发展学科交叉,促进原始创新——纪念DNA双螺旋结构发现五十周年

  • 周光召 (2014年以后的旧数据)
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作者:周光召

在过去几年当中,大家都非常关心中国科学的发展,希望中国的科学能够很快出现重大的原始创新。但是在过去确实有很多条件是不具备的,比如说物质条件差别很大,我们的科研经费长期只有GDP的千分之五。经过大家的努力,特别是上一任政府非常关心科技的发展,现在已经把经费提到GDP的1%。但是,经费是不是够了呢?跟美国相比,还是差得很远。我想随着经济的发展,我们政府会给予更多的支持。但是我一直在想,一定要达到美国那样的科研经费强度才能做出科研创新吗?于是,我做了一些调查,是不是世界上重大的科技创新都是在投资强度很高的条件下产生的?结果发现,上世纪最重要的三大发现,既相对论、量子力学和DNA双螺旋结构,都是在物质条件不是太好的情况下产生的。由此,我得出一个结论:投资是很重要的,是一个必要的条件,但是绝对不是一个充分的条件,也就是说在投资不够的情况下未必就不能做出世界最高的、最重要的成果。那么,为什么他们在这样比较困难的情况下能做出世界最重要的科技成果?这非常值得我们深思。
今年恰好是双螺旋结构发现五十周年,借这个机会,了解其发现的过程,看我们能不能从中得到一些启发,在我们的物质条件还不如美国这样超级大国的情况下,需要创造什么样的条件,主要是人文精神方面的条件,才能使中国的科学得到更快的发展。
DNA双螺旋结构是20世纪生物学最重要的发现。这个发现开辟了生物学新学科领域,为人类从分子水平认识人类的发生、遗传、发育、衰老以及生物体内部细胞、结构、功能和运行的模式,都奠定了坚实的基础。随后发明的基因重组和克隆技术使人类获得崭新的干预生物进化和优化生物功能的途径,为农业、环保、化学、材料、信息能源工业提供了新的发展途径,对我们人类的生活和生产产生巨大的影响。
对DNA双螺旋结构的发现做出重大贡献的科学家有四位, Francis Crick、James Watson、Maurice Wilkins和Rosalind Franking,这四位都是在英国工作。这四位科学家只有Watson毕业于生物专业,Crick和Wilkins毕业于物理专业,而Franklin则毕业于化学专业,他们具有不同的知识背景,在同一时间都致力于研究遗传基因的分子结构,在既合作又竞争、充满学术交流和争论的环境中,发挥了各自专业的特长,为双螺旋结构的发现做出了各自的贡献,这是科学史上由科学交叉产生的一次重大科学成果。
自然科学的重大科学发现过程,不仅是科学家以严谨的科学态度,严格的科学方法,敏锐的思维和观察对自然现象及其规律进行的探索的过程,其中同样表现出科学家的个性、爱好和观点,他们在竞争与合作中形成的学术思想上的融合、碰撞和冲突,也同样反映出社会和学术群体的评价所给予的鼓励、包容和压力。所以我们不仅应当从自然科学本身的规律出发去了解这一过程,而且应当从人文和社会的角度去研究这一过程,创造促进创新的条件和环境。研究DNA双螺旋结构这一重大发现产生的背景、环境和条件,从中吸取有益的经验,并采取相应的措施,对于改进我国基础研究的环境和氛围,对于促进我国科技创新具有重大的现实意义。
Cawendish实验室是英国剑桥大学的物理学实验室,在二十世纪初的物理学革命中扮演了重要的角色。从1884年开始由发现电子的著名物理学家J.J.Thompson领导,直到1919年,改由发现原子结构的著名物理学家Ernest Rutherford领导。二战前,Cawendish实验室在原子物理、原子核物理领域是当时世界最著名的研究中心。
对这个实验室,我引用一个美国学生的回忆。他说,这个实验室是很难描述的,它把一种比较矛盾的风格结合在一起。一方面,主任是非常著名的科学家,在实验室里起决定作用,教授当时也都是非常有名的;但另一方面,那里边的人没有什么限制,都是非常独立思考的,教授的理论和实验所遭受的来自学生的批评并不亚于其他人,学生可以在讨论中间随意跟教授争论,学生之间有很好的友谊,当一个学生发现另外一个学生做得不对,就可以直截了当地指出并且证明其错误。这在其他很多地方是做不到的。这是Cawendish非常重要的风格和传统,也是中国今天最缺乏的。
二战结束以后,Cawendish实验室不仅经费短缺,研究方向也临时失去了。当时实验室主任Bragg当机立断,将Cawendish实验室的发展方向从纯物理研究转向利用战时发展出的雷达探测技术发展射电天文等方面。他本人和他父亲使用X光晶体分析技术进行生物大分子结构的跨学科研究,一方面支持他的两个部下Ryle和Ratcliff领导的小组收集军队废弃的雷达组成了原始的射电望远镜;同时从医学研究委员会争取到一笔经费, Crick和Watson都加入了蛋白质结构分析小组。他们两人都对DNA有浓厚的共同兴趣,最终发现了DNA双螺旋结构。Bragg的远见使得Cawendish实验室在困难的条件下在两个新兴学科上做出了辉煌的成果,发现了类星体、脉冲星、DNA双螺旋结构,确定了血红蛋白质的结构等,造就了一大批诺贝尔奖获得者,为战后英国的科学争得了极高的荣誉。
50年代初,还有两个知名的研究小组从事DNA分子结构的研究工作,一个在美国加州理工大学,由当时知名的量子化学家Linus Pauling领导。还有一个小组是位于伦敦皇家学院的Wilkins和Franklin小组。Franklin是一位杰出的女科学家。Franklin不仅拍出当时最清晰的DNA结构照片,而且指出了Watson和Crick早期构造的DNA结构模型的错误。
DNA双螺旋结构的发现过程极具戏剧性,当事人的回忆不尽相同,褒贬不一,当事人的个性和复杂的人际关系在其中起到相当大的作用。
Watson是一个天才,22岁就得到了美国动物学博士学位,并得到一年资助到哥本哈根从事病毒的DNA研究。在一次学术会议上他听Wilkins报告DNA结构的X光分析,印象深刻,决定要从事DNA分子结构的破译工作,因此来到了Cawendish实验室。Crick在战前已经从物理系毕业,战时从事过磁性地雷和雷达的研发,战后他读了量子波动力学发现者薛定谔所写的书《生命的本质》,书中指出研究决定生命现象的内部分子结构非常重要。受这一影响,他决定改学分子生物,成为Cawendish实验室的研究生,Watson到来时,他正在从事红血球的X光晶体分析的博士论文工作。1951年他已经35岁,是当时少数坚定相信DNA是遗传物质载体的人之一。
Watson和Crick认定:所有生命现象都是在分子的层次所产生的,基因的三维分子结构是了解生命现象的关键,是应当抓紧研究的重大课题。这个认识促使他们能够排除一切困难,紧密合作,抓住这个题目不放,最后终于获得成功。
Watson告诉Crick他听到的Wilkins关于DNA结构X光分析报告的印象,Crick根据他从事X光结构分析的经验,立刻感到可能是一种螺旋结构,但不能确定是双、三还是多螺旋。他们随即开始了DNA结构模型的创建。他们提出的第一个设想是一个三螺旋模型,是由核糖核酸和磷酸组成的环位于分子的中央,通过镁离子连接组成链条,形成DNA分子链条的骨架,核苷酸基则位于骨架分子的外面。他们邀请Wilkins和Franklin到Cawendish来讨论,这一模型立刻被Franklin所否定,她指出镁离子会和DNA中包含的水分子结合,而不可能成为骨架的粘接剂。
在美国的Pauling是最有经验的,他提出的也是一个骨架在内的三螺旋模型,但他一直没有机会接触DNA结构的X光分析照片。Watson和Crick感到了竞争的压力,他们知道必须加快速度,不然更有经验的Pauling将抢在他们前面。Watson立即赶到伦敦,但Franklin对他们仍然不热情,而Wilkins则背着Franklin将她不久前拍的一张含水的DNA的X光照片给Watson看了。这张照片在X光专家眼里已经清楚显示出双螺旋的结构。根据Franklin的新X光照片,Watson和Crick提出了双螺旋结构的设想。
1953年4月25日,《自然》杂志发表了Crick和Watson的论文,也同时发表了Wilkins、Franklin和他们的合作者分别写的两篇实验结果的论文。
从DNA双螺旋结构的发现过程,我们可以得到很多有益的启示。
1. 学科交叉是创新思想的源泉。将一个学科发展成熟的知识、技术和方法应用到另一学科的前沿,能够产生重大的创新成果。
2.科学的发现是一个知识不断积累,认识不断深化的过程。善于学习和鉴别,对已有的结论经过去粗取精,去伪存真,有选择地继承并且加以发展,才能做出重大创新。重大的科学发现不会孤立的出现,在它之前必然已经有前人大量的探索,不断突出矛盾,不断扫清外围,等待着幸运儿的出现。因此,只有掌握了前人发展的全部关键知识,又不盲从,才能站在巨人的肩膀上,抓住机遇,实现突破。
3.高明的学术领导人,如Bragg,善于利用自身积累的知识优势,发展学科交叉的切入点,及时开辟新的发展方向。他领导的集体有宽松的学术环境,没有权威意识,能人人平等地展开严肃的学术争论。他支持青年创意,可以在完成指定工作之余进行自由选题。
4.选择有战略意义的重大课题,坚持不懈的努力,十分重要。取得重大发现的路程不会一帆风顺,中间会出现失败和挫折,进入新领域的青年科学家必须像Watson和Crick那样,充满自信,不畏艰险,不怕失败,不怕嘲笑,以坚定不移的努力去实现认定的目标。
5.要敢于竞争,更善于合作。Watson和Crick之最后成功,在于他们之间有良好的人际关系,既会顽强地坚持己见,又能灵活地倾听对方意见,在争论中互相尊重,发挥各自的长处,最后服从真理,很快达成一致。据他们的同事讲, Watson和Crick两个人互相启发,他们都很喜欢开玩笑,有很大的野心,没有耐心,但非常的真诚。Crick曾经讲过,他不喜欢互相之间虚情假意那样的礼貌。他们两个人,其中一个人发现另一个人走错路了,就会以非常确定的语言告诉他,你走错了,赶快回来。这样他们就赢得了时间和精力,而能够保持一致。
6.实验是检验科学理论唯一的标准,保持理论和实验的密切合作是取得重大发现,证明理论正确的关键。Pauline是两次获得诺贝尔奖,有丰富经验的化学家,如果他有机会早一点看到DNA结构的X光分析照片,也可能率先发现DNA的双螺旋结构。
所有这些都再一次说明,当重大发现的时机已经成熟,在何时、何地、何人发现则是由很多因素综合决定的。确定最有发展前途的研究方向,创造适合重大发现的学术环境和条件,识别和支持优秀人才,是各级科学研究机构的领导者应当首先关注并且加以解决的问题。 我们国家目前的科研环境还不够理想,特别是需要加强人文环境的建设。要创造一个团体内部不同学术思想通过竞争、选择、优化、融合而不断进化的自学习、自组织的发展模式;从政策上要改进评价体系和经费分配方式,改革个人收入与科研课题经费挂钩的做法,抑制急功近利和课题越变越小的单干倾向;从舆论和政策上要反对近亲繁殖,权威把持,坚持在学术问题上人人平等;要在强调专业深入的同时,加强最新科学成果向周边相关学科的渗透和应用,经常向专业人员进行扩大知识面的教育;要创造条件,鼓励不同学科专业人员进行学术交流,推动他们针对重大科学问题进行跨学科探索和合作;要提倡民族特别是青年的自信心和团队精神,敢于向权威挑战,通过学习和首创达到超越。 所以,我的结论是:中国目前正处在科技发展物质条件最好的时期,如果能够迅速创造一个好的人文环境,选好科学前沿的发展方向和领军人才,吸引一批最优秀的青年,中国科学的起飞是指日可待的。

(本文根据录音整理,有删节,未经本人核实)