阿斯特伯里为首的利兹学派

第四章　阿斯特伯里为首的利兹学派

阿斯特伯里于1928年到达利兹，这是利兹大学精干的副校长詹姆斯·贝利博士（后来成为詹姆斯爵士）大刀阔斧改革管理的结果之一。当贝利来到利兹时，很自然地对该大学最大的一个系，在理科硕士阿尔特雷德·巴克教授领导下的纺织工业系感兴趣。作为皇家学会会员，贝利博士对于他所看到的一切感到震惊。他从来没有看见过像利兹这样的大学。在这所大学里，教育方式主要由同地方工业的联系——特别是同纺织工业的联系所决定，利兹大学的前身约克郡学院就是由于纺织工业而得以存在的。纺织工业系的教员中除教授外，唯一有学位的是J.B.斯皮克曼理科硕士，后来他成为科学博士和教授。教学几乎全是为了获取得以在纺织厂工作的毕业证书，以及为全市和同业公会的羊毛和绒线纺织考试作准备。1924年该系的175名同学中，96名是夜校学生。因此，不可能指望教员会有时间和动力去从事基础科学研究。他们全在搞应用科学课程的教学，因为这毕竟是个应用科学系。

阿斯特伯里和斯皮克曼后来给人的印象是，他们不得不力争在系里建立基础研究，而且除他们外没有一个人对此感兴趣。斯皮克曼的研究工作确是利兹大学开展羊毛纤维基础研究的最初一批工作之一。在那个时候，这些研究的经费很少。F.W.德赖作为艾克罗伊德研究员在进行温斯利戴尔羊的遗传学研究，但其他研究工作的资助很少。人所共知的事实是在第一次世界大战前，纺织工业是十分保守和自满的。至于谈到利兹大学，阿尔特雷德是这么说的：“……工厂感到它给予约克郡学院的，大大超过了可以指望学院回报给工厂的。”第一次世界大战给纺织行业以当头一棒，而且，

科学对纺织过程会有重大关系，这一观点已逐渐获得支持，因而应该给以机会把科学搞好。

这种观点代表了大战末期和当今的看法，在近十年里除了有些科学家得到机会外，就整个来说，并未实现在研究运动开始时提出的奢望。

（巴克，1927，3）

与此同时，科学和工业研究顾问委员会得出结论说，纺织工业“同其他工业相比要克服更多的困难，这是因为缺乏训练有素的人才和基础知识”（科学和工业研究委员会，1927，22）。

1917年到1919年，英国羊毛和毛线工业研究协会支持了利兹大学的研究工作。后来，也许是由于巴克在1927年的备忘录中所暗示的那些理由，该协会改变了方针。它在利兹大学赫丁利的“托利顿”大楼里建立一个研究所，凡是在纺织工业系里从事基础研究的申请都划给“托利顿”。当描述斯皮克曼遇到的困难时，我们应该记住中央政府的这个决定。

在该系工作的第一任研究人员是能干的年轻的物理化学家E.A.费希尔。他来自罗撒姆斯坦德，他比较研究了各种羊毛的张力强度同湿度的关系，以及羊毛在干燥时卷缩的性质；他讨论了同在罗撒姆斯坦德研究胶状土壤颗粒的行为所作比较的结果。这样，羊毛纤维成了胶质颗粒。他投寄皇家学会会刊的论文题目是《羊毛、沙粒和黏土的水分蒸发比的进一步观察》（费希尔，1923）。

1920年，费希尔被任命为纺织品研究助理，接着为纺织化学讲师，这是为保持1917年到1919年间校内建立的研究传统所采取的行动。1923年，费希尔离开利兹。约一年后，斯皮克曼得到任命。正如同他所写的“被迫从头去学习工业，但一开始就决心要形成一个纺织业应用科学的研究学派”（斯皮克曼，1927，2）。他最迫切需要的是能从事研究的训练有素的毕业生，以及资助他们的经费。如果他向科学和工业研究系申请经费，他的申请就会交给英国研究协会，但这个机构已经资助托里顿的一项研究计划。结果只剩下一个财源，那就是纺织工人奖学金的积累基金，这笔经费在1928年左右用完了。1925年，斯皮克曼求助的呼吁导致沃尔西夫人和威尔逊先生设立两项奖学金，但与工业特殊问题无关的研究没有得到经费（斯皮克曼，1927，5）。

当贝利博士对斯皮克曼研究羊毛纤维的物化性质产生深刻印象时，天赐良机地要斯皮克曼准备一份有关纺织系科学研究单位的备忘录。斯皮克曼在定稿的备忘录中谈到了他对纺织系学生的才干深感失望；谈到了该系无法吸引第一流学生；谈到了需要建立一个由有才能的人组成的核心作为该系未来的教职工，他们应该包括物理学、数学、物理化学和有机化学的毕业生（同上，14）。在训练出这些教职工之前，应该任命一位有学位的物理学家和建立研究生奖学金和仪器设备基金。一个星期后，巴克递交了一份备忘录，要求设置数学和力学的讲师职位和力学助教职位，另提出2900镑经常性开支的预算。巴克无疑地看出了哪一类预算可获得经费。这里只能指望一个经费来源——可敬的织品工人公司——可是尽管它们的基金（城市投资的利息）相当可观，但已在很大规模上赞助了该大学。

那年夏天，织品工人系的顾问委员会（纺织化学和染料化学）批准了下列预算的申请：

8名研究生，每名150镑　　　　　　 1200镑

新讲师（物理学）每名500镑　　　　 500镑

2名助教　每名300镑　　　　　　　　600镑

退职金　　　　　　　　　　　　　　100镑

仪器等　　　　　　　　　　　　　　500镑

合计　　　　　　　　　　　　　 　2900镑

（利兹大学顾问委员会……，1927，6）

1928年5月，织品工人同意每年补助3000镑。巴克写信给英国科学知识普及会的布拉格，提出物理学家职位候选人的建议，并得到如下答复：

亲爱的巴克：

有一位可能成为您的研究所需要物理学家，他就是W.T.阿斯特伯里。他来自斯托克-特伦特区，在剑桥大学成为信奉耶稣的学者，是物理学的优等生。当我要一位研究助手时，由于他的创见而被推荐给我。他确是一位出类拔萃的人，完成了第一流的研究并被到处引用，还写出了许多篇论文，刊登在《皇家学会会报》和《哲学报道》上。他有数学才能，通晓物理学和包括有机化学在内的化学，他专心致志于晶体结构问题。他同亚德利小姐即现在的朗斯代尔夫人（她和惠丁顿一起工作）一道发表了非常有价值的晶体结构X射线检验的摘要报道，这些晶体结构都是我们要用的。他精力充沛和不屈不挠，富有想象力。总之，他具有研究的气质。虽然他没有在车间里受过训练，但他的双手十分灵巧。

他是我最忠实的同事，我不想放走他，但对于富有进取心的人们来说让他走是合适的。他能讲演，但我不想称他为非常好的演说家，他的文章远优于他的演讲。如果您想了解得更详细，朗斯代尔夫人会告诉您有关他的全部情况。

（W.H.布拉格，1928）

阿斯特伯里作了回复。不久前他未能取得剑桥大学哈钦森的新讲师职位；贝尔纳得到了任命。这时，阿斯特伯里取得了成功。该校副校长贝利与阿斯特伯里的通信中曾写道：“我应该再补充一点：讲师将有一名训练有素的助教帮助工作，而且每年有500镑购买该研究课题用的仪器设备。”（贝利，1928）如果阿斯特伯里认为500镑全应用于纺织品物理学，那他一定有了好的基础。

阿斯特伯里的助手、数学家H.J.伍兹同新的研究单位看来已建立了良好的关系。如果副校长在巴克教授同纺织品化学讲师——斯皮克曼交往之前就告知巴克，如果他不确定纺织品物理学讲师职位的中选候选人就是阿斯特伯里（那时在利兹大学里没有人研究纺织品纤维的X光衍射），那么一开始就将是一帆风顺的。阿斯特伯里的朋友凯思琳·亚德莉于1927年同托马斯·朗斯代尔结婚时迁到了利兹大学，除她而外，恐怕很少有人了解有关羊毛X射线晶体学的工作。因为托马斯·朗斯代尔在大学的蚕丝研究协会的实验室里工作，所以他的太太有机会获得贝德福德学院奖学金在利兹大学物理系工作，得以收集W.H.布拉格在利兹大学期间（1908—1915）留存下来一鳞半爪的资料。由于得到布拉格的继任人、利兹大学凯文迪什会长理查德·惠丁顿的青睐，以及克里斯托弗·英戈尔德（利兹大学有机化学教授）赠送的六甲基苯的大晶体，凯思琳·朗斯代尔在1928年10月阿斯特伯里到来之前不久证明了苯环的平面构型。但是，这一工作曾向皇家学会申请设备经费，并去英国科学知识普及会使用仪器。

阿斯特伯里在几年前就为W.H.布拉格在英国科学知识普及会的演讲《日常事务的不完全结晶》拍摄了人体毛发纤维图，他想运用他在大学学院和英国科学知识普及会学到的本事来发展这个领域。只是在他非常敬仰的威廉爵士说服了他以后，才放弃了英国科学知识普及会激励人心的环境，来到了利兹大学从事纺织品这个未知世界的研究。在作出这一牺牲后，他指望能获得一个新领域。利兹大学副校长的质询和答辩，使他的要求获得了保证。当他到达利兹大学并发现惠丁顿系里的一位讲师J.尤里斯在十八个月前、应斯皮克曼的要求已取得了羊毛纤维的X光照片时，其烦恼之情是可想而知的！1927年，在利兹大学举行英国协会会议时，他们在纺织品专题讨论会上第一次出示这幅照片。

据斯皮克曼回忆，当时阿斯特伯里是非常为难……“他就这个问题求助于我，我们同意把该项工作交给他。十分妥帖地解决了这个问题”（斯皮克曼，1968）。在纺织品物理学研究计划的第一份报告中，我们看到这样一段文字：

先前的研究虽然大有希望，可是出于对阿斯特伯里先生的礼貌，在他获得任命后，尤里斯先生和笔者立刻放弃了继续研究和深入探讨。

（斯皮克曼，1928，8）

因此，1929年由惠丁顿推荐给皇家学会的尤里斯和斯皮克曼的论文，是他们关于羊毛精细结构的最后一篇论文（尤里斯和斯皮克曼，1930）。这事使人想起伦敦皇家学院遇到的困难之一。1951年罗莎琳德·富兰克琳到达该学院时，当时如她所想的她是唯一的DNA研究者。在这种情况下这个问题很快得到解决，立即从英国科学知识普及会聘用了一批人员，无疑地这是应该加以考虑的一支力量。在阿斯特伯里来到巴克的系里以后，事情就改观了。他从放在平板上交给他的羊毛纤维得到了延伸性。他同斯皮克曼分享了可敬的织品工人公司慷慨提供的6名研究员职位的经费。他还得到纺织工业系、染料化学系和染织系顾问委员会以及大学的资助，“不久以前有过强烈愿望……去发展纺织系的研究工作”（利兹大学顾问委员会报告……，1928，1）。

阿斯特伯里及其研究助手伍兹，从事研究的学生R.洛马克斯和A.斯特里特，以及一年以后来的研究员索拉·玛威克小姐，确实像一起在“温室”里工作。阿斯特伯里来到大学的头三个月里，确是把徒有四壁的房间建成一个研究实验室，这是一个很大的房间。1929年一次成功的投标保存了蚕丝研究实验室，那时纺织系把该研究小组从“棚屋”迁往该系大楼里设备较好的房间，而阿斯特伯里得到了可以铺开摊子的“棚屋”。后来，当蚕丝研究协会的研究组最后迁往曼彻斯特的谢利研究所时，阿斯特伯里占有了该研究组撤空的房间。阿斯特伯里不能对此有什么怨言。他确实没有抱怨“温室”，也没有抱怨他所说的每年只有150镑的微薄的设备经费。事实上，如同大学档案所表明的，在四个月里，阿斯特伯里花了将近550镑！可是，染料化学家马上要求分享500镑——他们计划上有两名研究生——斯皮克曼有一个。因此，在最初的不平衡后，阿斯特伯里的份额可能跌落到每年150镑。很难因这一事态而去责备可敬的织品工人公司，也不能把巴克作为替罪羊，因为他也走投无路要从其他方面为阿斯特伯里和斯皮克曼去筹措研究经费，使从500镑增加到700镑（利兹大学织品工人基金纺织小组，1929，4）。如果有谁该受到责备，那就是副校长，他明确说过500镑设备经费是给织品物理学的，他没有提到织品化学的要求，更不必说染料化学了。对于阿斯特伯里来说，他以往是英国科学知识普及会的“财主”，只在700镑中分享一份无疑是少了点。

我的目的在于表明当阿斯特伯里一旦获得国际声誉后，是如何根本改变这一事态的。在这样做的时候，他在英国进行的纤维精细结构分析上深深地打上他特有工作方式的烙印。他对纤维蛋白质和核蛋白的研究都极感兴趣。如要了解沃森所写《双螺旋》一书所涉及时期之前人们对这些领域的认识，就必须相当详细地考察阿斯特伯里的个性和对分子生物学作出的贡献。

比尔·阿斯特伯里

……我是阿尔法和奥米加，是整个事件的起始和终结。

这种说法只能出自压抑不住的热忱工作者和利己主义者W.T.阿斯特伯里之口。当人们问及在关于煤、石油及其衍生物的座谈会上他做了些什么时，他一时激动而说了这句话（阿斯特伯里，1948a，99）。这一说法是直率和滑稽的典型混合物，使他的许多同时代人处于困窘的境地。他对自然界奇妙事物的外向的热情和天真的憧憬，使许多科学家，特别是那些冷静的、谨慎的、苦干的科学家们不相信他的科学见解。至于阿斯特伯里本人十分清楚地知道自己搞的是纯理论性工作，因而他把对角蛋白结构的研究，比作彼得·切尼笔下的角色莱米·考欣，以下述方式谈论问题：

你必须认识到在这一工作中你应该开始做点事情。为寻找线索而排徊迟疑是不好的。最重要的事情是把扳钳交给工人，让每个人彼此都操心。

（阿斯特伯里，1955，234）

他的后继人中有的甚至走得更远，以致称他是业余科学家并嘲讽他的研究工作。这种态度证实表明了缺乏历史观点。

威廉·托马斯·阿斯特伯里出生和成长在朗顿的制陶市镇，他的父亲是该地的制陶车工。第一次世界大战后剑桥的“宁静”气氛使他感到侷促不安，一直到他去伦敦大学学院在威廉·布拉格爵士领导下工作。在那里精力充沛、才华横溢的阿斯特伯里施展了身手。两年后，当威廉爵士接任英国科学知识普及会会长、在戴维·法拉第实验室建立X射线晶体学时，阿斯特伯里和亚德莉小姐跟他一起过去。在英国科学知识普及会激励人心的环境中度过五年以后，阿斯特伯里回到英国北部，愉快地投身于纺织品纤维的世界。他马上向那些把天然纤维当作无定形的混合物或胶状聚合体的人们进行宣传。“羊毛是一种称为角蛋白的两性胶体——这是生物化学上无生命的和无关紧要的蛋白质，是一种多肽。”这句话足以使他宣布羊毛真是令人极感兴趣！许多年后他回顾这个早期年代，并愉快地谈到了斯皮克曼：

……正是他一开始就向我们表明羊毛是与众不同的，所有由纤维素构成的其他粗陋的纺织纤维，甚至天然的蚕丝在有弹性时，也都无法同羊毛相比，羊毛只要是潮湿的，不仅能延展得很长，而且总是能重新缩回来。这是羊毛在工艺上最有价值之点，而且正是从这里开始了我们的结构研究。

（阿斯特伯里，1955，221）

当他的健康状况变坏时所说的这番话，正是他压抑不住的热情的见证。三十年代初，当R.D.普雷斯登在阿斯特伯里的系里工作时，感到了他的这种热情。“每一张照片都是令人兴奋的。阿斯特伯里整天都是热情奔放。”（普雷斯登，1968）

作为一位物理学家，阿斯特伯里承认宇宙中的合理的秩序，并确信可把这一概念带进生命体的范畴。他虽然不是个宗教信徒，

……他几乎崇拜自然界的秩序，并且总是十分兴奋地想到他是在生命界工作，而生命界的秩序是模糊的，但他正尽力去发现这种秩序。他确信这种秩序是很简单的，而且他具有一种简直是不可思议的信念，认为这种秩序依赖于普遍存在的一种蛋白质的极简单的机构……

（普雷斯登，1968）

对他来说，这种秩序的发现是他一生的冒险事业。普雷斯登说：“直到他去世之日止，可以说阿斯特伯里是生活在高度冒险事业中的一个孩子。”因此，对于普雷斯登来说，阿斯特伯里与其说是一位科学家，倒不如说是一位艺术家：“他总是想得到美妙的答案。”当阿斯特伯里同耶胡迪·梅纽因交谈两个小时后，分别时产生了一个信念，认为他们所作出的完全不同的努力有着共同的性质——梅纽因通过演奏小提琴发现了真理，阿斯特伯里则通过“演奏”蛋白质发现了真理。1948年，他向理科硕士协会发表的美好的演说，充分表达了他的理想主义的和创造性的科学概念。

不要求每个人都是诺贝尔奖获得者，甚至不要求都成为专家。科学必须提供的乐趣只是一种单纯的、基本的乐趣。感到这种乐趣是无所不在的，感到天赐好奇心的强烈要求，并且总是被无私的和合理的精神所感动，感到这一切就已经足够了。

……科学确实是人类文化——尊严的和理性的正直，以及永无止境的冒险——的最高表现之一。我深深感到沉浸在科学之中和陶醉在音乐之中是同样的。作出科学发现时的激动心情同聆听第九交响乐开头几节时体验到的心情，我看没有什么两样。

（阿斯特伯里，1948b，278～279）

看来阿斯特伯里完全接受了威廉·布拉格爵士的说法：“科学不是一种宗教，但科学研究则是一种主要的宗教行为”（引自阿斯特伯里，1948b，280）。

这样简要地勾画出阿斯特伯里的性格，并不是要怀疑他是一位科学家，也不是要议论他是不是一位业余科学家而是为了表明他如何令人欣羡地得到了装备去开拓一个新领域，去克服惰性和怀疑以及激发人们的热情。他一旦尝到了冒险的滋味后，就不会遵循老的路线进行费力的研究。他对羊毛纤维的分子结构有了初步印象后，就雄心勃勃地要解决整个蛋白质的结构。他不是通过对蛋白质构成单位作详尽的分析研究，而是通过对天然多聚物中的间隔作比较研究。他写道：“只有在同无数其他物质的结构的关系中，才能真正有意义地揭示出某一物质的结构。根据这一观点，我们虽然只是在一个纺织品实验室里工作，但我们希望……在大学的全面的科学活动中占有一席之地。”（阿斯特伯里，1930，14～15）

他希望利兹大学的结构晶体学，将对沟通化学家和生物学家的工作产生有力影响。他马上放弃了1928年就已着手的纯工艺研究，以便集中研究纤维的分子结构，这是生物学的一个重大问题，但对工艺只有远期意义。他于1931年写道：“我们的高于一切的目标，就是要建立一个实验室以便研究基本的结构原理，这才是真正地奠立纺织工艺的基础。这个计划对工业带来的最后的好处，远远大于专门的和局限的研究所能取得的暂时利益。这种方法有时看来好像很慢，但如果工业要在科学时代生存和发展，则这是唯一可靠的方法。”（阿斯特伯里，1931，23）

布拉格的研究方法

戴姆·凯思琳·朗斯代尔认为，威廉爵士在二十世纪二十年代的工作“对弄清结构没有多大意义，那时，我们实际上没有很多地去考虑实验和理论之间的一致。你所要做的，只是自圆其说，看似有理而已”（朗斯达尔，1968）。这种说法也许夸大了当时的情况，但正如她所指出的：

布拉格关于萘和蒽的结构是错误的。因为在他发表了这些结构后，有人看后感兴趣，并加以纠正。他发现了一种特性——分子是沿着c轴伸展的，这件事非常重要——但他得出的走向是错误的（见图4.1c）。他认为它是一个缩拢皱折的分子，事实上它是一个平展的分子。

（朗斯代尔，1968）

尽管如此，布拉格学派在伦敦的早期尝试还是有深远的意义。在钻石中，键角是四面体的——109°～28′（见图4.1a）；在石墨中，是平面的——120°。在蒽、苯、石蜡、脂肪酸中，这些键角又是怎样的？根据布拉格的同事——缪勒和席勒——所作的精巧的研究，在长链石蜡和脂肪酸中得到了四面体的角（见图4.1b）。钻石结构好似可以展开成一条长链，在长链中，每一碳原子保持四面体的特性。德国早期拍摄的蚕丝的X射线照片，似乎支持这种纤维多肽的结构具有十分相似的构象。蚕丝纤维由类似脂肪酸的链所构成。当阿斯特伯里去利兹大学时，他把这种锯齿形的链的范例，从蚕丝推广到伸展的动物毛发；同时认为未伸展的纤维中的链呈卷曲构型，类似于迈耶和马克的纤维素模型。这项工作的最重要之点是对威廉爵士起了作用，他在英国科学知识普及会的讲演《生命体的晶体》中十分赞赏地叙述了这一工作。他变得如此激动，以致无法坐定下来，以他在英国科学知识普及会进行工作时的严谨态度致力于确立这些结构。

图4.1　（a）由碳四面体构成的钻石结构；（b）十二烷酸的锯齿形链（录自迈耶和马克，1930，9）；（c）萘和蒽的单位晶胞（录自布拉格，1922）。

如同他那位十分能干的助手H.J.伍兹所说的，阿斯特伯里变成了一个“捞油水的人”，他到处寻找有趣的问题，希望能发现“一鸣惊人的事情”。

他不会投身于得不到重大收获的课题，他的重要作用在于能把事情变得似很重要。他能在荆棘丛中开辟一条道路，使别人追随于后。他指引的方向有错，那是没有关系的。

（伍兹，1968）

阿斯特伯里提出的角蛋白模型

在阿斯特伯里抵达利兹时，斯皮克曼可以向他出示羊毛纤维（即角蛋白）负重伸展曲线的研究；尤里斯的未伸直纤维的X射线图形，出现一个5.15Å的子午线间隔和两个赤道面间隔，伸直的纤维则失去子午线间隔。斯皮克曼暂时可根据旋转成小纤维线来解释子午线间隔的失去，在未伸直的纤维中，小纤维线同纤维的轴形成一个角度，斯皮克曼推测有5.15Å的纵长周期性，这些周期性单元，只是当小纤维像在未伸直纤维中那样同X光束形成一个角度时才“反射”X射线。在绷紧的情况下拍摄纤维的 x光图像的想法，无疑是由卡茨的著名发现所启迪，他的发现是在橡胶拉直时得到了晶体的图像（卡茨，1925）。虽然尤里斯想同橡胶作类比来说明羊毛的弹性，但斯皮克曼说：

把橡胶的图像用于羊毛的行为还有困难；关于羊毛的组分和分子构型还知之不多，所以难以把橡胶的图像用于羊毛，而且尤里斯最后向我提出了旋转成线的片段的图像。我们终究没有得到一个“分子内”折叠的图像。

（斯皮克曼，1968）

有一个极好的理由可说明为什么同橡胶类比是靠不住的。橡胶在原来长度的80%以上被拉直时才变成晶体，而在伸长500%时大部分成为晶体。迈耶和马克提出的橡胶螺旋构象适用于伸直类型。研究橡胶伸长的力学能支持下述结论：在未伸直的状态下，分子链是完全无序的。伸直类型随机变成螺旋构象，在天然橡胶（有别于硫化橡胶）中是可信的，因为在天然橡胶的分子链之间已知没有交联。另一方面，在羊毛中，我们将看到这种交联在造成阿斯特伯里可以承认的那种结构中起决定作用。

阿斯特伯里没有在斯皮克曼关于羊毛弹性的解释上浪费时间，他从头开始工作并接收了上百张X光照片，此时斯皮克曼正在继续研究羊毛的化学，并揭示出存在二硫化物和“盐”链。伍兹探讨了纤维伸长的力能学和力学，补充了上述这些研究。那时，阿斯特伯里已在利兹大学两年多了，他得到了角蛋白的两种不同的X光图像的明确证据。在同他的研究生A.斯特里特一起做的这一早期工作中，阿斯特伯里对角蛋白所做的研究，也就是后来富兰克琳和戈斯林对DNA所做的研究。1929年，阿斯特伯里宣称：

……已经得到的X光照片有可能就羊毛的蛋白质物质的分子结构、小晶体在纤维中的排列，以及伸直排成一线等作出令人惊异的结论。我们也可提到那时发现蛋白质的可逆变化，这也许是蛋白质变化的本质，生理学家曾断言这种变化必定在肌肉动作中起重要作用。

（阿斯特伯里，1929，11）

根据购置仪器的记载，看来在1929年7月以前阿斯特伯里还不可能得到X光照片，一直要到1930年6月他买了一台海凡克泵以后才有可能。与此同时，他还用皇家学会的基金200镑买了一台直流X光发生器。这台机器连同用24镑买来的X光摄影机，使阿斯特伯里和斯特里特得到了角蛋白的漂亮的X光图像，1931年发表在《皇家学会哲学报告》上。

1930年，阿斯特伯里把区分出来的两类主要特性定为未伸直的α和伸直的β-角蛋白同蚕丝图像之间的相似性。蚕丝图像最初是由布里尔在柏林达仑得到，以后由迈耶和马克作了研究，他们推测伸展的多肽链有一条周期性为3.5Å的轴（迈耶和马克，1928）。阿斯特伯里写道：

马上变得很清楚，即天然蚕丝的对应物不在正常的羊毛之中，而在伸直的羊毛之中。蚕丝同β-羊毛的X光照片十分相似，由此我们可推论蚕丝不像羊毛那样有很大的弹性，这是因为它处于伸展状态……

（阿斯特伯里，1930，13）

表4.1　羊毛的主要的X光数据

阿斯特伯里还抓住了另两项数字上的相似点：

1.纤维素中葡萄糖残基的重复=5.15Å，

　α-角蛋白中主要的子午线问题=5.15Å；

2.胱氨酸粉末照片表明分子的长轴接近于=9.4Å，

　α-β转换时始终存在的赤道板间隔=9.8Å。

在德国完成了纤维素的研究，阿斯特伯里则在利兹完成了胱氨酸的研究（见W.H.布拉格，1930，319）。

图4.2　（a）纤维素链上的两个葡萄糖残基；（b）阿斯特伯里提出的α角蛋白的模型；（c）阿斯特伯里提出的β角蛋白的模型。

根据这三方面的同一性或近乎同一性，阿斯特伯里构成了一幅图像，表明蚕丝中一条伸展的多肽链，如何盘卷成一系列六角形的残基，就像在纤维素中那样（见图4.2）；整个结构由相邻链之间永久的胱氨酸二硫桥所维持。因为只在一个平面上盘卷，所以阿斯特伯里可在另一平面上有这些桥而不受α链盘曲的妨碍，这种情况不同于螺旋状盘曲的分子。当阿斯特伯里和伍兹发现羊毛纤维经水蒸气处理后可以拉直，并且不像在水中只拉直30%，而是将近100%，他们确信六角形盘曲是正确的，因为5.15Å、六面体在打开时就能产生所要求的伸展，以及对应于X光图像3.4Å处子午线点上的亚基重复。在提醒他的读者注意到数据不足、资料笼统但对蛋白质纤维的化学还是有用的同时，他持积极的看法：“……有关任何一种具体结构类型的基础的线索，即使是极其模糊也没有理由弃之不顾。”（阿斯特伯里和斯特里特，1932，89）如果他不持这种态度而谨小慎微，那就会一事无成。如果他研究的是另一种物质——聚氧甲烯，或合成的多肽，无疑他会得出另一种解答。可是，如H.J.伍兹回忆时所说的，他是“一心一意只对角蛋白感兴趣……”所设想的种种观点，都只为了去解释角蛋白，而不是聚氧甲烯、橡胶或当时还不知道的合成多肽。α-角蛋白的图像看不出是螺旋的，在转换期间多肽链之间的二硫键必须保持不断裂，看来这是要排除螺旋（见图4.3）。

图4.3　保持二硫桥的α-β转换。

关于这一点，伍兹说：

这里产生了困难，因为在提出“α-角蛋白折叠”观点时是通过两条研究途径，一条是纯属晶体学的途径，另一条则是根据我们对羊毛的力学行为或化学的有限认识。三十年代时，化学似极有力地导致这一观点，即多肽链之间有一永久性的交联，如不一起破坏纤维所特有的力学行为，也就不可能打断这些多肽链。如同化学家所坚持的，你可以不打断把多肽链接合在一起的二硫键而得到α-β转换，这个事实似暗示一种相当简单的链的折叠。显然这是平面的链折叠，因为在β角蛋白中这个系统显然呈薄片状。但是，那时还没有像现在那样把薄片状类型同氢键联系起来，而是同蛋白链之间永久性的二硫键联系起来。据认为在β结构中这些键，通过侧链把链结合成薄片。这样，你就得到了我们常说的具有梯状结构的（角蛋白栅格）。

确定β类型是这种结构后，现在的问题是如何使这种梯状结构解体或可用于α类型的某种结构，而且这总是一个基本问题。得到一种梯形结构，并在与阶梯相垂直的平面上把梯状结构折叠起来还是比较容易的；但即使如此，也很难明白怎么能把梯状结构盘曲成螺旋结构，而又不破坏二硫链。

（伍兹，1968）

但在那时，研究二硫键的断裂和重新形成，使人们深入洞察了羊毛的性质，这对改进羊毛的染色特性真是大有启发！伍兹发现蒸汽处理过的角蛋白不可逆地伸展，阿斯特伯里所作的解释，对于使羊毛永久变形也大有启发！有讽刺意义的是斯皮克曼用化学方法使羊毛永久变形，是在理发师运用这种方法很久以后才迟迟用于羊毛工业！阿斯特伯里取得了何等重大的胜利，并显示出才华洋溢的直觉！他只是根据X射线图版上的几个点子，就构思出羊毛弹性的分子基础的图像，以及区分出羊毛和蚕丝伸展性之间差别。人们能责怪他的极度自信和对织品工人公司的如下意见吗？他说：

……现在我们可相信下述发现，是最终解决对工业或生物学来说都是至关重要的问题的第一步。新的X光证据使我们得以宣称，我们已认识了羊毛和毛发，以及总的来说也许是蛋白质结构的基础。

（阿斯特伯里，1930，11）

阿斯特伯里面前展现了研究的种种前景，诱使他朝向生物学方向扩大他的研究计划。1934年，洛克菲勒基金会应他的请求提供了600镑经费。一年后，基金会的使者华伦·韦弗和W.E.蒂斯代尔参观了纺织品物理学实验室，获得很好的印象。1938年，他们进一步提供10000镑经费。

这样，阿斯特伯里得以把他的角蛋白模型应用于肌球蛋白（与洛克菲勒研究助理西尔维亚·迪金森一起工作）、表皮蛋白（与艾克罗伊德研究员K.M.拉德尔一起工作）和纤维蛋白原（与肯尼思·贝利和拉德尔一起工作）；这样就产生了k-m-e-f蛋白质组，并为纤毛运动和肌肉收缩等现象提供了一种可能是言之成理的分子机制。为了征服新的领域，阿斯特伯里去研究胶原类的纤维，蛋白质的变性（与迪金森和贝利一起），他鼓励普里斯登（在植物学系）用X光衍射去研究藻类细胞壁的结构，并让迪金森夫人的后继人佛罗伦斯·贝尔去研究核酸的结构。正因为他比较了羊毛和蚕丝使他得出正确结论，指出角蛋白分子在天然状态下是盘曲折叠的，而在张力下不折叠盘曲形成了蚕丝的构象；所以他同迪金森和贝利一起进行的工作，使他循着正确的思路得出蛋白质变性的解释。1935年他写信给多萝西·霍奇金：

“在结晶球蛋白中”每一个分子必定是由链的十分专一的构型所构成，每条链在变动较大的不稳定条件下立刻断裂。链受热时凝结形成平行的束，其结构类似于稳定的天然纤维……

（霍奇金和赖利，1968，18）

这一点更是令人感到诧异。蛋白质和醣类的关键在于长链分子。在α-角蛋白中，长链分子是折叠盘曲的；在蚕丝和β-角蛋白中则是伸展的，而在那些对生命起重要作用的奇妙的球蛋白中，长链分子折叠成有规则的三维结构。根据这一概念，佩鲁茨提出一种观点，认为血红蛋白分子像一只箱子，链像一堆圆木一层层排列在箱子里。这种平行伸展和平面折叠的链的图像如此令人信服，因为它可以说明许多现象。阿斯特伯里关于α-β转换的假说势必成为分子生物学的核心。

弗兰克的建议

迟早要提出的一个问题是：阿斯特伯里在α-角蛋白折叠链模型中，用以闭合六角形环的虚线的性质是什么？1933年，阿斯特伯里在牛津大学青年科学家学会上作讲演时提出了这个问题。

在这种情况下一定会提出阿斯特伯里所要求的几维空间的六面体是不可能构成的，除非虚线是共价键，它的长度一定在1.5Å左右，但这又嫌太短了。

于是，C.F.弗兰克提出了摆脱困境的一种方法，即假定像图4.4那样在羧基和氨基之间有内酰胺-内酰亚胺的互换。弗兰克又进一步提出了怎样去解释角蛋白的超缩类型（为β-角蛋白长度的三分之一）。多萝西·林奇采纳了弗兰克的建议，提出了“‘球蛋白’结构的一般示意图，该结构正好成为六面体折叠，这种折叠最初假定存在于α-角蛋白中，后来由弗兰克提出作了内酰胺-内酰亚胺的改进”（阿斯特伯里，1936，285）。这就是有名的圆弧学说。林奇相信这些蛋白质中一定存在这种有规则的笼状结构，可是贝尔纳、波林、卡尔·尼曼和哈金斯都不喜欢林奇的学说。后来阿斯特伯里站在他们一边，但1936年时他是支持林奇的。他说，轮子转了一圈；最初发现蚕丝和羊毛是由完全伸展的多肽链所“构成”；然后提出球蛋白可能是在α-角蛋白中发现的一种折叠肽链的精制品；最后变性使链从球蛋白中解脱出来，使它们转变成看得见的纤维，这些纤维伸直便产生了像在蚕丝中找到的完全伸展的多肽链。

轮子现在开始转第二圈，因为……林奇试图为球蛋白建立一种符合一致的分子系统，方法是把这些释放出多肽链折叠成一系列的折叠物，这些折叠物正是最初用来解释角蛋白的X光图像和性质的。

（阿斯特伯里，1936，290）

图4.4　内酰胺-内酰亚胺的互换。

当阿斯特伯里夸耀能用从球蛋白中抽出的一团线织成绒线衫时，他是值得骄傲的。他回忆道：“只有在一天晚上，我注视着女儿用从落花生蛋白质——我重复说一遍，这是一种具有球形分子的蛋白质，一度认为同纤维毫无关系的蛋白质——纺出的线编织毛衣，而且当我摸到编织的毛衣时，一种奇妙之感再次流遍全身……”（阿斯特伯里，1948b，278）