由北京大学科学技术与医学史系开设的《当代科技史》系列课程第六讲于11月12日进行，我们特别邀请到北京大学跨院系蛋白质科学中心主任，北京大学科学史与科学哲学中心兼职教授昌增益讲授《在分子水平认识生命现象的历程》。
生物学（Biology或Life science）是研究生命或生物的结构、功能、生长、起源、演化、分布、命名、分类等等的学科。生物学的发展建立在化学，物理学，数学等科学不断成熟进步的基础之上。有机化学研究生命物质的组成、结构和性质。对应于生物学中的生物化学，则是研究生命物质的组成、结构、性质，和转化，如蛋白质和糖在体内分解为小分子的过程，以及它们从小分子形成的过程。此外，生物学领域中研究肌肉收缩等生物能量转换的概念也受到物理、化学学科对能量概念的建立和研究深度影响。
16至19世纪，物理学，包括光学、热力学、电子学飞速发展，原子、分子的概念初步形成。但是生命科学的发展落后于物理和化学等学科。原因在于传统观念认为，生命和非生命是绝然不同的，因此用于研究非生命的物理、化学手段不能用于研究生命。实际上整个宇宙在原子水平是完全一致的，在分子以及以上的水平存在差异。生命分子与非生命世界的分子之间是具有某种相似性的，因此物理学和化学的理论和方法体系可以用于研究生命系统。
19世纪开始，物理学、化学的理论和实践被应用于对生命现象开展宏观和微观水平的研究，成功孕育出进化论与细胞学说。达尔文通过对物种的宏观研究观察，在1859年出版的《物种起源》一书中提出“物竞天择，适者生存”的进化论思想，揭示生命发展变化的规律，推翻了宗教所宣传的“物种不变”的思想。
许多其他学科概念的引入，极大地促进了生命科学的发展。这些概念包括：能量，密码，程序（计算机程序、细胞发育的程序、生命发育的程序），信息（从DNA到蛋白质；DNA分子，蛋白质分子序列信息；环境与生命体之间信息传递），结构（蛋白质、核酸， 糖、脂，这些物质的结构决定其功能），调控（生命体中存在着高效精密的调控系统，例如组织特异性基因的表达调控，蛋白质活性与稳定性的调控等）。
关键技术的建立和发展是生命科学研究突飞猛进的基础之一。光学显微镜技术(1886)、电子显微镜技术（1940）、同位素示踪（特别是放射性同位素;1935；通过标记生物分子跟踪其在生物体内或细胞内的命运，认识多种多样的生物转换过程）；超速离心技术（1937）可以根据大小将不同的细胞器或不同分子之间进行分离。电泳技术和层析技术可以有效分离不同大小，不同性质的核酸或蛋白质分子。1895年伦琴发现X射线。起初，X射线衍射技术用于对无机分子，矿物质等的分子结构测定，之后被引入生物学领域，探究生命分子的空间结构。例如，1955年测定维生素B12；1960年肌红蛋白和血红蛋白结构被测定。
其他领域的科学家对于生命科学发展进步也做出了积极贡献。20世纪的一种普遍认识是：我们对有机世界的认识（生物学）远落后于我们对无机世界（物理学和化学）的认识。因此大批著名的物理学家和化学家转而研究生命现象。其中较为著名的如Linus Pauling (1901-1994)。他本科专业为化学工程，博士期间研究化学与数学物理学，博士后研究领域为量子力学。他在生物学领域研究中发现了血红蛋白的磁性、抗原与抗体在免疫响应中的角色、生物化学反应的特异性本质、生物大分子之间通过非共价结构互补性（特别是氢键）而识别的机制、提出DNA为三条互补链组成的假说（1943）和分子疾病的概念，并且成功地预言了蛋白质结构的某些特征（alpha-螺旋，beta-折叠）等等。
我将对生命分子的研究划分为11个主题，分别是：纯化与分析（Purification and analysis）、结构与性质（Structure and property）、功能与机制（Function and mechanism）、化学转换（Chemical transformation）、催化（Catalysis）、调节（Regulation）、信息（Information）、相互作用（Interaction）、运输和转运（Transport and translocation）、能量（Energy）和演化（Evolution）。
分子水平认识生命大约可分为四个阶段，生物分子的元素分析（1780-1850）、生物分子共价结构的认识（1850-1900）、生物分子相互转换过程（代谢）的认识（1900-1940）和生物大分子结构与功能的认识（1940-1970）
01 看见细胞
显微镜的发明将生物学研究引领入微观世界。1665年英国著名学者罗伯特-胡克设计了结构极为复杂，放大倍数为200至300的显微镜。他在镜下观察软木薄片，发现软木片由很多小室构成，各个小室之间都有壁隔开。他将这些小室命名为“细胞”（Cell）。然而，软木是由死细胞构成的，他看到的并不是真正的细胞，而是植物细胞壁。
图注：胡克设计的放大镜以及镜下观察绘画出的细胞。
荷兰显微镜学家安东尼·列文虎克，在1674年观察并测算了细菌和原生动物的大小，在1677年首次描述昆虫、狗和人的精子细胞，在1684年准确描述红细胞，证明毛细血管层真实存在，在1702年细心观察了轮虫以后，指出在所有露天积水中都可以找到微小生物，因为这些微生物附着在微尘上、飘浮于空中并且随风转移。
尽管列文虎克缺少正规的科学训练，但他对微观世界的细致观察、精确描述对18世纪和19世纪初期细菌学和原生动物学研究的发展奠定基础，因此他被誉为“微生物学之父”。
随着显微镜技术进一步改进，细胞理论应运而生。德国植物学家施莱登(Matthias Jakob Schleiden) 通过研究植物的生长发育，首先提出细胞是构成植物体的基本单位。动物学家施旺(Theodor Schwann) 施旺发表了《关于动植物的结构和一致性的显微研究》。1838至1839年细胞学被提出，即，细胞是动植物结构和生命活动的基本单位。1858年德国科学家魏尔肖(Rudolf Virchow，1821－1902)提出新细胞源自已经存在的细胞，进一步完善了细胞学说。细胞学说论证了整个生物界在结构上的统一性，以及在进化上的共同起源。恩格斯曾把细胞学说与能量守恒和转换定律、达尔文的自然选择学说并誉为19 世纪三大最重大的自然科学发现。
02 对生命物质的元素分析
基于拉瓦锡将动物呼吸比拟为缓慢燃烧，开启了对“动物热”的科学研究，是生物能学，代谢等研究的开始。此前的“燃素学说”理论认为，一切燃烧的本质都在于从燃烧物体中释放出一种称为燃素的物质。拉瓦锡钻研燃烧现象并进一步研究呼吸作用，即不发光的燃烧作用。他发现磷燃烧后成为磷酸，硫燃烧后成为硫酸，磷酸和硫酸均比磷和硫重。这表明燃烧并不是失去了“燃素”，而是与氧气结合的过程。拉瓦锡与拉普拉斯利用天平和量热器测定化学反应产物和反应物的重量，以及释放的热能。得出物质守恒定律，同时他们也意识到动物呼吸与蜡烛燃烧本质相同，只是动物体内的燃烧是缓慢的燃烧。
拉瓦锡认为酒精发酵是化学转换，而非生物活力所致。他还证实生命物质（蛋白质，血块，肾结石等）也可像非生命物质一样被分析，开启了“动物化学”这一引向生物化学和分子生物学的早期学科。因此，虽然拉瓦锡是化学家，但也是生物化学和分子生物学领域的开拓者。
拉瓦锡在化学上的杰出成就很大程度上源于他将科学从定性转向定量研究的转变。从拉瓦锡开始，元素定量分析的方法不断演进成熟。科学家发现，将有机物逐渐加热，使分解为气体（O2，H2, CO2，N2），得知H, O, C, N等元素的重量比例。1785年时，区分了四种动物组分（蛋白质），且这些动物组分均含有氮这种元素，而且氮元素等在生命物质中的相对含量很重要。1820年元素分析方法已成熟，据此，食物被划分为糖（碳水化合物），脂和类蛋白三大类。研究人员惊讶地发现，这些来自生命物质的化合物竟然都含有不被人看好的并难以驾驭的碳元素。后来人们逐渐意识到生命物质都是围绕碳元素构建起来的。道尔顿原子理论认为，物质由具有一定质量的原子构成；每种元素以具有特定大小和质量的原子形成参与化学物质的构成和化学反应；化合物是由构成该化合物成分的元素的原子结合而成的；原子是化学作用的最小单位，它在化学变化中不会改变。
03 认识蛋白质
1742年意大利人Beccari将面粉团不断用水洗去淀粉，分离出麦麸，实际为谷蛋白。在18世纪，安东尼奥-弗朗索瓦发现蛋白质是一类独特的生物分子。他们发现用酸或者加热方式处理蛋清、血液和小麦面筋能够使其凝结或絮凝。例如，Fibrin(血纤维蛋白；血凝块中不溶组分)，serum albumin(血清白蛋白；血清中移除凝块后在加热沉淀下来的成分)，gelatin(明胶；皮肤、腱等煮后的沉淀)，Casein(酪蛋白；牛奶煮后的沉淀)等被陆续进行化学分析。荷兰科学家Mulder对这类物质进行系统的元素分析发现，几乎所有的蛋白质都有相同的经验分子式，且都含有氮，后来发现也含可去除的硫和磷，他在1838年提出使用Protein来命名这一类对生命而言非常重要的物质。
对蛋白质组分(20种氨基酸)的鉴定花费了130多年。1820年左右作为蛋白质组分被鉴定的首批氨基酸是亮氨酸和甘氨酸，1935年鉴定出最后一种氨基酸是苏氨酸。这些氨基酸尽管皆为α-氨基酸，但分子组成并不遵循任何通用分子式(如当初被猜想的CnH2n+1NO2)。
对蛋白质结构探索的过程漫长而曲折。后来对蛋白质元素和组成分析结果表明，蛋白质并非像当初猜想的那样是一种均一物质，而是一类结构多样的物质。19世纪研究蛋白质结构的有效方法非常有限，因此进展极其缓慢。对蛋白质物理本质的认识：胶体（小分子聚集体，无法形成晶体，如当时所分析的胶原蛋白）和类晶体（单一分子实体，可形成晶体，如当时所分析的血红蛋白）。
对氨基酸之间连接方式的认识提出过很多模型，通过合成和分解研究，揭示为酰胺键（1902年）。空间结构的认识还需等到20世纪的中期才开始逐渐被认识。
中国科学家吴宪教授在蛋白质空间结构研究中做出了重要贡献。他观察到蛋白质变性失活，虽然结构被破坏，但仍可以聚集，因此认为蛋白质变性是一种纯粹的物理变化，并无化学改变。这一理论暗示了蛋白质具有不稳定三维结构的概念。
1895年伦琴发现X射线后，先被用于对无机分子，矿物质等的分子结构测定。1955年Dorothy Hodgkin利用X射线鉴定出维生素B12结构，并获得1964年诺贝尔奖；1960年John Kendrew和Max Perutz利用X射线测定了肌红蛋白和血红蛋白结构，并于1962年获得诺贝尔奖。现今利用核磁共振，以及最近出现的冷冻电子显微镜技术皆可测定蛋白质的空间结构。X射线衍射技术和电子显微镜技术可以获得清晰的蛋白质结构信息，但是蛋白质空间结构的动态变化及其蛋白质在活细胞中的行为还远缺乏有效的研究手段。
04 认识脱氧核糖核酸(DNA)
遗传物质的认识过程可以粗略分为为宏观水平对遗传现象的科学观察，利用显微镜观察细胞微观水平染色体行为的观察，到利用化学和物理技术探究分子水平核酸组成和结构的分析等不同阶段。
1856年，孟德尔开始长达8年的豌豆实验。当时达尔文进化论刚刚问世，他仔细研读了达尔文的著作，从中吸收丰富的营养。起初孟德尔豌豆实验并不是为探索遗传规律而是希望获得优良的豌豆品种，在试验的过程中，逐步把重点转向了探索遗传规律。
豌豆具有一些稳定的、容易区分的性状，这很符合孟德尔的试验要求。所谓性状，即指生物体的形态、结构和生理、生化等特性的总称。在他的杂交试验中，孟德尔研究了7对相对性状的遗传规律。所谓相对性状，即指同种生物同一性状的不同表现类型，如豌豆花色有红花与白花之分，种子形状有圆粒与皱粒之分等。为了方便和有利于分析研究起见，他首先只针对一对相对性状的传递情况进行研究，然后再观察多对相对性状在一起的传递情况。这种分析方法，特别是其中的精确定量统计分析方法，是孟德尔获得成功的重要原因之一。
孟德尔所从事试验的方法是“杂交试验法”。他利用纯种的高茎豌豆与矮茎豌豆作亲本，在它们的不同植株间进行异花传粉。结果发现，无论是以高茎作母本，矮茎作父本，还是以高茎作父本，矮茎作母本（即无论是正交还是反交），它们杂交得到的第一代植株都表现为高茎。也就是说，就这一对相对性状而言，第一代植株的性状只能表现出双亲中的一个亲本的性状--高茎，而另一亲本的性状——矮茎，则在第一代植株中完全没有得到表现。又如，纯种的红花豌豆和白花豌豆进行杂交试验时，无论是正交还是反交,第一代植株全都是红花豌豆。因此，孟德尔就把在这一对性状中，第一代植株能够表现出来的性状叫做显性性状，而把未能表现出来的性状叫做隐性性状。
为了验证上述的孟德尔杂交试验中的隐性性状是否就此消失，孟德尔继续着自己的杂交试验工作。他将第一代植株的高茎豌豆自花授粉，然后把所结出的第二代豌豆种子于次年再播种下去，得到杂种第二代的豌豆植株，结果出现了高茎的豌豆（显性性状）和矮茎的豌豆（隐性性状）两种性状。孟德尔把这种现象称为分离现象。数字统计中表明：显隐性状比例近似于3∶1。孟德尔以同样的试验方法，实验了其他6对相对性状，得到相同的结论。孟德尔的实验结果表明：生物性状的遗传由遗传因子决定（遗传因子后来被称为基因）；遗传因子在体细胞内成对存在，其中一个成员来自父本，另一个成员来自母本，二者分别由精卵细胞带入。在生殖细胞形成配子（精子和卵子）时，成对的遗传因子彼此分离，并且各自进入到一个配子中。这样每一个配子中只含有成对遗传因子中的一个成员，这个成员也许来自上一代的父本，也许来自上一代的母本。在杂种第一代植株的体细胞中，两个遗传因子的成员不同，它们之间是处在各自独立、互不干涉的状态之中。但二者对性状发育所起的作用却表现出明显的差异，即一方对另一方起了决定性的作用，因而有显性因子和隐性因子之分，随之而来的也就有了显性性状与隐性性状之分；杂种第一代植株所产生的不同类型的配子，其数目相等，而雌雄配子的结合又是随机的，即各种不同类型的雌配子与雄配子的结合机会均等。
从生物的整体形式和行为中很难观察并发现遗传规律，而从个别性状中却容易观察，这也是科学界长期困惑的原因。孟德尔不仅考察生物的整体，更着眼于生物的个别性状，这是他与前辈生物学家的重要区别之一。孟德尔选择的实验材料也是非常科学的。因为豌豆属于具有稳定品种的自花授粉植物，容易栽种，容易逐一分离计数，这对于他发现遗传规律提供了有利的条件。更重要的是，孟德尔将数学统计分析应用于植株性状的归类分析。
图注：孟德尔杂交试验
1869年一位年轻的瑞士医生Miescher从人脓液白细胞的细胞核中提取的一种含磷，对胃蛋白酶具有抗性，在酸中不溶解的成分，被命名为核素(nuclein)。后来在鸟类，蛇类和酵母中发现类似物质的存在。1898年被除去了蛋白质的核素被称为核酸。对核酸结构的认识也是一个非常缓慢的过程，由于结构的不确定性核酸直到70年后的1940年代才被赋予重要生物功能。在此之前，蛋白质被长期认为（包括教科书）是遗传的物质基础。原因在于，第一，染色体上的核酸成分在细胞周期的一定阶段消失了，但蛋白质一直存在（细胞染色实验）。其次，动物和植物来源的DNA高度相似，而蛋白质高度不同。DNA被认为结构单一（特别是基于长期被大家接受的四核苷酸假说），可能只是作为染色体的被动骨架（当ATP被发现为能量载体时，DNA被认为可能提供能量）。第三，核酸碱基数目少，结构相似，不能满足赋予生物性状多样性的需要，而氨基酸数目多，结构差异大，因此蛋白质被认为具有决定生物多样性的能力。第四，核酸的大分子概念尚不存在，序列的概念完全不存在。第五，生物催化剂（酶）被发现为蛋白质（1920s），遗传物质必须复制，而蛋白质可以通过自催化进行复制，同时它也可以催化代谢反应过程（也能理解生命起源、物种变异、发育等现象）。
利用细菌和病毒开展的实验表明DNA才是遗传的物质基础。发现DNA遗传功能的研究，可以说是始于1928年格里菲斯所设计的利用肺炎双球菌感染小鼠的实验。肺炎双球菌分为有毒光滑的S型和无毒粗糙的R型。S型的细胞被多糖构成的荚膜包裹，以防止细菌被感染动物的免疫系统杀死，从而使小鼠致病。R型肺炎双球菌没有荚膜结构的保护，因而不会使小鼠致病。当粗糙型的肺炎病菌和被高温杀死的平滑型肺炎病菌混合时，粗糙型的肺炎病菌被转化成了平滑型的肺炎病菌并导致了实验鼠的死亡。该试验表明，当粗糙型的肺炎病菌(R型)和被高温杀死的平滑型肺炎球菌(S型)混合使用时，粗糙型的肺炎球菌会被转化成平滑型的肺炎球菌。格里菲斯就提出假想：在平滑型的肺炎球菌中有一种“转化因子”(transforming principle，亦译作转化要素)促成了粗糙型肺炎球菌的转化。虽然由于科学技术水平的限制，格里菲斯没有确定这种“转化因子”究竟是什么物质，但是格里菲斯的实验为艾弗里等人后来进行的证实性实验提供了思路。到了二十世纪四十年代，化学提纯等技术的进步使得更深入的实验成为了可能。
艾弗里等人将平滑型肺炎球菌的主要细菌结构去除。在剩余下来的物质中加入蛋白酶，以加速蛋白质的分解。最终剩余物质中有“生物活性”的物质为平滑型肺炎球菌的DNA。在将粗糙型的肺炎球菌中加入平滑型肺炎球菌的DNA后，粗糙型的肺炎球菌被转化成了平滑型的肺炎球菌，并稳定地进行了几代的自我复制。这一点十分清楚地表明DNA才是真正的遗传物质。
图注：艾弗里转化实验
1952年，噬菌体小组主要成员赫尔希和蔡斯利用先进的放射性同位素标记技术，做噬菌体侵染大肠杆菌的实验。他们把大肠杆菌T2噬菌体的核酸标记上32P，蛋白质外壳标记上35S。先用标记了的T2噬菌体感染大肠杆菌，然后加以分离。结果表明，噬菌体将带35S标记的蛋白质空壳留在大肠杆菌外面，只有噬菌体内部带有32P标记的核酸被注人大肠杆菌，并在大肠杆菌内指导了新的噬菌体颗粒形成。这个实验证实了艾弗里的实验，即DNA为遗传物质的基础，而蛋白质则是由 DNA的指令合成的。这一结果立即为学术界所接受。
奥地利生物化学家查加夫对核酸中的4种碱基的含量进行了精细分析（利用新出现的层析技术等）。他认为如果不同的生物种是由于DNA差异，则DNA的结构必须十分复杂以适应生物界的多样性。因此，他对列文的"四核苷酸假说"产生了怀疑。在1948至1952年4年时间内，他利用了比列文（Phoebus Levene，1869－194）时代更精确的纸层析法分离了四种碱基，利用紫外线吸收光谱技术进行定量分析。实验结果表明，在DNA大分子中嘌吟碱基的数量与嘧啶碱基的数量相等，其中腺嘌吟A与胸腺嘧啶T的数量相等，鸟嘌吟G与胞嘧啶C的数量相等。这暗示了后来认识到的DNA分子中的碱基A 与T、G与C之间配对的关系。同时也否定了"四核苷酸假说"，并为探索DNA分子结构提供了重要的线索和依据。
1951年11月，沃森和克里在富兰克林工作的基础上提出了三股螺旋的DNA结构的设想。然而该结构将DNA的含水量少算了一半，于是第一次设立的模型宣告失败。之后富兰克林利用X射线衍射技术，得到了更为简单的“B型”DNA的X射线衍射数据。沃森和克里克综合了当时对于DNA结构的所有知识，包括查加夫获得的嘌吟碱基和嘧啶碱基之间比例关系的结果，依据碱基特异配对的概念搭建了他们的模型。
沃森在按着自己的设想摆弄模型时发现由2个氢键连接的腺膘吟-胸腺嘧啶对和由3个氢键连接的鸟嘌吟-胞嘧啶对有着高度类似的大小和形状，于是精神为之大振。因为嘌吟的数目为什么和嘧啶数目完全相同这个谜就要被解开了。查加夫规律随之成为DNA双螺旋结构的必然结果。因此，一条链如何作为模板合成另一条互补碱基顺序的链也就不难想象了。为此，两条链的骨架走向一定是相反的。
沃森和克里克紧张连续的工作，很快就完成了对DNA分子结构的金属模型的组装。从这模型中看到，DNA由两条核苷酸链组成，它们沿着中心轴以相反方向相互缠绕在一起，很像一座螺旋形的楼梯，两侧扶手是两条多核苷酸链的糖一磷基团交替结合的骨架，而踏板就是碱基对。富兰克林根据这个模型预测出的衍射图与X射线的实验数据比较后，证实了双螺旋结构模型是正确的。
1953年4月25日，英国的《自然》杂志刊登了美国的沃森和英国的克里克在英国剑桥大学合作的研究成果：DNA双螺旋结构的分子模型，这一成果后来被誉为20世纪以来生物学方面最伟大的发现，标志着分子生物学的诞生。1962年，沃森、克里克和威尔金斯获得了诺贝尔医学和生理学奖，而富兰克林因患癌症于1958年病逝而未被授予该奖。
图注：沃森克里克与DNA双螺旋
05
结语 生命科学的发展得益与科学技术的创新。元素分析定量，层析电泳技术实现生命物质的分离纯化。X射线衍射技术揭示生命分子的化学与空间结构。同位素标记技术帮助揭示了生物体内各种物质之间的化学转变过程。虽然生命科学研究中引入借鉴了很多物理化学的概念，这些概念在生物体中也得到了相应的发展。许多物理学家，化学家为生命科学的进步作出了重要贡献。因此，多学科融会贯通是促进学科发展的重要方式。
科学起源于西方。成为世界科学的中心需要有良好的宗教、经济、政治、文化教育基础。我们希望未来中国可以成为科学中心。但是中国缺乏现代科学的传统，中国的科学传统过分重视技术内涵。原因在于科学传到中国的期间，是西方科学结合技术的阶段。中国没有纯科学，都是科学结合技术，成为科技。而纯科学的发展是至关重要的。此外，我们缺少大胆想象，不怕出错的科学氛围。以诚实地了解事件为前提，大胆的设想即使是错误的也没有关系，因为成功和失败均会促进科学发展。例如，俄罗斯人George Gamow研究遗传密码。他用数学的方法和DNA的序列和蛋白质的肽链的序列之间找一些规律，并提出他的遗传密码概念。他的理论虽然是完全错的，却为其后的生物化学家提供了密码概念的思考，最终大大促进了我们对DNA功能的认识。
科学研究过程中，提出问题是解决问题的一半。然而提出好的科学问题并非易事。不同学科思想碰撞的过程中往往可以产生出好的科学问题。在科学现象面前，研究是没有界限的，因此不同学科间相互交流是促进科学发展的重要方式。
纪要整理：王瑞佳
摄影：张雪梅
编辑：张雪梅
