2013 年是 DNA 双螺旋结构发现 60 周年。 1953 年沃森和克里克在英国《自然》杂志发表了 DNA 双螺旋结构的文章，由此开启了分子生物学时代。 60 年来，分子生物学飞速发展，取得了令世界瞩目的成就，而人类基因组计划的实施，更是堪与当年美国曼哈顿原子弹研制计划相媲美。如今，生命科学已经进入了后基因组时代——揭开基因的功能秘密，蛋白质组学、功能基因组学等成为生命科学的热点。 DNA 双螺旋结构的发现以及由此引发的生物学革命，其影响已经大大超出了生命科学的范围， DNA 、基因的概念逐渐为公众所熟悉，进而开始影响人类的日常生活。 1 DNA 与医学 相信很多人都在电视上看过滴血认亲的场景，而民间也的确有类似的案例。不过，滴血认亲的方法并不科学，因为父母与子女的血型可能相同，也可能不同。单靠一次滴血认亲就作出结论，恐怕太武断了。如何更科学地判定两个人之间的血缘关系呢？ DNA 鉴定已经成为“杀手锏。”由于子女的基因有一半来自父亲，一半来自母亲，这就给通过 DNA 测序进行亲子鉴定提供了可能。在当代的影视剧中，滴血认亲的少了，做 DNA 亲子鉴定的多了。 DNA 在医学上的应用远不只此。将 DNA 测序用于刑事侦查当中，已经不再是新鲜事。犯罪分子遗留在犯罪现场的毛发和体液可以让警察更快地锁定犯罪嫌疑人，特别是那些有犯罪前科的家伙。而火灾、爆炸现场的惨剧，也不能阻止警察提取受害者的 DNA 以鉴定其身份。 2001 年美国 911 事件发生后，警方就通过 DNA 技术鉴定遇难者的身份； 10 年之后，塔利班基地组织领导人本·拉登遇袭身亡，其最终身份也是通过 DNA 技术确定的。 DNA 在医学上更具前景的应用是基因治疗，即将外源基因导入患者体内，置换有缺陷的基因，或者对患者体内原有基因表达产物进行补偿或抑制，以此达到治疗的目的。科学家已经开始了大量的相关研究，期望在癌症、艾滋病和神经退行性疾病等重大疑难疾病的治疗上获得突破。 2 转基因与食品安全 中国有句成语叫“挂羊头，卖狗肉”， 2013 年 1 月起，欧洲却出现了“挂牛头，卖马肉”的事情，个别商家将马肉混入牛肉中销售，欺骗消费者。为了让消费者相信牛肉中不含马肉，欧盟要求其成员国对加工的牛肉进行 DNA 抽检。 把马肉混在牛肉中，已经引起了人们的反感，如果把马的基因导入牛的体内，生产出的牛肉会不会有人购买呢？分子生物学的发展让基因工程变成现实，科学家可以把一种生物的基因导入到另一种生物体内，以改变后者的性状或品质，转入 Bt 基因的抗虫棉可能是较早为公众所熟知的案例。转基因技术已经涉及到多种动植物，如能够延迟保鲜的番茄、抗除草剂的水稻、含有人生长素的猪，等等。当人们欣喜地看到长得更坚强、品质更好的动植物时，也在担忧这些转基因生物作为食品是否会对人类产生伤害，潜在的风险有多大。围绕着转基因食品安全的辩论已经持续了很长时间，不少人在各种媒体上争吵，力推转基因食品的团体和他们的反对者互不相让、剑拔弩张，双方都拿出了一些所谓的“证据”，更有人将转基因技术与商业利益相挂钩，不禁让人浮想联翩。不过，目前谁也无法完全让对方心悦诚服。 尽管存在很大争议，毕竟还没有十足的证据证明转基因食品十足安全或者不安全。当然消费者有知情权，所以有些国家要求商家自愿做转基因标识，我国要求商家在含有转基因成分食品的外包装上注明“转基因标识”。不管有没有风险，消费者应该有知情权和选择权。 3 DNA 影响力的进一步扩张 作为技术的 DNA 测序不仅仅影响了医学、法医学、农业与食品科学等领域。考古学家也已经将其应用于鉴定几百年乃至上千年的生物遗存， DNA 考古不但可以让生物演化之树的各个枝节更加清晰，而且还可以帮助解决一些历史公案，如俄国末代沙皇尼古拉二世一家的下落。更有一些人提议建立个人基因信息档案库，不知道这些信息如果应用在招聘或者择偶上，会不会产生一些麻烦。 DNA 测序和基因工程不只是一种技术，分子生物学革命带来的还有思维方式的变革。 DNA 是主要的遗传物质，是生物的核心要素；基因是生物各种性状的决定因素。这样的概念也被移植到了其他领域，由此产生了很多新说法，如知名跨国企业有着不一般的营销 DNA 、中国人和西方人有不同的文化基因等等。 DNA 的双螺旋结构、碱基互补配对原理、 DNA 合成过程中的酶促反应，这些生化反应的特殊性与计算技术相结合，在 20 世纪 90 年代催生出了 DNA 算法。此前，生物演化过程的独特信息处理方式也已经被广泛应用于计算领域，如神经网络、遗传算法等。 DNA 算法与神经网络、遗传算法的深度联姻不仅在生物化学上获得了应用，而且开始在密码学、人工智能领域大展拳脚。 4 让公众了解DNA 我们再来看看公众对 DNA 了解多少。我国从 20 世纪 90 年代开始，由中国科协组织公众科学素质调查，到 2010 年已经开展了八次。公众科学素质调查的问卷包括很多方面，其中“对科学术语的了解程度”部分列出了几个科学术语， DNA 是其中之一。 1996 年对 DNA 很了解和了解一些的公众占 9.4% ， 2007 年对于 DNA 的理解完全正确和基本正确的占 52.1% ，说明 DNA 概念的普及程度已经得到了很大提高。这是否说明公众对于与 DNA 相关的科学概念也都比较了解了呢？且慢！ 1996 年的调查结果显示，公众对于“通过基因工程创造新的动植物品种的研究”持支持态度的占 39.9% ，对于“克隆绵羊的研究”也有 22.5% 表示支持； 2007 年的调查结果是，在各类科技发展信息中，只有 5.9% 的公众对于“遗传学与转基因技术”最感兴趣（有 84.7% 的人选择了对“生命与健康”最感兴趣）。这些数据表明，公众对于遗传学和转基因技术的了解还很不充分，更不了解遗传学和转基因技术与生命健康的关系。 不过，在科学界及传媒界的不断努力下，相信 DNA 会进一步走进公众。 注：本文发表于《科技导报》2013年第18期
最早看到这个说法的是在Cahn的专著 The Coming of Materials Science ，这本书的中文版《走进材料科学》在金属所徐坚老师的博客中也有系列介绍。由于我没有看到这本书的中文版，网上也看不到这本书的电子扫描 版，下面就从Cahn的英文书开始谈起，书中第118页讲述了一个Frank关于晶体螺旋式生长的论文坚定了Watson关于DNA双螺旋结构和Crick的争论的故事。 沃森在自己1968年的书中描述到在对DNA螺旋结构的最终确认之前，他和克里克正在争论是否烟草花叶病毒（TMV）有螺旋结构，当时克里克持怀疑态度。沃森说自己当时的士气也有些消沉，但就在一次晚饭后无聊时阅读到法拉第学会关于金属结构的讨论论文集（Cahan认为应该是晶体生长的论文论文集），论文集中有Frank关于晶体如何生长的论文，Frank巧妙的构建了螺旋位错的理论解决了之前晶体生长理论和实验观察的矛盾，螺旋位错特殊的结构有利于新的分子在晶体表面生长。几天后，还在构思DNA双螺旋结构的沃森大脑中突然想过Frank的晶体生长螺旋位错模型，烟草花叶病毒和晶体做了一番巧妙的类比，他更坚定了如此简单但又巧妙和正确的想法，虽然此时克里克仍持怀疑态度，但是DNA双螺旋结构已经根植在了沃森的大脑中。 （a：螺旋位错；b：DNA双螺旋） 英文原文 Franks prediction of spiral growth on crystal surfaces, followed by its successful confirmation, had an indirect but major effect on another aspect of modern science. In his 1968 book, The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA, Watson (1968) describes how, not long before the final confirmation of the helical structure of DNA, he and Crick were arguing whether tobacco mosaic virus (TMV) has a helical structure; Crick was sceptical. Watson wrote: My morale automatically went down, until I hit upon a foolproof reason why subunits should be helically arranged. In a moment of after-supper boredom I had read a Faraday Society Discussion on The Structure of Metals (he remembered wrong: it was actually devoted to Crystal Growth). It contained an ingenious theory by the theoretician F.C. Frank on how crystals grow. Every time the calculations were properly done, the paradoxical answer emerged that the crystals could not grow at anywhere near the observed rates. Frank saw that the paradox vanished if crystals were not as regular as suspected, but contained dislocations resulting in the perpetual presence of cosy corners into which new molecules could fit. Several days later ... the notion came to me that each TMV particle should be thought of as a tiny crystal growing like other crystals through the possession of cosy corners. Most important, the simplest way to generate cosy corners was to have the subunits helically arranged. The idea was so simple that it had to be right. Crick remained sceptical for the time being, but the seed that led to the double helix was firmly sown in Watsons mind. 学科之间就是这么巧妙的联系着，说不定哪本和自己毫不相干的书就可能启发自己一个伟大想法，哪个外行的一句话就启发了一个伟大的思想，知识这个网谁能想到它在哪个结点就交织出伟大的突破来！ 参考阅读： （1） The Coming of Materials Science ， R.W. Cahn，Year: 2001 （2） 徐坚 ， 材料科学大师（8）：Charles Frank
Feynman 的第一堂数学课 Feynman是物理学家中公认的大牛人。他还在满地乱爬的时候，家里有很多或蓝或白的塑料拼花地板。他老爸就让他把这些塑料块排成一行，一脚踹下去，就成了渐次倒下去的多米诺骨牌，非常好玩。但是，他老爸不让他乱摆，非的要一块白的，一块蓝的，摆成非常有规律的蓝白相间，否则就让他推倒重来。小孩子一开始自然不认这个理，乱摆一气，老爸就不让他玩多米诺骨牌，急得Feynman 直嚷嚷。老妈毕竟心肠软，就说：Richard，你就让他随便摆吧。 Feynman老爸说：不行，我要让他从小就养成对模式的直观感受。 Feynman后来感叹道，只是他一生中最早的一堂数学课（因为数学无外乎是某种抽象模式的认识），这让他以后对物理和数学中的各种模式，有超乎常人的洞察力。 扑克牌中的科学发现 我还在念博士的时候，英国政府有一个在高中生中间推广对科学兴趣的计划，叫作Researcher in Resident，就是鼓励博士生到各个中学展开一对一的科学课外活动。我去的是苏格兰的一家很有声望的公立中学，所有的博士们都要到爱丁堡参加一个培训，因为对中学生的科学训练需要有不同的思维和方法。一位非常有经验的中年女老师，在培训之前让我们玩一个游戏：每五个人一个小组，发一副扑克牌，一个人做庄并制定任意一个规则：比如偶数为红色，奇数为黑色；或者点数正好是张数的平方加一等等。其余四个人抽出一张牌，询问庄家，如果符合其规则就放在桌上，不符合就拿走。这四个人看着桌上的牌，来猜扑克牌后面隐藏的规则。私下里以为，这种对隐藏模式的猜测能力，对科学发现能力的训练可能比微积分更加重要。 发现双螺旋 最近读了分子生物学鼻祖之一 Waston 的一本自传--- The Double Helix 。这是一本真正值得每一位青年科学研究者一读的好书。关于DNA这一解释生命奥秘最重要的分子结构，问题是如何提出的，为何被当时的科研界主流所忽视，三个课题组之间的竞争与协作，关于发现双螺旋的进展是如何跌宕起伏，充满悬念。整个故事的主人公宛如舞台上莎士比亚的一幕戏剧，声望崇高而所向披靡的 Linus Pauling ，冷若冰霜、拒人千里之外的 Rosy ，成天念念不忘要打败 Pauling ，并与其竞争Nobel的 Waston 和 Crick ，他们之间的故事是如此吸引人，使你不得不一口气将起读完。Waston和Crick之所以能在这场竞争中胜出，发现双螺旋并由此名垂青史，最重要的不是复杂的数学演算，而是他们像小时候的Feynman一样，用过家家搭积木的方式来猜测正确的DNA结构，尤其是Waston以惊人的洞察力猜到了adenine 与thymine, guanine与 cytosine配对居中，sugar chain在外的这一异常漂亮的模式，完成了这一石破天惊的发现，当时Waston 年仅25岁。 Fig. 1 Watson and Crick with their hand-made DNA model Fig. 2 Watson speech to recall how he discovered DNA 因此，对模式的敏感和乐于猜测，是科学发现最重要的训练之一。而这一点，是科学与艺术最接近的地方。这里有个简单的测试，看看你对模式的敏感和猜测能力：假设我们有一个无穷长的符号序列，给出其中的头三个符号，看看你能不能猜测出其中的规则，并给出你的理由，并由此可以写出无穷多个的后继符号。 Fig. 3 一个无穷长的符号序列 The book The Double Helix in amazon: http://www.amazon.com/Double-Helix-Personal-Discovery-Structure/dp/074321630X END
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