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弗朗西斯克里克

弗朗西斯哈利康普顿克里克,(英文名:Francis Harry Compton Crick,1916年6月8日-2004年7月28日),英国生物学家,物理学家,及神经科学家。最重要的成就是1953年在剑桥大学卡文迪许实验室詹姆斯沃森共同发现了脱氧核糖核酸(DNA)的双螺旋结构。二人也因此与莫里斯威尔金斯共同获得了1962年的诺贝尔生理及医学奖,这枚奖章现保存于百慕迪再生医学中心 。2004年因大肠癌病逝。他的一名同事,科赫,曾感叹道:“他临死前还在修改一篇论文;他至死犹是一名科学家”。

他曾在伦敦大学学习物理,二战的爆发使他被迫中断攻读博士的学习,来到英国海军部研究制造水雷。二战后,他对“生物与非生物的区别”产生了浓厚兴趣,但那时他在生物学、有机化学以及晶体学方面都没有什么基础,在此后的几年里他花了大量的时间自学这些知识,完成了从物理学家到生物学家的转变。这是他的第一次学科领域转换。

1937年,在伦敦大学学院学习,并获得了物理学士学位。

1947年,克里克进入剑桥大学的斯坦格威斯实验室参与研究工作。随后又加入剑桥大学卡文迪许实验室。他的学术生涯的一个重要转折是1951年与美国科学家詹姆斯沃森(James Dewey Watson)的相遇。由于有着一致的研究兴趣,两人可说是一拍即合。尽管他们都在做着蛋白质晶体结构的研究工作,但两人都对“基因到底是什么”感兴趣,他们深信一旦解读了DNA的结构,对搞清遗传的真相将很有帮助。

1952年,美国化学家鲍林(Linus Pauling)发表了关于DNA三链模型的研究报告,这种模型被称为α螺旋沃森威尔金斯、富兰克林等讨论了鲍林的模型。威尔金斯出示了同事罗莎琳德富兰克林(Rosalind Franklin)在一年前拍下的DNAX射线衍射照片,沃森看出了DNA的内部是一种螺旋形的结构,他立即产生了一种新概念:DNA不是三链结构而应该是双链结构。

他们继续循着这个思路深入探讨,先在理论上得出一个共识:DNA是一种双链螺旋结构。随后沃森和克里克立即行动,在实验室中联手开始搭建DNA双螺旋模型,终于在1953年3月7日,将他们想像中的DNA模型搭建成功了。

1953年4月25日,克里克和沃森合作在顶级的《自然》杂志上发表了一篇名为“核酸的分子结构--DNA的一种可能结构”的论文。他们的论文被誉为是“生物学的一个标志,开创了新的时代”。在此基础上,克里克进一步分析了DNA在生命活动中的功能和定位,提出了著名的中心法则,由此奠定了整个分子遗传学的基础。克里克还和弗农英格冉姆(Vernon-Ingram)一道,发现了遗传物质在决定蛋白质特性上的作用,因此被誉为“分子生物学之父”。

由于沃森、克里克和威尔金斯在DNA分子研究方面的卓越贡献,1962年,他们三人分享了诺贝尔生理学或医学奖,获奖原因为“发现核酸的分子结构及其对生物中信息传递的重要性”。

1966年,当生物医学的基础轮廓已经被清楚地勾画出来之后,克里克认为是将兴趣转向神经科学、尤其是“意识”问题的时候了。1976年,他来到位于风景如画的加州圣迭戈的索尔克生物研究所,开始从事对脑和意识的研究这时他已经60岁,开始科学生涯的第二次领域大转换。

他在科学史上第一次明确提出用自然科学的办法可以解决意识问题。因此,霍根在《科学极限》(The End of Science)一书中称赞道,“只有尼克松才能打开与中国的外交僵局;同样的,也只有克里克才能使意识成为合法的科学对象”。

克里克开始思考意识的本质,但他并没有走实验的道路,而是决定从理论研究入手。他对意识问题研究的另一个特点是他不仅从自己熟悉的分子角度研究问题,还注重从心理学、神经解剖学以及神经生理学等各个水平,甚至从哲学水平来看问题,以期架起连通各个领域的桥梁。

20世纪90年代中期,克里克在其科普著作《惊人的假说:灵魂的科学探索》中指出,我们的思想、意识完全可以用大脑中一些神经元的交互作用来解释,这就是他提出的关于意识的“惊人假说”。

作为克里克对意识本质问题兴趣的一部分,他还研究了关于人类梦境的复杂问题。当然,克里克研究的目的并不在梦本身,而在神经网络。他认为只有理解了神经组群之间如何相互作用和协同工作,才能理解大脑。神经组群之间这种复杂的相互作用有时发生在睡眠和快速眼动中,克里克希望通过研究梦来作为神经交互作用的证据。

2003年初,克里克在著名的《自然-神经科学》杂志上发表论文“意识的框架”,提出意识不是先天就有,而是由大脑中位于“扣带前回”的一小组神经元产生和控制的。他的论文又一次奠定了他的意识问题的制高点,受到认知科学界的广泛关注。这已经是他生命的垂暮之年,克里克为世界各地的年轻科学家吹响了号角:脑科学还有很长的一段路要走,但它的吸引力和重要意义将不可避免地推动它不断前进。

在《生命本身:起源和本质》(Life Itself: Its Origin and Nature)一书中,克里克提出直接的有生源说理论,以此来解释生命的起源。

虽然他认为来自宇宙空间的微生物或生物化合物是地球上生命的起源这一理论仍徘徊在科学的主流之外,但由这种理论引发的各种支持和反对意见却富有启发性和建设性意义。

克里克还在上世纪80年代的一本书《狂热的追求:对科学发现的个人见解》(What Mad Pursuit: A Personal View of Scientific Discovery)中,以其轻松的个人风格迅速地传递出他对于生命本身的科学知识的热情。尽管他没有再像从前领导分子生物学一样走在研究的最前沿,但他热切地渴望推动关于脑和意识本质的研究。有趣的是,该书由唐孝威院士翻译出版(中国科技大学出版社,1995),唐孝威院士的兴趣也是从原子弹设计转变到现在的脑科学。

除了在有生之年对于科学作出的广泛而卓越的贡献,让我们记住克里克的还有他的科学精神和人格魅力。

也许克里克并不是最聪明的科学家,但他却拥有一名优秀科学家所具备的最重要的品质:敏锐的洞察力和坚忍不拔的毅力。现在我们看来,DNA双螺旋结构并不复杂,之所以作出这个重大发现的人是他和沃森而不是与他们同时代的其他科学家,用克里克自己的话来说,就是:“我想,詹姆斯和我最值得称赞的是我们选对了问题并坚持不懈地为之奋斗。为了找到黄金,我们一路跌跌撞撞,总是犯错误,这是真的,但事实是我们仍在一直寻找黄金。”

在生活中,这个执著的科研者喜欢大声讲话,无论是沿着河边散步、吃饭,还是在老鹰酒廊聊天,他都一口气能说好几个小时。他是理想的研究伙伴,也是真诚的朋友。沃森说:“我将永远缅怀弗朗西斯,记住他高人一筹、专注于一点的智慧,记住他对我的友善和对我树立信心的帮助”。

2001年,中科院汪云九教授曾经到圣迭戈的索尔克生物研究所访问克里克教授,同他探讨了研究意识问题的理论,克里克从未到过中国,但他表示了对东方古国的强烈兴趣,他说可惜他的身体和腿脚已经不允许他作国际旅行了,但他还是为《狂热的追求》和《惊人的假说》中译本写了序言。-

克里克对生物学中的两个问题很感兴趣:一,分子如何从无生命的物质变成生物;二,大脑如何产生思想。他后来意识到他所受到的教育很适合成为一名生物物理学家。当时,克里克受到了很多来自一些著名物理学家,例如鲍林薛定谔等人的影响。理论上,共价键可以将生物分子连接起来,成为基因的基础。但是实际上,生物学家们仍然需要知道到底是哪个分子使得整个结构具有生命。对于克里克来说,只要将达尔文自然选择所创造出的进化论孟德尔在基因方面所进行的研究一起汇集起来,就能获得生命的秘密。不过当他意识到自然地形成生命有多么困难时,他说:“一个诚实的人,不管知道多少,也只能说生命的起源几乎是一个奇迹,因为有多少条件需要具备啊!”总之他称自己为“强烈倾向于无神论的怀疑论者”。

当时许多生物学家已经意识到,像蛋白质这样的高分子很有可能是基因的基础物质。但是,蛋白质只是结构性和功能性的高分子,并且很多又是酶。1940年代中,生物学家们已经开始发现另一种高分子:脱氧核糖核酸,这是染色体另一个重要的结构,有可能是基因的根源。奥斯瓦尔德埃弗里及他的同事发现,细菌可以替基因添加DNA分子而造成基因表现型的不同。可是也有证据说明DNA和生物学家的目标无关;DNA可能只是给更重要的蛋白质分子提供基本的框架而已。正在这时,克里克在1949年参加了剑桥大学马克斯佩鲁茨的研究小组,开始利用X射线来研究蛋白质结晶。此种研究,在理论上,提供了科学家很好的机会来彻底明白大型分子的结构,可是实际上又有太多的技术问题,使得利用X射线在当时并不适合研究分子结晶。

克里克自己学习了X射线结晶学的数学理论基础。在这段时间内,剑桥大学的研究员正在尝试着确认蛋白质的最稳定的螺旋链模型α螺旋鲍林是第一个发现α螺旋中氨基酸:旋转=3.6的比例的科学家。克里克自己目睹了他同事在研究α螺旋中所犯的错误,并在研究DNA的结构中成功地避免了类似的情景。

1951年,克里克与威廉斯科克伦(William Cochran)及泛德(Vladimir Vand)一起推出了螺旋形分子的X射线衍射的数学理论。从这个数学理论得出的结果和认为含有α螺旋的蛋白质的X射线实验结果正好吻合。此结果在1952年的一期自然杂志里出版。螺旋体衍射理论对研究DNA的结构很有帮助。

从1951年底开始,克里克开始与沃森一起在英国剑桥大学的卡文迪许实验室里工作。他们利用伦敦国王学院的科学家莫里斯威尔金斯、雷蒙德葛斯林及富兰克林等人的X射线衍射的实验结果,一起提出了DNA的螺旋形结构模型,并在1953年发表研究结果 。

当沃森来到剑桥时,35岁的克里克仅是一名研究生,而23岁的沃森已经有了博士学位,可他们都对分子结构如何储存遗传信息的这个问题很感兴趣。他们不断地讨论着,认为他们有可能能猜到一个好的、可以解释这个问题的分子结构。1951年11月,威尔金斯与他的学生雷蒙德葛斯林(Raymond Gosling)来到了剑桥大学,并且提供沃森和克里克一项非常重要的实验结果,那就是威尔金斯和他的同事亚历山大斯托克斯(Alexander Stokes),最近从DNA的X射线衍射的实验结果意识到DNA的结构必定是螺旋形的。他们的实验结果和富兰克林后来的一堂课鼓励沃森和克里克继续研究螺旋形的分子结构,但是因为他们(特别是沃森)认为鲍林有可能会抢在他们前面发表研究结果,所以在匆忙中发布一个错误的模型。他们的积极性受到了一定的打击;几个月来,他们并没有在这方面做太多的研究。就在这时,富兰克林发现并指出了他们的错误-DNA里亲水的磷酸盐应该位在螺旋表面,而疏水的碱性部分应该位在螺旋内部;而在他们的模型中,磷酸盐位在螺旋的内部,显然是不正确的。

克里克向威尔金斯描述了他们原本模型的错误,并请他与富兰克林继续帮助沃森和克里克研究DNA的分子结构。威尔金斯向他们提供了最新的、还没有发表的X射线衍射图像;富兰克林也在1952年向他们提供了她对这些图像所做的分析(这些分析后被包括在她交给伦敦国王大学的兰德尔的一份实验报告里)。这份信息进一步地巩固了他们对双螺旋、反平行的分子模型的信心。

克里克在1952年初曾经让格里菲斯试着利用基本化学原理和量子力学计算一下不同的核苷酸之间的吸引力。格里菲斯的结果显示鸟嘌呤(G)与胞嘧啶(C)互相吸引,而腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶(T)同样也是同一对。此时克里克并没有意识到此结果的重要性。1952年底,查戈夫来到英国与沃森和克里克见面,并告知他们他的新发现,也就是查戈夫法则(也称碱基当量规则)。这条法则内含两个比例:鸟嘌呤(G)与胞嘧啶(C)的比例为1:1,腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶(T)的比例也为1:1,与格里菲斯的计算结果相同。沃森后来突然意识到,A:T这一对和C:G这一对的结构很相似,它们都一样长,且每一对里的两个分子都是由氢键连起来的。沃森及克里克在综合查戈夫等人的发现后完成DNA分子结构的研究。

沃森及克里克在1953年4月25日首次在《自然杂志》公布研究结果。,卡文迪许实验室主任劳伦斯布拉格爵士1953年5月14日于伦敦盖兹医学院进行演讲,里奇考尔德在1953年5月15日于《伦敦新闻纪事报》发表一篇文章,描述该场演讲内容。《纽约时报》于隔天进行报道,探讨克里克的生平,文章标题为“沃森及DNA:创造一次科学革命”。剑桥大学在校生报纸《Varsity》也于1953年5月30日星期六发布短篇文章。1962年,沃森、克里克及威尔金斯因为DNA研究被授予诺贝尔医学奖 。

1954年,37岁的克里克完成博士论文:“X-射线晶体学及蛋白质”,并获得博士学位。克里克然后在纽约科技大学的实验室工作,他在那里继续进行蛋白质X射线晶体学的分析研究,主要目标是核糖核酸酶蛋白质生物合成机制。

克里克在发现DNA双螺旋结构模型后,他将焦点迅速转向生物学结构所具有的意义。1953年,沃森和克里克于《自然杂志》发表另一篇文章:“它似乎可能是携带遗传资讯代码的基础程序”。

1956年,克里克与沃森推测出小病毒的内部结构,认为球形病毒是由60个相同亚基所组成,例如番茄丛生矮化病毒。

他在纽约短暂工作后,克里克又回到剑桥大学,直到1976年为止。克里克在这段期间搬到加州定居。克里克与亚历山大合作,使用X射线衍射来进行研究,例如胶原蛋白结构。

俄罗斯科学家乔治伽莫夫组织一群科学家,针对RNA进行研究。克里克清楚的意识到,必须有一个短序列的核苷酸代码来指定一个特定的氨基酸在新蛋白质中形成。1956年,克里克为伽莫夫的RNA研究小组撰写一篇有关的遗传密码问题的论文。克里克在这篇文章中,提出蛋白质是由大约20个氨基酸所合成的证据。

在1950年代中期至后期之间,克里克持续研究蛋白质的合成。到了1958年,克里克已经可以列出所有的蛋白质合成过程中的关键程序。

佛朗西斯克里克于1958年提出分子生物学中心法则,并于1970年在《自然杂志》中重申: 分子生物学的中心法则旨在详细说明连串信息的逐字传送,它指出遗传信息不能由蛋白质转移到蛋白质或核酸之中。

DNA → RNA → 蛋白质

DNA结构的发现者,英国科学家弗朗西斯克里克写给儿子的家书2013年4月10日在纽约被拍卖,以破纪录的530万美元高价(约合人民币3286万元)被匿名人士买走 。克里克写给当年只有12岁,就读寄宿学校的儿子迈克尔的这封家书长达7页。克里克在信中称,DNA的双螺旋结构非常“漂亮”。还写道:“仔细读,你才能读懂。你回家后,我们再拿模型给你看。”信上签署的日期是1953年3月19日。加上拍卖佣金,克里克的这份信件总价格超过600万美元,该信件拍卖价格远远超过2008年美国总统林肯340万美元(含佣金)的信件拍品。

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