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二十世纪生物学的“分子革命”


□ 傅 扬

  根据库恩的“科学革命”理论,生物学家亚当·威尔金斯(Adam Wilkins)认为科学革命在生物学中从未发生【1】。伯克利加州大学的斯托曼(R.C. Strohman)也写论文预测到:对沃森--克里克时代分子基因决定论产生挑战的复杂性和渐成说理论才将是生物学中的库恩革命【2】。但20世纪40到60年代期间,分子生物学确实从生物化学和遗传学的根基上诞生并发展起来,生物学进入到了分子生物学时代。本文借用“分子革命”一词,欲在梳理这一时期分子生物学中产生的重大突破和变革。
  
  一、分子生物学的诞生
  
  1938年,数学家沃伦·韦弗在一份支持生物学研究的文件中首次使用了“分子生物学”一词。而后的1950年,英国生物大分子晶体分析学家阿斯特伯里(W.T.Astbury),以“分子生物学”为题在美国的哈佛大学作了公开讲演,这被认为是分子生物学的首次提出。分子生物学的是建立在上的,20世纪40年代是分子生物学的诞生时期。物理学家、生化学家、遗传学家和微生物学家投身于生命科学领域中合作。沿着两条路线进行研究,一派是以英国的阿斯特伯里等为代表的结构学派,他们主要用x射线衍射技术研究蛋白质和核酸的空间结构,认为只有搞清生物大分子的三维结构,才能阐明生命活动的本质。另一学派是遗传和一维的信息学派,以德国的原子物理学家M.德尔布里克为代表,他后来来到美国摩根的遗传学实验室,以噬菌体为研究对象,把噬菌体看成为最小的遗传单位,研究其遗传信息的表达和调控,所以这一派也称为噬菌体研究组。
  1941年,曾在摩尔根实验室工作过的美国遗传学家乔治·比德尔和美国生物化学家爱德华·塔特姆用粗糙链孢霉(Neurospora)为材料,用X射线诱发多种营养缺陷型突变体,并进一步研究这些突变特性在遗传上的传递规律,从而提出出“一个基因一种酶”的假说,把生物化学引进了遗传学,也是分子生物学的第一个主要的发现。他们因此共享了1958年的诺贝尔奖。为了研究基因的化学本质,美国的奥斯瓦德·艾弗里和他的助手设计实验证明了使肺炎双球菌由粗糙型转成为光滑型的转化因子是DNA,成果发表在1944的《实验医学杂志》上。但艾弗里的发现被广泛传播却未能产生重要的影响,对于谨慎的诺贝尔奖委员会来说更是如此,他则被认为是分子生物学领域里的孟德尔。对这一现象的解释是他的论文没有被大量懂得这些发现的遗传学家所阅读,《实验医学杂志》主要是针对生理学家和病理学家的,而不是研究蛋白质的生物化学家和遗传学家的。另外,这篇论文没有强调其最终结果的重要性,艾弗里当时已经67岁,小心翼翼是他典型的性格特征[3]。直到随后1952年,噬菌体学派的赫尔希和蔡斯做了“搅拌器”或“韦林氏搅拌器”实验,这也是分子生物学领域用放射性同位素标记过的分子所做的首批实验之一[4]。发现只有噬菌体的DNA被“注射”到细菌体内去并在其中繁殖,而蛋白质则留在细胞之外。进一步证明了遗传的物质基础是DNA而不是蛋白质。此时艾弗里“革命性”的研究成果被科学界认可了,因为8年前被分子生物学科学共同体普遍接受的还是核酸不具有专一性,只是与遗传专一性有关的蛋白质的支撑材料或是与能量有关。赫尔希-蔡斯实验所获得的影响力还主要得益于噬菌体研究组的声望及其创始人德布里克个人的研究方法和感召力。他为生物学研究引如了一种新的风格,即他在早年加盟哥本哈根的尼尔斯·玻尔研究组时被影响的那种没有等级制度,自由辩论和工作与娱乐紧密相连的氛围[5]。相较而言,艾弗里所受过的训练和个人气质使其更适于解决具体问题,不是计划长期性的研究项目[6]。艾弗里实验与赫尔希、蔡斯实验的不一致性说明了一个科学实验本身并不具有内在价值:只有当它成为一个理论、实验和社会框架中的一部分时在能算数[7]。从这种意义上来讲,艾弗里正是自孟德尔以来传统生物学生物学的基因论处于危机时的那首批科学家之一。
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摘自:新学术 2009年第01期  
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