生物学领域里的物理学家和化学家

第十六章　生物学领域里的物理学家和化学家——结构学派

1927年的某一天，英国彭布罗克郡郡长、剑桥大学矿物学教授阿瑟·哈钦森主持了任命一位结构晶体学讲师的会议。哈钦森在提升为教授前担任了五年的讲师，后来这个职位就空缺着。在来面谈的人中间，有新来的矿物学示教者W.A.伍斯特和阿斯特伯里。当阿斯特伯里被问到对合作的看法时，他粗鲁地回答说：“我不愿成为别人的仆从！”（贝尔纳，1963，27）第三位候选人是已故的J.D.贝尔纳。当他走进房间时，站在委员会前的是一个“有着一头很不错的乱头发和一双狡黠的、淡褐色眼睛”的男子（斯诺，1966，19）。他坐下时，看上去有点腼腆和闷闷不乐，头低垂着。委员们向他问个不休，但毫无用处，因他只是用“是”或“不”来回答。最后，当会议主席问他如果被录用的话，他对结晶学实验室有何打算时，会议主席已感到失望。对这个问题，斯诺写道：

贝尔纳把头往后一仰，头发像一面锦旗似地飘扬，他先说了一个“不”字（他在发表精彩讲话时，往往用这个字开头），然后发表了一篇历时三刻钟的流畅、激昂、高明、有预见的演说。“除了录用他外别无他法，”哈钦森说道。顺便提一下，哈钦森本人是个正直、有礼的人，他对才能的敬重是很感人的。这次由他负责补缺这个讲师空位。

（斯诺，1966，24）

尽管在剑桥大学内部存在着反对分子生物学的势力，但毫无疑问，主要是由于这次任命，使分子生物学仍在剑桥大学得以发展。

哈钦森的作用

阿斯特伯里、伍斯特和贝尔纳等都是哈钦森在大学里的晶体物理学的学生。哈钦森过去曾在年老的W.J.刘易斯手下供职，刘易斯在八十岁高龄逝世前一直是矿物学教授，他担任这个职务达四十五年之久。但这方面的大部分工作以及几乎全部教学任务都是由哈钦森完成的，他做了二十八年的示教讲师和五年的讲师，而年薪只有100英镑。

刘易斯死后，学校关于教授任职期的章程已作了正确的修改，但这方面的改变也只有意味着哈钦森可担任五年的教授。在这些岁月中，他继续了由米勒确立的传统的晶体学研究，并使晶体学朝着物理学和化学而不是地质学和岩石学方向发展。首先，他任用伍斯特填补空缺的矿物学示教者的职位，并让他接过晶体物理学的教学工作和新开设的X射线晶体学的课程。X射线晶体学的教学共分二十四节课，并要向学生示范晶体的特性：折射率、消弧角、旋光度、光轴角、热导率、温差及热电特性。哈钦森声称，这个课程“是现有最全面”的X射线晶体学（哈钦森，1929，392）。他完全有权感到骄傲，因为从1927年起，他开设了X射线晶体学，这在当时英国的大学里是破天荒的创举。录用伍斯特以后不久，哈钦森成功地任命了贝尔纳为空缺的晶体学讲师，并改名为结构晶体学。贝尔纳的责任是维护保养X光设备，指导高年级学生使用该设备及如何来整理实验结果。他也给低年级和高年级学生上课。

这两位新来的人刚对剑桥大学有所熟悉，校务委员会就任命了一个特别委员会，向剑桥评议会报告该校在矿物学研究中的地位。哈钦森后来抱怨说，关于这个特别委员会的组成，他只是“从伦敦的一些朋友们的交谈中，偶然听到的”（1930，647）。但在委员会召开的五次会议中，他应邀参加了几次。关于矿物质的历史与现状，他撰写了一份很能说明问题的备忘录，并被《剑桥大学学报》所采纳和发表（1929年第Ⅻ卷第10期）。这些会议提出的报告是折中的。报告建议设两位教授，一位是晶体学，另一位是矿物学和岩石学；并相应地增设一个新的系科；矿物学和岩石学系应新建一幢楼，而晶体学系使用现有的建筑。

讨论矿物学报告

1930年在讨论这份报告时，威廉·布拉格爵士、哈钦森、伍斯特和贝尔纳论证了为发展他们称为的“新晶体学”的重要性。但是，他们的话没有起什么作用，就好比是种子撒在贫瘠的土地上。X光技术对地质学家来说，只是为地质学提供了一项宝贵的辅助工具——X射线测角仪。但是，对地质学家来说，大多数场合只要用光学方法研究晶体表面就能解决问题，而用X射线测定法花费时间太长。人们难以预料，科学在哪些新领域将得到发展。就X射线晶体学来说，也已经有不少年头了，但如果把今后晶体学的发展只限于同X射线方法联系起来那就失策了。贝尔纳指责许多参与辩论的人，没有重视X射线晶体学中许多“全新的”方法。

晶体结构的范围及重要性比表面晶体学所揭示的要大得多。晶体学的研究不能只同矿物学、地质学和化学联系起来，因为晶体学同物理学和工艺学还有密切关系……在今天的普通晶体学中，甚至对液体的研究也是必不可少的一部分。

（贝尔纳，1930a，653）

他说，从地质学角度上来看，晶体学已经不存在了，晶体学正在成为“化学的一个分支或者说化学的一个部分，而且不管你怎么认为，晶体学直接起源于基本物理学”。

这些是新的合成方法，人们可以先验地说：如此这般的原子排列是可能的，而且能产生具有这样那样特性的晶体。这就同原来的描述性矿物学有很大差别。因此，彻底修改原有教材。由于这个领域愈来愈宽，为及时培养出更多训练有素的研究人员，教材的修改工作应开始得愈早愈好。

（贝尔纳，1930a，654）

正如岩石学家和地质学家所担心的那样，剑桥大学的晶体学行将消失。为了继续大有希望的岩石学研究。他们有充分理由及时地行动起来，以保留矿物学教授的职位，并效法美国同仁建立起一所像卡内基研究所那样的研究学校。他们对卡内基研究所的地球物理实验室是非常羡慕的。该所在无机物人工合成和转化的实验室研究上获得一些新知识，年轻的岩石学讲师C.E.蒂利高度评价这些知识。正如有一门新的晶体学，也有一门新的矿物学。新矿物学与实验研究和遗传学有关，它涉及“无机物的形成模式、稳定性关系、转化和起源”（蒂利，1930，648）。描述和分类矿物学的时代即将结束，现在可应用物理化学的原理来处理大量数据。

在这次讨论中，我们也可看到常见的现象——校友回到剑桥大学向母校祝贺在地质学上取得的成就，并向母校呼吁在该学科的发展中给予支持和领导。工业、矿业和石油勘探都需要年轻人，因此剑桥大学必须培养出精通矿物学和岩石学的年轻科学家。

这份报告讨论的结果是：校董事会只是说学校无力支付聘请新教授的工资。1930年通过了一项决定，在教学上把晶体学同矿物学和岩石学分开。但是，这并非表示接着在系科设置上也要分开。1931年，剑桥大学评议会的委员会公布一份报告，在评议会内部引起激烈争论。这份报告提议设置一个矿物学和岩石学教授职位，并把晶体学划归该系领导。报告还建议，这位教授的薪金用普卢默遗赠款支付。该赠款是用于“化学、生物化学、自然科学或约翰·汉弗莱·普卢默赠款的托管人认为适当的有关学科”。因此，委员会提议，使用这笔刚收到的近在手头的赠款可减少学校在这门学科上承担的义务。讨论结果是任命原岩石学讲师蒂利为新教授，而对贝尔纳和伍斯特的职务及晶体学课程的设置未作变动，只是对他们原来外面下大雨里面下小雨的平房进行了修理，并答应在收集的矿物标本搬到矿物和岩石系的新大楼后再给他们一些房间。一到夏天，高温使伍斯特和贝尔纳在房间里呆不住；到了冬天，房间里冷得连煤气表也冻住了，煤气炉熄灭和苯溶剂凝固。当时岩石学在学校里占了上风。

物化形态学研究所

为了使校方认识X射线晶体学重要性所作的进一步努力，也归于失败。例如，约瑟夫·尼达姆曾竭力主张实验哲学的杰克逊尼教授的职位（1783年设置的）应由“对晶体学在生物学中的作用有浓厚兴趣的……晶体物理学家担任”（尼达姆，1935）。“也许，”尼达姆写道：

晶体物理学在生物学上的重要性还没有得到应有的广泛重视。首先，这种研究为我们在一定大小范围内进行研究提供一些可自由使用的方法。最小形态结构间的间隙是目前生物学亟需解决的关键问题。在这个领域取得实质性进展之前，有关生命物质的有机化学将依然是任意的，形态学的概念总是带有目前有机形态具有的不可还原的样子。过去几年里，对半结晶纤维作X光分析所取得的进展，就是一个范例。我们确实可以这样说，在研究纤维性质时，实际上有大量的生物学现象。现在已越来越清楚，不论是细胞内或细胞外或细胞壁的形态结构的主要基础之一是纤维。如迈那和马克这些研究人员已研究了分子可收缩性观象，使之有可能判明与线性或收缩性有关的生物学数据所要求的线性（例如，染色体、肌肉纤维或胚胎结缔组织的肌纤的线性），但“晶体”蛋白质分子不在此例。

其次，类晶态在生物学上有极重要的作用。“液晶”不只是活细胞中进行活动的模型，也是活细胞中实在的组织状态……

最后，关于X射线晶体分析技术在解决生物学的重要化合物结构式上的价值，就毋需强调了，因为很难得到这些化合物，或者它的化学证据都是模棱两可的。也许可提一下固醇研究小组继确定胆烷结构后，在生物学上取得了引人注目的发展，其中X射线分析技术起着相当重要的作用。

（尼达姆，1935）

与此同时，在多萝西·林奇和J.D.贝尔纳的劝说下，尼达姆正在探讨在剑桥大学里建立一个沟通物理学、化学和生物学的研究所的可能性。这一设想是1934年蒂斯代尔代表洛克菲勒基金会对剑桥大学作一次访问时促进的。1932年，沃伦·韦弗担任该基金会自然科学拨款主任不久，

便在当时洛克菲勒基金会主席马克斯·梅森的全力支持下，敦促理事们把基金会的科学计划从原来只限于物理科学，转移到促进和赞助把物理科学已取得重大发展的技术、实验和分析方法应用于解决生物学的基本问题。

这个建议被洛克菲勒基金会理事们所采纳，科学计划取得迅速进展并大有希望，因此，我在起草洛克菲勒基金会1938年年度报告的“自然科学”部分时，我写了十六页，即第203～219页。这部分的标题我用了醒目的大号字“分子生物学”。第一句就是：“在本基金会赞助的研究项目中，有一系列课题都属于一个相当新的领域——我们可以称之为分子生物学。目前正用现代精密技术来研究某些生命过程中更为微妙的详细情况。”

（韦弗，1970，582）

1934年蒂斯代尔访问剑桥后，接着在1935年5月，韦弗和蒂斯代尔再次来访。但是，没有像尼达姆所建议的那样劝说这两位美国人支持建立一个完整的实验胚胎学研究所。这两个美国人也不愿支持这个方案，因为在林奇和基林的劝说下，尼达姆已改变了原来的想法并重新取名为“物化形态学研究所”（这是林奇取的名）。研究所的任务是“用X射线技术解决形态学问题”。贝尔纳被提名担任研究所晶体物理部主任，克劳福特（多萝西·霍奇金）担任贝尔纳的研究助手。韦弗和蒂斯代尔甚至愿意给研究助手提供资助，但他们明智地避免在大规模的研究计划中承担义务。与此同时，他们给阿斯特伯里1万英镑和向莱纳斯·波林提供了一大笔款子。

1936年，尼达姆又作了一次尝试，要求得到洛克菲勒基金会的资助。基金会回答说：如果剑桥大学支持这个计划，则基金会也予以支持。但是，剑桥大学不支持这个计划。尼达姆设想的多学科研究院体现了一个非正式小组中许多人的愿望，他们有时在剑桥，有时在伦敦，有时则在坐落于埃普索姆当斯的伍杰家中聚会。贝尔纳不是常客，但他的确向尼达姆提交了一份关于晶体物理学在生物学中重要性的备忘录。这份备忘录写于他发现浸在母液中的胃蛋白酶晶体产生单晶X光衍射图后。他写道：

在1934年前，关于蛋白质分子结构的知识除了其化学组成外，都是通过奈耶、赫佐格和阿斯特伯里对诸如丝、骨胶原和毛发蛋白质纤维的X光研究而获得的。这些研究结果都表明了一种类似纤维素但可能具有多肽性状的多聚链结构。多次尝试用X射线方法探索晶体蛋白质，但都失败了。现在我们知道，这是由于早期的研究人员用了干燥的粉状晶体，因此这些大（单位）晶胞内的晶体结构已毁坏了。

1934年春，我有幸获得了菲尔波特用诺思罗普方法制备的胃蛋白酶晶体。由于我已预见到上述困难，因此我研究了浸在母液中的一个晶体。结果获得了一幅很好的衍射图，并匀划出晶体结构的主要轮廓线。这个晶胞相当大——461Å×67Å×67Å……相对分子质量为36000。这就再次证实了斯维德伯格提供的数值……后来，牛津大学的克劳福特小姐对胰岛素进行了研究，结果发现胰岛素具有同样的球状分子结构，只是聚合得更紧密，这可能是由于锌、镉等基本金属原子的结合效应。

（贝尔纳，1935a）

由于取得了上述成就，贝尔纳提出两种方法：（1）“对于白蛋白、球蛋白、结合蛋白质等一系列典型的蛋白质作系统的分析，以找到这些结构的主线……”（同上）（2）“根据强度分析”，着手研究“蛋白质分子的内部结构，但这又要依赖于第（1）步。因为必须先从初步分析中知道哪种蛋白质最有可能取得成果”（同上）。接着，他又指出下述困难：低角的衍射点、曝光时间太长——拍一张照片需200小时或更长一些——但更难的还是如何取得适合作分析的晶体。

尽管有良好的开端，但是蛋白质的分析工作在剑桥大学无限期地搁置起来了，这不是由于缺乏X光设备和技术，而是没有合适的晶体制品，因为克劳福特小姐（她是一位训练有素的化学家）和菲尔波特博士已到牛津大学去了，因此在剑桥大学再也不能制备出用于分析的晶体……

如果洛克菲勒基金会能在这方面提供帮助，那么我确信，他们对这项研究的帮助就是支持了处于发展关键阶段的、很有希望的生物学与物理学的结合。

（贝尔纳，1935a）

贝尔纳的目标

贝尔纳的兴趣至少可说是极为广泛的，但对他来说，压倒一切的还是用已掌握的分子结构来解决生物学问题。他曾多次提到这个问题：在题为“X射线晶体学在当代科学发展中的地位”（贝尔纳，1930）的报告中；在他对氨基酸与肽的晶体学开创性研究的开场白中（1931）；1928年在他向剑桥大学呈交的证据以及1930年向讨论会提供的稿件中。

同玻尔不同，贝尔纳认为对微妙的生命有机体来说，生物物理学方法是揭示其详细情况的最好方法。有了这些精细的技术，“可更容易对一个完整的动植物结构作详细的研究”（贝尔纳，1939，339）。据C.P.斯诺的说法，贝尔纳被任命为剑桥大学的结构晶体学讲师之前，研究物理学和化学应用于生物学已成为他的“科学生涯的主题”。

通过晶体学的研究，他已掌握了探究物质结构的有效技术。他现在开始用这项技术研究有重要生物学意义的物质的结构。首先，他用来研究氨基酸、固醇和维生素，然后是研究水，因为大多数有机体都是由水组成的……接着再用来研究蛋白质和病毒。

（斯诺，1966，25）

推广埃瓦耳德倒易点阵概念并使人们注意到它的启发价值的是贝尔纳。也是贝尔纳在同一篇论文中，系统地阐明了旋转法，并刊出了绘制层线用的贝尔纳记录纸（1926）。在他后来取得的成就中，我们可列出以下几项：

1931年 八种氨基酸晶胞和两种寡聚肽晶胞；

1932年 固醇的碳架；

1933年 水的结构；

1934年 第一次获得了蛋白质单晶图和引进母液沉浸晶体的技术；

1937年 病毒晶体的衍射图。

贝尔纳怎么会对有重要生物学作用的化合物产生如此浓厚的兴趣呢？

布拉格的影响

众所周知，布拉格父子的研究工作有明智的分工：父亲研究有机化合物；儿子研究无机化合物。在大学学院里，威廉爵士开始了对萘及其衍生物的著名研究，而穆勒和希勒开始了对长链碳水化合物的卓有成效的研究工作。1923年，当布拉格到英国科学普及研究会工作时，他把穆勒、希勒、朗斯代尔（即婚前的亚德利）和阿斯特伯里一起带了去。在1922年时，贝尔纳已参加了布拉格的研究工作，他在大学里写的得奖论文布拉格早已注意到了。因此，贝尔纳要攻克在生物学上和经济上有着重要意义的有机化合物这一难题的雄心壮志，几乎得到了该研究会所有人的响应。

布拉格父子俩和贝尔纳，由于分别解决了金刚石结构（1913）和石墨结构（1924），因此已为这项研究开辟了道路。但是，使人们对这项研究感到乐观的，还是威廉爵士对萘和蒽的研究取得了部分成功（1921）。同年，他在物理学会作了关于“有机晶体结构”的报告。他说，由于这种晶体结构的复杂性，这一课题没有受到人们的重视。“然而，尽管存在这样的复杂性，要是能找到确定有机晶体结构的办法，那么很快就将取得成果。”（布拉克，1921，33）他说，让我们假定苯环或萘双环有“一定的大小和形状，在晶体与晶体间没有或几乎没有什么交替……”（同上）。接着，他又指出衍射图同这种环的有规则地包装相一致。七年之后，利兹大学的凯瑟琳·朗斯代尔提出确凿的证据，证明在四甲基苯中有苯环，这是因为所有原子都位于同一结晶平面上，才有可能获得这个证据。

在二十世纪二十年代，金刚石中碳-碳间距（1.5Å）和石墨中碳-碳间距（1.42Å）可作为脂肪族和芳香族原型的重要意义逐渐被人们所认识。布拉格在英国科学普及研究会的演说取得很大成功，因此，他更积极地要把他的研究工作应用于工业和生物学（见第五章）。他看出，X射线晶体学是十分有用的新工具，对冶金、纺织和有机化学都有重大的应用价值。

威廉爵士是位毫不势利、待人和蔼、慈父般的人物，在他领导下有谁会不受到这种生动而愉快的环境的影响呢？贝尔纳回忆说，这些年头“在我的科学生涯中是最令人振奋和最有影响的”（1962，522）。他觉得在二十年代，他能在那儿工作是极大的幸运，因为当时“正开始研究晶体内的原子排列。由于已掌握了晶体结构的主要类型，因此别人是不会感受到我们那时的激动心情的”（同上）。

贝尔纳的方法

贝尔纳不同于阿斯特伯里，在处理复杂分子时，他十分了解这是很难解释清楚的。他决定研究氨基酸是上策。后来，波森和科里也跟着做了。可惜生物化学系A.利斯制备的晶体太小和不完整，以及还涉及许多参数，因此贝尔纳没有打算用傅里叶方法。

贝尔纳的朋友格伦·米利肯从瑞典带来了约翰·菲尔波特制备的、极好的胃蛋白酶晶体，那时贝尔纳第一次摄取了晶体蛋白的X光片。布满X光片上的模糊斑点的间距约为2Å。“那天晚上，兴奋万分的贝尔纳徘徊在剑桥的大街上，思考着未来，以及如能对刚取到的照片作出详细解释，那么对蛋白质的结构可了解多少。”（霍奇金、赖利，1968，15）从那时起，贝尔纳明确了他的研究目标——蛋白质结构。

如同人们所预料的，贝尔纳的解释是十分审慎的。他的计划是要作进一步探讨，探讨结构的基本特征。他对球蛋白的研究提出了分子基本上呈球形的证据。TMV为他提供了具有亚单位结构的巨大棒状分子的证据。但是，阿斯特伯里苦于得到的衍射数据太少，而贝尔纳和多萝西·霍奇金却苦于获得的数据太多！“由于衍射图上有成千上万个反射，以致当时的技术无法对此作出分析。”（肯德鲁，1970，7）霍奇金在回顾当时情况时说，他们理应取得更大的成就，但他们过高估计了解释这些数据的困难（私人通信）。

贝尔纳寄希望于帕特森分析。这种分析使主要的散射原子以峰的形式作线性分离，因此人们就可用这样的分布来检验设想的各种结构，然后根据各种物理化学情况尽可能地缩小选择范围。尽管这样，人们得到的也只是假设性的结构。蛋白质研究需要人们同心协力和建立“某种形式的中心研究机构，以推进这方面的信息和资料的交换，以便有助于有组织地解决整个问题”（贝尔纳，1939a，38）。这个例子可说明贝尔纳极讨厌的英国研究工作中的各自为政和无组织状态，应被现代社会主义国家的有计划的研究所替代。

贝尔纳希望有朝一日能应用傅里叶法，而且他认为糜蛋白酶和血红蛋白在干湿晶体的衍射图上，间距和明暗度上存在的明显差别，可区分出分子间和分子内的特性。这样，就可不理会由于分子间图型引起的衍射效应而对分子间的结构图型直接作傅里叶分析（贝尔纳、范库亨和佩鲁茨，1938，524）。佩鲁茨对这些收缩和膨胀作用进行长期研究，这些作用使血红蛋白分子呈粗糙图型，但不能直接用傅里叶法对这些作用进行分析。

从贝尔纳给当时在曼彻斯特的范库亨的一封信中，我们可对他的研究方法有个大概了解。他首先忠告范库亨为了要得到可靠的层线指标，他应拍摄怎样的旋转照片。然后，他继续写道：

关于晶格大小，在很大程度上我不为精度小于1%而烦恼，记录纸已够好的了。对于必须更精确地确定分子量时，我用了从赤道面上可得到的最高序点之间的距离。为清除中心偏差，每一面拍两张照片。遗憾的是，除了卤素衍生物和一些多羟基化合物外，固醇的晶格还不够好，因此不能给出K对称极子和使用高精度的方法。

（贝尔纳，1935b）

贝尔纳学派

贝尔纳在剑桥的那些日子，一定是既令人振奋又令人灰心丧气。首先是以牺牲“新晶体学”换来了岩石学的胜利。因此，在1935年拉瑟福德宽容地同意该部门搬入卡文迪什实验室之前，他们一直在原来的平房里工作。以后，拉瑟福德对晶体学从物理学分出来表示不快，以及他讨厌贝尔纳的政治活动（伍斯特的私人通信）。他在同X射线晶体学家的打趣中，流露出藐视的味道。例如，他会站在门口问道，集邮搞得怎样了（范库亨夫人，1970）。对他来说，这些漂亮的衍射照片只是一些图片而已。1935年，贝尔纳被任命为助理研究主任，负责晶体学实验室。但是，尽管他的朋友们作了努力，贝尔纳却没有获得研究员职位。G.P.斯诺回忆了他在克赖斯特大学里的失败，当时一位上了年纪的学监说：“长这种头发的人，没有一个是靠得住的。”（斯诺，1966，24）接着，从1932年到1935年担任贝尔纳研究助手的多萝西·克劳福特回到了牛津大学，这样就结束了最富有成果的合作时期。她走之后，贝尔纳手下就没有有经验的制备蛋白质晶体的人了。

1937年，拉瑟福德突然与世长辞，接替他工作的是来自曼彻斯特的劳伦斯·布拉克爵士。布莱克特离开了伦敦的伯克贝克学院去曼彻斯特当教授，而贝尔纳又去接替布莱克特的工作。贝尔纳为什么要离开著名的剑桥大学卡文迪什实验室而前往名声不响、专门从事“夜校”教育的伯克贝克学院呢？他不可能是受了高工资的诱惑——他从不为金钱担忧。然而对他来说，这是很自然的，因为伯克贝克学院代表的正是贝尔纳所珍视的教育思想。同他的朋友布莱克特一样，贝尔纳在政治上也很“左倾”，因此在物理系中，“左倾”的传统得以继续。

大约在贝尔纳迁往伦敦一年之后，范库亨终于也加入了贝尔纳的行列。这时克劳福特和赖利已到了牛津大学，因此，只有佩鲁茨孤零零地留在剑桥大学，不久他又作为敌侨扣留，于1940年被遣送到加拿大。同贝尔纳合作或在他领导下的人中间，他最喜欢范库亨。范库亨是1936年从曼彻斯特来到贝尔纳处的。他先研究固醇，但是当生化系的鲍登和皮里在1937年制备了TMV后，他立刻转向TMV的研究。

对TMV的X射线衍射研究，为我们了解贝尔纳和范库亨把物理学应用于生物学的目的，提供了一些线索。范库亨肯定不是为了生物学的原因，而对生物学化合物发生兴趣。贝尔纳回忆说：“是对物理学而不是对化学或生物学的兴趣激励了他的工作……在X射线的研究工作中，他能够用越来越精细的方法，把物理学用来解决工业和生物学感兴趣的问题。”（贝尔纳，1964，917）一个典型的例子是，他用非常原始的X射线单色仪，研究在各种条件下TMV胶体的分子间距。与其说这是研究TMV，不如说在研究胶体中起作用的远程力。

贝尔纳似乎也参与了这项研究，也许部分是因为难以解释分子内的图式，部分则是研究了狭角数据后揭示出的胶体结构是如此奇特和有趣。我们应牢记，这项研究是在电子显微镜诞生前做的，因此只能通过衍射图得出棒状粒子的形状和包装。正是贝尔纳看到了有可能填补光学显微镜学家发现的细胞学结构和分子结构之间的空白，这项工作才深深地吸引了他。在液晶状态而不是固体元素的超微结构领域中，他用的确是结构的研究方法。我们可以把它叫做细胞核的生物物理学。他不关心细胞壁或羊毛纤维，而关心在液体中的作用力，这些力可以解释染色体运动和核纺锤体的形成（见贝尔纳，1940a及他的格思里演讲，1951，58～59）。就是在这个方面，贝尔纳把他的动态超微结构同遗传学联系了起来。

今天，对贝尔纳和范库亨的惊人发现，也难以作出恰如其分的评价。他们发现TMV棒状体约长2000Å，但有坚固的结构而且在排列上很有规律。因此，如果把这些TMV棒状体按一定取向放入毛细管的溶液中，在X射线下曝光400小时得到的衍射图极像单晶的衍射图，当数据过于模棱两可时，他俩又试图标定衍射图和取得晶胞。然而，贝尔纳知道他研究的物质不完全是但大部分是单晶——吸引他的正是这种几乎呈三维晶体的生物界！

贝尔纳和范库亨最初认为，TMV分子内的衍射图是容易解释的。这个衍射图相当于一个大小适当的六角晶格的晶体，其a= 87Å，c=68Å^[1]。但是，随着他们技术的改进，拍摄到了更好的照片，照片上显出了几个点，表明具有更大的晶格。

但是，所得到的最好结果也只能证实不可能作简单的解释。接着，我们试图用正交和单斜的假六角形晶格的晶体来解释衍射图，但这也不能满意地说明所观察到的反射，而且用这种晶体来解释时，还应当存在许多别的反射，但没有观察到这些反射。因此，现有的晶体X射线衍射理论看来是不可能解释这种衍射图的，因为我们发现凡大到能在照片上显出点子的晶格，都比根据分子间测量推断出的粒子的体积要大。

（贝尔纳、范库亨，1941，148）

他们缺少的是螺旋衍射理论。他们没有认识到的是，他们所看到的点实际上是TMV棒状分子转化引起的连续带（见第十八章）。1954年，当克里克向范库亨指出这个问题时，范库亨拒绝采纳这个意见。当然，他也就不愿意承认发现α-螺旋线的证据（克里克，1968/1972）。

在取得单位晶胞中遇到了这些困难，因此，贝尔纳和范库亨认为他们在研究的是分子间间距，它们合并到附近的分子内间距之中。为了研究这种液晶长程次序，贝尔纳急需电子显微镜。在1951年，他写道：

一旦大小超过100Å左右，在较小尺寸上对杭热本底的难以察觉的新的相互作用就变得明显了。这些远程力被认为可解释许多胶体现象……烟草花叶病毒第一次提供了这种力的定量照片，因为完全一样的棒状病毒粒子使自身保持在平衡的距离上……

因此，一旦产生这种类型的大分子，它们一定在液体内相互作用，并产生单个有机体持有的、外形上的一致性。

（贝尔纳，1951，42～43）

如果说，这真实反映了贝尔纳的生物学研究方法的精华，那么在更有利的条件下，他能否取得下一代分子生物学家那样的成绩还是一个问题。在下面这段文章中，他对于当初没有集中研究后来构成分子生物学的核心一事，流露出失望和后悔的心情：

在我还没有研究比分子生物学更模糊不清的事物时——例如研究根本没有适当结构的液体结构——我已思考过目前其他人正在研究的那些分子生物学方面的意义。我仍为我能亲自看到这些发现的开端而感到高兴。但是，这些日子对我来说已一去不复返了。

（贝尔纳，1966，1）

他喜欢“对某项工作开个头，出个主意，首先取得一些成果——然后让别人来完成最后的工作……他缺乏大多数科学家具有的一股钻劲，正是这股钻劲使科学家们把开创性的工作进行到底”（斯诺，1966，26）。

贝尔纳的研究所

贝尔纳命里注定总要在老建筑物里工作。研究结晶学的平房，“古老的卡文迪什实验室，英国科学普及研究会里的后房间和地下室以及战后伯克贝克学院主楼后面的两间旧房子，这两间房子还是在1835年建造的，挨过炸弹后只是马马虎虎地修理了一下”（戈德史密斯、麦凯，1966，14）。但是，早在剑桥大学的那些日子里，他就计划建立一个研究蛋白质结构的研究所。二十世纪三十年代末多萝西·克劳福特访问剑桥时，她看到了这份计划。贝尔纳支持尼达姆的计划，C.P.斯诺把筹建蛋白质结构研究所的计划作为《探索》一书的主要情节。

这个研究所拟建于伦敦，无疑地贝尔纳希望他迁往伯克贝克将有助于这项计划的实施。但事与愿违，当他在1937年离开剑桥时，由于要从事其他许多活动——撰写《科学的社会作用》一书，以及科学工作者协会的工作——他的蛋白质研究工作被搁置一边。他还没来得及对固醇和病毒的论文作最后润色和在美国作巡回讲演，欧洲已陷入了战争。他立刻结束了在美国的访问，急忙返回英国，投身到保卫大英帝国免遭迫在眉睫的入侵和空袭的伟大事业中。

1939年9月，贝尔纳已在里斯巴勒王子城的民防技术部工作。只是在那年夏天，他同埃德温·库恩在伍兹霍尔讨论了如何能为范库亨在美国开展蛋白质的X光研究提供最好的帮助。他告诉库恩：

这似乎是上苍的安排，从今以后，在蛋白质研究领域中，不能再指望从欧洲得到合作了。我感到惋惜，因为在解决这些主要问题中，我们原可作出不少贡献。更令人惋惜的是，在很长一段时间内，我将不能从事X射线的研究工作，我想这里的其他人也都失去了这方面的工作机会。因此，我的唯一希望是范库亨能在美国很好地开展这方面的研究，如果他有办法把工作开展起来，我将把我的全部材料寄给他。

（贝尔纳，1939b）

贝尔纳在给来自布拉格、研究血红蛋白的生物学家弗利克斯·豪罗维茨的信中，讲到了他匆忙返回英国的事，并竭力要求豪罗维茨只要有可能就聘用范库亨。他希望，这样的支持会得到成果，“因为这项工作正处于大有希望的阶段，而且在这种战争环境里，如果这项工作不能在美国开展起来，恐怕将完全被人们所忽视”（贝尔纳，1939c）。

后来，这篇极长的有关病毒的论文出了问题。皇家学会拒绝原封不动地发表这篇论文，因此贝尔纳不得不叫范库亨发表在美国的杂志上。贝尔纳绝望地写道：“我已与科学无涉，因此我已无能为力了。”（贝尔纳，1939d）范库亨也没有立刻从事那些尚未完成的工作，例如，许多图的绘制、论文的付印等。因此，贝尔纳再次焦急地写信给他说：“我希望你能为这篇病毒论文尽一点力。”（1940a）到七月份，他又写道：“情况如何？我已有好长时间没有收到你的信了。因此我急于知道蛋白质研究的情况……关于这篇病毒论文，你是否已做了点什么。”（贝尔纳，1940c）

这些信件现保存在纽约美国物理学研究所图书馆范库亨的书信文件档案中。从这些信中我们可知道，这篇关于病毒的论文为什么发表得这么晚，而且不是发表在英国的杂志上，而是刊登在由雅克·洛布创办、洛克菲勒研究所主编的美国《普通生理学杂志》上。这家杂志历来是刊登有关物理生物学和生物化学论文，从来没发表过同X射线衍射有关的文章。贝尔纳对范库亨在发表这篇论文上的拖拉态度感到气愤。至于他对在《普通生理学杂志》上发表这篇论文的反应，我们只能猜猜而已。

从这些信件中我们也可看出，贝尔纳想继续研究蛋白质的迫切愿望。“对于不能从事科学研究以及对于在蛋白质研究领域里发生的这些事情我不能有所作为，我感到很痛苦。”（1940b）在讲到1945年时他的处境时，他流露出闷闷不乐的心情：

我又回到了原来开始工作的地方，回到了戴维-法拉第（英国科学普及研究会）的顶层。一台X光机老是出故障，两星期里大约只能用一天。想再得到我原有的几台摄影机的希望也很渺茫……

我们提出的计划，基本上是从我们原来的地方开始，但吸取了战争期间出版的资料中所能取得的经验。比尔·皮里将为我们提供病毒，我也希望在抗原和抗体的研究中做些工作。主要的想法是要把远程力同生物学系统联系起来。

（贝尔纳，1945）

最后这句话证实了人们的猜测，贝尔纳的主要兴趣仍在我们所说的“动态超微结构”方面。从这封信中我们也可以看出，他的“新研究所肯定还处于酝酿阶段。虽然有了组织者，但还没有什么组织工作要做”（同上）。贝尔纳继续为之奋斗，但战争的结束并没有给他带来学术上的和平。在二十世纪五十年代，当他试图促成签订禁止核试验条约时，“他卷入了一起令人难堪的学术争端，并被要求提出证据来说明他的系科和研究课题为什么还要存在”（文德史密斯、麦凯，1966，15）。

在三十年代开辟了新的研究领域、只是由于战争才离开了研究工作的这位科学家，再也恢复不了原有的强烈的研究意愿和坚韧精神。相反，他向往的只是追求一些新奇的、不同寻常的东西。因此，当他走进实验室时，他总会提出一个耳熟的问题：“今天有什么新发现？”

从某种意义上来说，贝尔纳从未形成过一个学派，但从另一种意义上说，他建立了由卡莱尔、麦劳福特、范库亨和佩鲁茨组成的一个学派。贝尔纳在三十年代确立的声望依然存在，因此当塞文·富尔伯格、罗莎琳德、富兰克琳和弗朗西斯·克里克开始从事生物学研究时，他们为了能在贝尔纳的实验室中工作都来到了伯克贝克。从这个意义上来说，贝尔纳在实现自己的抱负上，的确取得了成功；因为正是在伯克贝克，富尔伯格确定了胞核苷的结构（这种结构对于研究DNA结构是非常重要的）及富兰克琳确定了TMV的结构。

从另一意义上来说，贝尔纳并没有实现自己的抱负，这一点在他所写的评论《双螺旋》的文章中有所反映。

他这样写道：

这里我要指出，我和阿斯特伯里实际上已完全认识到完全结晶和部分结晶的结构上的差异。我用了晶体物质，而他用了非结晶的即无定形物质。起先，似乎我占了上风，但后来证明恰恰相反。我的名字没有出现在双螺旋史上是完全正确的。实际上这两种结构的差别是至关重要的。螺旋形结构图上的点数比常规的三维晶体结构的点数要少得多，因此关于原子位置的信息也要少得多，但作粗略的解释则较容易，因此为掌握螺旋体结构提供了很好的线索。虽然对核酸的一般结构已很清楚，但还没有掌握任何核酸的原子结构。这可能是自相矛盾的，即能提供信息越多的方法被认为在研究真正复杂的分子中越无用，但这只是在分析策略上而不是在精度上才是如此。

策略上的错误可能像事实上的错误一样有害。对我来说情况就是这样。我遵守我与他之间的君子协定，因此我不研究非晶体的核酸而研究它们的晶体核苷。

（贝尔纳，1968，324）

佩鲁茨的进入

1932年到1936年，佩鲁茨在维也纳生物碱化学家斯帕思的指导下攻读化学，但他觉得这位有机化学家的方法没有多大意思，而对听说的剑桥大学F.G.霍普金的生化研究发生了兴趣。F.韦斯利在维也纳教授生理化学时提到了霍普金的研究工作。因此，佩鲁茨询问赫尔曼·马克，可否为他在霍普金的实验室谋得一个职位。但是，当马克于1935年在英国参加法拉第协会的会议时，把佩鲁茨的要求忘得一干二净。在伦敦，他遇见了贝尔纳。当时，贝尔纳在会上宣读了一篇关于固醇碳架的论文。他讲到了他正在物色一位研究人员。在1934年拍摄了第一批蛋白质的单晶照片后，贝尔纳想继续这项研究。马克回来后，就忘记向贝尔纳提起佩鲁茨想到霍普金的实验室工作一事，向佩鲁茨道歉，但他建议佩鲁茨到贝尔纳手下去工作。佩鲁茨对此提出异议。因为他对X射线晶体学一无所知，但马克以他惯有的态度回答说：“小伙子，你会学会的！”就这样，佩鲁茨在1936年来到了晶体学实验室。

在那年九月，佩鲁茨到达剑桥时，他发现晶体学实验室设在“一幢灰色破旧楼房底层的几间灯光暗淡而肮脏的房间里。但是，由于贝尔纳的才华和他对X射线方法的能力抱有异常乐观的看法，使这些邋遢的房间也变成了神话般的城堡了”（佩鲁茨，1970，152）。可是，当时无法得到任何蛋白质晶体，因此根据新来的矿物学教授蒂利的建议，佩鲁茨研究从炉渣中提取铁蔷薇辉石（佩鲁茨，1937）。十个月之后，他回到了奥地利。那年夏天，他到布拉格看望了他的表兄弟弗利克斯·豪罗维茨。豪罗维茨在显微镜下，向佩鲁茨显示了脱氧血红蛋白三角晶体变成含氧血红蛋白单晶体的惊人现象（豪罗维茨和佩鲁茨的私人通信）。同时，他劝佩鲁茨回到剑桥后去找生物学系的吉尔伯特·阿代尔。毫无疑问，阿代尔能给佩鲁茨提供0.5毫米的马血红蛋白晶体。与此同时，洛克菲勒研究所的诺思罗普送来了大小差不多的糜蛋白酶晶体。由于糜蛋白酶晶体存在血红蛋白所没有的双晶问题，因此在1937年秋天，决定把血红蛋白作为研究对象。

阿代尔提供的这些晶体正巧是马的高铁血红蛋白。佩鲁茨写道，这种血红蛋白证明，“在分子量相似的蛋白质中有最简单的晶体结构和很有利的特性，使晶体学家的心情万分激动”（佩鲁茨，1949，35）。然而，由于没有直接方法测定原子的位置，因此想要搞清像血红蛋白这样复杂的分子结构看来像是发疯了，但佩鲁茨写道：“它像登上月球那样是很有指望的。”（佩鲁茨，1949a，135）

1937年，布拉格填补了由于拉瑟福特之死而空缺的卡文迪什实验室教授的职位。以后的情况佩鲁茨已有所记述。由于又来了两位金属结构方面的专家利普森和布拉德利，因此佩鲁茨有在血红蛋白晶体的研究中被遗弃的感觉。

我日复一日地等待着，希望布拉格能到晶体学实验室来看看正在进行的研究工作。这样等待了大约六个星期后，我鼓起勇气来到位于弗里斯库巷拉瑟福特的维多利亚式的办公室，拜访了布拉格。当我给他看了我拍摄的血红蛋白的X光照片时，他面露喜色。他马上意识到，需要把X射线分析技术应用到活细胞的大分子上。三个月内，他就从洛克菲勒基金会得到了一笔款子，并任命我为他的研究助手。布拉格采取的行动挽救了我的科学生涯，并使我能把双亲带到英国。

（佩鲁茨，1970，152）

布拉格承认（私人通信）对血红蛋白发生了兴趣。但是，这并不是由于血红蛋白本身，而是它如此复杂的结构需要X射线晶体学家来解释。他回忆说：“我感到很激动，并决心把搞清蛋白质那样复杂的结构作为我——X射线分析者一生中的最后一项工作。”（布拉格，1967b）由于他知道，如果在战后能为血红蛋白研究人员获得永久性职位那就更好了，因此他试图得到学校当局的支持。但是，他没有成功。佩鲁茨回忆道：“布拉格认为，我们一定不能无限制地依赖洛克菲勒基金会的慷慨解囊，尽管该基金会从1939年起一直资助我的工作。因此，他推举我获得帝国化学公司的研究员基金并为肯德鲁临时搞到了一些补助款。但是到1947年，这些财源都将断绝，校方也不愿提供帮助。在这关键时刻，已故的生物学教授D.基林建议我们与医学研究委员会联系。因此像惯常做的那样，布拉格会见了委员会秘书爱德华·梅兰比爵士，他们在委员会俱乐部里共进了午餐。”（佩鲁茨，1970，153）布拉格说明搞清楚像血红蛋白这种结构的可能性“是极小的，但如有点成果的话，那么这些成果的重要性将是最大的。因此，也许是值得下这笔赌注的。梅兰比参加了这次赌博，他从医学研究委员会方面给我们资助”（布拉格，1967b）。

帕特森分析

劳伦斯·布拉格爵士在叙述剑桥大学血红蛋白研究工作情况时，使用了“蛋白质结构怎样未得结果”这样一个题目（1965，1）。他讲到了这项研究开头几个阶段的工作策略，特别强调了帕特森图的重要性。1935年，A.L.帕特森提出了一种不需要了解衍射线的相位，就可确定重要的原子间距离的方法。研究复杂的有机分子所需要的正是这种方法。这是经过多次讨论以及帕特森对先在英国科学普及研究会、后在德皇威廉纤维化学研究所的各种分析有机结构的方法进行长期深思熟虑的结果。

在帕特森投影图上的规律性表现为电子密度的峰。峰间的距离可直接测量出该结构中重要的原子间距，但因为衍射图给出的“信息”没有包括衍射线的相位，因此这些投影也没有给出晶胞中散射物质密度的实际分布（贝尔纳，1939e，550）。一方面，在胰岛素的帕特森投影图上没有发现对称特性，这是因为当时大家所认为的胰岛素分子量比实际的要大一倍（克劳福特、赖利，1939）；另一方面，胰岛素和血红蛋白的投影图似乎都支持下述希望：这些蛋白质由一束束平行的棒状多肽链组成。这种希望是阿斯特伯里所描述的丝和角蛋白平行链结构的合乎逻辑的发展。劳伦斯·布拉格爵士说：“帕特森合成是鼓舞进行这些研究的指路明灯，但后来的情况证明，帕特森合成把人引入了歧途。”（布拉格，1965，3）佩鲁茨完全清楚珠蛋白的分子也许不是由层叠式的链系统所组成，而是由“一个复杂的相互联锁的螺旋形多肽链系统所组成”。这个系统中，原子间的矢量在各个方向上以相同频率发生。在这种情况下，“帕特森合成未必能为了解这种结构提供线索”（佩鲁茨，1949b，4）。要是佩鲁茨真的认为后一种情况最为可能，那么他就不会再去探索血红蛋白的结构了。事实上，他得出了“药丸盒”或“帽盒”模型，即二十条多肽链堆成间距10.5Å的四排相互平行。当兰米尔、林奇重新提出弗兰克的球形学说，并断言多萝西·克劳福特关于胰岛素的帕特森哈克断面支持分子的环形“笼”式结构时，人们大为惊讶（兰米尔、林奇，1938；林奇，1938）。贝尔纳指出，这种说法是以任意选择一些矢量为依据，因此，如果在考虑全部矢量时，一致性就不存在了（贝尔纳，1939e）。波林和阿斯特伯里支持的贝尔纳-佩鲁茨-克劳福特的束状或棒状多肽链图，在晶体学界，比环形学说存在了更长的时间。但是，像所有这类的蛋白质分子的几何图一样，它也被淘汰了。他们的结构图遭到这个研究领域里的一名新手——卡文迪什实验室的研究生、33岁的弗朗西斯·克里克的反对。

【注释】

[1]他们未给出b的数值。