DNA双螺旋结构的发现对人类发展的意义

科学技术史论文DNA双螺旋结构的发现对人类发展的意义系 别 生物与环境工程学院 专业班级 T08生物工程 姓 名 任闯 学 号 T0843118 日 期 2010年12月9日 DNA双螺旋结构的发现对人类发展的意义摘要DNA双螺旋结构的提出开始便开启了分子生物学时代，使遗传的研究深入到分子层次，“生命之谜”被打开，人们清楚地了解遗传信息的构成和传递的途径。1953年，沃森和克里克发现了DNA双螺旋的结构，开启了分子生物学时代，使遗传的研究深入到分子层次，“生命之谜”被打开，人们清楚地了解遗传信息的构成和传递的途径。在以后的近50年里，分子遗传学、分子免疫学、细胞生物学等新学科如雨后春笋般出现，一个又一个生命的奥秘从分子角度得到了更清晰的阐明，DNA重组技术更是为利用生物工程手段的研究和应用开辟了广阔的前景。 关键词：DNA 生命之谜 沃森和克里 目录序言1一、DNA双螺旋结构-简介2二、DNA双螺旋结构的确定2三、研究DNA双螺旋结构3四、创新3五、意义5六，我国DNA的发展5序言DNA双螺旋结构被发现后，极大地震动了学术界，启发了人们的思想。从此，人们立即以遗传学为中心开展了大量的分子生物学的研究。首先是围绕着4种碱基怎样排列组合进行编码才能表达出20种氨基酸为中心开展实验研究。1967年，遗传密码全部被破解，基因从而在DNA分子水平上得到新的概念。它表明：基因实际上就是DNA大分子中的一个片段，是控制生物性状的遗传物质的功能单位和结构单位。在这个单位片段上的许多核苷酸不是任意排列的，而是以有含意的密码顺序排列的。一定结构的DNA，可以控制合成相应结构的蛋白质。一：DNA双螺旋结构-简介1952年，奥地利裔美国生物化学家查伽夫（E.chargaff，1905 ）测定了DNA中4种碱基的含量发现其中腺膘呤与胸腺嘧啶的数量相等，胞嘧啶鸟膘呤的数量相等。这使沃森、克里克立即想到4种碱基之间存在着两两对应的关系，形成了腺膘呤与胸腺嘧啶配对、鸟膘呤与胞嘧啶配对的概念。1953年2月，沃森、克里克通过维尔金斯看到了在1951年11月富兰克林拍摄的一张十分漂亮的 DNA晶体X射线衍射照片，这一下激发了他们的灵感。他们不仅确认了DNA一定是螺旋结构，而且分析得出了螺旋参数。他们采用了富兰克琳和威尔金斯的判断，并加以补充：磷酸根在螺旋的外侧构成两条多核苷酸链的骨架，方向相反；碱基在螺旋内侧，两两对应。一连几天，沃森、克里克在他们的办公室里兴高采烈地用铁皮和铁丝搭建着模型。1953年2月28日，第一个DNA双螺旋结构的分子模型终于诞生了。二：DNA双螺旋结构的确定Rosalind Franklin（19201958）拍摄到的DNA晶体照片，为双螺旋结构的建立起到了决定性作用。但“科学玫瑰”没等到分享荣耀，在研究成果被承认之前就已凋谢。Franklin生于伦敦一个富有的犹太人家庭，15岁就立志要当科学家，但父亲并不支持她这样做。她早年毕业于剑桥大学，专业是物理化学。1945年，当获得博士学位之后，她前往法国学习X射线衍射技术。她深受法国同事的喜爱，有人评价她“从来没有见到法语讲得这么好的外国人。” 1951年，她回到英国，在剑桥大学国王学院取得了一个职位。那时人们已经知道了DNA可能是遗传物质，但是对于DNA的结构，以及它如何在生命活动中发挥作用的机制还不甚了解。就在这时，Franklin加入了研究DNA结构的行列，然而当时的环境相当不友善。她开始负责实验室的DNA项目时，有好几个月没有人干活。同事Wilkins不喜欢她进入自己的研究领域，但他在研究上却又离不开她。他把她看做搞技术的副手，她却认为自己与他地位同等，两人的私交恶劣到几乎不讲话。当时的剑桥，对女科学家的歧视处处存在，女性甚至不被准许在高级休息室里用午餐。她们无形中被排除在科学家间的联系网络之外，而这种联系对了解新的研究动态、交换新理念、触发灵感极为重要。 Franklin在法国学习的X射线衍射技术在研究中派上了用场。X射线是波长非常短的电磁波。医生通常用它来透视人体，而物理学家用它来分析晶体的结构。当X射线穿过晶体之后，会形成样一种特定的明暗交替的衍射图形。不同的晶体产生不同的衍射图样，仔细分析这种图形人们就能知道组成晶体的原子是如何排列的。Franklin精于此道，她成功地拍摄了DNA晶体的衍射照片。三：研究DNA双螺旋结构Watson和Crick也在剑桥大学卡文迪许实验室进行DNA结构的研究，Watson在美国本来是在微生物学家指导下从事噬菌体遗传学研究的，他们希望通过噬菌体来搞清楚基因如何控制生物的遗传。派他出国学习并没有生硬地规定课题，甚至他从一个国家的实验室到另一个国家的实验室也能得到导师的支持或谅解。当他听了Wilkins的学术报告，看到DNA的X射线衍射图片后，认定一旦搞清DNA的结构，就能了解基 因如何起作用。于是他不等批准，就决定先斩后奏从丹麦去伦敦学习X射线衍射技术了。至于Crick，他是个不拘小节又相当狂妄的聪明人，不太受“老板”Bragg欢迎，甚至一度有可能被炒尤鱼。但是，当因为学术问题引起的误会消除后，老板照样关心他的工作，在那篇划时代的论文写成后，Bragg认真修改并热情地写信向Nature推荐。这种现象在一个以学术为重的研究机构应该是正常的。人际关系对研究事业的干扰是轻微的。 Watson擅自选择，后来和Crick一起在那里做出划时代贡献的研究机构，在当时已经是一个闻名全球的单位英国剑桥大学卡文迪许实验室。这个实验室创立于1874年，麦克斯威尔、卢瑟福、玻尔等一批物理学大师都在这里工作过。创立至今，先后造就了近30位诺贝尔奖获得者。早在20世纪初，物理学家汤姆森领导这个实验室时，就形成了一个“TeaBreak”习惯，每天上午和下午，都有一个聚在一起喝茶的时间，有时是海阔天空的议论，有时是为某个具体实验设计的争论，不分长幼，不论地位，彼此可以毫无顾忌地展开辩论和批评。历史证明这种文化氛围确实有利于学术进步，所以这种习惯现在已经被国外许多大学和研究机构仿效，就连国际学术会议的日程安排中，这个节目也是必不可少的。近十几年来，国内个别大学和科研单位的领导人也在试图推广这种做法。如果能够长期坚持下去，必有收获。在卡文迪许实验室里，Watson遇到了物理学家Crick，又得到机会向Wilkins、Franklin等X射线衍射专家学习，还有包括著名蛋白质结构专家的儿子在内一批科学家和他经常交换各种信息和意见，又得到实验室主任Bragg等老一辈的指导和鼓励，这些都是他取得成就的重要因素。而直接导致Watson集中精力从事DNA结构研究的契机，则是他得到美国主管部门资助去参加在拿不勒斯召开的学术会议，在那里他看到了Wilkins的X射线衍射图片。 四：创新创新者必须破除迷信，敢于向权威挑战。1953年的Watson和Crick都是名不见经传的小人物，37岁的Crick连博士学位还没有得到。受到前人的影响，他们原来按照3股螺旋的思路进行了很长时间的工作，可是既构建不出合理模型，也遭到结晶学专家Franklin的强烈反对，结果使工作陷于僵局。在发现正确的双股螺旋结构前2个月，他们看到蛋白质结构权威Pauling一篇即将发表的关于DNA结构的论文，Pauling错误地确定为3股螺旋。Watson在认真考虑并向同事们请教后，决然地否定了权威的结论。正是在否定权威之后，他们加快了工作，在不到两个月内终于取得了后来震惊世界的成果。 两位年轻科学家没有迷信权威，而且敢于向权威挑战，这需要勇气，更需要严肃认真的实验工作和深厚的科学功底。在科学界经常遇到的是年轻人对权威无原则的屈服，甚至Watson在开始知道鲍林提出的是三螺旋模型的一刹那，也曾后悔几个月前放弃了自己按三螺旋思路进行的工作。不过他们没有从此打住，而是为了赢得时间，加快了工作。因为他们相信这是智者Pauling千虑之一失，很快本人就会发现错误并迅速得出正确结论。Wilkins在Franklin不知情的情况下给他们看了那张照片。根据照片，整日焦虑于DNA结构发现的Watson和Crick立即领悟到了现在已经成为众所周知的事实两条以磷酸为骨架的链相互缠绕形成了双螺旋结构，氢键把它们连结在一起。他们在1953年5月25日出版的英国Nature杂志上报告了这一发现。双螺旋结构显示出DNA分子在细胞分裂时能够自我复制，完善地解释了生命体要繁衍后代，物种要保持稳定，细胞内必须有遗传属性和复制能力的机制。这是生物学的一座里程碑，分子生物学时代的开端，怎样评价其重要性都不过分。 在1953年2月底，33岁的Franklin已经在日记中写道，DNA具有两条链的结构。这时她已经确认这个生物分子具有两种形式，链外面有磷酸根基团。1953年3月17日，当Franklin将研究结果整理成文打算发表时，发现Watson和Crick破解DNA结构的消息已经出现在新闻简报中。4月2日，Watson、Crick和Wilkins的文章送交Nature杂志，4月25日发表，接着他们在5月30日的Nature杂志上又发表了“DNA的遗传学意义”一文，更加详细地阐述了DNA双螺旋模型在功能上的意义。1953年初， Watson和Crick构建出DNA分子双螺旋结构模型，而此时Franklin对这一进展并不知情。她更不知道的是，Watson和Crick曾看过她拍摄的能验证DNA双螺旋结构的X射线晶体衍射照片，并由此获得了重要启发。 Franklin的贡献是毋庸置疑的：她分辨出了DNA的两种构型，并成功地拍摄了它的X射线衍射照片。Watson和Crick未经她的许可使用了这张照片，但她并不在意，反而为他们的发现感到高兴，还在Nature杂志上发表了一篇证实DNA双螺旋结构的文章。 Watson在1968年出版的双螺旋一书中坦承，“Franklin没有直接给我们她的数据”。而Crick在很多年后也承认，“她离真相只有两步”。目前，科技界对Franklin的工作给予较高评价，对Wilkins是否有资格分享发现DNA双螺旋结构的殊荣存在很大争论。 1962年，当Watson、Crick和Wilkins共同分享诺贝尔奖时，Franklin已经因长期接触放射性物质而患乳腺癌英年早逝。五：意义DNA双螺旋结构被发现后，极大地震动了学术界，启发了人们的思想。从此，人们立即以遗传学为中心开展了大量的分子生物学的研究。首先是围绕着4种碱基怎样排列组合进行编码才能表达出20种氨基酸为中心开展实验研究。1967年，遗传密码全部被破解，基因从而在DNA分子水平上得到新的概念。它表明：基因实际上就是DNA大分子中的一个片段，是控制生物性状的遗传物质的功能单位和结构单位。在这个单位片段上的许多核苷酸不是任意排列的，而是以有含意的密码顺序排列的。一定结构的DNA，可以控制合成相应结构的蛋白质。蛋白质是组成生物体的重要成分，生物体的性状主要是通过蛋白质来体现的。因此，基因对性状的控制是通过DNA控制蛋白质的合成来实现的。在此基础上相继产生了基因工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程等，这些生物技术的发展必将使人们利用生物规律造福于人类。现代生物学的发展，愈来愈显示出它将要上升为带头学科的趋势。六，我国DNA的发展1953年，自然杂志刊登了DNA双螺旋结构的论文后，全世界的目光都集中到了DNA这个小小的分子上。但是，我国的DNA发展可不是一般的缓慢，就像我国计算机的发展，到现在连自己的一点点技术核心都没有。而我国法医DNA技术的发展就更落后了，不过也取得了一些成果，在侦查破案中发挥了巨大的作用。在“七五”后期，从1987年起，我国正式立项对DNA指纹技术进行研究，经过两年的努力，至1989年我国首次把DNA指纹技术应用于办案，开始了我国 法医DNA检验的新时代。随着DNA指纹技术的不断应用，技术人员越来越感到其不能满足实际工作的需要，存在许多不足之处。“八五”期间，我国把解决法医DNA检验存在的疑难问题的研究列入重点攻关计划。在DNA指纹技术的研究中装备了国产化的多位点探针，建立了用非同位素标 记探针的方法检测DNA指纹技术;在利用PCR技术进行DNA检验的研究中建立了检测DNA扩增片段长度多态性的方法，用于一系列多态性位点的分析;在解 决毛发、指甲等特殊检材的检验上，建立了测定人类线粒体DNA序列多态性的方法。所有这些成果，扩大了DNA技术检验各种检材的能力，更加适合于实际检材 的需要，尤其是PCR检验方法的建立，使得DNA技术更有生命力，适合于推广应用。进入“九五”期间，我国法医DNA检验技术又有了新的发展，除了对一些疑难检材如骨骼等的检验进行研究外，商品化DNA检验试剂盒的出现，使DNA检验技 术更加规范和标准化，尤其是STR复合扩增技术的应用使DNA检验技术步入了新的阶段。在检测方法上，也从银染法人工染色、肉眼观察分析结果发展到荧光法 自动电泳收集、计算机分析结果，一次检验分析的STR多态性位点显著增多，最多的一次检验可达16个位点，大大提高了个体识别率，达到了同一认定的水平。经过十余年的刻苦攻关，法医DNA检验技术取得了丰硕的成果，DNA指纹技术正日趋被淘汰。目前，随着PCR多态性系统的大量增多，基于PCR方法进行的检验在个体识别率上显著提高，在我国使用DNA指纹进行办案的实验室也大大减少，该方法在案件鉴定中已基本被淘汰。STR是存在于人类基因组DNA中的一类具有长度多态性的DNA序列，其核心序列一般由26个碱基构成，不同数目的核心序列呈串联重复排列，而呈现出长 度多态性。一般认为，人类基因组DNA中平均每610kb就有一个STR位点，其多态性成为法医物证检验个人识别和亲子鉴定的丰富来源。与DNA指纹技 术相比，基于PCR技术的STR多态性分型在操作上要简便得多，在灵敏度上要高得多，在检验降解DNA的能力上要强得多，在结果分析上要标准得多。同时， 由于STR的扩增片段较短、扩增条件类