诺贝尔奖Nobel Prize 包括自然界的三大科学奖:物理学奖、化学奖、生理学或医学奖 。我们举基因研究获奖为例,探讨科学研究中的创新思维。众所周知因研究基因而获得诺贝尔奖的多达50多人,(gene) 概念最早由W. L. Johannsen 于1909 年提出,是DNA 分子中能够表达和产生基因产物的区段,其本质是核酸。Kossel 是最早研究核酸而获得诺贝尔奖的科学家,因在确定核酸的化学特性和化学组成等方面做出重大贡献而获1910 年诺贝尔生理学奖。1953 年Watson 和Crick 在发表关于DNA 双螺旋结构模型,标志着现代分子生物学的诞生。自此因研究基因而获得诺贝尔奖的科学家明显增多。分析这些科学家的成功因素,我们可以从中得到一些有益的启示。
一.研究载体很重要:
科学研究材料的选择是十分重要的因素.从获得诺贝尔奖的科学家来看,选择的实验材料是十分重要的因素。果蝇具有一些不同于其他生物的优点:生活周期短,繁殖快,一年可以繁殖30 代,雌性与雄性个体区分比较明显,并且每个细胞中只含有4 对染色体,这些优点使果蝇适合于做遗传学研究,先后有5 位科学家以果蝇为实验材料而获诺贝尔奖。链孢霉是一种丝状真菌,菌丝体为单倍体。Beadle 等最初也是以果蝇为实验材料进行遗传学方面的研究,但后来意识到果蝇对于研究基因与代谢途径并不是一个好的模型,于是就和Tatum 合作,选择了链孢霉作为实验材料 。Syd2ney Brenner 决定从分子生物学转而研究神经系统的发育时,同样面临模式动物的选择的问题。他当时已经有了明确的标准:周期短,可以在短时间得到大量的突变体;繁殖方式简单,以便利遗传操作;个体足够小,使得可以在显微镜下对每一个细胞进行观察 。于是他找到了线虫,并用EMS 突变的方法分离了一部分的突变体,主要是形态异常和运动不协调的突变体。在所有多细胞模式动物中,线虫最大的优势是可以很方便的观察到每一个细胞的分裂及其命运、神经细胞之间的连接。John Sulston以线虫为材料完成了第一张完全的细胞命运图 ,而在1984 年John White 等通过8000 多张电镜照片*了所有神经元之间的突触连接。正如Brenner 所料,线虫作为一种模式动物对细胞极性的形成、轴突导向、突触连接、细胞凋亡等重要的发育生物学问题的研究做出了重大的贡献。在细胞凋亡的机制方面,Horvitz用线虫做的关于细胞凋亡的遗传研究是开创性的 ,这也正是利用线虫的一个优点,即哪些细胞在何时发生凋亡是已确定的,而且可以在显微镜下观察到,这使得突变筛选成为可能。在线虫的行为方面,有Cori Bargmann 做的一系列研究。生物种类繁
多,每种生物在长期的进化过程中都形成了自己独特的适应环境的一些特征,这些特征使得一些生物适合做这方面的研究,另外一些生物适合做另外方面的研究。从上述科学家的事例也可看出,如果他们选择的材料不合适很可能不会做出突出的成就,更谈不上诺贝尔奖了。
二.严谨的研究思路
1953 年, Crick 与Watson 在英国剑桥的一家实验室合作,揭示了DNA 的基本结构为双螺旋结构,为后来科学家解开遗传基因密码,绘制生命蓝图,搭建了一个出发的平台。Watson , Crick ,Wilkins 分享了1962 年的诺贝尔奖[12 ] 。Crick 在1946 年读了薛定谔(E Schrodinger) 的名著(生命是什么) 后,舍弃物理学转向生命科学领域。刚到剑桥大学时Watson 由于自己的化学与物理学基础较差而担心听不懂R Franklin 所做的关于DNA X - 衍射的研究学术报告,而两年后(1953 年) 他与Crick 却建立了DNA 分子的双螺旋模型。这一伟大成果的发现与两位年轻科学家卓越的科研思想是分不开的。Franklin 和Wilkins 在DNA 的X 衍射研究方面非常突出,但Franklin 却未能提出DNA 的结构模型。Watson 和Crick 建立的双螺旋的模型是建立在前人科研成果的基础上,主要是四个影响:
1. WT Astury 和Bell X衍射技术研究DNA。1947 年拍摄了第一张DNA 的衍射照片。
2. 1951 年Pauling 和Corey 在美国科学院报上连载了7 篇有关a - 螺旋结构的文章轰动了全世界,引起了Watson 和剑桥科学家们的注意。
3. 美国晶体学者J Donohue 的指正和Chargaff 的当量规律都帮助Watson - Crick 纠正了起初A - AG- GC - C T- T的同类配对的错误想法。而提出碱基互补的正确构型。
4. R Franklin 和Wilkins 在1952 年底拍得了一张十分清晰的DNA 结晶X 衍射照片。为双螺旋结构模型提供了强有力的依据和佐证。
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。他们在看了Franklin 那张DNA 结晶X衍射照片后受到很大启发。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。
