生命的螺旋从DNA双螺旋中阐述自然科学方法.ppt

生命的螺旋,从DNA双螺旋结构的 发现中阐诉科学 研究方法,By第十小组,导语,DNA，中文名脱氧核糖核酸，是大多数生物的遗传物质。DNA双螺旋结构模型的建立是20世纪自然科学最大成就之一。,DNA,结构模型,DNA双螺旋结构,沃森和克里克认为，DNA分子的立体结构如同一个螺旋形的梯子，碱基对就是这梯子的横档。它的特征是： 1、 DNA由两条长链组成，这两条长链按反方向盘旋成规则的双螺旋结构。 2、 DNA分子的脱氧核糖与磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架； 3、 碱基排列在内侧，DNA分子两条链上碱基通过氢键连接成碱基对，并且碱基配对有一定的规律： 腺嘌呤（A）一定与胸腺嘧啶（T）配对， 鸟嘌呤（G）一定与胞嘧啶（T）配对； 碱基之间通过氢键相连。,发现DNA双螺旋结构的过程,1951年春天，一直对基因的奥秘深感兴趣的沃森出席了在意大利举行的生物大分子结构会议。会上，英国著名生物物理学家威尔金斯在报告中展示了一张DNA的X射线衍射图谱的幻灯片，给沃森留下极其深刻的印象。这年秋天，沃森来到英国剑桥大学卡文迪什实验室工作，遇见了同样对DNA结构着迷的克里克。,发现DNA双螺旋结构的过程,物理学家出身的克里克对衍射图谱的分析 十分熟悉，能够帮助沃森理解晶体学的原理，而沃森可以帮助克里克理解生物学的 内容。当时科学界对DNA的认识是这样的：DNA分子是以4种脱氧核苷酸为单位连接而成的长链，这4种脱氧核苷酸分别含有A、 T、C、G四种碱基。沃森和克里克以威尔 金斯及其同事富兰克林（R.E.Franklin） 提供的DNA衍射图谱的有关数据为基础， 推算出DNA分子呈螺旋结构。,发现DNA双螺旋结构的过程,接着，沃森和克里克尝试了很多种不同双螺旋和三螺旋结构模型，在这些模型中，碱基位于螺旋的外部，但是这些模型很快被否定了。在失败面前，沃森和克里克没有气馁，他们又重新构建了一个将磷酸-脱氧核糖骨架安排在螺旋外部，碱基安排在螺旋内部的双链结构。 在这个模型中相同碱基是互相配对的，即A与A配对，T与T配对。但是，有化学家指出这种配对方式违反了化学规律，因此这个模型又被抛弃了。,发现DNA双螺旋结构的过程,1952年春天，沃森和克里克从一位奥地利生物化学家查哥夫（E.Chargaff）那里得到一个重要信息：腺嘌呤（A）的量总是等于胸腺嘧啶（T）的量； 鸟嘌呤（G）的量总是等于胞嘧啶（C）的量。于是沃森和克里克又开始兴奋起来，他们改变了碱基配对的方式，让A与T配对，C与G配对，构建出新的DNA模型。结果发现：A-T碱基对和G-C碱基对具有相同的形状和直径，这样组成的DNA分子具有稳定的直径，能够解释A、T、C、G的数量关系，同时也能解释DNA的复制。当他们把这个用金属材料制作的模型与拍摄的X射线衍射图谱比较时，发现二者完全相符。,伟大的发现,1962年，美国生物学家沃森（D.T.Watson）和英国物理学家克里克（F.Crick）因发现DNA分子双螺旋结构而获得诺贝尔生理学或医学奖。,沃森（左）和克里克（右）,年迈的詹姆斯沃森仍潜心研究,研究方法,在研究方法上,沃森和克里克能做到选择恰当、运用自如,尤其是在使用移植、类比、模型方法的过程中,都有一些独到之处,这是他们成功的主要途径。 移植方法 类比方法 模型方法,移植方法,运用生理、化学等科学的原理和方法解开DNA结构的奥秘,这就是移植法的一种。这一方法的依据是:生物体与非生物体都是由分子与原子所组成,它们在分子水平上的运动都遵循着量子力学的规律,而由大量分子所组成的体系的运动则服从统计规律。正是由于对这种同一性的认识,才促使薛定谔撰写了生命是什么一书。,移植方法,在DNA研究和结构发现的过程中,结晶DNA的获得,必须应用化学的原理与方法;X射线的射技术,主要应用物理学的原理与方法,而对DNA的X射线衍射图谱的描述和分析,则又必须借助于数学。沃森和克里克在运用移植法的过程中,有两个重要的特点。首先,他们坚信结构化学和物理学在DNA结构研究方法中的作用。沃森去剑桥正是为了向威尔金斯学习X射线衍射技术,克里克也“自学了这门学科的许多内容” ，他们发现“鲍林虽然在没有借助X射线衍射资料的条件下解决了X螺旋结构。但还是知道那些资料的,并像在一定程度上也考虑到有X射线衍射资料作依据,各种各样可能的多肽链的三维构型很快就被淘汰掉了。,移植方法,现在,我们借助精确的X射线资料,将能更好地解决更加微妙的DNA分子。仅仅浏览一下DNA的X射线衍射图片,就能避免许多错误的出发点”。可以说,运用移植方法在沃森和克里克的头脑中是深深扎根的。其次,在运用移植方法时,他们从未忘记,他们研究的毕竟是生物学的课题。因此,在探索DNA结构的同时,始终应联系到它的功能和信息。这个思想,在选题时就很明确。他们开始设计的就是“一个不仅会和X射线衍射资料一致,而且也将顾及到自催化和异催化双重功能的分子模型 研究方法,类比方法,在发现DNA结构过程中,类比方法也起了重要作用。在DNA分子结构的确定上,与蛋白质相类比,当蛋白质被确认为螺旋状长纤维结构后,沃森和克里克认为,蛋白质是螺旋型,那么DNA结构也应该是一种螺旋型的方法,也是由类比得来。沃森说,鲍林“不用纸和笔,他的主要工具是与学龄儿童的玩具类似的一组分子模型。因此,我们看不出为什么我们不能用同样的方法解决DNA的问题” 。在确定DNA结构的链数时,类比法也帮助沃森提供了重要线索。他把DNA分子的链数与一般的生命物体所具有的对称性特点相类比,在DNA纤维图片的帮助下,正确地选择了双链。,模型方法,揭示生物大分子的结构,从总体上分析,不外几种方法,如用实验方法分析其化学成分,用移植方法(X射线衍射)进行推导,也可以用建立理论模型的方法。沃森和克里克主要采取了模型方法,模型方法贯穿于他们研究工作的全过程,是多种方法中最基本、最主要的一种.模型方法把认识对象作为一个比较完整的形象表示出来,从而使问题简明扼要,以便窥见其本质。运用模型方法时,沃森和克里克能够有意识地与X射线衍射技术资料相结合,综合地进行分析,这是他们的创造,其成效是显著的。,模型方法,在这点上,他们受益于鲍林,但又比鲍林前进了一步,而弗兰克林则根本不赞成用模型,认为是“下策”,这恰恰是她本身的失策。沃森和克里克能将多种方法有机联系起来,相互结合,相互补充,构成整体,最后用模型一目了然地表达出来。最后,在科学发现和科学发明的过程中,逻辑思维方法是很重要的,但非逻辑思维方法中的灵感和想像更具有价值,它们使思维可能实行跃进、越级和采取捷径而得到发现和发明,从而加速了科学的创造和发展的进程。在DNA的发现过程中,灵感和想像起了很重要的作用。,启 示,启示,成功不是偶然的，尽管有偶然的因素在，也是基于探索者们百分之九十九的汗水的努力。就从沃森和克里克发现DNA分子双螺旋结构的过程来看，我们的组员有以下几点心得： 第一，兴趣是最好的助动力。对DNA分子结构的浓厚兴趣让沃森和克里克这两人走在一起进行科学研究，也因为这一点他们不轻言放弃，坚持到底。,实践出真知，有了兴趣还要积极实践。在对事情有了好奇、猜测或不解之后都只有通过具体的实践才能得到真正的答案，停留在想法层面就只能永远是虚空的意识形态。,第二，正如牛顿所言，“如果我比别人看的更远一些，那是因为我站在巨人的肩膀上”，沃森和克里克的发现是立足于无数前人的探索成果之上的，真理无法轻易一蹴而就，科学的发现是一个知识不断积累，认识不断深化的过程。,第三，善于合作与交流。DNA分子结构的发现不是一个人的功劳，生物学家沃森，物理学家克里克，生物物理学家威尔金斯，生物化学家查哥夫，这一过程穿叉这不同领域的专业知识，正是不同专业知识的碰撞，才让科学研究有了更多的观察视角和思考维度。 第四，科学研究既需要严谨的科学态度也需要敢于质疑的创新精神。DNA分子螺旋结构最初只是他们的一个推