吳志強(qiáng) 周 韋 謝仁榮

（1 安徽省蕪湖市教育科學(xué)研究所 安徽蕪湖 241000 2 安徽省合肥市錦繡中學(xué) 安徽合肥 231000 3 福建省石獅市第三中學(xué) 福建石獅 362700）

奧斯瓦爾德·艾弗里（Oswald T. Avery）及其同事于1944年報(bào)道DNA 是導(dǎo)致肺炎雙球菌發(fā)生轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的化學(xué)物質(zhì)[1]，許多人認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)值得被授予諾貝爾獎。艾弗里最終卻與諾貝爾獎擦肩而過，這不得不說是諾貝爾獎歷史上的一大憾事。在公開的諾貝爾獎檔案中，分析艾弗里每次被提名及其提名者的相關(guān)資料，從中可窺探艾弗里與諾貝爾獎無緣的那段科學(xué)史。

1 肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)及艾弗里的結(jié)論

在對肺炎的診斷和治療的工作中，艾弗里對肺炎雙球菌的易感性和抗性均有極大的興趣。艾弗里意識到要徹底解決這一問題，需要對肺炎雙球菌菌體有更深入的認(rèn)識，包括菌體的結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、生理活性、免疫特征及遺傳和變異。正因?yàn)閷Ψ窝纂p球菌系統(tǒng)性的研究，艾弗里及其團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了與肺炎雙球菌感染現(xiàn)象毫不相干的一個重大的生物學(xué)問題，即DNA 是遺傳物質(zhì)。

在對肺炎雙球菌莢膜化學(xué)成分的研究過程中，艾弗里重新審視了格里菲斯（Fred Griffith）于1928年完成的細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)[2]。格里菲斯作為英國衛(wèi)生部藥學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究人員，發(fā)現(xiàn)了R 型菌和S 型菌的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。當(dāng)他將大量無毒的R 型菌和死亡的S 型菌注入小鼠體內(nèi)后，發(fā)現(xiàn)總能從小鼠的血液中分離出具有相同毒性的S 型活菌，其多糖莢膜的免疫性質(zhì)相同。由于格里菲斯缺乏足夠的微生物學(xué)和遺傳學(xué)知識，不能合理地解釋這種轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。

肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象引起了艾弗里極大的興趣，他建議并鼓勵年輕的加拿大科學(xué)家道森（Michael H. Dawson）找出發(fā)生這一轉(zhuǎn)化現(xiàn)象最有可能的條件。在確認(rèn)格里菲斯實(shí)驗(yàn)結(jié)論的基礎(chǔ)上，麥克勞德（Colin MacLeod）和麥卡蒂（Maclyn McCarty）也開始尋找能發(fā)生轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的化學(xué)物質(zhì)。麥克勞德的重大貢獻(xiàn)是通過改進(jìn)方法分離出更多的轉(zhuǎn)化物質(zhì)，有助于后續(xù)更加詳細(xì)地研究。具體做法是用加熱法殺死細(xì)胞，而并非用常見的脫氧膽酸鹽溶解細(xì)胞。這一改進(jìn)方法避免了轉(zhuǎn)化因子與細(xì)菌體內(nèi)的酶的接觸，進(jìn)而獲得更多有活性、更穩(wěn)定的制備物。當(dāng)麥克勞德離開洛克菲勒研究院在紐約大學(xué)任職后，麥卡蒂這位有著豐富微生物學(xué)知識的年輕科學(xué)家繼續(xù)相關(guān)的工作，對轉(zhuǎn)化因子進(jìn)行了化學(xué)定性分析。通過與羅森（Alexandre Rothen）的合作，他們發(fā)現(xiàn)離心后轉(zhuǎn)化因子的分子量在50 萬～100 萬Da 之間。對該不明物質(zhì)的定性分析，尤其是磷氮比，得知除DNA 外的其他已知物質(zhì)均不符合。麥卡蒂也對轉(zhuǎn)化因子進(jìn)行了酶解處理，并分析了處理后的樣本活性，發(fā)現(xiàn)除DNA 酶外，其余樣本均具有活性。

2 艾弗里早期研究對抗菌免疫現(xiàn)象作出錯誤結(jié)論

盡管對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析合乎情理，但艾弗里在早期曾對抗菌免疫現(xiàn)象作出錯誤結(jié)論，影響人們對此次實(shí)驗(yàn)結(jié)論的認(rèn)可。1916年，艾弗里發(fā)現(xiàn)治愈者的血清并不能殺死肺炎雙球菌，但能抑制其在培養(yǎng)基中的增殖，因此，艾弗里和多切茲（Alphonse R. Dochez）在《實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)雜志》發(fā)表的論文中認(rèn)為抗菌免疫是由于感染者血清中的物質(zhì)抑制了肺炎雙球菌相關(guān)酶的活性[3]。1917年，艾弗里和多切茲發(fā)表第2 篇論文，通過簡單的化學(xué)分析，2 位作者認(rèn)為該物質(zhì)是一種天然蛋白質(zhì)或是與蛋白質(zhì)相關(guān)的物質(zhì)。宣稱利用酒精和丙酮對尿液反復(fù)沉淀，可獲得類似血清活性的物質(zhì)[4]。布萊克（Francis Blake）于1917年發(fā)表的論文中，完全否定艾弗里的抗菌免疫觀點(diǎn)。雖然布萊克證實(shí)艾弗里實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性，但他認(rèn)為這只是菌體聚集的結(jié)果并不涉及酶活性的抑制。隨后，巴伯（Barber）和科爾（Cole）也表示對抗菌免疫現(xiàn)象的質(zhì)疑。

1926年艾弗里和海德爾伯格（Heidelberger）證明此前結(jié)論可能存在問題，但他們并未發(fā)表一篇關(guān)于抗菌抑制的文章以反對上述質(zhì)疑，也未在刊物上公開發(fā)表更正說明以撤回其錯誤結(jié)論。艾弗里作為一位眾所皆知的細(xì)心的實(shí)驗(yàn)科學(xué)家，即使存在不利的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，也仍然堅(jiān)持其觀點(diǎn)。在此后的25年里，他不斷提及此問題。與抗菌免疫的文章相似，艾弗里關(guān)于DNA 的文章將徹底扭轉(zhuǎn)人們對于遺傳物質(zhì)化學(xué)本質(zhì)的思考。然而，艾弗里在科研生涯早期的2 篇錯誤文章的負(fù)面作用在此時顯現(xiàn)，人們質(zhì)疑該文章的科學(xué)性，如同質(zhì)疑他以往的文章一樣。這可能是當(dāng)他發(fā)現(xiàn)DNA 是肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化因子時不被大家廣泛接受的一個原因。

3 艾弗里獲30 次諾貝爾獎提名

艾弗里的諾獎提名有30 次之多，均是僅涉及肺炎雙球菌的多糖莢膜及其抗原性的研究。艾弗里曾發(fā)表40 多篇以該問題為主旨的文章，推翻了抗原只能是蛋白質(zhì)的論斷，該觀點(diǎn)很快被證實(shí)是完全正確的。但仍有一部分科學(xué)家認(rèn)為，莢膜的抗原性是由于在提純過程中混有蛋白質(zhì)。隨著研究的深入，艾弗里有力地回?fù)袅诉@一質(zhì)疑。1946年，艾弗里因發(fā)現(xiàn)由DNA 導(dǎo)致的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化現(xiàn)象獲得諾貝爾獎的提名，但哈馬斯騰（Einar Hammarsten）根據(jù)他本人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為無法得到無蛋白質(zhì)的天然DNA，強(qiáng)烈質(zhì)疑這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果。艾弗里的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)獲得提名后，有2 個術(shù)語用于描述這一現(xiàn)象。其一是演化（transmutation），源自拉馬克和達(dá)爾文對物種進(jìn)化的描述，另一個則是現(xiàn)在普遍采用的轉(zhuǎn)化（transformation）?，F(xiàn)代遺傳學(xué)中的轉(zhuǎn)化是指細(xì)胞獲得外源DNA 后導(dǎo)致遺傳組成發(fā)生永久性改變的過程。這一術(shù)語的變化或多或少反映了艾弗里及其同事對于肺炎雙球菌類型轉(zhuǎn)變實(shí)質(zhì)的一些疑惑。

在前4 次諾獎提名中，并未提及該現(xiàn)象的化學(xué)本質(zhì)為何，且同時引用了多糖莢膜的相關(guān)工作成果。后10 次中僅有5 次提及DNA 或核苷酸才是遺傳物質(zhì)的化學(xué)基礎(chǔ)。至于轉(zhuǎn)化現(xiàn)象諾貝爾獎的提名中不涉及DNA 的原因，與當(dāng)時幾位生物化學(xué)權(quán)威密切相關(guān)。諾斯羅普（John H. Northrop）、斯坦利（Wendell M. Stanley）和薩姆納共同獲得1946年的諾貝爾化學(xué)獎。諾斯羅普和斯坦利曾在洛克菲勒研究院的普林斯頓分院共同工作過，曾于1943年拜訪艾弗里。當(dāng)時艾弗里詳細(xì)回顧了多年以來積累的關(guān)于肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，但這2 位經(jīng)驗(yàn)豐富的生物化學(xué)家卻絲毫未提出對于后續(xù)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)建議。11年后，諾斯羅普提名艾弗里的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)時仍未直接提及DNA。至于制備出結(jié)晶體病毒蛋白的斯坦利，對病毒蛋白酶的轉(zhuǎn)化活性研究，類比得出轉(zhuǎn)化現(xiàn)象也應(yīng)該與蛋白質(zhì)有關(guān)，忽視了艾弗里的研究成果而從未提名過艾弗里。其他提名艾弗里的科學(xué)家包括當(dāng)時頂級的研究核酸的化學(xué)家查哥夫（Erwin Chargaff）。他認(rèn)為艾弗里于1944年發(fā)表的那篇論文對他產(chǎn)生了“決定性的影響”，讓其將大部分精力都投入到研究核酸的過程中。但查哥夫在對艾弗里的諾貝爾獎提名中并未提及核苷酸或DNA，而僅提到“這是有關(guān)引起肺炎球菌類型轉(zhuǎn)化物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)的工作”，同樣的表述也出現(xiàn)在諾斯羅普的提名中。

4 沒有遺傳學(xué)家為艾弗里提名

1946年，英國皇家科學(xué)院授予艾弗里科普利獎?wù)?，認(rèn)為肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中，這種遺傳的變化是由被稱為“基因”的物質(zhì)誘導(dǎo)產(chǎn)生的，而這種物質(zhì)應(yīng)該是脫氧核糖核酸。不久，就有數(shù)名化學(xué)家和生物學(xué)家對該觀點(diǎn)作出回應(yīng)。例如，霍齊斯基（Rollin Hotchkiss）開始對不同來源的DNA 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，米爾斯基也于1947年承認(rèn)艾弗里的發(fā)現(xiàn)讓化學(xué)家不得不認(rèn)真思考核酸結(jié)構(gòu)具有一致性假說的正確性，因?yàn)楫?dāng)前的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明核酸不可能是不變的。

盡管這是對核酸化學(xué)性質(zhì)的初步探索，但DNA是遺傳物質(zhì)的觀點(diǎn)并未讓艾弗里獲得當(dāng)時幾位杰出生物化學(xué)家的全力支持。在艾弗里發(fā)表文章后的一年內(nèi)，包括哈欽森（George E. Hutchinson）、馬沙克（Alfred Marshak）、沃克爾（A. C.Walker）和塞爾沃賴特（Sewall Wright）都曾提出DNA 可能是作為染色體的碎片以行使遺傳功能。發(fā)現(xiàn)了乳糖操縱子模型而獲得諾貝爾獎的科學(xué)家比德爾（George W. Beadle）在一次演講中特別提及，肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)對于多聚核苷酸的研究，可能是人類首次發(fā)現(xiàn)突變基因發(fā)揮作用的途徑。但這些評價并未出現(xiàn)在他們給艾弗里的諾貝爾獎的提名中。

當(dāng)時的遺傳學(xué)家面臨的一個重要的問題是DNA 如何執(zhí)行其功能？從1927年繆勒（Hermann J. Muller）發(fā)現(xiàn)將果蠅暴露在X 射線下可誘導(dǎo)產(chǎn)生各種不定向的隨機(jī)突變后，遺傳學(xué)家注意到DNA可讓肺炎雙球菌產(chǎn)生的這種定向突變，他們推測DNA 可能是一種能使肺炎雙球菌發(fā)生定向突變的化學(xué)試劑。雖然DNA 作為突變劑對遺傳學(xué)家而言同樣具有重要作用，但這一意義遠(yuǎn)不及其作為遺傳物質(zhì)的化學(xué)成分。

艾弗里及其同事的工作促使沃森（James D.Watson）進(jìn)行DNA 相關(guān)的研究工作。并且其導(dǎo)師盧利亞（Salvador Luria）早已認(rèn)識到，艾弗里的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明DNA 很可能就是真正的遺傳物質(zhì)。當(dāng)沃森在英國遇到持有同樣觀點(diǎn)的克里克（Francis Crick），2 人聯(lián)手闡明了DNA 的雙螺旋結(jié)構(gòu)及其可能的復(fù)制方式。令人可惜的是，艾弗里與遺傳學(xué)同行的交流屈指可數(shù)，以至于像是被他們遺忘一般，最后導(dǎo)致沒有遺傳學(xué)家為艾弗里提名諾貝爾獎。這恐怕也是艾弗里與噬菌體小組之間重要的不同。雖然了解艾弗里的工作和支持其觀點(diǎn)的科學(xué)家越來越多，但繆勒、比德爾、利沃夫、盧利亞、沃森、克里克、赫爾希和蔡斯均未提名艾弗里獲諾貝爾獎。

5 艾弗里未獲諾貝爾獎的原因

這與當(dāng)時著名的生化學(xué)家米爾斯基（Alfred E. Mirsky）反對艾弗里的觀點(diǎn)有關(guān)。米爾斯基研究的內(nèi)容注重蛋白質(zhì)與核酸的結(jié)合，即在細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的核蛋白。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，即使從細(xì)胞中分離出的DNA 仍然緊密地結(jié)合有部分蛋白質(zhì)，而想要將這二者徹底分離，在當(dāng)時是一個嚴(yán)峻的技術(shù)難題。因此，米爾斯基質(zhì)疑艾弗里制備的DNA樣品中摻雜了少量的蛋白質(zhì)，而按照當(dāng)時的觀點(diǎn)，由20 種氨基酸構(gòu)成的蛋白質(zhì)的多樣性比由核苷酸構(gòu)成的核酸能更好地體現(xiàn)遺傳物質(zhì)的特點(diǎn)。

當(dāng)時諾貝爾獎評選委員會的成員是從卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院選出的3 位資深教授。資歷不凡的哈馬斯騰教授于1946—1955年一直作為委員會的成員。哈馬斯騰對于獲獎?wù)叩倪x擇有極大影響力，只要他愿意，完全可讓艾弗里榮譽(yù)加身。但哈馬斯騰猶豫的原因是受到卡佩森（Torbjorn Caspersson）的代謝模型的影響，在這一模型中，核酸的角色遠(yuǎn)不如蛋白質(zhì)重要。1952年，卡佩森的同事馬爾姆格倫（Berndt Malmgren）教授為委員會提供了艾弗里轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)工作的第1 份詳細(xì)評估報(bào)告，同時還討論了霍奇基斯支持艾弗里實(shí)驗(yàn)的相關(guān)工作，并認(rèn)為目前蛋白質(zhì)參與轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的可能性不大。然而，他認(rèn)為DNA 作為轉(zhuǎn)化因子的最終證據(jù)仍不充分，目前不值得榮獲諾貝爾獎[5]。

直至1954年后赫爾希和蔡斯的實(shí)驗(yàn)結(jié)論及沃森和克里克的雙螺旋模型發(fā)表之后，艾弗里的工作再次受到關(guān)注。哈馬斯騰給委員會做了第3次關(guān)于艾弗里工作評估報(bào)告，在這份簡短的報(bào)告中承認(rèn)DNA 而非蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)。但轉(zhuǎn)化的機(jī)制尚不清楚，因此不值得獲得諾貝爾獎。這一理由的確強(qiáng)人所難，因?yàn)檗D(zhuǎn)化的機(jī)制在多年后發(fā)現(xiàn)。而第2年，艾弗里先生就已去世。

此外，艾弗里個人古怪的性格也是其未獲得諾貝爾獎的原因之一。他作為科學(xué)家卻極少參加相關(guān)的科學(xué)會議，即使會議地點(diǎn)就在美國也不例外。1933年，他拒絕前往德國領(lǐng)取保羅·埃爾利希獎，1945年，拒絕去英國領(lǐng)取科普利獎，以及1950年拒領(lǐng)瑞典頒發(fā)的巴斯德獎。拒絕的理由是沒有時間、身體抱恙及經(jīng)費(fèi)緊張等。而事實(shí)上，艾弗里更愿意在實(shí)驗(yàn)室工作或與家人度假。因此，不難想象，若獲獎艾弗里是否會拒絕前往斯德哥爾摩領(lǐng)獎。如果這一情況發(fā)生，恐怕會使諾貝爾獎評選委員感到極其尷尬。

6 艾弗里超前的結(jié)論轉(zhuǎn)變成既定的事實(shí)

1948年，法國巴黎舉行了一次國際性會議，退休的艾弗里再次提及肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化問題，利沃夫（André Lwoff）提出其觀點(diǎn)，肺炎雙球菌中含有2 種核酸，這就如同等位基因，而轉(zhuǎn)化的實(shí)質(zhì)有可能就是它們輕微改變后的結(jié)果。利沃夫的觀點(diǎn)是有預(yù)見性的，但其他遺傳學(xué)家仍困擾于其他生物的相關(guān)研究資料的不足，使他們無法將DNA 及其遺傳功能相聯(lián)系。因?yàn)樵谄渌锊牧现胁⑽丛佻F(xiàn)艾弗里的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)時推測的原因既可能是由于技術(shù)原因只能在細(xì)菌中實(shí)現(xiàn)，又可能是由于細(xì)菌某種特殊的代謝途徑使其成為特例，而并不具有普遍的遺傳原理。

但艾弗里的實(shí)驗(yàn)結(jié)果很快在其他研究中得到證實(shí)。博依文（Andre Boivin）利用DNA 成功誘導(dǎo)埃希氏桿菌發(fā)生變化，霍奇斯基發(fā)現(xiàn)DNA 可讓肺炎雙球菌的青霉素抗性發(fā)生轉(zhuǎn)移，亞歷山大（Hattie Alexander）和 利 迪（Grace Leidy）證 實(shí) 了DNA 導(dǎo)致流感嗜血桿菌抗原性質(zhì)的改變。但這些實(shí)驗(yàn)面臨與艾弗里的實(shí)驗(yàn)相同的問題，因?yàn)椴捎玫亩际羌?xì)菌，無法排除DNA 作為突變劑的可能性，因?yàn)檫@一結(jié)果可能僅適用于某些細(xì)菌，而無法在高等生物中重現(xiàn)。

在意識到DNA 在肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化現(xiàn)象中可能具有的重要作用后，赫爾希（Alfred Hershey）和蔡斯（Margaret Chase）設(shè)計(jì)了一個精妙的實(shí)驗(yàn)，證明了當(dāng)噬菌體侵染細(xì)菌時其DNA 進(jìn)入了細(xì)胞內(nèi)并導(dǎo)致產(chǎn)生了新的子代病毒，而與此同時，蛋白質(zhì)的外殼卻仍留在細(xì)胞外。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯然是赫爾希未曾預(yù)料到的，因?yàn)槭删w小組也傾向于蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)這一觀點(diǎn)。但這個新穎的實(shí)驗(yàn)排除了DNA 作為誘變劑的可能性，因?yàn)楫a(chǎn)生新的子代病毒意味著噬菌體的DNA 上具有多個相應(yīng)性狀的基因[6]。

1977年，原噬菌體小組成員之一的斯滕特（Gunther S. Stent）在《科學(xué)美國人》上發(fā)表題為《科學(xué)發(fā)現(xiàn)的超前性和獨(dú)立見解》一文，提到艾弗里的DNA 研究工作對遺傳學(xué)有重要意義。他指出其工作遲遲不受認(rèn)可的原因，不是因?yàn)檫@一結(jié)果無人所知和飽受懷疑，而是結(jié)果的超前性，當(dāng)時的遺傳學(xué)家并不能在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步做些什么。因此，當(dāng)赫爾希和蔡斯得出與艾弗里一致的結(jié)論后，這一超前的思想終于轉(zhuǎn)變成既定的事實(shí)。

7 結(jié)語

回溯艾弗里未獲諾貝爾獎的科學(xué)史，清楚地表明一項(xiàng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)所處的時代背景的重要性。在艾弗里的工作被忽視和貶低的10年間，另一項(xiàng)有所缺陷的發(fā)現(xiàn)——腦白質(zhì)切開手術(shù)卻受到了過度重視。一個沒有臨床精神病學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，對精神病學(xué)毫無興趣的醫(yī)生莫尼茲（António Egas Moniz），卻設(shè)計(jì)了一種稱為前額葉白質(zhì)切開術(shù)的手術(shù)，也稱前額葉切除術(shù)，用于治療癲癇[7]。這項(xiàng)之后被禁止的手術(shù)卻讓莫尼茲于1949年被授予諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎，而艾弗里的杰出工作卻被置于一旁。

1947年，艾弗里獲得有諾貝爾獎風(fēng)向標(biāo)之稱的拉斯克獎，彼時評委會作出的評價是“以非凡的毅力、非凡的洞察力和非凡的觀察準(zhǔn)確性，奧斯瓦爾德·艾弗里將其科學(xué)生涯的大部分時間都奉獻(xiàn)給了肺炎雙球菌的研究”，獲獎理由是“通過對細(xì)菌化學(xué)組成的研究，作出了卓越的貢獻(xiàn)”。不得不說，艾弗里是未獲得諾貝爾獎的科學(xué)家中最值得人們欽佩的科學(xué)家之一。