艾弗里未獲諾貝爾獎的科學史綜述

吳志強 周 韋 謝仁榮

（1 安徽省蕪湖市教育科學研究所 安徽蕪湖 241000 2 安徽省合肥市錦繡中學 安徽合肥 231000 3 福建省石獅市第三中學 福建石獅 362700）

奧斯瓦爾德·艾弗里（Oswald T. Avery）及其同事于1944年報道DNA 是導致肺炎雙球菌發生轉化現象的化學物質[1]，許多人認為這一發現值得被授予諾貝爾獎。艾弗里最終卻與諾貝爾獎擦肩而過，這不得不說是諾貝爾獎歷史上的一大憾事。在公開的諾貝爾獎檔案中，分析艾弗里每次被提名及其提名者的相關資料，從中可窺探艾弗里與諾貝爾獎無緣的那段科學史。

1 肺炎雙球菌轉化實驗及艾弗里的結論

在對肺炎的診斷和治療的工作中，艾弗里對肺炎雙球菌的易感性和抗性均有極大的興趣。艾弗里意識到要徹底解決這一問題，需要對肺炎雙球菌菌體有更深入的認識，包括菌體的結構、化學成分、生理活性、免疫特征及遺傳和變異。正因為對肺炎雙球菌系統性的研究，艾弗里及其團隊發現了與肺炎雙球菌感染現象毫不相干的一個重大的生物學問題，即DNA 是遺傳物質。

在對肺炎雙球菌莢膜化學成分的研究過程中，艾弗里重新審視了格里菲斯（Fred Griffith）于1928年完成的細菌轉化實驗[2]。格里菲斯作為英國衛生部藥學實驗室的研究人員，發現了R 型菌和S 型菌的轉化現象。當他將大量無毒的R 型菌和死亡的S 型菌注入小鼠體內后，發現總能從小鼠的血液中分離出具有相同毒性的S 型活菌，其多糖莢膜的免疫性質相同。由于格里菲斯缺乏足夠的微生物學和遺傳學知識，不能合理地解釋這種轉化現象。

肺炎雙球菌的轉化現象引起了艾弗里極大的興趣，他建議并鼓勵年輕的加拿大科學家道森（Michael H. Dawson）找出發生這一轉化現象最有可能的條件。在確認格里菲斯實驗結論的基礎上，麥克勞德（Colin MacLeod）和麥卡蒂（Maclyn McCarty）也開始尋找能發生轉化現象的化學物質。麥克勞德的重大貢獻是通過改進方法分離出更多的轉化物質，有助于后續更加詳細地研究。具體做法是用加熱法殺死細胞，而并非用常見的脫氧膽酸鹽溶解細胞。這一改進方法避免了轉化因子與細菌體內的酶的接觸，進而獲得更多有活性、更穩定的制備物。當麥克勞德離開洛克菲勒研究院在紐約大學任職后，麥卡蒂這位有著豐富微生物學知識的年輕科學家繼續相關的工作，對轉化因子進行了化學定性分析。通過與羅森（Alexandre Rothen）的合作，他們發現離心后轉化因子的分子量在50 萬～100 萬Da 之間。對該不明物質的定性分析，尤其是磷氮比，得知除DNA 外的其他已知物質均不符合。麥卡蒂也對轉化因子進行了酶解處理，并分析了處理后的樣本活性，發現除DNA 酶外，其余樣本均具有活性。

2 艾弗里早期研究對抗菌免疫現象作出錯誤結論

盡管對實驗結果的分析合乎情理，但艾弗里在早期曾對抗菌免疫現象作出錯誤結論，影響人們對此次實驗結論的認可。1916年，艾弗里發現治愈者的血清并不能殺死肺炎雙球菌，但能抑制其在培養基中的增殖，因此，艾弗里和多切茲（Alphonse R. Dochez）在《實驗醫學雜志》發表的論文中認為抗菌免疫是由于感染者血清中的物質抑制了肺炎雙球菌相關酶的活性[3]。1917年，艾弗里和多切茲發表第2 篇論文，通過簡單的化學分析，2 位作者認為該物質是一種天然蛋白質或是與蛋白質相關的物質。宣稱利用酒精和丙酮對尿液反復沉淀，可獲得類似血清活性的物質[4]。布萊克（Francis Blake）于1917年發表的論文中，完全否定艾弗里的抗菌免疫觀點。雖然布萊克證實艾弗里實驗結果的真實性，但他認為這只是菌體聚集的結果并不涉及酶活性的抑制。隨后，巴伯（Barber）和科爾（Cole）也表示對抗菌免疫現象的質疑。

1926年艾弗里和海德爾伯格（Heidelberger）證明此前結論可能存在問題，但他們并未發表一篇關于抗菌抑制的文章以反對上述質疑，也未在刊物上公開發表更正說明以撤回其錯誤結論。艾弗里作為一位眾所皆知的細心的實驗科學家，即使存在不利的實驗證據，也仍然堅持其觀點。在此后的25年里，他不斷提及此問題。與抗菌免疫的文章相似，艾弗里關于DNA 的文章將徹底扭轉人們對于遺傳物質化學本質的思考。然而，艾弗里在科研生涯早期的2 篇錯誤文章的負面作用在此時顯現，人們質疑該文章的科學性，如同質疑他以往的文章一樣。這可能是當他發現DNA 是肺炎雙球菌轉化因子時不被大家廣泛接受的一個原因。

3 艾弗里獲30 次諾貝爾獎提名

艾弗里的諾獎提名有30 次之多，均是僅涉及肺炎雙球菌的多糖莢膜及其抗原性的研究。艾弗里曾發表40 多篇以該問題為主旨的文章，推翻了抗原只能是蛋白質的論斷，該觀點很快被證實是完全正確的。但仍有一部分科學家認為，莢膜的抗原性是由于在提純過程中混有蛋白質。隨著研究的深入，艾弗里有力地回擊了這一質疑。1946年，艾弗里因發現由DNA 導致的肺炎雙球菌轉化現象獲得諾貝爾獎的提名，但哈馬斯騰（Einar Hammarsten）根據他本人的實驗結果，認為無法得到無蛋白質的天然DNA，強烈質疑這一實驗結果。艾弗里的轉化實驗獲得提名后，有2 個術語用于描述這一現象。其一是演化（transmutation），源自拉馬克和達爾文對物種進化的描述，另一個則是現在普遍采用的轉化（transformation）。現代遺傳學中的轉化是指細胞獲得外源DNA 后導致遺傳組成發生永久性改變的過程。這一術語的變化或多或少反映了艾弗里及其同事對于肺炎雙球菌類型轉變實質的一些疑惑。

在前4 次諾獎提名中，并未提及該現象的化學本質為何，且同時引用了多糖莢膜的相關工作成果。后10 次中僅有5 次提及DNA 或核苷酸才是遺傳物質的化學基礎。至于轉化現象諾貝爾獎的提名中不涉及DNA 的原因，與當時幾位生物化學權威密切相關。諾斯羅普（John H. Northrop）、斯坦利（Wendell M. Stanley）和薩姆納共同獲得1946年的諾貝爾化學獎。諾斯羅普和斯坦利曾在洛克菲勒研究院的普林斯頓分院共同工作過，曾于1943年拜訪艾弗里。當時艾弗里詳細回顧了多年以來積累的關于肺炎雙球菌轉化實驗的數據結果，但這2 位經驗豐富的生物化學家卻絲毫未提出對于后續實驗的相關建議。11年后，諾斯羅普提名艾弗里的肺炎雙球菌轉化實驗時仍未直接提及DNA。至于制備出結晶體病毒蛋白的斯坦利，對病毒蛋白酶的轉化活性研究，類比得出轉化現象也應該與蛋白質有關，忽視了艾弗里的研究成果而從未提名過艾弗里。其他提名艾弗里的科學家包括當時頂級的研究核酸的化學家查哥夫（Erwin Chargaff）。他認為艾弗里于1944年發表的那篇論文對他產生了“決定性的影響”，讓其將大部分精力都投入到研究核酸的過程中。但查哥夫在對艾弗里的諾貝爾獎提名中并未提及核苷酸或DNA，而僅提到“這是有關引起肺炎球菌類型轉化物質的化學性質的工作”，同樣的表述也出現在諾斯羅普的提名中。

4 沒有遺傳學家為艾弗里提名

1946年，英國皇家科學院授予艾弗里科普利獎章，認為肺炎雙球菌的轉化實驗中，這種遺傳的變化是由被稱為“基因”的物質誘導產生的，而這種物質應該是脫氧核糖核酸。不久，就有數名化學家和生物學家對該觀點作出回應。例如，霍齊斯基（Rollin Hotchkiss）開始對不同來源的DNA 的結構進行比較，米爾斯基也于1947年承認艾弗里的發現讓化學家不得不認真思考核酸結構具有一致性假說的正確性，因為當前的實驗證據表明核酸不可能是不變的。

盡管這是對核酸化學性質的初步探索，但DNA是遺傳物質的觀點并未讓艾弗里獲得當時幾位杰出生物化學家的全力支持。在艾弗里發表文章后的一年內，包括哈欽森（George E. Hutchinson）、馬沙克（Alfred Marshak）、沃克爾（A. C.Walker）和塞爾沃賴特（Sewall Wright）都曾提出DNA 可能是作為染色體的碎片以行使遺傳功能。發現了乳糖操縱子模型而獲得諾貝爾獎的科學家比德爾（George W. Beadle）在一次演講中特別提及，肺炎雙球菌的轉化實驗對于多聚核苷酸的研究，可能是人類首次發現突變基因發揮作用的途徑。但這些評價并未出現在他們給艾弗里的諾貝爾獎的提名中。

當時的遺傳學家面臨的一個重要的問題是DNA 如何執行其功能？從1927年繆勒（Hermann J. Muller）發現將果蠅暴露在X 射線下可誘導產生各種不定向的隨機突變后，遺傳學家注意到DNA可讓肺炎雙球菌產生的這種定向突變，他們推測DNA 可能是一種能使肺炎雙球菌發生定向突變的化學試劑。雖然DNA 作為突變劑對遺傳學家而言同樣具有重要作用，但這一意義遠不及其作為遺傳物質的化學成分。

艾弗里及其同事的工作促使沃森（James D.Watson）進行DNA 相關的研究工作。并且其導師盧利亞（Salvador Luria）早已認識到，艾弗里的實驗結果表明DNA 很可能就是真正的遺傳物質。當沃森在英國遇到持有同樣觀點的克里克（Francis Crick），2 人聯手闡明了DNA 的雙螺旋結構及其可能的復制方式。令人可惜的是，艾弗里與遺傳學同行的交流屈指可數，以至于像是被他們遺忘一般，最后導致沒有遺傳學家為艾弗里提名諾貝爾獎。這恐怕也是艾弗里與噬菌體小組之間重要的不同。雖然了解艾弗里的工作和支持其觀點的科學家越來越多，但繆勒、比德爾、利沃夫、盧利亞、沃森、克里克、赫爾希和蔡斯均未提名艾弗里獲諾貝爾獎。

5 艾弗里未獲諾貝爾獎的原因

這與當時著名的生化學家米爾斯基（Alfred E. Mirsky）反對艾弗里的觀點有關。米爾斯基研究的內容注重蛋白質與核酸的結合，即在細胞中發現的核蛋白。其實驗結果顯示，即使從細胞中分離出的DNA 仍然緊密地結合有部分蛋白質，而想要將這二者徹底分離，在當時是一個嚴峻的技術難題。因此，米爾斯基質疑艾弗里制備的DNA樣品中摻雜了少量的蛋白質，而按照當時的觀點，由20 種氨基酸構成的蛋白質的多樣性比由核苷酸構成的核酸能更好地體現遺傳物質的特點。

當時諾貝爾獎評選委員會的成員是從卡羅林斯卡醫學院選出的3 位資深教授。資歷不凡的哈馬斯騰教授于1946—1955年一直作為委員會的成員。哈馬斯騰對于獲獎者的選擇有極大影響力，只要他愿意，完全可讓艾弗里榮譽加身。但哈馬斯騰猶豫的原因是受到卡佩森（Torbjorn Caspersson）的代謝模型的影響，在這一模型中，核酸的角色遠不如蛋白質重要。1952年，卡佩森的同事馬爾姆格倫（Berndt Malmgren）教授為委員會提供了艾弗里轉化實驗工作的第1 份詳細評估報告，同時還討論了霍奇基斯支持艾弗里實驗的相關工作，并認為目前蛋白質參與轉化現象的可能性不大。然而，他認為DNA 作為轉化因子的最終證據仍不充分，目前不值得榮獲諾貝爾獎[5]。

直至1954年后赫爾希和蔡斯的實驗結論及沃森和克里克的雙螺旋模型發表之后，艾弗里的工作再次受到關注。哈馬斯騰給委員會做了第3次關于艾弗里工作評估報告，在這份簡短的報告中承認DNA 而非蛋白質是遺傳物質。但轉化的機制尚不清楚，因此不值得獲得諾貝爾獎。這一理由的確強人所難，因為轉化的機制在多年后發現。而第2年，艾弗里先生就已去世。

此外，艾弗里個人古怪的性格也是其未獲得諾貝爾獎的原因之一。他作為科學家卻極少參加相關的科學會議，即使會議地點就在美國也不例外。1933年，他拒絕前往德國領取保羅·埃爾利希獎，1945年，拒絕去英國領取科普利獎，以及1950年拒領瑞典頒發的巴斯德獎。拒絕的理由是沒有時間、身體抱恙及經費緊張等。而事實上，艾弗里更愿意在實驗室工作或與家人度假。因此，不難想象，若獲獎艾弗里是否會拒絕前往斯德哥爾摩領獎。如果這一情況發生，恐怕會使諾貝爾獎評選委員感到極其尷尬。

6 艾弗里超前的結論轉變成既定的事實

1948年，法國巴黎舉行了一次國際性會議，退休的艾弗里再次提及肺炎雙球菌的轉化問題，利沃夫（André Lwoff）提出其觀點，肺炎雙球菌中含有2 種核酸，這就如同等位基因，而轉化的實質有可能就是它們輕微改變后的結果。利沃夫的觀點是有預見性的，但其他遺傳學家仍困擾于其他生物的相關研究資料的不足，使他們無法將DNA 及其遺傳功能相聯系。因為在其他生物材料中并未再現艾弗里的實驗結果。當時推測的原因既可能是由于技術原因只能在細菌中實現，又可能是由于細菌某種特殊的代謝途徑使其成為特例，而并不具有普遍的遺傳原理。

但艾弗里的實驗結果很快在其他研究中得到證實。博依文（Andre Boivin）利用DNA 成功誘導埃希氏桿菌發生變化，霍奇斯基發現DNA 可讓肺炎雙球菌的青霉素抗性發生轉移，亞歷山大（Hattie Alexander）和 利 迪（Grace Leidy）證 實 了DNA 導致流感嗜血桿菌抗原性質的改變。但這些實驗面臨與艾弗里的實驗相同的問題，因為采用的都是細菌，無法排除DNA 作為突變劑的可能性，因為這一結果可能僅適用于某些細菌，而無法在高等生物中重現。

在意識到DNA 在肺炎雙球菌轉化現象中可能具有的重要作用后，赫爾希（Alfred Hershey）和蔡斯（Margaret Chase）設計了一個精妙的實驗，證明了當噬菌體侵染細菌時其DNA 進入了細胞內并導致產生了新的子代病毒，而與此同時，蛋白質的外殼卻仍留在細胞外。這一實驗結果顯然是赫爾希未曾預料到的，因為噬菌體小組也傾向于蛋白質是遺傳物質這一觀點。但這個新穎的實驗排除了DNA 作為誘變劑的可能性，因為產生新的子代病毒意味著噬菌體的DNA 上具有多個相應性狀的基因[6]。

1977年，原噬菌體小組成員之一的斯滕特（Gunther S. Stent）在《科學美國人》上發表題為《科學發現的超前性和獨立見解》一文，提到艾弗里的DNA 研究工作對遺傳學有重要意義。他指出其工作遲遲不受認可的原因，不是因為這一結果無人所知和飽受懷疑，而是結果的超前性，當時的遺傳學家并不能在此基礎上進一步做些什么。因此，當赫爾希和蔡斯得出與艾弗里一致的結論后，這一超前的思想終于轉變成既定的事實。

7 結語

回溯艾弗里未獲諾貝爾獎的科學史，清楚地表明一項科學發現所處的時代背景的重要性。在艾弗里的工作被忽視和貶低的10年間，另一項有所缺陷的發現——腦白質切開手術卻受到了過度重視。一個沒有臨床精神病學的經驗，對精神病學毫無興趣的醫生莫尼茲（António Egas Moniz），卻設計了一種稱為前額葉白質切開術的手術，也稱前額葉切除術，用于治療癲癇[7]。這項之后被禁止的手術卻讓莫尼茲于1949年被授予諾貝爾生理學或醫學獎，而艾弗里的杰出工作卻被置于一旁。

1947年，艾弗里獲得有諾貝爾獎風向標之稱的拉斯克獎，彼時評委會作出的評價是“以非凡的毅力、非凡的洞察力和非凡的觀察準確性，奧斯瓦爾德·艾弗里將其科學生涯的大部分時間都奉獻給了肺炎雙球菌的研究”，獲獎理由是“通過對細菌化學組成的研究，作出了卓越的貢獻”。不得不說，艾弗里是未獲得諾貝爾獎的科學家中最值得人們欽佩的科學家之一。