“DNA分子的結(jié)構(gòu)”一節(jié)的科學(xué)史及備課建議

付馨悅

(北京師范大學(xué)附屬中學(xué) 100052)

“DNA分子的結(jié)構(gòu)”是人教版高中生物《遺傳與進(jìn)化》模塊第3章第2節(jié)的內(nèi)容，其重點(diǎn)為DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。教材中呈現(xiàn)了沃森和克里克在《自然》雜志上發(fā)表的英文論文(詳見(jiàn)章題圖)、一段簡(jiǎn)要的科學(xué)史和制作雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的方法。由于是英文原版論文常被廣大教師所忽略，而簡(jiǎn)要的科學(xué)史并不足以呈現(xiàn)眾多科學(xué)家在發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋模型中的智慧和貢獻(xiàn)，使得DNA分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)難于總結(jié)，比如三螺旋模型是如何被否定的？如何推斷DNA分子的兩條鏈反向平行？若不闡述清楚，使得模型的制作也是困難重重。此外，X射線衍射技術(shù)的應(yīng)用是成功構(gòu)建模型的前提，而教材的章題圖中呈現(xiàn)的B型DNA和科學(xué)史中的A型DNA衍射圖譜并不是最為關(guān)鍵的啟發(fā)沃森和克里克的“照片51號(hào)”。

由于DNA分子結(jié)構(gòu)的提出使遺傳學(xué)研究深入到分子層次，使人們逐漸清楚地了解遺傳信息的構(gòu)成和傳遞的途徑，一個(gè)又一個(gè)生命的奧秘從分子角度得到了更清晰的闡明，而DNA重組技術(shù)的發(fā)展更是為利用生物工程手段的研究和應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景。因此，這部分內(nèi)容對(duì)后續(xù)章節(jié)DNA的復(fù)制、基因的表達(dá)以及基因工程的教學(xué)，以及培養(yǎng)學(xué)生具有敏銳的洞察力、勇于競(jìng)爭(zhēng)和善于合作的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神均具有重要意義，有必要對(duì)其中的科學(xué)史等資料進(jìn)一步地分析和整理，以利于教學(xué)目標(biāo)的落實(shí)。

1 梳理復(fù)雜的人物關(guān)系

教材正文中出現(xiàn)的人物有沃森、克里克、威爾金斯、富蘭克林、化學(xué)家和查哥夫，在章題圖的英文論文中出現(xiàn)的還有鮑林、柯雷、弗雷澤、弗爾伯格和多諾休。此外，教材中沒(méi)有提及的薛定諤、艾弗里、赫爾希、盧里亞、德?tīng)柌紖慰恕⒉祭瘛⒖系卖敗⑴弭敶摹⒏窭锓扑购透鹚沽值纫苍贒NA分子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程中有重要作用。比如沃森、克里克和威爾金斯不約而同提到了一本書(shū)，是由1933年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主薛定諤撰寫(xiě)的《生命是什么？》。在這本書(shū)里他敘述了生命的本質(zhì)，人類(lèi)、虎、鼠等所具有的特性，指出生命的特性是由染色體決定的。他還認(rèn)為生命有說(shuō)明書(shū)，說(shuō)明書(shū)肯定存在于分子上。分子上有非常特別的構(gòu)造，能利用某一方式將信息復(fù)制下來(lái)[1]。沃森是在芝加哥大學(xué)讀書(shū)時(shí)閱讀了此書(shū)，他說(shuō)：“這本書(shū)非常清楚地提出了一個(gè)信念，基因是活細(xì)胞的組成部分以及要懂得什么是生命，必須知道基因是如何發(fā)揮作用的。正是這本書(shū)引導(dǎo)他去尋找基因的奧秘”[2]。1946年，克里克因這本書(shū)的啟發(fā)開(kāi)始研究物理學(xué)在生物學(xué)中的應(yīng)用。書(shū)中提出的可以用精確的概念，即物理學(xué)和化學(xué)的概念來(lái)考慮生物學(xué)的本質(zhì)問(wèn)題給他留下了深刻的印象[3]。1950年，威爾金斯也閱讀了這本書(shū)。半個(gè)多世紀(jì)后，威爾金斯回憶說(shuō)，是薛定諤用物理學(xué)的語(yǔ)言描述生命現(xiàn)象，在自己面前展現(xiàn)了“生物物理學(xué)”的美妙前景。

其他各位也多是諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)得主或相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)家。尤其是富蘭克林的貢獻(xiàn)是不可磨滅的，她不但利用X射線衍射技術(shù)拍攝到清晰的DNA圖譜，專(zhuān)業(yè)地對(duì)晶體數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀使她發(fā)現(xiàn)糖-磷酸在DNA分子的外部，并且在她撰寫(xiě)的報(bào)告中指出了兩條主鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械模瑢?duì)沃森和克里克最終構(gòu)建出雙螺旋模型都有決定性作用。卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的主任布拉格因發(fā)明利用X射線衍射技術(shù)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究與父親分享了1915年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他將實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展方向由純物理研究轉(zhuǎn)向利用X射線進(jìn)行生物大分子結(jié)構(gòu)的跨學(xué)科研究，他的領(lǐng)導(dǎo)和決策多次影響著沃森和克里克的研究進(jìn)程。

2 闡明研究方法和實(shí)驗(yàn)材料

一般來(lái)說(shuō)，化學(xué)家如欲了解某物質(zhì)之三維空間的構(gòu)造，有兩條重要途徑可循：一種方法是按照物質(zhì)特性使用物理學(xué)的工具(如X射線衍射法、電子顯微鏡和核磁共振法)探討分子中原子的相對(duì)位置；另一種方法是制作模型，對(duì)分子中的各種原子按照比例作出模型，并根據(jù)物理學(xué)的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定各原子間的距離和鍵角[4]。比如，美國(guó)著名結(jié)構(gòu)化學(xué)家鮑林就是通過(guò)建立模型的方法確定了蛋白質(zhì)的α螺旋結(jié)構(gòu)，榮獲1954年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。在研究DNA的三維結(jié)構(gòu)時(shí)他也采取了模型法，他失敗的主要原因是沒(méi)有掌握最新的DNA衍射數(shù)據(jù)，使用的是1938年阿斯特伯里和貝爾拍攝的老照片。而威爾金斯早期采用的是顯微鏡法，后來(lái)在美國(guó)生物化學(xué)家杰拉爾德·奧斯特的建議下開(kāi)始使用更強(qiáng)大的X光來(lái)研究DNA分子。

實(shí)驗(yàn)材料的選擇往往是實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵，而這份材料的獲得頗具偶然性。在一場(chǎng)研討會(huì)中，威爾金斯從瑞士科學(xué)家魯?shù)婪颉は窦{手上得到一種淬自小牛胸腺的純DNA樣品。隨后他和同事又分別利用人、鯡魚(yú)、小牛和墨魚(yú)精子等的DNA作為研究材料，效果并不是那么明顯。而富蘭克林和葛斯林就是利用這個(gè)小牛胸腺DNA獲得了清晰的“照片51號(hào)”，它曾經(jīng)被X射線晶體衍射先驅(qū)之一約翰·貝爾納形容為“幾乎是有史以來(lái)最美的一張X射線照片”。而沃森和克里克的過(guò)人之處恰恰是借鑒他人經(jīng)驗(yàn)，把X射線衍射法與模型法結(jié)合起來(lái)。

3 分析沃森和克里克成功的原因

首先，他們的成功與其專(zhuān)業(yè)背景和個(gè)人興趣是分不開(kāi)的。沃森在芝加哥大學(xué)動(dòng)物學(xué)系畢業(yè)后申請(qǐng)了印第安納大學(xué)攻讀病毒學(xué)博士，師從盧里亞。畢業(yè)后赴丹麥哥本哈根與盧里亞和玻爾的學(xué)生、噬菌體小組的領(lǐng)導(dǎo)德?tīng)柌紖慰艘黄鹧芯渴删w。而克里克的專(zhuān)業(yè)是物理學(xué)，與佩魯茨一起從事血紅蛋白的X射線研究使他具有較深的晶體學(xué)功底。兩個(gè)人專(zhuān)業(yè)互補(bǔ)并在探索基因本質(zhì)的問(wèn)題上有著共同的興趣，一拍即合。

其二，具有敏銳的洞察力和快速的行動(dòng)力。沃森在那不勒斯的會(huì)議上被威爾金斯展示的X射線衍射照片所吸引，便迫不及待地直接從哥本哈根去了劍橋的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，不但遇到了與他志同道合的克里克，隨后還在肯德魯?shù)慕榻B下認(rèn)識(shí)了查哥夫。當(dāng)時(shí)的學(xué)術(shù)背景是1944年艾弗里的肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)以及1952年赫爾希和蔡斯的噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了DNA是遺傳物質(zhì)，DNA在生命活動(dòng)中的重要性已經(jīng)一目了然，DNA分子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)指日可待，只是研究進(jìn)展得并不順利。事件的轉(zhuǎn)折點(diǎn)是威爾金斯出示了富蘭克林和葛斯林拍攝的“照片51號(hào)”，原本放棄DNA三維構(gòu)象研究的沃森和克里克迅速重拾舊業(yè)，在短短不到一個(gè)月的時(shí)間里就構(gòu)建出了雙螺旋模型。

最后，采用了建模的方法。在構(gòu)建模型的過(guò)程中，兩人雖多次犯錯(cuò)甚至放棄過(guò)，但在專(zhuān)家的指導(dǎo)下及時(shí)修正自己的錯(cuò)誤，始終把實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)和模型調(diào)整有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。比如，將模型由三條鏈改為兩條鏈和主鏈由在內(nèi)改為在外都接受了富蘭克林的批評(píng)和建議。在生物化學(xué)家查哥夫和數(shù)學(xué)家格里菲斯的幫助下，驗(yàn)證了堿基互補(bǔ)配對(duì)思想的正確性。此外，化學(xué)家多諾休還指出他們使用的是錯(cuò)誤的堿基分子結(jié)構(gòu)式，鳥(niǎo)嘌呤和胸腺嘧啶應(yīng)為酮式而非烯醇式。在每一步的調(diào)整過(guò)程中都考慮到了X射線衍射實(shí)驗(yàn)和生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，使他們不斷修正錯(cuò)誤走向正確。

4 深入挖掘章題圖的內(nèi)涵

與以往的章題圖不同，第3章“基因的本質(zhì)”別出心裁地選擇了一篇1953年4月25日在《自然》上發(fā)表的英文論文“核酸的分子結(jié)構(gòu)——脫氧核糖核酸的一個(gè)結(jié)構(gòu)模型”。縱觀中學(xué)生物學(xué)教材，也僅此一例，說(shuō)明這篇論文在生命科學(xué)發(fā)展史上的重要意義。沃森和克里克在短短1000多字和一幅插圖的論文中，以謙遜的筆調(diào)指出了對(duì)鮑林和柯雷、弗雷澤兩篇論文的不同觀點(diǎn)，詳盡地描述了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，并暗示了這個(gè)結(jié)構(gòu)模型在遺傳上的重要性。

但需要注意的是在論文的右下角展示的X射線衍射圖譜源于威爾金斯等的論文，是由富蘭克林和葛斯林拍攝的B型DNA。事實(shí)上，在同日的《自然》雜志上除了沃森和克里克的論文外，還刊登了威爾金斯、史道克斯和威爾遜的論文“脫氧戊糖核酸的分子構(gòu)造”，以及富蘭克林和葛斯林合寫(xiě)的“胸腺核酸的分子結(jié)構(gòu)”，對(duì)沃森和克里克啟發(fā)最大的“照片51號(hào)”刊于其中。威爾金斯和富蘭克林在論文中均對(duì)DNA衍射后的數(shù)據(jù)做了深入的解讀，并表示自己的數(shù)據(jù)與沃森和克里克的模型相符。

這篇論文后來(lái)成為分子遺傳學(xué)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)，在結(jié)尾還為DNA分子的半保留復(fù)制埋下了伏筆。同年的5月30日他們又在《自然》雜志發(fā)表“脫氧核糖核酸結(jié)構(gòu)的遺傳學(xué)意義”的論文，展開(kāi)說(shuō)明雙螺旋結(jié)構(gòu)在遺傳學(xué)上的意義。隨后威爾金斯和富蘭克林又分別發(fā)表“結(jié)晶的脫氧戊糖核酸的螺旋結(jié)構(gòu)”和“在胸腺核酸晶體結(jié)構(gòu)中雙鏈螺旋的證明”。這些論文進(jìn)一步說(shuō)明了他們對(duì)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的建立所做的貢獻(xiàn)。

DNA分子結(jié)構(gòu)的提出是學(xué)科交叉、相互融合和相互借鑒的重大科學(xué)成果。在研究中既合作又競(jìng)爭(zhēng)，多種觀點(diǎn)在交流中不斷地碰撞產(chǎn)生智慧的火花。雖因富蘭克林英年早逝未能獲諾貝爾獎(jiǎng)而飽受爭(zhēng)議，但并不影響此成果在生命科學(xué)發(fā)展史上舉足輕重的地位。但囿于課程標(biāo)準(zhǔn)的要求、課時(shí)、教師專(zhuān)業(yè)水平和學(xué)生的認(rèn)知能力等限制，不得不將X射線衍射技術(shù)的原理、相關(guān)的數(shù)學(xué)和化學(xué)知識(shí)做合理的回避。