。布拉格教授最高興的時候,就是在放映由他拍攝的展現那些“肥皂泡”如何相互撞擊的動畫電影的時候。

當然,我們之所以忍氣吞聲,并不因為我們希望與布拉格教授保持一團和氣,而是因為以糖和磷酸為核心進行模型建構确實陷入了困境。不管從哪個角度觀察它,我們都覺得有點不對勁!在倫敦國王學院研究小組來訪翌日,我們又認真地琢磨了那個時運不濟的三核苷酸鍊模型及它的許多變體。

雖然現在還不能完全肯定,但是所有這些模型都給人這樣一種印象:把糖和磷酸骨架放在模型中央,就會使原子聚集得太過緊密,超出了化學規律允許的範圍。在這些模型中,隻要将一個原子擺放到與所有鄰居相距一定距離的合适位置,就會使距它較遠的另一個原子變得過于緊密地接近它自己的“鄰居”。

要想解決這個問題,一切都得從頭來過。然而不幸的是,由于輕率地與倫敦國王學院的研究小組攪和在了一起,我們獲得新的實驗結果的來源就已經快要枯竭了。我們也不會再被他們邀請去參加有關的學術研讨會了。哪怕隻是偶爾詢問一下威爾金斯,别人也會懷疑我們又要去研究DNA了。最糟糕的是,即使我們停下制作模型,倫敦國王學院的研究小組也不願意積極進行模型制作工作。據我們所知,他們至今還沒有制作過一個三維分子模型。為了加快研究進程,我們願意出讓劍橋大學的原子模型給他們使用,但他們仍然半推半就。不過,威爾金斯确實已經說過,他們在幾個星期之内就會找人把模型搭建起來。于是,我們決定,如果下一次有人要到倫敦去,就請他順便把我們已經制作出來的夾具帶到他們實驗室去。

因此,看起來,在大西洋這一邊的英國,任何人想在聖誕節前解決DNA的結構問題的前景都無比暗淡。克裡克已經回過頭去重操蛋白質研究的舊業了,但那并非出于自願,僅僅是為了應付布拉格教授要他完成博士論文的命令。然而,僅僅沉默了沒幾天,他就又開始滔滔不絕地談論起蛋白質α-螺旋的卷曲螺旋結構來了。隻有在吃午飯的時候,我才可能與他讨論一些與DNA結構有關的問題。幸運的是,肯德魯認為對DNA的研究雖然中斷了,但是我們仍然應該經常考慮一下這方面的問題。他從來沒有試圖讓我重新對肌紅蛋白産生興趣。

相反,在那些昏暗、寒冷的日子裡,我利用時間多學了點理論化學方面的知識。我翻閱了各種專業期刊,希望能找到一些被人遺忘的與DNA結構有關的線索。在那段時間裡,我最常閱讀的一本書是克裡克買來送給我的《化學鍵的本質》。為了找到某個重要鍵的鍵長,克裡克經常需要翻閱它。這本書平時就放在肯德魯分配給我做實驗用的一張實驗台的角落裡。我一直希望在鮑林的這本名著中找到某種“秘密武器”。于是,克裡克又買了一本送給我。這本書是吉祥之兆。克裡克在這本書的扉頁上題了字:“贈給吉姆——克裡克,1951年聖誕節。”後來的事實證明,基督教的這個傳統确實非常有益。

(書摘部分節選自《雙螺旋》一書,經出版社授權發布。)

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