纪念DNA双螺旋结构模型正式发表50周年——DNA与遗传学(中国科学院)

纪念DNA双螺旋结构模型正式发表50周年——DNA与遗传学
《科技日报》     作者：赵寿元

编者按:今年4月25日，是美国科学家J·沃森和英国科学家F·克里克合作提出DNA双螺旋结构模型并正式发表50周年。正是这一重大发现，揭开了生命科学的新篇章。为普及生物学知识，推动现代生物技术及其产业化的发展，本报从今天起发表系列文章，以纪念这个科学史上具有深远意义的事件。
1953年4月25日出版的英国《自然》杂志刊登了三篇有关DNA分子结构的论文。第一篇是沃森和克里克的《核酸的分子结构———脱氧核糖核酸的结构》，在这不到两页的短文中，提出了DNA分子的双螺旋结构模型。另外两篇则是威尔金斯、斯托克斯和威尔逊合写的《脱氧戊糖核酸的分子结构》以及弗兰克林和她的学生戈斯林署名的《胸腺核酸钠的分子构象》，各自发表了DNA螺旋结构的X光衍射照片及数据分析。九年后，沃森和克里克以及威尔金斯因对发现DNA双螺旋结构做出的卓越贡献而获得诺贝尔奖。
DNA分子结构的发现，在当年并未引起很大的轰动，用科学史家奥尔贝的话来说是“双螺旋悄然登场亮相”。英国只有一家全国性的报纸《新闻纪事》在1953年5月15日头版报道了这一消息，用了一个非常醒目和富有想像力的标题：“你为什么是你———逼近生命的奥秘”，引述了凯文迪许实验室主任布拉格的评价，指出“这是发现了使眼睛颜色、鼻子形状乃至智力等遗传特性世代相传的一种化学物质的结构”，“这是开辟了研究生命奥秘的一个全新领域”，并且预言“要发现这些‘化学扑克’如何洗牌和配对，够科学家再忙乎五十年”。
预言得到应验。沃森和克里克以DNA双螺旋模型中四种碱基配对(腺嘌呤同胸腺嘧啶配对，鸟嘌呤同胞嘧啶配对)的原则，揭示了“遗传物质复制的可能机制”，回答了DNA如何在遗传信息的复制和传递过程中起作用。在解决这个有关生命本质的最基本问题之一以后，关于DNA的结构和功能的研究如同春雨润土，渗入并滋养着包括遗传学在内的生命科学领域中各个学科，使研究思路、方法和技术发生了根本性的变革。人们开始从DNA水平上来考察绚丽多彩的生命现象的由来，从中寻找出作为复杂多样性基础的简明的同一性，从而开创了分子生物学的新时代。
DNA是遗传物质，DNA构成的遗传密码决定着蛋白质分子的合成，地球上所有的生物，从简单的病毒到包括人类在内的哺乳动物用的都是同一个密码本。这为生物起源于一个共同祖先的进化学说提供了又一有力佐证。DNA构成了基因，DNA序列改变就造成基因突变，最后改变了生物的某些性状。在自然选择压力下，有些变异保留下来，有些则被淘汰，生物由此开始趋异分化，最终导致新种的形成。DNA记录了基因和生物嬗变演替的轨迹，由此可追溯生命的起源和物种间的亲疏关系，打开了探究生命本质的大门。
DNA承载的遗传信息最终要转化为性状。在人类，几千种遗传性疾病、癌症、心血管病等无不同DNA有关。DNA的研究，使医学首先对病因的认识发生根本性的转变；基因的克隆，分析和转移表达则为药物设计以及基因诊断和治疗提供了有用的工具。同样地，动植物的分子育种、体细胞工程和生物工程的崛起，无一不是DNA结构和功能研究结出的硕果。
DNA还渗入了社会人文科学领域和人们的日常生活。“DNA指纹”是亲子鉴定和识别罪犯的有力证据；DNA包含的个人遗传信息的隐私权，同商业、法律、婚姻等息息相关。生殖细胞的基因治疗、由哺乳动物体细胞克隆联想到人的克隆、胚胎干细胞的研究与应用等，更是引发了伦理学的争议。
年年都有重大的科学发现，可是很少有像DNA分子那样不仅在过去五十年间始终成为人们关注的焦点，而且在今后仍将是如此。这是因为DNA催生的基因组研究，将着力解决困惑当今科学家的一个难题：DNA所包含的遗传信息是如何转化为生物体的表型？这里涉及在DNA层面上与环境相互作用的具体过程和细节。这就要求科学家在错综复杂、相互交织的基因表达调控通路中，在基因组的背景下理清彼此间的关系，使呈现出清晰的网络架构。从而为阐明发育过程和脑的功能奠定坚实基础。此外，DNA仍将是医学、制药和分子育种所需遗传信息的来源。而且纳米工程、信息科学等也要用DNA作为研究对象。
正如英国《自然》杂志为纪念DNA双螺旋模型发表五十年而在今年1月23日出版的一期增刊中有人说的，DNA双螺旋的图片就像是一幅“科学的蒙娜·丽莎肖像”，“铭刻在科学、艺术、音乐、电影、建筑和广告”等各个方面；而要穷尽DNA所蕴藏的所有“潜在利益”，还得再花上五十年。
DNA是一个“不朽的分子”，这决非溢美过誉之词。
为此，各国学术界都有纪念DNA双螺旋模型发现五十周年的活动。沃森也已应中国遗传学会之邀将在今秋访问我国，届时必有一番盛况。现在谨就个人的感受谈几点想法：
一、遗传学要在多学科的交叉和互动中发展
DNA双螺旋结构的发现，正是物理学、化学介入生物学的结果。在生物学方面，决定生物性状的遗传因子———基因，从抽象的符号到推测为“有机的化学实体”，最终确定为DNA分子。在物理学方面，二十世纪三十年代以后，一批物理学家怀着两个目的进入了生物学领域：现有的物理学定律能否解释生命现象？能否从生命现象中找到新的物理学定律？1937年起，他们开始研究噬菌体的复制，因为噬菌体只有核酸和蛋白质，没有高等生物复杂的遗传系统但照样能复制遗传信息，而复制正是生命的基本属性。经过“噬菌体小组”课程学习的沃森，同从事生物大分子结构X光衍射分子研究的晶体学家克里克合作，物理学家解决了生物学家提出的问题，生物学家赋予物质结构以生物学意义。物理学和生物学的结合，信息与结构的结合，引发了生命科学的一场革命。
遗传学与物理、化学、数学和工程科学，以及遗传学同生命科学领域中其他学科的结合和互动，则是遗传学发展的动力。
二、给基础研究以更大的空间和关注
自然科学基础研究，实质上就是认识和阐明某种自然现象的本质，研究的具体课题应该是探索逐个解决认识过程中的一些模糊问题，不一定非得要有应用前景为前提。遗传学史上孟德尔研究豌豆杂交，摩尔根观察果蝇的眼色和翅形，沃森和克里克解析DNA的结构，谁也不是预见到了这些研究会产生如此巨大的经济效应和社会效益才去研究的。
三、审慎地排除非自然科学因素对自然科学研究的干扰
在纪念DNA双螺旋发现五十周年时，人们不由地会联想到遗传学在我国的坎坷经历。1953年，在“唯心的”、“反动的”、“资产阶级伪科学”的帽子下，传统遗传学的教学和科研在我国绝迹。1973年重组DNA问世时，我国还处在“文化大革命”的动荡中。以后也或多或少受到过干扰。一些非自然科学的因素往往会干扰自然科学的顺利发展。在遗传学同人们生活密切相关的今天，在许多方面涉及到科学与伦理的关系。伦理是道德的同义词，也是处理人的关系所应遵循的道德和准则，道德是一种社会意识形态，不同时代、不同社会、不同文化背景和不同阶层的人不会持同一的道德标准；因此，在处理生命科学中的伦理问题时，不制订一定的规范与准则是不行的，但一味强调与国际接轨也是不可取的。政治、社会以及伦理等应该是促进和保护科学发展的因素。当然，真正的科学是不可能被埋没的，更遑论禁止和扼杀。即使一时一地遭遇挫折，最后终将闪烁其光芒，科学史上这样的事例还少吗？
四、历史是由事实而不是由名声铸就的
1953年，诺贝尔奖得主化学家莱斯特·鲍林同罗伯特·科里合作提出DNA应该是三螺旋的假说。可是，当时默默无名的两个年青人仍照样创建出DNA结构的双螺旋模型而名留青史。同样地，写弗兰克林传记的作家勃林达·马道克斯在今年的纪念文章中重又提及沃森和克里克的成功，不仅是由于他们具有敏锐的洞察力和彼此间的默契，而且是建立在“弗兰克林未发表的实验证据的基础上”，而这些证据却是他们“通过非常规途径获得的”。科学史上的这一桩公案，历史想必也会有个公正的了断。