CH4 Rocking the Boat

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CH4 Rocking the Boat_Part I

  • 主要人物
    • Francis Crick: 1916年出生，英国物理学家、生物学家，下文将其简称为“克里克”。
    • Lawrence Bragg: 1890年出生，英国物理学家，绰号“威利”，时任卡文迪许实验室主任。1915年，他和父亲Henry Bragg一同获得诺贝尔奖。下文将他简称为“小布拉格”或“布拉格”，将他的父亲简称为“老布拉格”。
  • 次要人物
    • John Desmond Bernal: 1901年出生，爱尔兰物理学家，绰号“大神”，时任卡文迪许实验室副主任。他的博士生导师是老布拉格。
    • Max Perutz: 1914年出生，英国物理学家，Bernal的博士生，克里克在卡文迪许实验室的同事。
    • John Kendrew: 1917年出生，英国物理学家，克里克在卡文迪许实验室的同事。

现在，让我们重回克里克的职业生涯。

1949年，克里克坐上前往卡文迪许实验室的火车，窗外的乡野风光飞快掠过，但他满脑子想的都是即将到来的卡文迪许实验室。

卡文迪许实验室是一个神奇的地方。Henry Cavendish是一位18世纪的英国物理学家，一位实验天才。他成功地测量了引力常数。他还曾经发现了2个电荷之间的相互作用力满足$F = \frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{q_1q_2}{r^2}$，即我们现在称之为库仑定律的东西，但是他当时没有急于发表自己的成果（不像现在），于是这个定律滑向了法国的库仑。Henry Cavendish出身贵族家庭，他一家都是英国的权贵。他去世后，他的亲戚，当时的剑桥大学校长William Cavendish出资修建了卡文迪许实验室，该实验室隶属于剑桥大学。

卡文迪许实验室的第一任主任是James Clerk Maxwell，他因为麦克斯韦方程组垂名后世。

1897年，正是在卡文迪许实验室，J. J. Thomson发现了电子，并测出了电子的质量、带电量，随后提出了汤姆孙原子模型。

20世纪30年代早期，James Chadwick在这里发现了中子。

卡文迪许实验室的现任主任是Lawrence Bragg，绰号威利(Willie)。他用氯化钠晶体进行X射线衍射实验，提出了X射线衍射的布拉格定律。25岁时，他因为这项工作和他的父亲一起获得了诺贝尔奖。

在很长的一段时间里，学术圈的人认为小布拉格是靠着父亲老布拉格才拿到诺贝尔奖。卢瑟福和老布拉格是好朋友，当小布拉格拿了一个著名奖项之后，卢瑟福对老布拉格意味深长地说：“你儿子这么年轻就获得这么重量级的奖项实在是太早了。”这样的风言风语让小布拉格很痛苦。事实上，根据后来披露的资料显示，小布拉格才是整个实验的关键想法的提出者，老布拉格更像是做实验的苦力。也就是说，不是他沾他爹光拿的诺奖，而是他爹沾他光拿的诺奖。

克里克写道，小布拉格是那种对许多事情都有着孩童般热情的科学家，并且一辈子都是如此。他还是一名热情的园丁。1954年，他被调任为皇家研究院的院长，他不得不从他在剑桥的大花园搬到皇家研究院顶层的公寓。思念着自己的大花园，小布拉格想出了一个“好方法”——他每周抽出一个下午，为伦敦波尔多高级住宅区的一位不认识他的贵妇人做园丁。他毕恭毕敬地行脱帽礼，告诉她他叫威利。连续几个月，相安无事，直到有一天，她家的一位客人向窗外打量时认出了他，然后惊叫：“天啊，劳伦斯·布拉格爵士怎么会在你的花园里？”

卡文迪许实验室的现任副主任是John Desmond Bernal，绰号大神(sage)，因为他好像什么都会。Bernal是一个天才，虽然克里克没有写明，但他暗示Bernal是当时卡文迪许实验室里最聪明的一个。同时，Bernal情商极高、为人温和、风度翩翩。Rosalind Franklin在离开DNA后，也在Bernal手下工作。

前往这样一个机构，克里克的心里难免激动。

但是卡文迪许实验室在普通人里似乎并不是那么有名。出了火车站，克里克叫了一辆出租车，对司机说：“去卡文迪许实验室。”

司机：“那是什么地方？”

克里克尴尬地翻出地图，说：“去自由学院路。”

前文提到，医学研究中心(MRC)将在卡文迪许实验室建立MRC研究中心，用X射线晶体衍射来研究蛋白质的结构和功能。这项研究将由Max Perutz领衔，由小布拉格担任总指挥。

克里克即将拜访的人正是Max Perutz。

Perutz是一位出生于奥地利的英国物理学家。他从维也纳大学获得了化学学士学位，他本来打算师从Frederick Hopkins，剑桥大学生物化学系的创始人，继续搞化学。他请求Herman Mark（一位化学家，被称为father of polymer science）去剑桥的时候帮他联系一下。不料Mark遇到了大神Bernal。大神听闻Perutz根骨清奇，于是便说他很欢迎Perutz在他手下当博士生。就这样，Perutz成为了一名X射线晶体衍射专家。

克里克见到Perutz后，两人相谈甚欢。Perutz一家住在一个很小但装修精美的公寓，房租很便宜，步行去卡文迪许实验室也很方便。当时他们正计划搬家，并表示这个公寓可以让克里克一家住。克里克便和夫人奥黛尔一起住进了这里。

MRC希望卡文迪许实验室的诸人能用X射线来研究蛋白质的结构和功能。生物学里有一句说烂了的话：结构决定功能。大多数时候，这话是对的。因此，这个工作要从确定蛋白质的三维结构开始。

蛋白质是一种生物大分子，由几百个、几千个甚至几万个氨基酸组成。

人体中最大的蛋白质是肌联蛋白（titin），它最多可由38138个氨基酸组成。

下文中的两位常客，血红蛋白（hemoglobin）和肌红蛋白（myoglobin），分别由574个和153个氨基酸组成。

当时，X射线衍射能解析的最大分子的分子量只有蛋白质的百分之一。大多数X射线晶体学家认为用X射线解蛋白质根本不可能。

这个课题深深地吸引了小布拉格，他决心接受这个挑战。他的科学生涯起飞于揭示氯化钠晶体的结构，氯化钠是一种小分子；而现在他希望解开当时已知的最大分子之一的结构，加冕为X射线晶体学的王者。

搬进新家后，克里克做的第一件事就是自学X射线晶体学。这些知识克里克本科时肯定学过，但现在他已经忘光光了。

在第二部分，我们将领略一些X射线晶体学的基础知识。

我们将从美丽的晶体开始。

晶体很美，不是吗？

注：有件事值得一提，物理学博士出身的英国小说家C. P. Snow的早期科学小说《追寻》(The Search)中的主角Constantine是以Bernal为原型的。（可惜，这部小说讲的是一个悲剧的故事，它的主线是某生物物理研究所的建立过程，而结局是，主人公为了不揭穿同行科学家的造假行为，决心放弃自己的科学生涯，转型成为作家。克里克猜测这件事多少也反映Snow本人的经历。）

注：站在2022年回头看，解蛋白质的三维结构，有3种实验方法和1种计算方法。3种实验方法是：X射线衍射、核磁共振、冷冻电镜。1种计算方法是：深度学习。2018年和2020年，DeepMind公司分别推出了AlphaFold和AlphaFold 2。这个程序颠覆了整个结构生物学领域。保守地说，之前的学者们用70年解的蛋白质结构，用AlphaFold几周就能算好。

CH4 Rocking the Boat_Part II

以下，我将从晶体、X射线两个方面介绍X射线晶体学。

晶体

人类自古就喜欢美丽的晶体，并且迷信地赋予了不同的晶体不同的含义。

晶体的规整性、对称性，让人类着迷了几千年。

但是，对晶体展开科学研究是很久之后的事了。

1611年，Johannes Kepler发现雪花的六重对称结构是水分子的规则排列导致的。

1784年，René Just Haüy发现晶体是由一个小单元在三个维度上不断重复构成的。现在我们把这个小单元成为晶胞。我们可以把晶胞看成一个点，则晶体是一个点阵，这个点阵被称为Bravais lattice。

1890s，科学家们终于发现：晶体有千千万万种，但他们的结构全都隶属于7种晶系、14种Bravais lattice。这正是物理学简洁性和普适性的体现之一。恰好这时，伦琴发现了X射线。

X射线

1895年，伦琴发现，当阴极射线透过人体时，会发生不可思议的现象——照片上只有骨骼，没有血液、肌肉（现在我们知道，这是因为骨骼X射线吸收率高而血液、肌肉对X射线吸收率低）。他把阴极射线命名为X射线。伦琴用他夫人的手拍了人类历史上第一张X光。

当伦琴在研讨会上展示这张照片时，整个欧洲都轰动了。

同时，伦琴还成功地向全欧洲秀恩爱——他夫人左手无名指上的戒指是他送的。不仅如此，从某种意义上说，伦琴成功地向后世所有学生秀恩爱——这张照片永远地流传了下来，为后人所瞻仰。

人类实现了“透视”，这是人类幻想了几千年的“法术”。

许多贵族趋之若鹜，争相给自己拍X光。

甚至有人用X光拍婚纱照。

爱迪生还曾经有一个X射线头盔，专门照别人。

毕竟，X射线似乎没有任何伤害。你看，我的手拍了一张X光，我的手不是还好好的嘛。

当然，后来我们知道，X射线是有辐射的，不能乱用。

同时，X射线在医学上很快产生了应用。

一战期间，居里夫人曾经发明了一个X射线小车，它可以为受伤的法国士兵们快速拍X光。

但是，在科学上，人们一直没有搞清楚X射线是粒子还是电磁波。

这是因为，X射线的干涉、衍射实验非常难做。而干涉、衍射是电磁波基本性质，连这个实验都做不出来，谁会相信X射线是电磁波？

老布拉格就曾发论文称X射线是粒子。

干涉、衍射在物理上并没有本质区别，以下统称为衍射。

X射线的衍射实验难做的原因是：只有当障碍物和电磁波的波长同量级时，电磁波才会发生衍射。但是X射线的波长太短了，只有0.01nm-10nm，上哪去找这么小的障碍物呢？

1912年，劳厄突然想到，我可以用晶体来做这个事啊！当时已经知道，晶体的晶格常数（即晶胞的尺寸）大概是在0.1nm。

劳厄的实验成功了，他得到了明锐的X射线衍射图。

1914年，劳厄获得诺贝尔物理学奖。

For his discovery of the diffraction of X-rays by crystals

随后，布拉格父子利用X射线去研究晶体结构。他们成功地解出了$NaCl$的晶体结构。下图是一张单晶$NaCl$的真实的X射线衍射图，上面有明锐的的亮点[1]。

1915年，布拉格父子获得诺贝尔物理学奖。

For their services in the analysis of crystal structure by means of X-rays

装备了这些知识，我们可以重新回到克里克的职业生涯了。

reference:

[1]100 years of X-ray crystallography by TERENCE J. KEMP and NATHANIEL W. ALCOCK

CH4 Rocking the Boat_Part III

上文提到，卡文迪许实验室准备用X射线解蛋白质。

这个工作的第一个关键是——让蛋白质结晶。因为只有晶体才能产生明锐的X射线衍射图。然而，并不是所有蛋白质都能结晶。哪怕是2022年，生物学家让蛋白质结晶的方法也更倾向于尝试、猜测，而没有一个统一的方法可以让所有蛋白质都结晶。

在二战前，Bernal已经为此做了一些铺垫工作。一天，他在用光学显微镜（实际上是偏光显微镜，一种利用偏振光来提高分辨率的光学显微镜）观察蛋白质晶体。蛋白质晶体放在一个开放的载玻片上，浸泡在晶体生长的溶液里。慢慢地，溶液的水分蒸发，晶体变干。Bernal发现，晶体的光学图像渐渐模糊。他马上意识到，保持蛋白质的湿润对于维持它的晶体结构非常重要。于是，他把蛋白质包裹在小的玻璃管中，并且用特制的蜡封住两端。幸运的是，玻璃管基本对X射线基本没有影响。之前的学者用X射线研究晶体只能得到少许模糊图像，因为晶体变干了。当Bernal获得了湿润晶体的优美图像时，人类在解蛋白质结构上迈出了关键一步。

Perutz当时在研究血红蛋白。血红蛋白是人体血液里运输氧气的蛋白质，血液之所以显示红色也是因为它们。因为负责运输氧气，所以血红蛋白对于有氧运动是极其重要的。另外，贫血的人最重要的特点是血红蛋白含量降低，而不是红细胞降低。Perutz研究的是马的血红蛋白，因为马的血红蛋白比人的更容易结晶。

这个工作的第二个关键是——相位问题。在X射线衍射中，我们所得到的衍射图只有振幅信息，没有相位信息。即和相位有关的信息全部丢失了。为了找回相位信息，人们发明了各种各样的方法。

当时，Perutz在使用一种名为Patterson的方法。这种方法最早由一个叫Lindo Patterson的晶体学家提出。这方法费时又费力，当时用的还是IBM的打孔计算机，每次实验都需要做3个月。

克里克开始自学后，Perutz推荐了几本教材，并且教给克里克一些制作晶体、拍X射线照片的基础知识。

这个领域最难的地方是群论，而Bernal是群论方面的大师。除了群论之外，X射线晶体学的理论相当好懂，但很繁琐，以至于许多物理学家认为它非常无趣。克里克发现，通过空间想象，他可以不经过繁琐的数学计算就得到问题的答案。几年之后，当沃森加入卡文迪许实验室时，克里克利用这种方法，让数理基础薄弱、连傅里叶变换都不会的沃森了解了X射线衍射的大概。克里克甚至还想写一本书，名为Fourier Transform for Bird Watchers（沃森最早因为喜欢观察鸟类而加入学术界），但是有太多的事情分散了克里克的精力以至于他从未动笔。

克里克学得很快。一段时间后，英国的X射线晶体学家聚集到卡文迪许实验室开会，听Perutz汇报工作进展。在Perutz汇报完毕后，Bernal起身发表评论。克里克一直认为Bernal是天才，而克里克之前一直有一种刻板印象，那就是天才都情商较低、不谙世故。但Bernal展示了极高的情商：他先是称赞了Perutz的勇气，这项工作非常艰巨，前无古人，后启来者。在这番表扬之后，Bernal才提出了Patterson方法可能存在一些问题，以一种友好但坚决的语气。

克里克感叹道，如果你打算对一项科学工作提出批评，最好先以赞美作为铺垫，再提出批评。不幸的是，他本人常常表达过于直白，有失礼节。

也正是在这项研讨会上，克里克做了他人生中的第二次报告（第一次还是细胞质基质的磁学性质）。他犯了一个新手常犯的错误，那就是试图在20分钟内讲太多东西。在中途，克里克忐忑地发现，Bernal开始坐立不安。后来克里克才知道，Bernal是在找幻灯片，因为Bernal在克里克之后作报告。

不过，这些和克里克的报告内容相比都无关紧要。克里克的报告内容嘛，说白了就是——其他所有人的方法都是在浪费时间。

根据克里克的分析，Bragg、Bernal、Perutz、Kendrew等人采用的方法没有丝毫成功的可能，包括Patterson法。

克里克提出，唯一一种有可能成功的方法是同形替换法(isomorphous replacement)。该方法的核心是用一个重原子（比如$Hg$），替换掉一个轻原子或者小分子（比如$H_2O$）。这样一做，经过一番分析后，有可能找回相位信息。这个方法已经被用来解决许多小分子的结构，但在蛋白质上只有一两次尝试，而且都半途而废，可能是因为没有很好的化学方法来引入重原子。

克里克事先向同事Kendrew透露了报告的内容，并问他报告的题目叫什么好。Kendrew提议：“怕什么，不妨叫狂热的追求！”

这也是书名What Mad Pursuit的来源

小布拉格大为光火。这个新来的家伙，竟然对一群X射线专家指指点点，还说他们的方法都是错的！

其中还包括他自己——该领域的创始人，并且在该领域领头近40年！

当克里克回去坐下后，在下一个报告开始前，他以一贯戏虐的语气对邻座提出他对这个领域的批评。布拉格扭过头，瞪着克里克说：“克里克，你就会拆台！”

“Crick,” he said, “you are rocking the boat.”

布拉格的愤怒不无道理。当一个团队里的所有人都在努力工作，有一个家伙一直泼冷水，显然不好。但是，一个团队坚持一堆错误的方法，更不好。

现在我们知道，克里克的观点是正确的。

在克里克的自传里，他第一次展示了他天才的一面——他只靠自学，就迅速掌握了X射线晶体学的知识。

由于这个报告过于震撼，克里克成功地把同事们的视线转移到了正确的方向。多年之后，大家都把这件事忘了。维易一个记得这件事的人是Bernal，他不止一次地提过这件事。当然，或早或晚，这些观点还会浮现，克里克所做的只是加速了这件事的发生。

对克里克而言，这事的主要影响是——布拉格觉得他很讨厌，做实验不出活，爱夸夸其谈，还爱贬低别人的工作。

好在，后来布拉格改变了这种想法。

也好在，布拉格是位君子，虽然科学观点不同，但是并没有打压克里克。

克里克当时只是一个刚入学的、人微言轻的研究生，连博士学位都没有。如果布拉格真想打压他，甚至可以让克里克拿不到博士学位。

1962年，Perutz和Kendrew获得诺贝尔化学奖，表彰他们在解析球形蛋白质（主要是血红蛋白）结构方面的工作。

for their studies of the structures of globular proteins

同年，沃森、克里克、威尔金斯获得诺贝尔生理学或医学奖，表彰他们在DNA双螺旋结构方面的贡献。

for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living material

对DNA双螺旋做出同样杰出贡献的第四人，DNA背后的”Dark Lady”，Rosalind Franklin，于1958年英年早逝，年仅37岁，无缘获奖。

每次写下这个名字，我都有些心酸。

有关他们四人的工作将会在第六章介绍，第五章讲的是劳伦斯·布拉格vs莱纳斯·鲍林的故事。