《人类科学技术史-403》分子生物学与细胞生物学

分子生物学是研究生物大分子的结构和功能关系的科学。沃森(1928-)和克里克(1916-)在早期信息学派工作的基础上把遗传生化学派和结构学派的研究成果结合起来，建立了DNA双螺旋结构模型，标志着分子生物学的诞生。50年代末60年代初，遗传中心法则建立起来，遗传密码被破译，使分子生物学发展成为一门完整的学科。

1.DNA双螺旋结构分子模型

40年代末，DNA的功能和结构日益引起学术界的重视。维尔金斯、弗兰克林小组和鲍林的小组在DNA晶体结构研究方面都取得了卓有成效的进展。

沃森在上大学时就被薛定谔的《生命是什么？》迷住了，决心揭开基因的奥秘。后来他在卢里亚领导的噬菌体小组攻读博士学位。1951年，沃森听到维尔金斯关于DNA晶体衍射分析的阶段性学术报告，决心从事X射线晶体衍射分析生物大分子的研究。1951年秋，沃森来到英国剑桥卡文迪许实验室与克里克相遇，开始了现代生物学史上最有成效的合作。克里克原是学物理的，也是由于受薛定谔的影响，决心把物理学知识用于生命科学的研究。从1951年11月起，沃森和克里克并肩从事DNA结构的研究。他们同维尔金斯和弗兰克林进行了几次学术交流。1951年11月，弗兰克林在关于DNA结构的报告中指出，DNA呈螺旋型，其中磷酸根基因暴露在水中。沃森听了这个报告后，与克里克很快提出了一个3股螺旋的DNA结构的设想，并把亲水性的磷酸基团放在螺旋的内侧。1951年底，弗兰克林指出他们把DNA的含水量少算了一半。这个模型失败了。

1952年5月以后，沃森和克里克得到了维尔金斯和弗兰克林的进一步的实验报告。克里克请数学家帮助计算的结果表明，嘌呤有吸引嘧啶的趋势，并从查哥夫那里知道嘌呤与嘧啶的碱基比为1∶1，于是形成了碱基配对的概念。沃森和克里克此时已知道鲍林建立了氢键连接的3链结构，这对他们也是一个促动。经过紧张的工作，不断修正错误，他们终于在1953年2月建立起DNA双螺旋结构的分子模型。按照这个模型，DNA分子是由两条多核苷酸组成的，它们互相缠绕成双螺旋，靠碱基之间的氢键联结在一起，配对的碱基是不同的，但存在互补关系。腺嘌呤与胸腺嘧啶联结，鸟嘌呤与胞嘧啶联结。这个模型公布后，鲍林很快提出在鸟嘌呤和胞嘧啶之间是3个氢键，纠正了模型中的一个错误。

DNA双螺旋结构分子模型的建立是科学发展的必然，是众多科学家共同努力的结果。沃森和克里克能够抓住时机，综合当时各方面的研究成果，发挥他们的创造性思维，坚持不懈地日夜奋斗，终于摘取了这一伟大发现的桂冠。从1951年11月到1953年4月，短短18个月，就取得这样重大的成就，堪称科学史上的一个奇迹。1953年4月，英国的《自然》杂志发表了沃森和克里克的论文，同时发表了维尔金斯和弗兰克林的两篇实验报告。DNA双螺旋结构模型的建立，是生物学史上、也是20世纪科学史上最重大的发现之一。1962年，沃森、克里克和维尔金斯同获诺贝尔生物和医学奖。弗兰克林因于1958年逝世而未授予。但她和鲍林在DNA双螺旋结构分子模型建立中的杰出贡献是不可磨灭的。

2.遗传密码的破译和遗传中心法则的建立

沃森和克里克建立DNA双螺旋结构模型后不久，又发表文章说明DNA分子结构的遗传含义。他们设想DNA双螺旋结构就是基因，携带着遗传密码；在复制过程中，原来的一个双螺旋结构分子变为两个同原来完全相同的双螺旋分子。1956年，美国的科恩伯格(1918-)从大肠杆菌里分离了一种催化核苷酸形成DNA的酶——DNA聚合酶。1957年，他用含有4种核苷酸、聚合酶和DNA的无细胞体系合成了DNA。他的重要发现是，产物DNA中碱基比例和原先的DNA碱基比例相同。1958年，梅塞尔森(1930-)等用大肠杆菌研究DNA复制。实验结果证明，在细胞分裂中DNA确实是以半保留复制的方式产生的。1959年，美国生化学家泰勒(1916-)用氘标记碱基追踪DNA的复制。以上实验结果都证明沃森和克里克的设想是正确的。DNA双螺旋结构的重大意义显示出来，它解决了基因自我复制的分子基础问题。此后，基因是如何表达的问题，成为分子生物学研究的中心课题。

在探求基因如何控制蛋白质合成时，面临一个难题：4种不同的碱基怎样排列组合进行编码才能表达出20种不同的氨基酸。美国物理学家伽莫夫于1955-1956年间用数字的排列组合来估算编码。他认为，应用3个碱基组成3联密码，4↑3＝64＞20。由此他进一步推断一种氨基酸可能不只有一个密码。

伽莫夫专门组织对遗传密码设计的讨论，克里克也参加了。1961年，克里克和布伦纳进行了研究密码比例和翻译机制的实验。结果表明，密码确是以3联体核苷酸的形式代表着20种不同的氨基酸。1961年，美国科学家尼伦贝格(1927-)和德国科学家马太首先用实验确定了苯丙氨酸的遗传密码是RNA上的尿嘧啶。这个结果一公布，在科学界引起很大反响。人们竞相做实验测定各种氨基酸密码。到1963年，20种氨基酸的遗传密码都被测出。到1969年，64种遗传密码的含义已全部得到解答。经克里克建议，人们将它们排列成一个遗传密码表。很多科学家认为，这个表在生物学上的意义，可以与元素周期表在化学上的意义相比。

遗传密码的破译是一项有重大影响的成就。现在人们已经知道，从最高等的动物人类到最低级的生物病毒，蛋白质生物合成的密码都是一样的。遗传密码代表着生命现象必须具备的起码条件，并体现了生命世界的高度统一性。

对于遗传信息通过什么途径来调节和控制遗传的问题，50年代人们也进行了大量研究。克里克在1957年提出一个设想：RNA可能是DNA和蛋白质之间的中间体。1958年，克里克又提出基因自我复制和指导蛋白质合成的"中心法则"，即DNA把信息转给RNA，RNA通过中间的"受体"用信息指导氨基酸进行蛋白质的合成，而且这一过程是不可逆的。这种受体很快被证实是一种转移核糖核酸。1961年，法国分子生物学家雅可布(1920-)和莫诺(1910-1976）证明在DNA与蛋白质之间的中间体是一种被称为信使RNA的多核苷酸链(简称mRNA），由于酶促作用及碱基配对原则，转录DNA分子所携带的遗传信息。同年，雅可布和莫诺还提出了半乳糖操纵子学说，说明了基因的调节控制作用。

1970年，美国生化学家特明(1934-)和巴尔的摩(1938-)在癌症研究工作中，各自独立地发现了逆转录酶。这一发现不但打破了中心法则的不可逆性，也为病毒可以改变宿主细胞的遗传性提供了科学依据，是对中心法则的一个重要补充，又一次轰动了生物学界。两人都获1975年诺贝尔生物及医学奖。

3.细胞生物学与当代进化论

分子生物学的兴起，对细胞学的发展产生深刻影响。50年代，电子显微镜的改进及其他技术的应用，使人们可以观察到许多以前无法看到的微细结构。60年代初，对细胞的观察已深入到亚细胞结构水平和分子水平，人们将细胞结构研究与功能研究紧密结合起来，以阐明生命的基本活动。细胞生物学作为一个独立的分支学科诞生了。70年代，人们对细胞有了进一步的认识。细胞的生物学特点可概括为：细胞是遗传信息和代谢信息的储存和传递系统，是从小分子合成复杂高分子特别是核酸和蛋白质的系统，是一个内部有能量流动又保持整体动态平衡的开放系统。这种认识与50年代前相比，不仅在结构上深入到新的层次，而且从功能上反映了生命活动的本质。此外，60年代以来，在细胞膜、染色体、线性体等的结构和功能的研究方面也取得了重大进展。

60-70年代，随着分子生物学及其他生物学分支的发展，生物进化理论已发展到第三个阶段。一方面，原来的综合进化理论发展成为当代达尔文主义的新综合理论，又称分子水平的综合进化理论。它更加科学地说明了选择的进化机制和变异对进化的意义，成为这一阶段进化理论的主流。另一方面，出现了中性突变进化理论和间断均衡学说，从不同的水平对进化现象加以说明和解释，并向当代达尔文主义提出挑战。综合进化理论认为，种群是生物进化和物种形成的基本单位，进化是种群基因库变化的结果，突变、选择和隔离是生物进化的基本环节。1968年，日本学者木村资生提出分子进化的"中性理论"，后来发展成中性突变理论。该学说认为，生物体中产生的突变大部分是中性的；中性突变不受自然选择的影响，而且分子进化与环境无关。

关于中性突变学说，仍存在很多争论。但它的出现标志着进化理论进入一个新的阶段，揭开了从微观水平研究生物进化的序幕。