生命的螺旋从双螺旋中阐述自然科学方法.ppt

生命的螺旋——从DNA双螺旋结构的 发现中阐诉科学 研究方法By第十小组DNA 双螺旋结构 的发现发现过程 科学方法 启示导语§DNA，中文名脱氧核糖核酸，是大 多数生物的遗传物质DNA双螺旋 结构模型的建立是20世纪自然科学 最大成就之一 DNA结构模型DNA双螺旋结构§沃森和克里克认为，DNA分子的立体结构如同一个 螺旋形的梯子，碱基对就是这梯子的横档它的特 征是： §1、 DNA由两条长链组成，这两条长链按反方向盘 旋成规则的双螺旋结构 §2、 DNA分子的脱氧核糖与磷酸交替连接，排列在 外侧，构成基本骨架； §3、 碱基排列在内侧，DNA分子两条链上碱基通过 氢键连接成碱基对，并且碱基配对有一定的规律： 腺嘌呤（A）一定与胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）一定与胞嘧啶（T）配对；碱基之间通过氢键相连 发现DNA双螺旋结构的过程①§1951年春天，一直对基因的奥秘深感兴趣的 沃森出席了在意大利举行的生物大分子结构 会议会上，英国著名生物物理学家威尔金 斯在报告中展示了一张DNA的X射线衍射图 谱的幻灯片，给沃森留下极其深刻的印象 这年秋天，沃森来到英国剑桥大学卡文迪什 实验室工作，遇见了同样对DNA结构着迷的 克里克。

发现DNA双螺旋结构的过程②§物理学家出身的克里克对衍射图谱的分析 十分熟悉，能够帮助沃森理解晶体学的原理 ，而沃森可以帮助克里克理解生物学的 内 容当时科学界对DNA的认识是这样的： DNA分子是以4种脱氧核苷酸为单位连接而 成的长链，这4种脱氧核苷酸分别含有A、 T 、C、G四种碱基沃森和克里克以威尔 金 斯及其同事富兰克林（R.E.Franklin） 提 供的DNA衍射图谱的有关数据为基础， 推 算出DNA分子呈螺旋结构发现DNA双螺旋结构的过程③§接着，沃森和克里克尝试了很多种不同双螺旋 和三螺旋结构模型，在这些模型中，碱基位于 螺旋的外部，但是这些模型很快被否定了在 失败面前，沃森和克里克没有气馁，他们又重 新构建了一个将磷酸-脱氧核糖骨架安排在螺 旋外部，碱基安排在螺旋内部的双链结构 在这个模型中相同碱基是互相配对的，即A与 A配对，T与T配对但是，有化学家指出这种 配对方式违反了化学规律，因此这个模型又被 抛弃了发现DNA双螺旋结构的过程④§1952年春天，沃森和克里克从一位奥地利生物化学 家查哥夫（E.Chargaff）那里得到一个重要信息： 腺嘌呤（A）的量总是等于胸腺嘧啶（T）的量； 鸟嘌呤（G）的量总是等于胞嘧啶（C）的量。

于是 沃森和克里克又开始兴奋起来，他们改变了碱基配 对的方式，让A与T配对，C与G配对，构建出新的 DNA模型结果发现：A-T碱基对和G-C碱基对具 有相同的形状和直径，这样组成的DNA分子具有稳 定的直径，能够解释A、T、C、G的数量关系，同 时也能解释DNA的复制当他们把这个用金属材料 制作的模型与拍摄的X射线衍射图谱比较时，发现 二者完全相符伟大的发现§1962年，美国生物学家沃森（D.T.Watson） 和英国物理学家克里克（F.Crick）因发现 DNA分子双螺旋结构而获得诺贝尔生理学或 医学奖沃森（左）和克里克（右）年迈的詹姆斯·沃森仍潜心研究研究方法§在研究方法上,沃森和克里克能做到选择恰当 、运用自如,尤其是在使用移植、类比、模型 方法的过程中,都有一些独到之处,这是他们成 功的主要途径 §移植方法§类比方法§模型方法移植方法§运用生理、化学等科学的原理和方法解开 DNA结构的奥秘,这就是移植法的一种这一 方法的依据是:生物体与非生物体都是由分子 与原子所组成,它们在分子水平上的运动都遵 循着量子力学的规律,而由大量分子所组成的 体系的运动则服从统计规律正是由于对这 种同一性的认识,才促使薛定谔撰写了《生命 是什么》一书。

移植方法§在DNA研究和结构发现的过程中,结晶DNA的获得, 必须应用化学的原理与方法;X射线的射技术,主要应 用物理学的原理与方法,而对DNA的X射线衍射图谱 的描述和分析,则又必须借助于数学沃森和克里克 在运用移植法的过程中,有两个重要的特点首先, 他们坚信结构化学和物理学在DNA结构研究方法中 的作用沃森去剑桥正是为了向威尔金斯学习X射 线衍射技术,克里克也“自学了这门学科的许多内容” ，他们发现“鲍林虽然在没有借助X射线衍射资料的 条件下解决了X螺旋结构但还是知道那些资料的, 并像在一定程度上也考虑到有X射线衍射资料作依 据,各种各样可能的多肽链的三维构型很快就被淘汰 掉了移植方法§现在,我们借助精确的X射线资料,将能更好地解决更 加微妙的DNA分子仅仅浏览一下DNA的X射线衍 射图片,就能避免许多错误的出发点”可以说,运用 移植方法在沃森和克里克的头脑中是深深扎根的 其次,在运用移植方法时,他们从未忘记,他们研究的 毕竟是生物学的课题因此,在探索DNA结构的同时 ,始终应联系到它的功能和信息这个思想,在选题 时就很明确他们开始设计的就是“一个不仅会和X 射线衍射资料一致,而且也将顾及到自催化和异催化 双重功能的分子模型 § 研究方法类比方法§在发现DNA结构过程中,类比方法也起了重要作用。

在DNA分子结构的确定上,与蛋白质相类比,当蛋白 质被确认为螺旋状长纤维结构后,沃森和克里克认为 ,蛋白质是螺旋型,那么DNA结构也应该是一种螺旋 型的方法,也是由类比得来沃森说,鲍林“不用纸和 笔,他的主要工具是与学龄儿童的玩具类似的一组分 子模型因此,我们看不出为什么我们不能用同样的 方法解决DNA的问题……” 在确定DNA结构的链 数时,类比法也帮助沃森提供了重要线索他把DNA 分子的链数与一般的生命物体所具有的对称性特点 相类比,在DNA纤维图片的帮助下,正确地选择了双 链 § 模型方法§揭示生物大分子的结构,从总体上分析,不外几种方 法,如用实验方法分析其化学成分,用移植方法(X射 线衍射)进行推导,也可以用建立理论模型的方法 沃森和克里克主要采取了模型方法,模型方法贯穿于 他们研究工作的全过程,是多种方法中最基本、最主 要的一种.模型方法把认识对象作为一个比较完整的 形象表示出来,从而使问题简明扼要,以便窥见其本 质运用模型方法时,沃森和克里克能够有意识地与 X射线衍射技术资料相结合,综合地进行分析,这是他 们的创造,其成效是显著的。

模型方法§在这点上,他们受益于鲍林,但又比鲍林前进了一步, 而弗兰克林则根本不赞成用模型,认为是“下策”,这 恰恰是她本身的失策沃森和克里克能将多种方法 有机联系起来,相互结合,相互补充,构成整体,最后用 模型一目了然地表达出来最后,在科学发现和科学 发明的过程中,逻辑思维方法是很重要的,但非逻辑 思维方法中的灵感和想像更具有价值,它们使思维可 能实行跃进、越级和采取捷径而得到发现和发明,从 而加速了科学的创造和发展的进程在DNA的发现 过程中,灵感和想像起了很重要的作用启 示启示§成功不是偶然的，尽管有偶然的因素在，也 是基于探索者们百分之九十九的汗水的努力 就从沃森和克里克发现DNA分子双螺旋结 构的过程来看，我们的组员有以下几点心得 ： §第一，兴趣是最好的助动力对DNA分子结 构的浓厚兴趣让沃森和克里克这两人走在一 起进行科学研究，也因为这一点他们不轻言 放弃，坚持到底§实践出真知，有了兴趣还要积极实践在对 事情有了好奇、猜测或不解之后都只有通过 具体的实践才能得到真正的答案，停留在想 法层面就只能永远是虚空的意识形态§第二，正如牛顿所言，“如果我比别人看的更 远一些，那是因为我站在巨人的肩膀上”，沃 森和克里克的发现是立足于无数前人的探索 成果之上的，真理无法轻易一蹴而就，科学 的发现是一个知识不断积累，认识不断深化 的过程。

§第三，善于合作与交流DNA分子结构的发现不是 一个人的功劳，生物学家沃森，物理学家克里克， 生物物理学家威尔金斯，生物化学家查哥夫，这一 过程穿叉这不同领域的专业知识，正是不同专业知 识的碰撞，才让科学研究有了更多的观察视角和思 考维度 §第四，科学研究既需要严谨的科学态度也需要敢于 质疑的创新精神DNA分子螺旋结构最初只是他们 的一个推理、猜想，为了证实这一观点他们付出了 巨大的努力，一次次被否定，再一次次重新大胆求 证，勇于突破传统思维，引入新观念，所以他们成 功了§沃森与克里克在最初的启发后开始实践，却 遇到了许许多多的挫折，但他们还是坚持不 断的尝试，有着一股不怕输的劲，这正是我 们学习乃至生活都很需要的品质如果害怕 失败，不敢踏出第一步，不肯付出，那将会 一事无成。