□周光召 (2003年4月15日)

各位下午好。今天我非常荣幸被请来参加中国科学家人文论坛，而且作第一场报告。我报告的题目是：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。刚才路院长和郑院长都做了非常好的讲话。在我作这个报告之前，要稍微说两句，为什么选了这么一个题目，我也不知道跟必坚同志的要求是否符合。

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的创新。但是在过去，确实有很多条件是不具备的，比如说我们的科研经费长期只有GDP的千分之五。物质条件差别很大，我们大家都关心怎么样能提高我们的科研经费。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。所以还要继续努力来增加科研经费。我想随着我国经济的发展，政府也会给予更多的支持。但是我们一直在想，要达到美国那样的科研经费强度可能需要很长的时间。于是，我做了一些调查，世界上到底是不是重大的科技创新都是在投资强度很高的条件下产生的？我的结果就发现，上世纪最重要的三个重大发现，就是相对论、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底下产生的。相对论不去说它了，只是爱因斯坦这个特殊的天才，不好拿来比较。但是爱因斯坦发明特殊相对论的时候，他连找工作都非常困难，他本来留在学校做助教，学校也不要他。最后在专利局做个职员。他是在做职员业余的情况底下发现了特殊相对论。量子力学是在1925年的德国发现的。1918年第一次世界大战，德国失败了。因此，德国要做经济赔偿，是很困难的。在1930年，希特勒就要上台了，为什么上台？其中一个原因就是经济困难，有很多贫困人口要找出路。1925年在德国，生活肯定是很困难的。

DNA是1953年在英国发现的，也是在第二次世界大战之后。美国是当时唯一没有受到战争影响的大国。而且由于战争的关系，使得美国非常重视科学。所以在二战以后，美国大量投钱来发展科学。而英国的实验室和科学家是处在很困难的境地。尽管如此，他们还是发现了DNA双螺旋结构。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。为什么他们在这样比较困难的情况底下能作出世界最重要的科技成果？这是值得今天我们来深思的，也是刚才两位院长在他们讲话里所提出来的一些课题。

今年恰好是双螺旋结构发现五十周年，借这个机会，把这里边的一些故事讲一讲。从故事里边，看我们能不能得到一些启发，在我们物质条件还不如像美国这样超级大国的情况下，创造什么样的条件，主要是人文精神方面的条件。才能使得中国的科学更快的发展。这是我今天讲话的目的。下面要讲的是一些具体的故事。

DNA双螺旋结构是20世纪生物学最重要的发现。这个发现阐明了生物基因密码的构成，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、净化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。

DNA的发现和后来紧接着由RNA转录、翻译为蛋白质的中心法则的发现，以及随后发明的基因重组和克隆技术就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，如品质优良、抗逆性强的转基因和克隆生物；改变结构提高功能的蛋白质；用于医疗检测和环保监测的生物芯片；高疗效个性化的基因治疗药物；克隆器官；生产化学工业原料、有机材料和可再生能源的转基因生物工厂；DNA计算机；用于控制和消除环境污染的转基因微生物等等，对我们人类的生活和生产产生巨大的影响。对DNA双螺旋结构的发现作出重大贡献的科学家有四位，分别是Francis Crick、James Watson、Maurice Wilkins和Rosalind Franking，这四位都是在英国工作。此外，有一位美国的著名科学家叫Linus Pauling。还有一位叫Gerry Donohue提供了重要的意见。平常最主要的就是讲的前面这几位。在很多地方，甚至只提到前面两位。这四位中间，有一位女科学家，这位女科学家在1958年去世了，1962年他们得诺贝尔奖的时候，她已经去世了。她其实是在这里边作出贡献最大的一位科学家，也是受到最不公正待遇的一位。

发现DNA双螺旋结构的这四位科学家只有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作出了各自的贡献，这是科学史上由学科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和规律进行的探索，又表现出科学家的个性、爱好和观点在竞争与合作中形成的学术思想上的融合、碰撞和冲突，也反映出社会和学术群体的评价给予的鼓励、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，吸取有益的经验，采取相应的措施，对改进我国基础研究的环境和氛围，对促进我国科技创新有重大的现实意义。

绚丽多彩的生物世界是如何产生的？成千上万种不同形状和习性的生物之间有什么关系？这是自古以来人们一直追问的问题。

到了1859年，达尔文在“物种的起源”一书中，提出了生物进化学说，不同物种有共同的祖先，通过遗传变异，生存竞争和适应选择逐步发展起来。所以遗传在我们的生命世界中间是起了非常重要的作用，在历史上不断有人提出来，而达尔文是系统的提出来这样一个学说。遗传机制一直是生物学家关注的重大课题，在达尔文提出进化论不久，1865年，孟德尔通过豌豆子代性状显示的规律，首先发现了由父母向子代遗传，并且能够一代一代遗传下去的，今天我们叫做基因的遗传信息单位。但是孟德尔写了一篇文章，很少人去看，所以谁也不知道。过了30多年以后，他的结论又被其他几位科学家重新发现，这就说明科学传播不够的时候，科学的成果就不能起到它应有的作用，至少使得生物学的进展推迟了几十年。1869年一位科学家叫Meischer从鱼的精子细胞核中分离出DNA分子。 1882年，Flemming发现了染色体。1914年，发现DNA是可以染色的。到1910年，美国科学家Margan研究果蝇的遗传规律时发现，遗传信息位于染色体上。染色体上面有DNA，还有蛋白质，以后相当长的一段时间里面，人们更多猜测蛋白质是遗传信息的载体。

这里面我们看到的是一个细胞，中间是细胞核，染色体和DNA就在这个细胞核里。这是人的染色体，一共有23对。 从染色体拉出一条长链来，这个长链就是DNA，DNA缠绕在蛋白质上面，就产生这样的形状。上世纪20年代，生化学家分析了DNA的分子构成，发现它是由四种核苷酸分子组成。这里是分子的样子，左边是嘌呤，右边是嘧啶。嘌呤比嘧啶要稍微大一点。有两种嘌呤分子，有两种嘧啶分子，它们的结构都是相似的。有一些分子的排列不一样，嘌呤和嘧啶差别比较大。除此之外还有核糖，白颜色的就是嘌呤和嘧啶。下面连接比较深颜色的是“去氧核糖”，是一个糖分子，两个糖分子之间的是磷酸的结构。所以整个DNA是由核苷酸分子，再加上左边连的"去氧核糖"，"去氧核糖"本身又有磷酸连接起来，成为一个骨架。同时，"去氧核糖"连着磷酸的一端叫做"五端"，不连磷酸的一端叫做"三端"。

在上世纪20年代的时候，科学家Griffith发现了转移因子，使原来不致病的链球菌株转变为致病的菌株。一个叫做S菌株，一个叫做R菌株。S菌株是致病的，R菌株是不致病的。此后，生物学研究转移因子到底是碳水化合物？脂肪？蛋白质还是DNA？碳水化合物和脂肪很快被否定了。但对后两种则不易作出判断。一般认为，DNA太简单，不会是转移因子的载体。

1944年，有几位科学家初步确定了转移因子在DNA中间，不在蛋白质中间。但是直到二战结束，很多人还是怀疑他们的结论。1950年有一个科学家叫Chargaff指出DNA中核苷酸分子A和T，C和G的数目是相等的。不管DNA分子从哪里取来，里面的A和T、C和G的数目都是一样的。到了这个时候，发现的时机已经开始成熟了。但是多数人还是不相信，还是认为是蛋白质。一直到1952年，有两位科学家用放射化学的原子示踪方法确定了是DNA。因为蛋白质是含硫的，而DNA里边有磷，所以可以用磷的同位数和硫的同位数放进去，就可以看出来哪个是遗传基因的载体。他们很明确的发现是DNA，而不是蛋白质。DNA分子结构的发现已经指日可待，竞争更为激烈，而花落谁家则是学识、战略、学术氛围、竞合关系等等综合实力的较量结果。

下面，我们先就现在对DNA分子结构的了解，简单说明一下DNA的结构，确定要发现这一结构所遇到的关键难关是什么。细胞核之中有DNA。DNA到底是什么结构？DNA是在染色体里边，我们今天认识的DNA结构是一个螺旋，螺旋的外侧就是“去氧核糖”和磷酸组成的骨架，中间是核苷酸，他们按照CT配对，AG配对。发现过程中必须解决关键问题：1确定DNA是螺旋结构并确定是双螺旋。2.确定由去氧核糖和磷酸组成螺旋的骨架，双螺旋的两条骨架是反平行的，骨架是在螺旋的外侧。3.确定四种核苷酸分子A、G、C、T，组成遗传密码字母，它们排列在两条螺旋的骨架上，通过分子化合键的作用按照A-T，C-G的方式配对，位于螺旋的中央，两条螺旋携带相同的遗传信息。

Cavendish实验室是英国剑桥大学内设的物理学实验室，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写的，它是把一种比较矛盾的风格结合在一起。一方面，主任都是非常著名的科学家，在实验室里起决定作用的。但另一方面，那里边的人没有什么限制，是独立思考的。学生之间有很好的友谊，一个学生发现另外一个学生做的不对，他就可以直截了当地指出，而且证明他不对。这在其他很多地方是做不到的。更使他矛盾的是学生和教授之间的关系。毫无疑问，这些教授当时都是非常有名的，但在这里，教授的理论及其实验所遭受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。我想这是Cawendish非常重要的风格和传统，也是中国今天最缺乏的。

在二次世界大战的时候，主要从事原子物理和核物理基础研究的Cawendish实验室的科学家们转向对雷达、核武器的军事研究。二战结束以后，鉴于核科学研究对于国家安全的重要性，当时包括英国在内，觉得不应该在大学的一个实验室里进行，就专门成立了一个国家实验室。所以从事核物理研究的科学家就转移到新的实验室去了，钱也转移过去了。这样，Cawendish实验室不仅经费短缺，研究方向也临时失去了，不得不进行战略转移。

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用战时发展出的雷达探测技术发展射电天文里面。他本人和他父亲用在Cawendish实验室发展起来的X光晶体分析技术进行生物大分子结构的跨学科研究。他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，又从医学研究委员会争取到一笔经费。当时Crick和Watson就在这里工作。他们俩都加入了蛋白质结构分析的小组。两人对DNA有浓厚的共同兴趣，并最终发现了DNA双螺旋结构。Bragg的远见在困难的条件下保证了Cawendish实验室在两个新兴学科上作出了辉煌的成果，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。他在1950年成功地发现了蛋白质的a-螺旋结构。还有一个小组是位于伦敦皇家学院的Wilkins和Franklin小组。Wilkins战时曾参加核武器研制的曼哈顿计划，战后是最早开始用X光分析DNA晶体结构的物理学家。1951年Franklin加入，取得更为清晰的DNA照片。Franklin是一位杰出的女科学家。她从物理化学专业毕业后，起先从事用于核反应堆的高强度碳纤维的研究工作，1947年起在巴黎国家中央化学实验室从事X光晶体分析。当时英国社会对女科学家普遍不尊重。Franklin的家庭虽然富裕，她的父亲却不愿支付她上大学的费用，只是在母亲的坚持下，才得以解决。她在皇家学院工作时，大学的俱乐部甚至不接受女教师在内进餐。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。但好几次Watson和Crick想和她合作，都被她拒绝了。以致在1962年他们的诺贝尔奖的报告中，一共引用了98篇文章，却一次也没有提及Franklin的工作，这是非常不公正的。后来从Franklin的工作笔记中发现，在Watson和Crick发表他们双螺旋结构文章的前夕，除配对方案外，她已经独立地得到了相同的结论，作为有经验的化学家，她必定在短期内会解决这一问题。

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Wikins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。在申请下年度的工作岗位时，他决定不去Pauline那里，因为他觉得pauline名气太大，不可能花时间帮助他这个小人物。同时Wilkins对他的热情也没有反应，最后他决定到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：所有的生命的现象都是在分子的层次所产生的。所以如果不懂得这些分子的话，我们就不会懂得任何的生命现象。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。由于Bragg和伦敦皇家学院有一个君子协定，Cawendish实验室只作蛋白质的X光分析，而DNA的X光分析由皇家学院进行。因此，Crick和Watson只能设法从皇家学院得到有关的实验数据。所以，他们是在条件并不是很好的情况底下完成研究工作的。Waston来到以后，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分子链条的估价，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，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，但他一直没有机会接触DNA结构的X光分析照片。1952年他申请到英国参加学术会议，由于被美国政府认为亲共而拒发护照，没有见到Wilkins和Franklin。Pauling提出的也是一个骨架在内的三螺旋模型，Watson和Crick虽然知道这和他们在52年提出的模型相似而不可能正确，但感到了竞争的压力，他们知道必须加快，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Wilkin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。1953年1月，Pauling在美国宣布他发现了DNA的结构，并派他的儿子带了文章的预印本到英国，希望看到DNA结构的X光照片，但为Wilkins婉拒。Watson回来以后将新发展情况向Bragg报告。Bragg感到竞争激烈，就同意他们做了。根据Franklin的新X光照片，Watson和Crick提出了双螺旋结构的设想，并将核糖核酸和磷酸组成的骨架放在分子的外面，里面核苷酸基对。这时他们不通过Randall，在Franklin也不知情的情况下，得到了一份内部报告，从该报告的数据中，他们得出了双螺旋的两支是反平行的结论。最初Watson以书本上的核苷酸化学结构为出发点，认为基对是由相同的核苷酸分子通过氢键组成，但不能解释Chargaff规则。到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和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.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。学科交叉是创新思想的源泉。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，才能作出重大创新。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。对Watson和Crick的关系有两段描述： 他们的同事讲，他们这两个人互相启发，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。他们两家人中间，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。要创造一个科学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。同时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。

结论：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。

谢谢!

(根据录音整理)