富蘭克林百年誕辰:才不是「委屈的DNA女主角」

2021-02-23 Nature Portfolio

在倫敦威爾斯登猶太人墓園裡,羅莎琳德·富蘭克林(Rosalind Franklin)的墓碑中央刻著「科學家」一詞,下面的碑文寫道:「她在病毒方面的研究和發現持續造福著人類。」

作為20世紀最傑出的科學家之一,富蘭克林的成就讓全人類受益。在她百年誕辰之際,許多人開始回望她的科研生涯與研究貢獻,當然還有她在揭示DNA結構上所起到的推動作用。

富蘭克林最著名的成就是她與她的研究生雷蒙·葛斯林(Raymond Gosling)在1953年[1]共同發表的一張X射線衍射圖,這張圖對於確定DNA的雙螺旋結構十分關鍵。

不過,富蘭克林關於DNA的傑出研究只是她的研究記錄和科學遺產的一小部分。她是自然奧秘不知疲倦的探知者,研究領域橫跨生物學、化學和物理學,重點關注與社會息息相關的研究。她在煤和碳的科學認知上取得了重要進展,同時也是研究植物和人類體內致病病毒的專家。可以說,正是因為富蘭克林以及她的合作者和後繼者,今天的研究人員才有機會使用DNA測序和X射線晶體技術這類工具,來研究SARS-CoV-2一類的病毒。

富蘭克林的科研事業始於物質科學。1940年代,在她最早的研究工作中(包括她的博士研究),富蘭克林協助確定了煤的密度、結構和組成,作為一種化石燃料,煤在當時被廣泛用於家庭取暖和工業供能。富蘭克林想要了解煤的孔隙度,主要是想知道如何才能讓煤的燃燒效率更高。然而,正如劍橋大學的科學史學家Patricia Fara所說,煤的孔隙度也是二戰防毒面具發揮功效的一個關鍵因素——這種面具內含活性炭過濾器。就這樣,富蘭克林間接幫助設計了她那個時代的個人防護用品。 

富蘭克林對碳的研究讓她聲名鵲起。她的第一篇《自然》論文發表於1950年1月,描述了碳的某些電子會如何影響它對X射線的散射[2]。次年,她完成了她在碳領域最重要的研究成果——發現煤燃燒所形成的碳可以分為兩類:石墨化或非石墨化,並各自有著獨特的分子結構[3]。這項工作揭示了焦炭(coke)和結焦物(char)的主要區別——二者都是燃煤產物,但前者可以在高溫下變成結晶石墨烯,後者卻不行。這項工作還幫助解釋了為何焦炭的燃燒效率如此之高:非常熱但煙很少。這些特點讓焦炭非常適合需要產生巨大熱量的工藝,比如鋼鐵廠的熔煉等。

後來,富蘭克林的研究方向又從煤跳到了病毒,並在餘生裡都樂此不疲。1950年代,她在倫敦的伯貝克學院度過了非常高產的五年。她在那裡利用自己掌握的X射線技術鑑定了菸草花葉病毒(tobacco mosaic virus,TMV)的 RNA結構,這種病毒會攻擊植物並摧毀菸草作物。該病毒於1890年代首次被發現,當時研究人員正嘗試分離出這種破壞植物的病原體,但發現這種病原體太小,不可能是一種細菌。

富蘭克林拍攝下了非常清晰的X射線衍射圖,足以成為她的「代表作」。有一回,她還糾正了詹姆斯·沃森(James Watson)在解讀TMV螺旋結構時的錯誤。基於對這種病毒結構的認知,其他科學家得以讓剛誕生不久的分子生物學向前跨越了一大步,並將TMV作為破解遺傳密碼的模型。

在解析了TMV的結構之後,富蘭克林又開始研究侵蝕重要農業作物的其他植物病毒,這些作物包括土豆、蕪菁、番茄和豌豆。而後在1957年,她再一次另起爐灶,開始研究脊髓灰質炎的致病病毒,這種病毒的結構與蕪菁黃花葉病毒很像。當時,脊髓灰質炎是一種令人聞之色變的傳染病。而如今,這種疾病已經基本被消除了,只有巴基斯坦和阿富汗仍有發病。

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