冰山上的来客
探索生命的奥秘 研究细胞及生命的起源，也许是最令人神往的科学探索之一。然而，甚至不久以前人们还认为，进行这项研究的各门科学已经濒临山穷水尽之地，医学、生物化学、生物学等原地踏步，难以进展。为了推动这项重要研究取得进展，各学科的研究人员必须通力合作。柏林自由大学的埃德曼教授发起并领导了这项多学科合作的研究项目。 在埃德曼教授的示意图表中，有一个组合名字频频出现，这就是核糖分子式5SrRNA。这个分子式的图解，样子好象一只正在滴水的水龙头。这就是忧核、优裂殖菌和原生菌核糖5SrRNA的二次结构模型。而埃德曼教授的科研小组主要课题正是5SrRNA，它究竟是怎么－回事？ 生物细胞的结构与功能。 在人体血液循环过程中，细胞获得某种物质，而核糖则从这些物质中制造出身体所需的蛋白质。细胞的构成与实施功能主要靠蛋白质，而蛋白质分子的构造形态则是储存在细胞中的脱氧核糖枝酸里的。这一基因信息首先被看成信使核糖核酸，然后又游移向核糖，它们先向蛋白质工厂提供细胞。蛋白质细胞的基本结构是氨基酸，其中有20多种不同的氨基酸结构已为人们所知。与此相反，脱氧核糖核酸的分子和信使核糖核酸的分子却仅有4种不同的基本结构。这些基本的结构作为典型的三位组合（密码子），含有某些氨基酸的密码，即有－种密码代表一种氨基酸的密码信息。核糖的任务就是首先将这些基本结构用化学方法联结起来，而组成蛋白质分子。在所有生物的细胞中，这些反应步骤都会多少出现，只是方式有所不同而已。 由于上述蛋白质的组合要求以极高的准确程度进行，因此，核糖的结构上也是极为复杂的。即使是简单的菌类，其核糖也由大约55个不同的蛋白质分子和3种不同的核糖核酸组成。所有生物的核糖中，普遍存在有一种核糖酸，即核糖5Sr一RNA，它“仅仅”含有120个基本结构。每个基本结构的排列顺序中的微小差异都表明每4个基本结构的排列顺序中的微小差异，也表明每个细胞处于何种发展阶段，并说明它与其它生物的某一个细胞有着血缘关系。 细胞本身是如何形成的 埃德曼教授和他的助手们运用先进的计算机系统来分析核糖核酸基本结构的排列顺序，并且将储存在脱氧核糖核酸中的部分人工合成在一起。专家甚至与欧洲其它国家和美国的大型计算机联网，以便取得更加精确的数据。关键问题在于，如果说一切生物最终是由细胞组成的，细胞是生命的基础，那么，细胞本身又是如何形成的呢？关于这个问题，科学家们持有两种截然不同的理论，其一便是细胞形成假说。直到几年前，这种理论仍被认为是基本正确的。这种理论认为，在长达数亿年的时间里，比较高级的细胞正是从细菌细胞演变而来，由于细胞内部的区别而变得日益复杂起来。 第二种观点被多数专家否认，而坚持孩理论的人近百年来甚至被讥讽为幻想家。这种观点认为，在生物进化过程中，若干个细胞组合为比较高级的细胞，即形成所谓细胞内部的生命规律。比较高级的细胞乃是互相依存的生命群体。 科学家们通过研究，戏剧性地澄清了这一难题。起初，人们还对细胞内部生命规律学的细胞假说提出过许多反面论证，当时以为细胞的这种形成假说似乎是不可能的。然而，后来却发生了一次具有重要意义的试验性突破，即人们可以对氨基酸的排列顺序进行分析。在试验过程中，首先确定了细胞的原始结构，即4个可能的基本结构（核昔酸）的组合。科学家们发现，是否符合这种基本结构排列顺序，可以作为衡量有机物质之间是否存在血缘关系的标准。此外，人们还发现，优核细胞中所出现的细胞器（线粒体和叶绿体）竟然与某些菌类有着血缘关系，即它们皆起源于菌类。因此可以说，核糖核酸的排列顺序的分析，显然对举世公认的细胞内部生命规律学关于细胞的假说作出了贡献。 按照这一理论，一个较高级的细胞至少由2个或者4个裂殖菌所组成。也就是说，－个可以发酵的寄主细菌能够吸收将运动机制带入细胞的鞭毛裂殖菌。然后，再增加具有呼吸功能的裂殖菌，由此便产生了今天细胞中的线粒体。植物细胞则还要吸收具有光合作用的裂殖菌，从而形成细胞中的叶绿体。 一细胞内部生物学”的建立与发展在数百万年的进化过程中，细胞里以前独立的裂殖菌转变为小器官，这些小器官又将其大部分遗传特性转移给细胞核，进而使细胞核成为细胞中重要的协调者，即比较高级的细胞并不是作为整体而形成的新的统一体。这一认识的重大意义在于，它证实了所有生物，最终是由裂殖菌及其前身组合形成的。这种组合显然是在地球上还未存在多细胞生物时发生的。 与菌类细胞相比，这种新的统一体具有决定性的优点，即一个细胞内部的各种新陈代谢形式由细胞膜相互隔离，因此发酵、呼吸、光合作用等过程可以同时进行。而在普通茵类中，某个时间往往能进行一种新陈代谢过程。 生物学家施维姆勒教授为”细胞内部生物学”的建立和发展奠定了基础，并且为“细胞内部生命规律学”的细胞理论的突破性进展作出了重大贡献。施维姆勒教授指出：“这样 生物学可以解释其最小的结构成分了。我们试图在此基础上建立其一个至今未有的生物序列体系。人们可以在核糖核酸与脱核糖核酸基本结构排列顺序的基础上，将各种各样的细胞类型排列成一个合理的体系。每个被吸收入细胞的裂殖菌都带有其自身的蛋白质组合机制。我们认为，这一共生过程仍在继续，今天的细胞还在吸收着裂殖菌，并组成着小器官。 科学家们关注着细胞学研究的进展，而施维姆勒教授正在从完全不同的角度进行着研究。他发现过一种昆虫---小禅，它由一个寄主细胞组成，而它所吸收的裂殖菌则作为共生生物。在长期发展过程中，两个单一细胞的物质竟然如此相互适应，以至到了一个个体在失去另一个个体的情况下无法存活的程度。 施维姆勒教授指出，“以小蝉为例，我们可以从活生生的物体上观察到这种共生现象是如何进行的。生活在小蝉系统的裂殖菌估计已有2亿多年了，它逐渐失去了脱氧核糖核酸。目前我们尚不清楚裂殖菌的脱氧核糖核酸是简单丧失了呢，还是已经进入了小禅的细胞核中去了。在没有共生现象的蛋卵中，只能形成头—脑胚胎，但却缺少尾部。这表明，寄主细胞如果与裂殖菌的遗传信息共生的话，它就可变成一个小器官。”在谈到每个研究领域的相互渗透时，埃德曼教授说：我们希望建立一种模型体系，从而在分析核酸德基础上，对细胞内部生命规律德基础上，对细胞内部生命规律德起源加以排列划分利用这个可能性，能够将整个世界划分为3个“王国”：其一为细胞核体系，其二为不包括细胞核德其他体系。然而，通过对核酸德进一步研究，我们发现对不包括细胞核德其他体系，还可划分成原本裂殖菌和优裂殖菌，后者则是正常的。目前尚存的裂殖菌、原本裂殖菌往往生存在极端条件之下，例如PH值很高或很低的情况下，含盐浓度或者含酸浓度很高的状况下。也许人们以为，科学家的认识固然十分有趣，可它对人类又有什么实际意义呢？然而，正如施维姆勒教授的试验所证实的那样，表面现象往往是极不可靠的。他说：“这一基础研究将对应用科学产生非同寻常的影响。甚至可以用来对付恶魔般的癌症。因为我们认为只有对细胞中的分子过程进行全面研究，才能理解癌症的形成机理。而首要的问题是应该弄清基本的过程与联系。” 
毫无疑问，生命科学与化学有着密不可分的联系，我甚至认为生命科学就是用化学来解释生命。然而，仅仅知道一种物质的化学成分是远远不够的，结构才是其功能的基础。我们知道，构成元素相同的物质，由于结构不同，可能在功能上就相去甚远：左、右旋光物质的不同生理作用就是一个很好的例子。但是，我们不能孤立地来阐述生命科学与结构化学的关系，也就是说不能把生命科学看成一块，再把结构化学看成另一块，然后再说明他们间千丝万缕的联系；我认为，结构化学与生命科学是揉合在一起的，很多结构化学家在生命科学领域就有不凡的建树。鲍林就是以化学向生物学渗透的先驱者，他不仅进行了大分子研究，还对镰刀形细胞贫血分子病和大脑化学进行了大量的研究。然而我认为，最能体现结构化学与生命科学揉合一体的历史故事，就是鲍林与沃森和克里克关于DNA结构之争。在这个过程中，我们无法定义他们到底是化学家还是生物学家。而且，结构化学的知识不仅为他们建立模型提供了理论支持，而且在帮助他们判别真理与谬误、为他们的结论提供事实支持等方面起到了至关重要的作用。从这个故事中我们不仅可以看出，解决DNA结构这个世界性的生命科学课题，是许多化学家、物理学家、晶体学家、生化学家共同努力的结果，而且能受到许多在科学研究上的启发。在多学科交叉渗透的今天，我们更不能仅仅只重视专业课的学习，必须同时汲取其他学科的知识，为将来的研究打下基础。在一九二四年以前，没有一个人真正懂得DNA的重要性。但就在那一年，科学家罗伯特·福尔根发现了一种方法能将DNA染成淡紫色。在这种方法的帮助下，科学家们发现DNA仅存在于细胞核中。到了一九三一年，科学家乔基姆·哈默林用实验证明了植物长成什么样子完全取决于细胞核。随后的一切实验事实都表明，发出遗传信息的正是细胞核里的DNA。于是，在美洲和欧、亚、非三洲各试验室里的人们都开始研究这个问题。在美国，著名的化学家莱纳斯·鲍林开始了对DNA的研究。在剑桥大学的卡文迪斯实验室里，英国人弗朗西斯·克里克和美国人詹姆斯·沃森也着手进行对奇异的DNA结构的探索。这是一场用结构化学来解释生命科学的竞赛，也是“一个远方传奇大力士被两个无名小卒砍倒的故事”。虽然我们已经知道了这场竞赛的结果，但我认为，这一探索的过程更让人留下深刻的印象。我将双方的研究进行了一些对比，确实从中学到了一些东西，希望和大家一起探讨。一、双方的开端：当时的鲍林已经是化学界的“权威”，他致力于蛋白质的研究。1951年夏天，鲍林开始深入研究有关DNA的材料，并常常找人讨论。他认为，与蛋白质相比，弄清DNA的结构不会很难，“这算不上一个最为紧迫的问题”。DNA在重量上是染色体的一种重要成分，但蛋白质也一样。大多数学者认为，蛋白质部分最有可能包含着遗传的信息。相对而言，DNA似乎就比较简单了，它很可能只是一种结构性的成分，只是用来帮助染色体折叠和打开的。鲍林就这样认为。在1952年初，几乎所有重要的遗传学学者都持这一种观点。我们可以看看后来鲍林自己的话：“我以前就知道DNA是一种遗传物质的论点，然而我没有接受这一论点。你们知道，那时我正热衷于蛋白质的研究，我认为蛋白质最有可能是遗传物质，不可能是核酸 当然，核酸也有作用。在我著述的有关核酸的文字材料中，我总会提到核蛋白的概念。当时，我考虑得更多的是蛋白质，而不是核酸。”虽然如此，鲍林还是着手研究DNA的结构。此时，他需要清晰的DNA X光照片，他曾先后写信给相片持有者物理学家威尔金斯（英国）及其上司，但均遭拒绝。1951年11月，《美国化学学会学报》上刊登了一篇论述DNA结构的文章。鲍林据其深厚的结构化学基础，一下子就看出这篇文章的结果是错的；同时，此事刺激了他开始思考DNA是如何构筑起来的问题。鲍林设想，如果碱基朝外，那么螺旋的内核就应当是由磷酸堆积起来的。磷酸聚集在中间，碱基朝外，这与X射线的资料是“吻合”的。在鲍林的头脑中，DNA结构的问题就已经转化为如何将磷酸堆积在一起的问题了。我们现在知道，鲍林的这一开端是错的，并最终使他败给了沃森和克里克。另外还必须一提的是，鲍林对DNA研究总是被各种事务打断，使他曾多次中断自己的思路。是否是因为鲍林没能看到威尔金斯的相片而导致他的失败呢？暂且不回答这个问题，我们先来看看沃森和克里克是如何开始的。在战争期间，克里克原来是从事武器方面研究的。后来他决定研究生物。于是他到剑桥大学学习分子学。至于沃森，他本来就一直在研究DNA。他到剑桥大学是为了对此作进一步的研究。他们都是热心探索的人。“沃·克组合”相对于鲍林的地位可以说是“一个在天，一个在地”，他们并没有引起人们多大的重视，也没有引起鲍林的注意。他们就凭着一股劲和对目标的执着追求开始了他们的研究。还必须提到的是另外两位对他们的成功起着至关重要的作用的人：一位是上文提到的物理学家威尔金斯，另一位是青年女晶体学家罗莎琳德·富兰克林。他们拍出了非常漂亮的DNA X光照片，不仅启发了沃森和克里克，而且为他们的发现提供了佐证。鲍林颇为自信，感到自己有能力解开DNA之谜。唯一的问题是，会不会有人抢先取得胜果，但是，他不会把这一点真正放在心上。他认为威尔金斯和富兰克林两人(更不用说沃森和克里克了)，没有谁有足够的化学基础对鲍林产生严重的威胁。二、对对手的不同看法：鲍林是自负的，他不相信有人能够在他之前发现DNA的结构，特别是他认为没有人有他那样深厚的化学功底。他“知道”， 沃森是一个好学生，但因成绩还不够突出，因而他到加州理工学院当研究生的申请未被批准。克里克已经三十五六岁了，还在读研究生，年龄是大了一些。况且，卡迪文斯实验室的科学家们至今尚未在任何竞赛中打败过鲍林。甚至有人认为，沃森和克里克看上去就像是一对“杂耍演员”。而沃森和克里克则不同。对于年方19的沃森来说，鲍林是一位值得仿效的榜样。在卢瓦蒙会议上，沃森就是围聚在鲍林身边的人之一，他十分用心地听了鲍林的讲话。克里克开始并不是鲍林的崇拜者，他是鲍林的竞争对手，因为鲍林曾用阿尔法螺旋表明他们的一篇关于蛋白质结构的论文漏洞百出，让克里克承受了由此而来的屈辱。从此，克里克借鉴了鲍林的研究方法。说实话，他们对鲍林这位怪杰都极为佩服。更重要的是，他们两人都互相倾慕，他们可谓是天生一对。相对于鲍林来说，沃森和克里克谦逊多了。三、研究方法及进程：鲍林首先想到DNA的结构可能是螺旋型，因为其他构型与他所看到和掌握的照片资料不相符合。但他认为，DNA是由三条链互相缠绕在一起，磷酸处于中央的位置。之后，他的工作重点就聚焦于找出磷酸分子在中央合理的排列方法。虽然他知道自己提出的构型不能完美地符合实验测算得出的数据和X光衍射照片，但他认为这些都只是细枝末节的东西，就像他发现蛋白质阿尔法螺旋一样 开始的时候也有难以解释的数据，他大胆地将之忽略，而其后的事实证明了他这种策略是明智的。另外，鲍林有些急于求成，他希望能够尽快地发表相关文章，抢在其他科学家之前，宣布自己再次成功地解决了又一世界性的难题。于是，他很快地发表了他“发现”的DNA结构。鲍林将自己的论文也寄给了沃森和克里克。他们两人虚惊了一场，因为他们发现，鲍林设想的这种构型是他们最初设想的结果，当时他们将这一结果给晶体学家富兰克林看的时候，被她以充足的论据否认，因为水容量问题与这种构型严重不符。也正是因为这次错误，他们两人被认为不适合研究DNA构型问题，被拆散到不同的课题组，从事别的研究。但沃森和克里克并没有就此放弃，他们仍然私下坚持不懈地进行研究和探索。他们在研究方法上一直就有共识：与其推导出复杂的数学模型，直接而又明确地解释X光的衍射结果，还不如借助化学常识构筑结构的一个模型。正如沃森所说，他们决定“仿效鲍林，并在他本人发起的这场竞赛中将他击败”。富兰克林的批评已经促使他们将磷酸放到了分子的外侧；又受到奥地利生物化学家切加夫的启示，得知内侧各对碱基之间存在着一一对应的关系。他们开始设想，在螺旋中，嘌呤和嘧啶以某种方式挨次排列在分子中心下部。之后，他们看到了富兰克林最新的DNA照片，不仅使他们确认了DNA是一种螺旋，而且他们得到了几个主要参数。由此，他们开始着手制造模型，通过不懈的努力，最终获得了成功。可以看出，不论是成功者还是失败者，他们都用了一种结构化学中重要的研究方法 建模。同时，沃森和克里克不仅受到了多学科领域的科学家的启示和帮助，而且他们自己都承认，他们的研究方法来源于伟大的化学家 鲍林。由此可见，生命科学是集多学科，特别是化学的大成所在，他与化学，乃至物理、数学的揉合可见一斑。为什么鲍林会失败？鲍林有着深厚的化学知识作为自己研究的基础。照常理而言，成功的应该是他，但他为什么输给了沃森和克里克呢？鲍林输在浮躁和自负上。他急于求成，因为DNA是当时最大的课题，他要去抢占这一高地。他没有把研究的准备工作做好就想碰碰自己的运气了。同时，他顺利解决阿尔法螺旋给他套上了成功的光环，他的确是世界上解决巨分子结构的最佳人选，但他也从此染上了自负的恶习，他以为自己不再需要做别人需要做的那些研究的准备工作了。他过于相信自己的直觉和运气，结果输掉了这场大比拼。沃森和克里克为什么会成功？其实这个问题的答案从前面的叙述中都可以看出，但我觉得最重要的一点是不懈的思索与踏实的努力。克里克不就是在因头疼而不得不休息，却又忍不住开始计算时找到了有关DNA结构的答案吗？他们虽然被拆散到两个不同的研究小组，但仍然踏实地合作与工作，正是这样，幸运之神才降临在他们的头上。另外还有一点，就是他们没有放过看似微不足道的东西。奥地利生物化学家切加夫将碱基一一对应的关系同样告诉了鲍林，但却没有得到鲍林的重视，而沃森和克里克并没有放过这一点，而最终获得启发，找到了DNA的正确结构。结构化学与生命科学的揉合已无需多说，我相信这种相互融合在将来会愈演愈烈。最后我想总结的是有关鲍林的研究方法，毕竟沃森与克里克的成功也来源于此，相信它对所有的科研者都会有所帮助：鲍林的研究方法实验研究和理论探讨相结合鲍林比一般的化学研究生掌握了更多的数学和物理学知识。他一方面是重视实验，强调经验知识；另一方面又深信化学结构问题可以通过应用现代物理学的理论来解决。他常采用半经验的方法：既有根据物理学基本原理进行的演绎推导或论证，又有对实验资料的归纳，二者互相补充。 量子力学与化学经验相结合鲍林在总结过去对离子半径的研究时曾指出：“应用量子力学可以近似计算……但是，这种理论计算是十分复杂的，需要很大的工作量；因此，从化学方面考虑，最好有一套经验或半经验的离子半径数据……”他的主要做法是：不断提出新的概念，利用它来概括实验资料和总结化学结构规律。发展简单的理论。努力把量子力学的研究成果转译成化学家的习用语言。采用移植方法 开拓边缘学科鲍林不断把结构化学的理论和实验方法移植到生物学、医学以及核物理的研究中去。他按照自己的专长不断地把新的理论原理和新的实验方法移植于另一领域，解决新的研究课题，努力开拓新的边缘学科地带。这是他五十多年来研究成果绵绵不断的重要原因。直觉和模型方法在鲍林的研究工作中，直觉的运用占有非常突出的地位。无论是鲍林本人还是别人对他的评述都常常提到直觉。综合起来大致有以下表现：是与数学计算不同的一种寻求答案的方式。一种好奇心，它引起鲍林对某个科学课题的注意，并直接领悟到有可能用经验的方式来解答它。和想象一样，“不能归结为仅仅采用通常的逻辑规则和过程”，它和某种“深邃的洞察力”有关。鲍林对一个晶体的结构的确定，分为两步：一是推测，二是证实。这种“推测”，或者是鲍林本人自称的“随机方法”也在直觉之列。“借助于对化学事实的非凡记忆”，是“经过实践”养成的。从整体看待世界 从实践对待科学鲍林作为一位自然科学家，物质世界的统一性对于他来说似乎是不言而喻的。鲍林重视理论思维，并不完全同意实证主义的见解。他强调自己“是纯粹从实践的方面对待科学；可以说是实用地对待科学。”贯穿鲍林研究方法中的极其宝贵的思想正是这种“从实践的方面对待科学”的态度。
稀土对花卉植物开花期的影响 随着人民生活水平的提高，人们对鲜花的需求也增加了。鲜花色彩艳丽，清香宜人，但都有花期不长久的缺陷。人们为延长鲜花的保鲜期，曾使用过不少试剂，如阿斯匹林等。我们则尝试用稀土来延长植物的开花期。 稀土是一类稀有元素。农用稀土主要是镧和铈元素的化合物。它对植物生长有一定促进作用。为了解它对花期和花的大小有否影响，我们做了以下实验。 一、实验材料 农乐粉状物(一种稀土肥料)，金盏菊，烧杯。 二、实验过程和记录将农乐配制成5种不同浓度的溶液，将金盏菊朵插入，另外设一对照组。列表如下：花直径为3—4cm 农乐溶液 情况记录 对照 50mg/100ml 花盛开，1周后凋谢 花6天后谢 100mg/100ml 花刚开，2周后谢，花盛开 时比对照组略大 花6天后谢 150mg／100ml 花盛开，1周多后凋谢，叶色好 花6天后谢，枝上叶比前较差 200mg／100ml 花盛开，1周多后凋谢，叶色好 花6天后谢，枝上叶比前较差 300mg／l00ml 花盛开，1周多后凋谢，叶色好 花6天后谢，枝上叶比前较差 三、分析和讨论 从上述实验记录可以认为：稀土对鲜花的开放时间有一定的延长作用。从50mg/100ml稀土溶液到3OOmg／100ml稀土溶液都有一定的延长开花期的作用，而且使花朵的直径也略有扩大。金盏菊施加稀土后一般能延长开花2--4天。我们认为，这与稀土能促进植物生命活动，促进叶绿素形成，增加有机物合成(加稀土溶液的植物叶色较深)有关。稀土也许有促进植物生殖器官吸收有机养料的作用。我们还发现，稀土浓度越高(在300mg／l00ml以下)，延长花朵开放的时间也越长。至于浓度到达多高才会有负作用，我们还得在以后作进一步研究。 稀土是一种含微量元素的化合物，对植物生长有一定的促进作用。张、吴二位同学用农用稀土——农乐做延长花卉植物花期的试验，是很有实用价值的。从文章来看，这两位同学确实做了不少工作，也取得了可喜的成果，可嘉可勉。 当然，和大多数初次独立进行科学实验的同学一样，他们在实验方法和实验报告的表述方面还显得不够成熟。不过这没关系，以后多开展一些这样的活动，多看一些课外书籍，他们一定会做得更好。与许多同龄人相比，他们已经领先一步了。 首先，从报告的内容来看，作者只进行了一种花卉——金盏菊的花期实验，所以，报告的题目似改为“稀土对金盏菊花期的影响”更贴切一些。要知道，植物是一个外延很大的概念，在科学研究报告中是不能随意乱用的。把稀土对某一种植物有作用看作是对所有植物都有相同的作用，那是不行的。这叫以偏概全，往往会酿成大错。 第二，极稀溶液的浓度应用ppm(百万分之一)表示，如文中的“50mg／lOOml"可表示为500ppm。 第三，在报告中应该明确记录用金盏菊做试验的数量和次数(至少10株金盏菊，反复多次)。 第四，花的开放有始花期、盛花期和凋谢期，它们的具体日期要记录明确、完整。注意，实验记录中的数据必须是明确的，如“6天”“23小时”等，不能出现“1周多”“10多天”之类比较含糊的数据，要不然“稀土越浓，花期越长”有何根据?
