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關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)化學(xué);生命科學(xué);研究方法

前言

毫無疑問，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很好的例子。但是，我們不能孤立地來闡述生命科學(xué)與結(jié)構(gòu)化學(xué)的關(guān)系，也就是說不能把生命科學(xué)看成一塊，再把結(jié)構(gòu)化學(xué)看成另一塊，然后再說明他們間千絲萬縷的聯(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。在這個過程中，我們無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)論提供事實支持等方面起到了至關(guān)重要的作用。從這個故事中我們不僅可以看出，解決DNA結(jié)構(gòu)這個世界性的生命科學(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)科交叉滲透的今天，我們更不能僅僅只重視專業(yè)課的學(xué)習(xí)，必須同時汲取其他學(xué)科的知識，為將來的研究打下基礎(chǔ)。

在一九二四年以前，沒有一個人真正懂得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?哈默林用實驗證明了植物長成什么樣子完全取決于細(xì)胞核。隨后的一切實驗事實都表明，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、非三洲各試驗室里的人們都開始研究這個問題。在美國，著名的化學(xué)家萊納斯?鮑林開始了對DNA的研究。在劍橋大學(xué)的卡文迪斯實驗室里，英國人弗朗西斯?克里克和美國人詹姆斯?沃森也著手進(jìn)行對奇異的DNA結(jié)構(gòu)的探索。這是一場用結(jié)構(gòu)化學(xué)來解釋生命科學(xué)的競賽，也是“一個遠(yuǎn)方傳奇大力士被兩個無名小卒砍倒的故事”。雖然我們已經(jīng)知道了這場競賽的結(jié)果，但我認(rèn)為，這一探索的過程更讓人留下深刻的印象。我將雙方的研究進(jìn)行了一些對比，確實從中學(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)不會很難，“這算不上一個最為緊迫的問題”。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。相對而言，DNA似乎就比較簡單了，它很可能只是一種結(jié)構(gòu)性的成分，只是用來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。我們可以看看后來鮑林自己的話：“我以前就知道DNA是一種遺傳物質(zhì)的論點，然而我沒有接受這一論點。你們知道，那時我正熱衷于蛋白質(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，我總會提到核蛋白的概念。當(dāng)時，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，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)及其上司，但均遭拒絕。1951年11月，《美國化學(xué)學(xué)會學(xué)報》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)，一下子就看出這篇文章的結(jié)果是錯的;同時，此事刺激了他開始思考DNA是如何構(gòu)筑起來的問題。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)的問題就已經(jīng)轉(zhuǎn)化為如何將磷酸堆積在一起的問題了。我們現(xiàn)在知道，鮑林的這一開端是錯的，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。是否是因為鮑林沒能看到威爾金斯的相片而導(dǎo)致他的失敗呢?暫且不回答這個問題，我們先來看看沃森和克里克是如何開始的。

在戰(zhàn)爭期間，克里克原來是從事武器方面研究的。后來他決定研究生物。于是他到劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)分子學(xué)。至于沃森，他本來就一直在研究DNA。他到劍橋大學(xué)是為了對此作進(jìn)一步的研究。他們都是熱心探索的人?！拔?克組合”相對于鮑林的地位可以說是“一個在天，一個在地”，他們并沒有引起人們多大的重視，也沒有引起鮑林的注意。他們就憑著一股勁和對目標(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。唯一的問題是，會不會有人搶先取得勝果，但是，他不會把這一點真正放在心上。他認(rèn)為威爾金斯和富蘭克林兩人(更不用說沃森和克里克了)，沒有誰有足夠的化學(xué)基礎(chǔ)對鮑林產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅。

二、對對手的不同看法：

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)為沒有人有他那樣深厚的化學(xué)功底。他“知道”，沃森是一個好學(xué)生，但因成績還不夠突出，因而他到加州理工學(xué)院當(dāng)研究生的申請未被批準(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，卡迪文斯實驗室的科學(xué)家們至今尚未在任何競賽中打敗過鮑林。甚至有人認(rèn)為，沃森和克里克看上去就像是一對“雜耍演員”。

而沃森和克里克則不同。對于年方19的沃森來說，鮑林是一位值得仿效的榜樣。在盧瓦蒙會議上，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。克里克開始并不是鮑林的崇拜者，他是鮑林的競爭對手，因為鮑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的屈辱。從此，克里克借鑒了鮑林的研究方法。說實話，他們對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。相對于鮑林來說，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，因為其他構(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驗測算得出的數(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，因為他們發(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)時他們將這一結(jié)果給晶體學(xué)家富蘭克林看的時候，被她以充足的論據(jù)否認(rèn)，因為水容量問題與這種構(gòu)型嚴(yán)重不符。也正是因為這次錯誤，他們兩人被認(rèn)為不適合研究DNA構(gòu)型問題，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有就此放棄，他們?nèi)匀凰较聢猿植恍傅剡M(jìn)行研究和探索。他們在研究方法上一直就有共識：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)常識構(gòu)筑結(jié)構(gòu)的一個模型。正如沃森所說，他們決定“仿效鮑林，并在他本人發(fā)起的這場競賽中將他擊敗”。富蘭克林的批評已經(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)各對堿基之間存在著一一對應(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主要參數(shù)。由此，他們開始著手制造模型，通過不懈的努力，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，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。

為什么鮑林會失敗?

鮑林有著深厚的化學(xué)知識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，因為DNA是當(dāng)時最大的課題，他要去搶占這一高地。他沒有把研究的準(zhǔn)備工作做好就想碰碰自己的運氣了。同時，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。他過于相信自己的直覺和運氣，結(jié)果輸?shù)袅诉@場大比拼。

沃森和克里克為什么會成功?

其實這個問題的答案從前面的敘述中都可以看出，但我覺得最重要的一點是不懈的思索與踏實的努力?？死锟瞬痪褪窃谝蝾^疼而不得不休息，卻又忍不住開始計算時找到了有關(guān)DNA結(jié)構(gòu)的答案嗎?他們雖然被拆散到兩個不同的研究小組，但仍然踏實地合作與工作，正是這樣，幸運之神才降臨在他們的頭上。另外還有一點，就是他們沒有放過看似微不足道的東西。奧地利生物化學(xué)家切加夫?qū)A基一一對應(yīng)的關(guān)系同樣告訴了鮑林，但卻沒有得到鮑林的重視，而沃森和克里克并沒有放過這一點，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)的揉合已無需多說，我相信這種相互融合在將來會愈演愈烈。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源于此，相信它對所有的科研者都會有所幫助：

鮑林的研究方法

實驗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。他一方面是重視實驗，強(qiáng)調(diào)經(jīng)驗知識;另一方面又深信化學(xué)結(jié)構(gòu)問題可以通過應(yīng)用現(xiàn)代物理學(xué)的理論來解決。他常采用半經(jīng)驗的方法：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，又有對實驗資料的歸納，二者互相補充。

量子力學(xué)與化學(xué)經(jīng)驗相結(jié)合

鮑林在總結(jié)過去對離子半徑的研究時曾指出：“應(yīng)用量子力學(xué)可以近似計算……但是，這種理論計算是十分復(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)驗或半經(jīng)驗的離子半徑數(shù)據(jù)……”

他的主要做法是：

不斷提出新的概念，利用它來概括實驗資料和總結(jié)化學(xué)結(jié)構(gòu)規(guī)律。

發(fā)展簡單的理論。

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)的理論和實驗方法移植到生物學(xué)、醫(yī)學(xué)以及核物理的研究中去。他按照自己的專長不斷地把新的理論原理和新的實驗方法移植于另一領(lǐng)域，解決新的研究課題，努力開拓新的邊緣學(xué)科地帶。這是他五十多年來研究成果綿綿不斷的重要原因。

直覺和模型方法

在鮑林的研究工作中，直覺的運用占有非常突出的地位。無論是鮑林本人還是別人對他的評述都常常提到直覺。綜合起來大致有以下表現(xiàn)：

1.是與數(shù)學(xué)計算不同的一種尋求答案的方式。

2.一種好奇心，它引起鮑林對某個科學(xué)課題的注意，并直接領(lǐng)悟到有可能用經(jīng)驗的方式來解答它。

3.和想象一樣，“不能歸結(jié)為僅僅采用通常的邏輯規(guī)則和過程”，它和某種“深邃的洞察力”有關(guān)。

4.鮑林對一個晶體的結(jié)構(gòu)的確定，分為兩步：一是推測，二是證實。這種“推測”，或者是鮑林本人自稱的“隨機(jī)方法”也在直覺之列。

5.“借助于對化學(xué)事實的非凡記憶”，是“經(jīng)過實踐”養(yǎng)成的。

從整體看待世界從實踐對待科學(xué)

鮑林作為一位自然科學(xué)家，物質(zhì)世界的統(tǒng)一性對于他來說似乎是不言而喻的。鮑林重視理論思維，并不完全同意實證主義的見解。他強(qiáng)調(diào)自己“是純粹從實踐的方面對待科學(xué);可以說是實用地對待科學(xué)?！必灤U林研究方法中的極其寶貴的思想正是這種“從實踐的方面對待科學(xué)”的態(tài)度。

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