缄默症

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迟来的绽放,DNA双螺旋结构发现背后的黑 [复制链接]

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科学的发明、发现离不开科学家们一代代的知识积累、传承,也离不开相互间的竞争。

年4月25日,在《自然》杂志上,詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克博士发表了一篇论文《脱氧核糖核酸的结构》,首次揭示了脱氧核糖核酸(DNA)的双螺旋结构。这是科技史上划时代的大事,它的发现使人类认识到生命遗传的本质,开创了分子生物学的时代。

《自然》杂志也发表了罗莎琳德·富兰克林女士关于DNA结构的论文,但她晚了一步,她的论文只能当做先前论文的进一步论证。

罗莎琳德·富兰克林女士

年,沃克、克里克、威尔金斯因为对DNA结构的研究而共同获得诺贝尔生理医学奖。荣誉、金钱、掌声之下,富兰克林女士无人提及,她被刻意地遗忘了。但随着时间的流逝,人们却惊讶地发现,她才可能是这一发现的幕后之人。

一、前人的肩膀

经过8年的研究,现代基因学之父孟德尔发现了生物遗传的基本规律,遗传分离规律与基因自由组合规律,这是揭示生物遗传奥秘的基本规律。年,他又提出用一种结构化的方式来思考遗传因子,但他太超前了,以致他开辟的道路荒芜三十多年没人能识。

1、遗传与染色体

20世纪初,人们认识到孟德尔研究的价值。我们已能预测一些生物特征会可预测地传给下一代,但这背后真正的生物机制是什么呢?这些特征是如何在细胞或分子层面上被编成密码的?

年,博韦里和萨顿通过观察到染色体在细胞分裂时的分离与重组,提出了染色体理论。而这些与孟德尔所描述的遗传因子非常吻合。

摩根团队的研究方向是一种眼睛色彩突变的遗传方式,他们得出了该遗传特征存在于x染色体上的结论。他们又以果蝇为研究对象,证明遗传因子确实存在于染色体上。

现代基因学之父孟德尔

但染色体内部构造和功能是什么?人们知之甚少。

染色体由蛋白质和DNA组成,一开始,人们倾向用蛋白质来解释遗传,因为蛋白质是十分多样化的复合体分子,当时DNA被认为是单调的分子,缺少多样性。

2、靠拢DNA

在蛋白质上,人们未找到遗传的密码。反而,对DNA分子的认识日渐加深。

格里菲斯在实验室里,将高温杀死的细菌和其他活体细菌混合,活体细菌转化为之前那种被高温杀死的细菌。这就表明,有某种未知的要素,在这两种细菌之间移动。

年,艾弗里、马克卡迪、麦克劳德提供了新的证据,表明未知的要素很可能就是DNA。此后,这一说法得到越来越多的证据。

赫尔希和蔡斯也进行了实验,并得出了肯定的结论:不是蛋白质,是DNA。

奥地利犹太生物学家埃尔文·查戈夫注意到,DNA中含氮碱基所出现的频率因物种而异。他在年发现,DNA中的腺嘌呤与胸腺嘧啶数量几乎完全一样,鸟嘌呤与胞嘧啶的数量也是一样。这似乎暗示他们之间相互有着某种联系。也许存在着某种配对。

但DNA结构是怎样的?它是怎样把遗传基因变成密码的?科学突破之前,一场新的竞赛拉开帷幕。

DNA的三种构型

二、最有希望的团队

20世纪50年代,DNA的化学结构是各国科学家研究的热点领域,化学、物理、生物学家,跨学科的进入其中,都希望能尽快破解DNA的结构秘密。毋庸讳言,先人一步者肯定将成为诺贝尔奖的得主,大家心知肚明。当时,最有希望的团队有三个:

1、莱纳斯·鲍林团队

莱纳斯·鲍林在当时已是知名的科学家,在量子化学和结构生物学都有着杰出的成就,是年诺贝尔化学奖的获得者。他们在蛋白质的分子结构等领域已经走在世界的前沿。毫无疑问,他的团队最有实力,是发现DNA结构的最有力竞争者。

莱纳斯·鲍林,获得诺贝尔化学奖、和平

2、威尔金斯、富兰克林团队的先天优势及缺陷

①、优势明显:威尔金斯、富兰克林的强项是实验物理,他们的独门绝技是X射线衍射技术。可见光的波长比DNA分子要长得多,因此可见光状态下看不见DNA,就如同拿尺子去量头发丝,无法得出结果。

而X射线不同一般光线,它的波长比分子要小,用它照射晶体分子,就会向不同方向发生弯折,从而得到相应的衍射图。

②、最大的缺陷就是不团结:事情似乎一开始就走在了歧路上,富家女罗莎琳德·富兰克林从小的志向是成为科学家,这对那个年代的女性并不容易。她21岁从剑桥大学毕业,但没有正式学位,因为当时剑桥大学并不授予女性文学士学位。

25岁时,富兰克林获得物理化学的博士学位,前往位于巴黎的国家中央化学实验室。在此三年间,关于煤炭研究的一些论文让她在国际上有了些知名度,她还学习X射线晶体衍射技术。

年,富兰克林受聘伦敦大学国王学院,研究蛋白质的X射线晶体衍射。但负责管理的物理学家约翰·蓝道尔却安排她研究DNA结构,这是最前沿的科学,富兰克林欣然接受。

富兰克林、威尔金斯

实验室共三名成员,除了富兰克林、还有威尔金斯与葛斯林,威尔金斯正在休假。

蓝道尔安排富兰克林接手威尔金斯的工作,可以独立的研究,不用他人约束。但威尔金斯显然不知道此事,当他度假归来,还以为富兰克林是蓝道尔给自己派的助手。

面对威尔金斯的指手画脚,两人发生了剧烈的争吵。威尔金斯自此厌恶这个孤傲的技术副手,而富兰克林也瞧不起这个智商不够高的伙伴。除了逼不得已的工作需要,二人互不说话。

3、沃森、克里克,拼劲十足的团队

在三个团队的人员组成上,只有沃森是正统的生物学家,而克里克是理论物理学家,他们理论功底扎实,在相同数据的基础上,能够更快、更好地推导出结果。

但因为实验能力及条件的限制,他们的研究处于下风。

沃森、克里克

三、富兰克林站到了成功的悬崖边

最强的莱纳斯·鲍林团队首先退出了竞争,因为他们的领头人暂时放下科研,投身于反对原子弹、反对核战争的事业,他认为科学应该服务于人类消除贫困和饥饿、显著减少疾病、有效地使用资源,而核战争可能毁灭地球和人类。鲍林起草的《科学家反对核实验宣言》,两周内就有多名美国科学家签名,在短短几个月内,就有49个国家的余名科学家签名。

威尔金斯、富兰克林团队的研究遥遥领先。威尔金斯在一场研讨会中拿到了一种萃取自小牛胸腺的纯DNA样品。顺便提一句,当时,科学家之间的交流沙龙,女性是被排斥在外的。

富兰克林对样品进行了研究,在衍射图上她发现样品干燥时,呈现出细小的针簇状,较短较粗。而与水接触后,则变成一团黏胶状物质,较长较细。她立即意识到,这可能是DNA的两种形态,她将DNA干燥的状态命名为A型,潮湿时的形态命名B型。

富兰克林还根据Patterson函数分析中的堆积法,推测出碱基、磷酸基团分别位于DNA链内、外,为阐明DNA的结构打开了窗户。

但A型DNA让富兰克林产生了困扰,因为数据没有显示清晰的结构。为了减少干扰,她将B型DNA的结构研究的成果交给了威尔金斯,自己专心研究起了A型DNA的形态。

年11月,富兰克林提出了A型DNA的X射线衍射图,并进行了一场演讲。

富兰克林已经看到了成功的曙光

沃森与克里克此时也取得了进展,他们提出了DNA分子的三螺旋结构模型。许多人被邀请到他们的实验室研讨,富兰克林也在其中。

当富兰克林看到沃森与克里克三螺旋结构模型,不客气的指出他们在重复前人的老路,此路不通。沃森与克里克的上司显然是听进去了富兰克林的批评,他停止了对二人研究的支持,责令项目下马。

至此,富兰克林已经在迎接朝阳了。莱纳斯·鲍林团队弃权,沃森与克里克团队也明显不济。

四、富兰克林是真正的科学家

年1月的某日,沃森、克里克与威尔金斯约饭。大概威尔金斯此时也以为沃森与克里克已经放弃了DNA结构的研究。

在饭桌上,威尔金斯不无炫耀地拿出了富兰克林拍摄的B型DNA的X射线衍射照片,也就是解开DNA结构钥匙的照片51号,威尔金斯向二人解释了照片反映的DNA化学结构的大部分信息,沃森、克里克听得两眼放光。而这次泄密,富兰克林却毫不知情。

照片51号让沃森与克里克茅塞顿开。结合之前的研究,两人的理论功底发挥了作用。他们很快就研究出了DNA的化学结构,提炼出DNA分子的双螺旋结构模型。只要有数据和照片,他们要比富兰克林更容易得出最终的模型。

51号照片

年3月,富兰克林离开了国王学院,前往同属伦敦大学的伯贝克学院。威尔金斯非常高兴,终于可以摆脱这个不和的伙伴了,他在给克里的信中写道:黑暗女士已经离开了他的实验室。

来到了伯贝克学院的富兰克林整理资料,准备发表DNA结构的论文。但是,晚了一步,沃森与克里克已经抢在了他的前面。

富兰克林知道这是一个螺旋结构,但她自认成竹在胸。想在发表成果之前搜集更多的证据,更重要的是,她以为自己遥遥领先,没想到自己的资料已成为他人的跳板。

富兰克林没有在这一事件上纠缠,她非常忙碌,全身心的转向TMV(烟草花叶病毒)的研究。她的团队在年完成了TMV模型。此外她也研究了病毒对植物(包括马铃薯、芜菁、番茄与豌豆)的感染,以及TMV病毒中的核糖核酸(RNA)。

富兰克林与沃森、克里克之间后来也有合作,她还与克里克夫妇成为了朋友。年9月富兰克林的腹部发现了两颗肿瘤。但她没有停止工作,后来她的团队开始研究小儿麻痹病毒,并获得美国国家卫生院的资助。

年4月16日富兰克林因为卵巢癌逝世于英国伦敦。她的死因,可能与X射线的长期照射有关。

富兰克林是纯粹的科学家

结语:

DNA结构的发现,与相对论、量子力学一起被誉为20世纪最重要三大科学发现。富兰克林如果没有外界的干扰,并且她的研究成果不外泄的话,用不了很长时间,也能够独立发现DNA的双螺旋结构。她的研究成果为这一伟大的科学发现起到了奠基的作用,如果沃森和克里克没有接触到她的研究,两人可能无法解开DNA结构之谜。

令人遗憾的是,富兰克林与诺贝尔奖擦肩而过了。虽然该奖项不会授予过世的人,但遗憾的是,相关四个人,除了富兰克林,沃森、克里克、威尔金斯都站上了领奖台。就连退出竞争的莱纳斯·鲍林也在年获得诺贝尔和平奖。

而在很长时间内,没有人提及富兰克林,仿佛她与DNA结构的发现无关。

获得年诺贝尔生理医学奖的三位男士

沃森和克里克对于DNA结构的发现功不可没,即使这一切是建立在目睹了富兰克林研究成果的基础上,他们也仍然要通过一系列天才的猜想,才能最终论证出DNA的双螺旋结构。此后在这一领域的颇多贡献,也证明了他们的优秀。只是,也许出于利益的考量,不约而同地,他们都选择以缄默的形式、不公平地对待了富兰克林的贡献。

直到很多年后,DNA结构发现40周年,克里克在纪念文章中说:富兰克林的贡献没有受到足够的肯定,她清楚地阐明两种型态的DNA,并且定出A型DNA的密度、大小与对称性。

另外在年,国王学院将新大楼命名为罗莎琳德-威尔金斯馆时,曾经诋毁富兰克林的沃森终于承认:罗莎琳德的贡献是我们能够有这项重大发现的关键。

历史将铭记:罗莎琳德·富兰克林,曾经的黑暗女士,是当之无愧的科学玫瑰!

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