（科学技术史专业论文）20世纪上半叶核酸研究回顾及若干问题探析.pdf

摘要 摘要 核酸在生物新陈代谢中起着至关重要的作用，是现代分子生物学的重要研 究对象。在生命科学领域受到高度重视的同时，核酸研究在科学史领域也是研 究热点。通过文献调研，我们发现关于2 0 世纪5 0 年代d n a 双螺旋结构发现 以前的核酸研究历史涉及甚少。对这段学术史进行系统的回顾和硕硫，对于正 确认识2 0 世纪中叶现代生物学领域的重大变革并分析其成因具有重要意义。此 外，对于此段历史的探讨还有利于更完整地了解人们对核酸的认识发展过程， 更好地理解和把握科学发现的内在规律。 我们通过文献研究法对2 0 世纪上半叶的核酸研究进行系统回顾，经过整理 分析将这段历史分为四个部分：1 核酸基本化学组成的研究；2 核酸遗传物质本 性的确定；3 d n a 双螺旋结构的发现：4 2 0 世纪上半叶核酸代谢研究。 在此基础上，重点从以下四个方面展开工作，对其中存在的若干问题进行 了初步探讨和分析： 1 较系统地分析了著名核酸化学家列文对核酸研究的贡献，重点研究了“四核 苷酸假说”的成因及影响。 2 将艾弗里的转化实验与格罩菲斯的转化实验、噬菌体侵染实验分别进行对比 分析，在此基础上论述其重要意义。针对艾弗里转化实验的结果在公布数年 内未能引起应有重视的历史事实进行思考，分析其中的主客观原因，并对其 中存在争议的问题进行探讨。 3 选择极少被提及的d n a 双螺旋发现过程中竞争对手之间的合作作为研究对 象，通过大量可靠的史料分析论证竞争中的合作在双螺旋探寻路上发挥的作 用。在上述前提下，简要讨论科学发现中竞争与合作的关系。 4 对2 0 世纪上半叶核酸代谢研究史进行尝试性概括分析，指出其特点和意义 以及在核酸研究史上的地位。 2 0 世纪上半叶的核酸研究史是一个尚未受到重视的科学史研究领域，本文 的工作或许可砂起到抛砖引玉韵作用，希望文中涉及的新问题、新探讨、新观 点能够对相关研究有所裨益。 关键词：核酸脱氧核糖核酸四核苷酸假说遗传物质转化因子 双螺旋结构核酸代谢 a b s t r a c t ab s t r a c t n u c l e i ca c i d s ，w h i c hp l a ya na w f u l l yi m p o r t a n tr o l ei nm e t a b o l i s m ，a r et h em a j o r r e s e a r c ho b j e c ti nm o d e mm o l e c u l a rb i o l o g y a sa t t e n t i o ni sb e i n gp a i dt oi nl i f e s c i e n c e ，n u c l e i ca c i d sr e s e a r c hi sa l s oah o ts p o ti nh i s t o r yo fs c i e n c e t h r o u g h 1 i t e r a t u r es e a r c h ，w ef i n dt h a tr e s e a r c h e so nn u c l e i ca c i d sr e s e a r c hh i s t o r yb e f o r et h e d i s c o v e r yo fd n ad o u b l eh e l i xs t r u c t u r ei nm i d 2 0 t hc e n t u r ya r er a t h e rf e w t o r e v i e wa n ds t u d yt h i sa c a d e m i ch i s t o r yi s s i g n i f i c a n tt or e c o g n i z et h ec r i t i c a l r e v o l u t i o no fm o d e mb i o l o g yi nm i d 一2 0 t hc e n t u r yc o r r e c t l ya n da n a l y z et h er e a s o n s o fi t i na d d i t i o n ，t h ea n a l y s i so ft h i sh i s t o r yi sb e n e f i tt or e a l i z et h eh u m a nc o g n i t i v e p r o c e s so fn u c l e i ca c i d sa n du n d e r s t a n d i n gt h ei n h e r e n tl a wo fs c i e n t i f i cd i s c o v e r y b e t t e r b yu s i n gt h em e t h o do fd o c u m e n t a r y , w el o o kb a c ko nt h en u c l e i ca c i d sr e s e a r c h h i s t o r y i nt h ef i r s th a l fo ft h e2 0 t hc e n t u r ys y s t e m a t i c a l l y t h r o u g hah o s to f i n t e g r a t i o na n da n a l y s i s ，w et h i l l l ( t h i sh i s t o r yc a nb ed i v i d e di n t of o u rp a r t s ： 1 s t u d i e so nb a s i cc h e m i c a lc o m p o s i t i o no fn u c l e i ca c i d s 2 t h ed e t e r m i n a t i o no ft h eg e n e t i cm a t e r i a ln a t u r eo fn u c l e i ca c i d 3 t h ed i s c o v e r yo fd n ad o u b l eh e l i xs t r u c t u r e 4 s t u d i e so nn u c l e i ca c i dm e t a b o l i s mi nt h ef i r s th a l fo ft h e2 0 t hc e n t u r y b a s eo nt h e s e ，w ew o r km a i n l yf r o mt h ef o l l o w i n gf o u ra s p e c t sa n dd i s c u s sa n u m b e ro fp r o b l e m sa m o n ga b o v ep r e l i m i n a r i l y ： 1 t oa n a l y z es y s t e m a t i c a l l yt h ec o n t r i b u t i o nb yl e v e n e ，t h ef a m o u sn u c l e i ca c i d c h e m i s t ，o nt h en u c l e i ca c i d sr e s e a r c ha n dm a i n l yr e s e a r c ht h ec a u s e so ff o r m a t i o n a n di m p a c to ft e t r a n u c l e o t i d eh y p o t h e s i s 2 o nt h eb a s i so ft h er e s p e c t i v ec o m p a r i s o no fa v e r y st r a n s f o r m a t i o n ，g r i f f i t h s t r a n s f o r m a t i o n ，a n db a c t e r i o p h a g ei n v a s i o ne x p e r i m e n t ，w ed i s c u s st h ei m p o r t a n t m e a n i n go fa v e r y st r a n s f o r m a t i o n a i m i n ga tt h ef a c tt h a tt h er e s u l to fa v e r y s t r a n s f o r m a t i o nw a sn o tg i v e nt h ea t t e n t i o nr e q u i r e di nt h o s ee a r l yy e a r s ，w ea n a l y z e t h es u b j e c t i v ea n do b je c t i v er e a s o no fi ta n dd i s c u s s e ss o m ec o n t r o v e r s i a li s s u e s 3 w ec h o o s et h ec o o p e r a t i o nb e t w e e nc o m p e t i t o r si nt h ed i s c o v e r yo fd n a d o u b l e h e l i xs t r u c t u r ew h i c hi sr a r e l yc o n c e r n e da sr e s e a r c hs u b j e c t b a s e0 nt h ea n a l y s i sa n d d e m o n s t r a t i o no ft h er o l eo fc o o p e r a t i o ni nt h ec o m p e t i t i o ni nt h es e a r c hf o rd n a d o u b l eh e l i xs t r u c t u r e ，w ed i s c u s st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o m p e t i t i o na n d i i a b s t r a c t c o o p e r a t i o ni ns c i e n c ed i s c o v e r y 4 t h r o u g ht h et e n t a t i v ea n a l y s i so fn u c l e i ca c i dm e t a b o l i s mi nt h ef i r s th a l fo ft h e 2 0 t hc e n t u r y , w eg i v ei t sc h a r a c t e r i s t i c s ，s i g n i f i c a n c ea n dt h es t a t u si nt h en u c l e i c a c i d sr e s e a r c hh i s t o r y n l en u c l e i ca c i d sr e s e a r c hh i s t o r yi nt h ef i r s th a l fo ft h e2 0 t hc e n t u r yi sa r e s e a r c hf i e l dw h i c hi sn o tc o n s i d e r e dc r u c i a l t h ea b o v er e s e a r c h e sm a ys i m p l y s e r v ea sac a t a l y s t w eh o p et h a tn e w p r o b l e m s ，n e wd i s c u s s i o n sa n dn e wv i e w p o i n t s i nt h i sa r t i c l ec a nh a v eab e n e f i tt oc o r r e l a t i o ns t u i i v k e yw o r d s ：n u c l e i ca c i d s ，d e o x y r i b o n u c l e i ca c i d ，t e t r a n u c l e o t i d eh y p o t h e s i s ， g e n e t i cm a t e r i a l ，t r a n s f o r m i n gp r i n c i p l e ，d o u b l eh e l i xs t r u c t u r e ， n u c l e i ca c i dm e t a b o l i s m 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名： 毯鬈醒 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中 国学位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 忆忪开口保密( 年) 作者签名：蔓送豳导师签名： 签字日期： 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1选题背景及国内外研究概况 核酸是生物的遗传物质，在生命现象中扮演的角色至关重要。自2 0 世纪 5 0 年代分子生物学诞生以来，关于核酸研究史的科学史研究屡见不鲜。然而， 由于种种原因，相关研究鲜有涉及2 0 世纪上半叶的早期核酸研究状况。早期核 酸研究主要包括核酸基本化学组成的研究、核酸遗传物质本性的发现与确定、 d n a 双螺旋结构的发现以及核酸代谢的相关研究几个方面，对其进行系统的回 顾和研究具有重要的理论和现实意义。全面准确地了解2 0 世纪上半叶的核酸研 究史，对于准确认识和分析2 0 世纪的生物学革命具有不可忽视的重要意义，并 有助于人们以科学的态度对待重大发现。此外，对其中涉及到的关于学科交叉 促进科学新发现等内容的研究不仅有助于正确认识科学发现的历史背景，而且 对今天生命科学的研究仍然能够产生启示。 国内外有关2 0 世纪上半叶核酸研究工作的科学史研究文献相对较少。生物 学史著作论及该部分时也往往一笔带过，或是只谈其中一个方面，如w a l l a c e ( 1 9 9 2 ) 在著作中论述基因的发现过程。作者在文献调研中尚未发现整体性、 系统性的史学研究论著。由于双螺旋的发现影响巨大，人们习惯地将其作为论 述的中心，或以其为起点论述其后生物学的变化，可称为“双螺旋中心观”。 受其影响，双螺旋发现以前的核酸研究很少被提及。双螺旋的发现者沃森( 2 0 0 9 ) 和克里克( 1 9 9 4 ) 等人的著作和相关文章自然是围绕双螺旋来述评，基本不涉 及2 0 世纪上半叶的核酸研究。科学读物作家格里宾( 2 0 0 1 ) 和现代综合进化论 奠基人之一的迈尔( 1 9 8 5 ) 分别从量子力学以及生物学思想发展的角度对2 0 世 纪生物学革命进行了阐述，其中涉及核酸研究的部分颇具参考价值，主要包括 核酸的发现以及遗传物质化学本质的阐明等内容。曾任华盛顿大学现代科学史 中心主任的贾德森( 2 0 0 5 ) 在2 0 世纪6 0 年代通过亲身追踪采访1 3 0 多位引导 分子生物学革命的科学家而写成创世纪的第八天一书。该书内容翔实、资 料来源可靠，被公认为关于分子生物学历史的优秀教科书。其中涉及双螺旋发 现等部分的内容对本论题具有很高的参考价值。生物学史专家o l b y ( 2 0 0 3 ) 在 纪念双螺旋发现5 0 周年时曾撰文讨论双螺旋发现之初对生物学界造成的影响， 其中简要论及双螺旋发现之前的核酸研究，由于此部分内容并非文章的重点， 作者没有对其进行较深入的探讨。d a h m ( 2 0 0 5 ) 在纪念核酸发现者米歇尔的文 章中列出了有关d n a 研究的大事年表，并简要谈论了米歇尔以后的d n a 研究， 1 2 拟解决的主要问题及研究方法 文章述史成分较多，没有展开论述。与此同时，国内的诸多学术刊物上也发表 了大量纪念双螺旋发现5 0 周年的文章，但大多不涉及之前的核酸研究史。即使 涉及也只是泛泛而谈，缺乏广度和深度，有些还含有明显的史实性错误，如对 艾弗里转化实验过程的错误记述。值得一提的是，吴明( 2 0 0 8 ) 曾撰文论述d n a 的发现史。该文按时间顺序，从经典遗传学、化学、物理学等不同角度对d n a 的发现历程进行了生动的论述，其中暗含发现d n a 遗传物质本性的主线，颇 具新意，对本课题研究具有较高的参考价值。 1 2 拟解决的主要问题及研究方法 论文的主要研究内容包括以下4 个方面：( 1 ) 核酸基本化学组成的研究； ( 2 ) 核酸遗传物质本性的发现史；( 3 ) d n a 双螺旋结构的发现史；( 4 ) 2 0 世 纪上半叶核酸代谢研究史。在此基础上拟解决的主要问题有( 1 ) 列文对核酸化 学研究的贡献及“四核苷酸假说 提出的背景原因分析；( 2 ) 艾弗里转化实验 引发的思考；( 3 ) 双螺旋结构探寻者之间竞争中的合作；( 4 ) 2 0 世纪上半叶核 酸代谢研究概况及其在核酸研究史上的地位。预计在全面把握和深入理解的基 础上针对上述问题提出自己的观点，能够产生新思想、新见解，并进行有力的 论证。 论文拟采用的研究方法是文献法和比较法。首先以论题涉及的原始文献为 主要研究资料，在认真研读的基础上进行独立思考，初步形成自己的认识和观 点。而后，查阅相关的代表性研究文献，理解其主要观点并与之比较异同。对 涉及论题关键点的论证进行仔细分析，尽可能找出更多、更可靠的例证来证实 或证伪其论点。基于上述基础，结合论题相关内容进行深入思考，进一步总结 提炼出自己的观点。与此同时，筛选出可靠的论据，以便增强论证的说服力。 在研究过程中，对于论题涉及的两个相关重要事件( 如艾弗里转化实验与噬菌 体侵染实验) 采用比较法进行分析，通过对比说明它们与某一主题的关系。通 过相同性比较得出其内在一致性，通过相异性比较论证其各自的特殊性及其造 成特定结果的原因，从而得出结论。 论文的写作结构主要包括两大部分：2 0 世纪上半叶核酸研究回顾和基于回 顾的若干问题探析。第一部分包括4 小节，层次分明地对2 0 世纪上半叶核酸研 究史进行回顾和阐述。第二部分也是4 小节，内容上与第一部分相对应。每小 节有若干小标题，作为论述的分论点，确保对问题分析的深度。 2 第2 章2 0 世纪上半叶核酸研究回顾 第2 章2 0 世纪上半叶核酸研究回顾 2 1核酸基本化学组成的研究 与蛋白质、多糖和脂类等生物大分子相比，核酸的发现要晚得多。1 8 6 8 年 至1 8 6 9 年间( d a h m2 0 0 5 ) 2 7 6 瑞士青年科学家米歇尔( j o h a n nf r i e d r i c h m i e s c h e r ，1 8 4 4 1 8 9 5 ) 以外科诊所里被人抛弃的手术绷带上的脓细胞为研究材 料，从细胞核中提取出一种含磷量很高的酸性化合物( 先用胃蛋白酶和盐酸消 化脓细胞，再加入乙醚振荡过滤分离) ，根据此种化合物对胃蛋白酶的耐受性及 其溶解度性质，米歇尔判断它是一种新的细胞成分，将其命名为“核素 ( n u c l e i n ) ( 查伽夫等，1 9 6 3 ) 1 。当时，他正在德国著名化学家霍佩赛勒( f e l i x h o p p e s e y l e r ，1 8 2 5 。1 8 9 5 ) 的实验室从事生理化学的研究。霍佩赛勒对米歇尔 的发现感到很惊奇，将信将疑的他亲自做了实验，结果从酵母和其他细胞中也 分离得到了相似的物质。经过反复验证后，霍佩赛勒将米歇尔的论文( m i e s t h e r e ta 1 1 8 7 1 ) 及自己的证明论文连同一些补充论文( 他的另两个学生所作) 一并 发表在他主办的霍佩赛勒医学化学学报上，并指出，核素“可能在细胞发 育中发挥着极为重要的作用 ( m a y r1 9 8 5 ) 8 1 0 , 由此，米歇尔被公认为核酸的 第一个发现者，尽管当时并没有“核酸”这个名词。1 8 8 9 年，米歇尔的学生奥 尔特曼( r i c h a r da l t m a n n ，1 8 5 2 1 9 0 0 ) 发现构成细胞核的物质是一种富含磷的 酸性物质，故将核素改名核酸( n u c l e i ca c i d s ) ( d a h m2 0 0 5 ) 2 8 4 严格说起来米 歇尔最早发现并命名为核素的物质应该是核酸和蛋白质的复合物，即核蛋白。 米歇尔在1 8 6 9 年秋天离开了霍佩赛勒的实验室所在的蒂宾根大学去往莱 比锡工作，后又回到他的祖国瑞士( 崔桂芳，1 9 9 6 a ) 。他将莱茵河的鲑鱼精子 作为研究核素的材料，除分离得到高分子量的含磷酸性化合物( 即是后来称为 d n a 的物质) 外，还提取出一种碱性化合物并将其称为“鱼精蛋白” ( p r o t a m i n e ) 。借稀酸处理脱脂的精子即可抽出鱼精蛋白，残渣中则含核素。此 核素含有9 5 9 的磷，由分析结果可知与现在熟知的核酸相当( 查伽夫等， 1 9 6 3 ) z 。令人遗憾的是，米歇尔的关于核素的研究工作受到人们的批评，他们 或是认为核素“无非是一种不纯净的蛋白质物质”，或是觉得米歇尔的结果 “从化学观点来看有点儿含糊”，所谓酵母核素只是“被k 2 h p 0 4 和m g h p 0 4 污染的蛋白质而已”( p o r t u g a le t a l 1 9 7 7 ) 1 0 。 1 8 8 5 年细胞学家赫特维希( o s c a rh e r t w i g ，1 8 4 9 1 9 2 2 ) 提出核素可能负责 受精和传递遗传性状( m i r s k y1 9 6 8 ) 。他认为受精作用是一个物理化学和形态 3 2 1 核酸基本化学组成的研究 学的过程，与“活力 或“酵素”这些古老的模糊概念完全不同，反对将受精 看作是一种发酵过程。1 8 9 5 年遗传学家威尔逊( e d m u n db e e c h e rw i l s o n ， 1 8 5 6 1 9 3 9 ) 推测，染色质与核素是同一种物质，可作为遗传的物质基础( 玛格 纳，2 0 0 9 ) 3 6 0 。现在看来，这些推测都是十分有意义的。 2 0 世纪初，霍佩赛勒的学生，德国科学家科赛尔( a l b r e c h tk o s s e l ， 1 8 5 3 1 9 2 7 ) 对核酸的化学组分进行了进一步的研究( 金由辛，1 9 9 6 ) 。他先是 用特异性强的蛋白酶将与核酸结合的蛋白去除，以便获得高纯度的核酸，再将 其小心水解，得到一些含氮的小分子化合物。经过检测发现这些化合物是两种 类型的含氮碱基，他把它们分别称为嘌呤和嘧啶。科赛尔在研究来自胸腺和酵 母的核素时，还证明了有两种不同的核酸存在，分别叫做“胸腺核酸”和“酵 母核酸 ( 即现在的脱氧核糖核酸和核糖核酸) 。鉴于科赛尔在核酸化学研究领 域的出色成就，1 9 1 0 年他被授予诺贝尔医学奖。由于科赛尔认为决定染色体功 能的不是核酸，而是蛋白质，因此他在获奖后转而从事蛋白质的研究工作 ( k o s s e l1 9 6 7 ) 。 1 9 1 1 年，科赛尔的学生，俄裔美国化学家费伯斯列文( p h o e b u sa a r o n l e v e n e ，1 8 6 9 1 9 4 0 ) 从酵母和胸腺抽提所得核酸的水解产物中提取出一种d 五碳糖，将其称为“核糖”( r i b o s e ) 。后来证明d 核糖是构成核糖核酸的基本 成分。由于此发现，我们至今通常把含有核糖的核酸称为“核糖核酸 ，即 r n a 。1 9 2 9 年列文又发现2 脱氧d 核糖，它也是五碳糖，只是在糖环的2 位 上比核糖少了一个氧，其他部分则与核糖完全相同。由它作为基本成分的核酸 称为脱氧核糖核酸，也就是后来人所共知的d n a 。 2 0 世纪3 0 年代初，列文对核酸的化学组成有了较全面的认识。他经过多 年的核酸分解实验提出：一分子碱基( 嘌呤或嘧啶) 加上一分子核糖或脱氧核 糖组成一个核苷( n u c l e o s i d e ) ，核苷再加上一分子磷酸，组成一个核苷酸 ( n u c l e o t i d e ) ，连接顺序为碱基、核糖、磷酸。列文对核酸化学组成的正确认 识为核酸的深入研究奠定了基础。 可能由于列文所处的时代化学分析的方法不够精确，他的实验数据使他误 认为d n a 分子之中四种碱基( a t c g ) 的含量( 克分子数) 是相等的，进而提 出了一个假说：即d n a 分子是由这四种核苷酸( 所含碱基不同) 相互连接而 成的一个“四核苷酸 。由于后来证实了核酸是分子量很大的物质，此假说便 简单修正为：构成d n a 的基本单位不是单个的核苷酸，而是核苷酸按某种固 定顺序( 如a c g t ) 排列好的四个一组的所谓四核苷酸。 “四核苷酸假说( t e t r a n u c l e o t i d eh y p o t h e s i s ) 实际上已经否定了核酸作为 遗传物质的可能性，因为如此简单的重复结构的核酸难以储存复杂的生物遗传 4 2 2 核酸遗传物质本性的确定 信息。由于列文在当时核酸化学研究领域处于权威地位，以及受限于当时的实 验技术水平，“四核苷酸假说 统治了核酸研究领域达数十年之久，严重阻碍 了人们对d n a 生物学功能认识的进步( 李佩珊等，1 9 9 9 ) 2 5 2 , , 当时的遗传学 家为了探讨遗传物质及其信息传递，理所当然地将注意力转向染色质中的另一 种主要组分蛋白质，而核酸的研究则进入了相对停滞时期。 2 2 核酸遗传物质本性的确定 从科学思想史角度来看，遗传学的历史主要是遗传物质的认识史( 李佩珊 等，1 9 9 9 ) 2 9 5 。遗传物质的本性无疑是遗传学乃至整个生物学的核心问题。确 定d n a 是遗传物质的研究集中在2 0 世纪2 0 到4 0 年代，其中最具代表性的是 “三个实验 和“一个规则”。三个实验分别是格里菲斯的经典转化实验、艾 弗里的转化实验和赫尔希与蔡斯的噬菌体侵染实验，一个规则是著名的查伽夫 规则。这些重要发现使人们逐步认识到“四核苷酸假说”的错误和d n a 分子 结构的复杂性，从而将探索遗传物质的步履从蛋白质移回到d n a 的道路上。 1 9 2 8 年，英国细菌学家格里菲斯( f r e d e r i c kg r i f f i t h ，1 8 7 7 1 9 4 1 ) 发表了 肺炎球菌( p n e u m o c o c c u s ) 转化现象的实验结果( g r i f f i t h1 9 2 8 ) 。肺炎球菌是 一种常见的致病菌，大致分为粗糙品系( r 品系) 和光滑品系( s 品系) 两种 品系。r 品系细菌外部无荚膜包被，菌落粗糙，致病能力很弱，一般不引起感 染。s 品系细菌有荚膜( 主要成分为多糖) ，菌落光滑，不易被机体自身的防御 系统识别，因而致病力很强。根据其荚膜中多糖的种类又可分为若干类型：si 、 si i 、s 等。各种s 品系菌可以突变成为没有致病能力的r 品系菌，突变得到 的r 品系菌也可以发生回复突变，转变成相应的s 品系菌。对s 品系菌进行加 热，则可以使其死亡而丧失致病能力。他首先将s i i 型肺炎球菌进行离体培养， 有少量si i 型突变成为ri i 型。他分离出r i i 型菌，并与大量已被加热致死的s i i i 型菌混合注射到小鼠体内，通常认为这两种状态的肺炎球菌都不具备感染致病 能力。令人惊奇的事情出现了，小鼠居然被感染致死。经过解剖发现，被感染 的小鼠的血液中含有大量活的s i l l 细菌。格里菲斯认为，r i i 型菌从已被杀死的 s i l l 型菌中获得了产生荚膜的能力，从而产生了致病性。格里菲斯首次观察到了 遗传转化现象，这是一个极有意义的发现。令人遗憾的是他却没有关注造成此 现象的物质基础，也就失去了深入研究遗传物质本质的机会。格里菲斯的实验 被称为“经典转化实验”，它开辟了遗传学研究的一条新途经。 1 9 3 1 年，美国著名生化学家艾弗里( o s w a l d t h e o d o r e a v e r y ，1 8 7 7 - 1 9 5 5 ) 所在的纽约洛克菲勒研究所的研究小组设计了体外的细菌转化实验。他们在体 5 2 2 核酸遗传物质本性的确定 外培养r 品系肺炎球菌，然后向器皿中加入加热致死的s 品系茵，发现也能够 促成r 品系向s 品系菌的遗传转化现象的发生。不久又进一步发现将加热致死 的s 品系菌进行细胞破碎，用离心机除去细胞碎片后提取出的细胞内部物质( 无 细胞抽提物) 仍然能够促使转化现象的发生。这一系列的实验结果清晰显示了 细胞中的某种物质能够诱发遗传转化。虽然当时还不知这种物质究竟为何，只 是暂将其称为“转化因子( t r a n s f o r m i n gp r i n c i p l e ) ，但这已足以说明遗传学家 们在揭示生物遗传物质的研究道路上大大前进了一步。从1 9 3 4 年起，艾弗里与 另两位青年科学家开始投身寻找转化因子的研究。艾弗里的研究组采用了排除 法来寻找转化因子( 格里宾，2 0 0 1 ) 1 9 0 ，通过加入特定的试剂去除或破坏某类 物质，观察转化现象能否正常发生，以此推测该物质是转化因子的可能性。他 们提取出已死亡的s 品系肺炎球菌细胞中的能起转化作用的物质，再分别用蛋 白酶和多糖水解酶去处理，结果发现该物质的转化能力丝毫未受影响。由于在 转化物质的分离提取过程中使用了可以溶解脂肪的乙醇，基本可以作出判断： 转化因子不是蛋白质、多糖，也不是脂肪。这样的结果强烈暗示了转化因子是 核酸的可能性。艾弗里等人进一步提纯转化物质，对其成分进行化学分析，果 然发现其中含有磷。然而再用核糖核酸酶对其进行处理，转化能力仍然未受影 响。最后，他们惊奇地发现，加入脱氧核糖核酸酶后，转化物质的活性几乎完 全消失了。如此鲜明的实验结果让人不能不联想到转化因子就是d n a ，而且随 后多次的重复实验证明实验结果完全可靠。1 9 4 4 年，艾弗里、麦克劳德( c o l i n m u n r om a c l e o d ，1 9 0 9 1 9 7 2 ) 和麦卡蒂( m a c l y nm c c a r t y ，1 9 1 1 。2 0 0 5 ) 在实 验医学杂志( j o u r n a lo f e x p e r i m e n t a lm e d i c i n e ) 上发表题为关于引起肺炎球 菌发生转化的物质的化学性质的研究的论文，郑重宣布了他们多年实验得到 的结论：促使肺炎球菌发生遗传转化的物质是d n a ( a v e r ye ta 1 1 9 4 4 ) 。 科学的发展历程往往是曲折的，转变人们形成已久的观念是绝非易事。当 时学术界仍然是“四核苷酸假说 盛行，遗传学的主流观点认为蛋白质最可能 是遗传物质。艾弗里等人的论文刚一发表，就引来很多学者的质疑：认为他们 提纯的样品中不光含有d n a ，还很可能混有微量蛋白质在发挥转化作用。当时 甚至出现了这样一种观点：即使转化因子是d n a ，也未必能说明它遗传信息的 载体，而可能只是因为它对荚膜的形成有某种直接的化学效应( l e d e r b e r g 1 9 9 4 ) 。这一切因素综合作用，导致艾弗里等人的工作没有受到应有的重视。虽 然有一部分生化和遗传学家愿意接受d n a 是遗传物质的观点，但与其反对者 相比，仍然属于少数派。不过，生物学史权威o b l y ( 1 9 7 4 ) 2 0 5 的观点有所不同。 他通过例举具体事例企图证明多数人对艾弗里的实验结论表示接受。然而，事 实说明了一切，在强大的舆论面前，连艾弗里也犹豫了。他对自己研究组的提 6 2 2 核酸遗传物质本性的确定 纯技术没有十足的把握( 当时的化学分析技术还不能完全达到提纯d n a 的要 求) ，以致他本人也认为不排除遗传物质是附着在d n a 上的其他微量物质的可 能性。所以他在给他的弟弟细菌学家罗伊艾弗里( r o yc r o w d ya v e r y ， 1 8 8 5 1 9 7 1 ) 的书信中只是说“d n a 很可能是遗传物质( 贾德森，2 0 0 5 ) 1 5 - 1 6 ， 并且认为d n a 可能只在部分种类的生物体中充当遗传物质。艾弗里等人的开 创性工作揭示了遗传物质的本质，奠定了d n a 遗传学研究的基础，为生命遗 传信息的研究开辟了一条正确的道路。在全世界公认d n a 是遗传物质后不到 三年时间，艾弗里离开了人世。令人遗憾的是，由于艾弗里的研究成果在其生 前还没有被人们广泛接受，故未能获得理应属于他的诺贝尔奖。后来，诺贝尔 奖评奖委员会在谈到艾弗里的工作时不得不承认：“艾弗里于1 9 4 4 年关于d n a 携带遗传信息的发现代表了遗传学领域中一个最重要的成就，他没有获得诺贝 尔奖是很遗憾的。”( 利耶斯特兰德g ，1 9 8 1 ) 令人欣慰的是由于受到艾弗里 等人研究成果的影响，相当一批物理学家和生物学家已经悄然投入到d n a 的 研究中，为d n a 研究的突破奠定了基础。 美籍生物化学家查伽夫( e r w i nc h a r g a f f ，1 9 0 5 2 0 0 2 ) 认为艾弗里的论文启 发自己致力于核酸化学的研究( o b l y1 9 7 4 ) 2 1 1 他曾设想，如果不同的d n a 确实像艾弗里的论文中所提到的那样具有不同的活性，那么这些d n a 必然在 化学结构上不同( 玛格纳，2 0 0 9 ) 3 6 1 。他应用了第二次世界大战期间发明的紫 外分光光度技术、纸层析和离子交换层析等新技术来研究d n a ，对多种不同来 源( 小牛肝脏、脾脏和胸腺，以及人类精子，酵母和结核杆菌等) 的d n a 进 行了仔细的对比分析，结果显示它们的碱基组成比例各不相同。同时他还发现 来自同一物种的d n a 碱基组成的比例基本相同，能够反映出种属的特异性。 这些发现使他意识到d n a 分子中可能存在一种规则的结构( p o r t u g a le ta 1 1 9 7 7 ) 2 0 1 。1 9 5 0 年，查伽夫发表了总结性论文( c h a r g a f f1 9 5 0 a b ；c h a r g a f f e ta 1 1 9 5 0 c d ；z a m e n h o fe ta 1 1 9 5 0 ) ，揭示了一个现代生物学简单而重要的规律：在 d n a 分子中，嘌呤的总数( g + a ) 与嘧啶的总数( c + t ) 总是近似相等的，并 且腺嘌呤( a ) 的数量与胸腺嘧啶( t ) 的数量相等，鸟嘌呤( g ) 的数量与胞 嘧啶( c ) 的数量相等。这即是著名的查伽夫规则，也称为碱基配对规律。这 一规律对“四核苷酸假说 提出了有力的挑战，使人们重新思考核酸作为遗传 物质的可能性。虽然查伽夫的研究让许多人开始相信遗传物质是d n a ，但仍然 有相当数量的生化和遗传学家认为蛋白质是遗传物质的可能性更大，因为他们 难以摆脱“四核苷酸假说”的阴影，直至噬菌体侵染实验的结果公布于世。 1 9 4 4 年，著名的量子物理学家薛定谔( e r w i ns c h r s d i n g e r ，1 8 8 7 1 9 6 1 ) 的 生命是什么? 活细胞的物理观一书出版。尽管作者并不是一位生物学 7 2 2 核酸遗传物质本性的确定 家，但该书视野广阔、观点独到、分析精辟，在生物学界影响巨大，后来被称 为“分子生物学的汤姆叔叔的小屋”( 玛格纳，2 0 0 9 ”7 ；o b l y1 9 7 1 ) 。薛定谔 认为遗传和变异是生命的本质，物理学和化学应能帮助生物学解决遗传信息的 储存、传递、以及遗传物质如何自我复制等问题。他认为遗传性状很可能以密 码形式通过染色体来传递( 此观点与现代分子生物学观点基本一致) 。书中发展 了德尔布吕克关于基因如一个“非周期性结晶体的观点( 格里宾，2 0 0 1 ) 2 0 0 ， 认为基因是遗传信息的携带者，可能由无数个形态相似但同时存在微小差异的 重复单位串联而成，这些单位在排列上的连续性和非周期性如同莫尔斯电码， 由此决定它们具有编码遗传信息的功能。同时它们之间变化万千的排列组合顺 序则可能使其具有承载遗传信息的功能。这本书对当时涉及生命本质的遗传学 研究起到了不可估量的推动作用。多年后，d n a 双螺旋结构的三位发现者都承 认深受此书的影响( 格里宾，2 0 0 1 ) 2 0 2 ，可见它对当时的生物学尤其是遗传学 研究起到了很好的启示作用。这也充分反映了自然科学各学科之间内在的一致 性，对于认识学科交叉的必要性和可能性提供了有说服力的证据。由于受到此 书的影响，批优秀的物理学家投身生命科学的研究，这对于遗传物质的研究 以致d n a 双螺旋的结构的发现具有直接的推动作用。 2 0 世纪4 0 年代，噬菌体( b a c t e r i o p h a g e ) 的具体形态通过电子显微镜被人 们描绘出来。这种首次发现于1 9 1 5 年，命名于1 9 1 7 年的奇特生物，体积远小 于细菌，通过侵染寄生在细菌体内以表现生命特征。我们现在知道每个噬茵体 通常含有蛋白质外壳和内容物核酸( d n a 或r n a ) 。典型的噬菌体由头部( 内 容核酸) 、尾部两大部分组成，一般在尾部还含有鞘和尾丝。噬菌体通过尾丝附 着于细菌表面，用刺突在其细胞壁上穿孔，然后将头部包容的核酸( 遗传物质) 注入细菌细胞。噬菌体的遗传物质利用细菌体内的原料复制并表达自身的遗传 信息，组装出子代噬菌体，最后将细菌细胞破裂，释放出更多的个体去侵染其 他细菌。这个过程只需要很短的时间就可以完成，因而噬菌体的繁殖速度是极 快的，很适合用于遗传学，尤其是分子遗传学的研究( 吴明，2 0 0 8 ) 8 5 * 然而 在当时，人们虽然对噬菌体的外形和生活习性有了一定程度的了解，但完全不 清楚其遗传物质的化学本质。 著名的美国物理学家德尔布吕克( m a xd e l b r t l c k ，1 9 0 6 1 9 8 1 ) 是最早将噬 菌体用于遗传学研究的学者之一，是噬菌体遗传学的奠基人，也是著名的噬菌 体研究小组的主要领导者。以他为代表的信息学派为揭示遗传物质的化学本质 做出了许多具有重大意义的贡献( 傅杰青等，1 9 9 6 ) 。1 9 3 9 年，德尔布吕克与 埃利斯( e l l i s ) 合作研究了噬菌体的生活史，弄清了其增殖周期的三个阶段 ( d e l b r u c ke ta 1 1 9 3 9 ) 。1 9 4 6 年，他发现在被两个不同基因型的噬菌体同时侵 8 2 2 核酸遗传物质本性的确定 染的细菌中出现了遗传重组的噬菌体( d e l b r u c ke ta 1 1 9 4 6 ) ，这个现象有力地 证明了噬菌体与其它生物在遗传上具有一致性，再加上它繁殖速度极快的特点， 使其无可争议地成为研究遗传物质的最佳选择( s t e n t1 9 6 9 ) 。 受到艾弗里工作的影响，美国冷泉港的噬菌体研究小组对遗传物质的化学 本质进行了更加深入的研究( 吴明，1 9 8 1 ) ，他们设计了一系列实验，希望以此 确证问题的答案。噬菌体研究小组的成员赫尔希( a l f r e dd a yh e r s h e y ， 1 9 0 8 1 9 9 7 ) 和蔡斯( m a r t h ac o w l e sc h a s e ，1 9 2 7 2 0 0 3 ) 设计了著名的噬菌体侵 染实验，以同位素标记的t 2 噬菌体为实验材料，通过同位素示踪技术对其侵染 宿主细菌的过程进行研究。他们使用同位素3 5 s 和3 2 p 分别标记蛋白质和d n a ， 通过检测放射性标记很快发现噬菌体的头部壳为蛋白质而内容物为d n a 。当噬 菌体侵染细菌后，他们使用物理振荡( 当时使用了一个家用的韦林搅拌器，结 果非常理想) 加离心的方法将被侵染细菌表面的噬菌体残余物和细胞内部活性 成分分离，最终意外发现被侵染的细菌细胞内含有放射性标记的d n a 而细菌 表面的噬菌体残余物中含有放射性标记的蛋白质。这直观地表明，进入细菌内 部发生作用的是d n a 而非蛋白质。1 9 5 2 年，赫尔希和蔡斯公布了噬菌体侵染 实验的结果( h e r s h e ye ta 1 1 9 5 2 ) ，在学术界引起了轩然大波。这个实验无可争 议地证明了遗传物质的化学本质是d n a ，以致当时几乎所有生化学家和遗传学 家都承认了这个事实，放弃了遗传物质是蛋白质的观点，四核苷酸假说也被彻 底推翻了。这个实验对日后进行的d n a 结构研究具有非常重要的意义。当时， 实验结果直接寄给了日后d n a 双螺旋结构的发现者之一的沃森( 曾是噬菌体 研究小组的年轻成员) ，使他更加确信遗传物质是d n a 而非蛋白质，从而坚定 了探寻d n a 分子结构的信念( 沃森，2 0 0 9 ) 5 4 。 1 9 5 5 年，来自加州大学伯克利分校的德裔美籍生化学家弗兰克尔一康拉特 ( h e i n zl u d w i gf r a e n k e l 。c o n r a t ，1 9 1 0 1 9 9 9 ) 和生物物理学家威廉斯( r o b l e y c o o kw