中国为何会错失分子生物学革命?
分子生物学(molecular biology)由遗传学和生物化学结合而成。虽然早在1938年国际上就已经出现了分子生物学的概念,但是,这个学科领域的真正诞生却发生在1950年代,一般以蛋白质α-螺旋结构模型的提出(1951年由鲍林(L. Pauling,1901-1994)完成),尤其是DNA双螺旋结构模型的提出(1953年由沃森(J. D. Watson,1928- )、克里克(F. Crick,1916-2004)完成)作为标志。
在此后的二三十年,分子生物学在西方国家成果迭出,获得巨大发展,不但解决了遗传学的微观机制问题,把生物学带入了分子的时代,还成了整个自然科学发展的领头羊,大大推动了物理学、化学等传统学科的发展。
基础研究的重大突破还产生了意想不到的应用价值,令农业、制药、医疗等行业发生巨变。在这个时间段内,中国开展了一系列以“人工合成生命”为远期目标的研究。它们以生物大分子为操作对象,也可以说是分子生物学研究。但毫无疑问的是,在改革开放之前,中国发展分子生物学的道路与西方的迥异。为什么会如此?如何评价中国的独特道路?这些都是很值得探讨的问题。
撰文 | 熊卫民(北京科技大学科技史与文化遗产研究院)
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中、西一度迥异的分子生物学发展道路
自从摩尔根(T. H. Morgan,1866-1945)把基因定位到染色体(1910年完成)上,尤其是德尔布吕克(M. Delbrück,1906-1981,1935年完成)和薛定谔(E. Schrödinger,1887-1961,1943年完成)论证基因是一种稳定的化学分子后,随之而来的问题是,构成染色体的蛋白质和DNA,究竟哪一个才是遗传物质?该遗传物质是何种结构,为什么能够导致遗传和变异?包括德尔布吕克在内的众多科学家一度认为DNA比较简单,难以存储很多信息,而把探索重点放到了蛋白质上。1953年沃森和克拉克提出DNA的双螺旋结构,并用其较好解释遗传和变异之后,不同国家的大量科学家将注意力转到了研究DNA、RNA、蛋白质以及它们之间的关系上来。
20世纪五十至七十年代,西方在分子生物学方面的里程碑式成果包括:
分子遗传学领域:建立DNA 的双螺旋结构模型(1953年)→提出遗传密码假说(1954年)→提出传递遗传信息的“中心法则”(1958年)→发现蛋白质合成中的遗传调节机制(1961年)→破译全部的64种遗传密码(1961-1963年)→发现逆转录酶和逆转录现象(1970年)→发现限制性内切酶(1970年)→重组DNA技术也即基因工程的问世(1973年)→DNA测序技术的建立(1977年)……
蛋白质结构与功能研究领域:建立蛋白质的α-螺旋结构模型(1951年)→人工合成催产素(1953年)→测定胰岛素氨基酸序列(1955年)→测定肌红蛋白和血红蛋白的晶体结构(1960年)→发现蛋白质的一级结构决定高级结构(1961年)→发明多肽和蛋白质的固相合成法(1963年)……
来自美国、英国、法国的三十多位科学家因为20世纪五十至七十年代在分子生物学方面的贡献而获得诺贝尔医学或生理学奖、诺贝尔化学奖。
中国自1958年起即建立了与分子生物学有关的研究机构(中国科学院生物化学研究所,以下简称“生化所”),开始了这方面的研究(以人工合成胰岛素工作为代表),1963年时又作为国家重点项目开始实施试图全面发展该领域的分子生物学十年规划,起步并不算太晚。在王应睐、邹承鲁、曹天钦、唐有祺、沈善炯、谈家桢、钮经义、王德宝、汪猷、梁植权等从世界著名实验室走出来的优秀科学家的主持下,在短短的数年之内,中国就在蛋白质分子必需基团修饰的定量处理、酶活性不可逆抑制动力学、人工合成胰岛素、tRNA的一级和二级结构、琥珀酸脱氢酶研究、木糖异构酶研究、肌肉蛋白研究等方向取得了一系列重要成果,起点也不算低。可随着“四清”运动,尤其是紧随其后的“文革”运动的开展,这个良好的发展势头被打断,所有的相关研究一度都停顿了下来。1967年5月之后,因为一些极其特殊的机缘,胰岛素晶体结构测定、胰岛素的结构和功能关系、人工合成酵母丙氨酸tRNA、人工合成烟草花叶病毒蛋白质外壳等项目才打着贯彻毛主席最高指示“生命起源要研究一下”的旗帜而得以开展。在持续了十年有余的“文革”中,虽然也出现过其他一些发展分子生物学的努力,譬如1972年底中国科学院曾召开分子生物学座谈会,对分子生物学在中国的长远发展又作了一番规划,之后还采取了一些行动,但随着“批林批孔”、“反击右倾翻案风”等运动的开展,这些努力大多被作为“刮理论风”、“复辟回潮”等加以批判并因而夭折。在“文化大革命”期间一直维续下来,主要还是上述这几个项目。它们和在“大跃进”时启动、于“文革”前夕完成的人工合成胰岛素工作一起,共同构成了有中国特色的“人工合成生命”系列研究,是1958-1977年间分子生物学在中国发展的主线。
人工合成胰岛素研究于1966年4月发表全合成论文;胰岛素晶体结构测定研究于1972年发表2.5埃分辨率的论文,1974年发表1.8埃分辨率的论文;胰岛素的结构和功能关系研究于1972年、1974年、1976年发表了系列论文;人工合成酵母丙氨酸tRNA研究于1983年发表全合成论文。人工合成烟草花叶病毒蛋白质外壳研究没能达到预期目标,也没有发表什么中间成果。
人工合成胰岛素研究和人工合成酵母丙氨酸tRNA研究均获得了国家自然科学一等奖(获奖时间分别为1982年、1987年);胰岛素晶体结构测定研究获得了国家自然科学二等奖(1982年)。
这些当然都是重要奖项,只是和诺贝尔奖相比,其声望还是要逊色很多。人工合成胰岛素研究的代表钮经义还曾获得过1979年的诺贝尔化学奖提名,可惜的是并未能获奖。坊间一度对此忿忿不平。但诺贝尔奖奖励的主要是原创性工作,而人工合成胰岛素研究、人工合成酵母丙氨酸tRNA研究、胰岛素晶体结构测定研究的目标都很明确、基本实验方法也已具备、只是工作量很大,它们属于工程性研究,在探索性、创新性方面并不突出,并未能超出模仿或用已知措施解答难题的阶段,没能获得诺贝尔奖也是可以理解的。
这些研究大多有国际竞争对手,但那些竞争对手的目的并不在于通过“人工合成生命”去最终解答“生命起源”这样的哲学问题,而只是着眼于某些科学问题,企图从分子层面去了解生命现象的某些组分和某些过程。换句话说,虽然所做的工作类似,但由于关心的问题不同,国际竞争对手的研究仍然是探索性的而非工程性的,仍位于国际分子生物学研究的主流之中。
科学家不了解西方同行的研究进展?
和其他现代自然科学的学科、领域一样,中国的分子生物学研究也是从西方学过来的,沈善炯、邹承鲁更是出自分子生物学的发源地加州理工学院和剑桥大学。为什么这个学科在中国的发展道路会和西方发达国家的迥异呢?
因为跟西方断了联系,中国的生物学家不知道西方同行非常重视分子生物学,不了解他们在这方面的进展?
有一点。1950年代以来,中国科学家出国参加学术会议、进修、访问的机会极少[1],把西方的分子生物学家请进来访问、讲学的机会也极少[2],这当然会影响中国科学家对国际科研动向的了解,影响他们对最新实验技术的掌握。但至少在“文革”爆发之前,鉴于中国订阅了很多国际科学期刊,进口了众多西方出版的科学书籍,还对这些期刊和书籍进行广泛的影印,中国科学家对于西方的科学进展、研究热点、科研设备,还是有渠道获知的。不但自己知道,他们还写了一些通俗的文章向大众和领导人介绍这些最新进展[3]。譬如,谈家桢就曾在1959年发表的一篇科普文章中说:
一百年来,从孟德尔遗传特征传递规律和达尔文自然选择规律的发现到现在,生物科学的研究通过实验方法与历史方法的结合运用,特别是近十几年来,由于物理学上和化学上研究方法的进展,把这种方法应用到分析生命活动的具体过程上面来,已经对这个联系子代与亲代的遗传物质有了进一步的认识,即从细胞结构水平上的染色体和它上面所假定的“基因”,发展到化学分子结构——去氧核糖核酸(英文简称DNA,俄文简称ДНК)——的水平上。这个课题牵涉到生物学上的很多学科,像生理学、发生学、细胞学、遗传学、微生物学、生物化学和生物物理学等,已成为当前生物学理论研究中最尖端的任务[4]。
1962年的诺贝尔奖医学与生理学奖、化学奖被空前地授予了5位分子生物学家——沃森、克里克和威尔金斯(M.Wilkins,1916-2004),肯德鲁(K. J. Cowdery,1917-1997)和佩鲁茨(M. F. Perutz,1914-2002)。这种消息也能令中国科技部门的党政领导认识到分子生物学的活力和价值。在科学家的推动和科技部门党政领导的允许下,1962年12月完稿的《1963-1972年科学技术发展规划》(以下简称“十年规划”)中包含了专门的发展分子生物学的内容:
近二、三十年来,生物学得到飞跃的发展,主要特征是由定性的观察上升为精确定量的分析,由宏观的研究深入到微观结构的研究,由研究现象的个别过程扩展到现象的普遍联系。对生命现象的研究逐步深入到细胞内精细结构和物理化学机制,同时对生物高分子的研究也逐渐上升到生命活动过程,这样在接壤处就形成了一大片新的研究领域——分子生物学。核酸控制蛋白质合成规律的发现,预示着现代科学正面临重大的飞跃。可以预期,生命科学的研究,将对农业、工业和医疗实践中产生巨大的革命性的影响……实验生物学是生物学发展的主流,必须加速发展,特别是加强分子生物学的研究[5]。
分子生物学研究还被列为十年规划中的国家重点项目任务——“国重第30项”。虽然清楚相关基础非常薄弱,有经验、有成就的科学家相当少,各分支学科领域力量残缺不齐,而且较新的仪器设备尚付阙如,王应睐、谈家桢等人仍提出了不乏雄心的发展目标:培养数以百计的专门人才(包括派遣一些留学生赴西欧学习),生产和进口一些相关的仪器设备和试剂,使得中国在蛋白质、酶与核酸等领域的主要方向,五年内都能充分开展研究,七年内做出相当数量的有国际水平的成果,十年左右接近西欧国家的平均水平[6]。
但可惜的是,由于所需经费并未落实,再加上“四清”、“文革”等政治运动的冲击,这个规划并未得到很好的执行。虽然在制订规划后的三四年也购买了一些仪器设备,在上海和北京建设了两个现代化的生物实验中心,还制订了更为细致的《建立分子生物学的研究基础》任务计划书(草案)(1964年上半年由国家科委生物学组制订),并在生化所、中国科学院植物生理研究所(以下简称“植生所”)等机构开展了一些相关研究,但那些研究,除人工合成胰岛素外,普遍规模很小。而在教育和人才培养方面,与分子生物学有关的知识,并未能进入中小学、大学的教育体系;王应睐等只能通过举办高级生化训练班,给来自全国各地的从事或立志从事生物化学教学、研究工作的人员上一点与分子生物学有关的理论和实验课程[7]。
过于强调理论联系实际?
因为强调理论联系实际,而分子生物学与实际关系太远?
也有一点。从1950年起,中国就反对“为科学而科学”,强调理论联系实际,为此经常性的批判基础研究,一些科学家业已开展多年、花钱很少的基础研究项目也被迫终止[8]。1956年制订十二年科学技术发展远景规划,否定科学家按学科制订出来的草案,把指导方针明确为“任务带学科”,只重视当下的任务的完成,而不重视有长远价值的对学科的培育,不愿意分散力量去从事基础研究[9]。在周恩来总理听取一些科学家的汇报之后,才增补了第56项任务:“若干重要基本理论问题的研究”和《基础科学学科规划》。但由于基础研究没有具体的考核指标,而“四大紧急措施”等其他任务有,基础研究任务和规划实际并未认真执行。考虑到还有好多任务带不起的学科,1958年底、1959年初,作为“向科学进军”的“火车头”中国科学院提出要“三大抓”:“一抓尖端科学技术,二抓国民经济建设的重大科学技术问题,三抓基本研究”,其中基本研究包括群众实践经验总结、基本理论研究和基本资料的收集整理分析等[10]。但到具体执行的时候,对基本理论研究抓得还是很不够。20世纪五六十年代的分子生物学研究,虽然国际上成就迭出,但尚未显示出显著的应用价值,中国的决策层也就没有重视它。
1970年代初,基因重组技术出现、分子生物学的应用价值现出端倪后,决策层才对其重视了起来。其具体表现包括但不限于:
作为当时全国的科研行政机构(国家科委已于1970年正式并入中国科学院)和综合性科学研究中心,中国科学院更是有众多重视分子生物学的举措,包括但不限于:
尽管此时的中国决策层开始重视西方那种分子生物学研究进路了,但已开展的那些工作有巨大惯性,在分子生物学方面有基础的人依然把精力放在那些工作上。
为什么只说“有一点”?因为同期中国围绕“人工合成生命”做的那些研究,也基本没有应有价值。胰岛素是治疗I型糖尿病的特效药,人们一度设想人工合成胰岛素能创造经济效益[16],但由于人工合成的胰岛素十分昂贵,和从动物中提取的相比,在价格上劣势巨大,实际并无实用价值。至于在“文革”期间开展的那几项后续研究,更是从一开始就知道,它们没有任何应用价值。
与前面两个原因相比,更加重要得多的原因是科学批判活动所造成的排斥力。
科学批判所造成的排斥力
从1949年起,中国就从苏联引进了对自然科学的批判活动,很多经典的科学理论、很多前沿研究、很多科学家都遭到批判。孟德尔(G. J. Mendel,1822-1884)、摩尔根的基因理论(当时称之为“摩尔根遗传学”)被戴上“唯心论”“骗局”“反动的”“落后的”“有害的”之类帽子,被要求“彻底根除”“尽力的去掉”[17]。在基因理论的研究和教学方面有成就的学者大多遭受厄运,其中,李景均被逼出走[18],谈家桢、陈桢等被迫发文公开检讨[19],鲍文奎被全部犁除试验田中的秧苗[20] ,“中国生物学界的老祖宗”胡先骕只因在新著《植物分类学简编》中提及了国际科学界对李森科的批评,就遭到大会批判,其书也被禁毁[21]。臭名昭著的李森科(T.D.Lysenko,1898-1976)的那套伪科学,更是在对基因理论的批判活动中,上了中国的学校教材,在研究和生产中得到大推广。虽然1956年中央宣布实施“双百方针”,还于当年8月召开青岛遗传学座谈会,对遗传学领域的批判活动做过纠偏工作,但其结果也不过是允许少数人研究基因理论而已,学校中所教的,基本还是李森科那一套。1960年,裴新澍、卢惠霖等基因理论的研究或教学者又遭到疾风骤雨般的围攻。甚至直到1970年代,还有一些期刊文章在批判基因理论,称其“仍然是彻头彻尾的十足的预成论的翻版”等[22]。
科学批判使得人们闻“基因”而色变,又有多少人敢提议研究基因的分子载体DNA及相关物质呢?又有哪位党政领导会批准这方面的研究呢?所以,尽管中国科学院(1959年)和复旦大学(1961年)都成立了遗传学研究所,可长期以来,它们并没有开展多少与分子遗传学有关的研究。
科学研究的主导者不是科学家
之所以基本无视国际主流、走自己的独特道路,归根结底是因为当时中国的科研工作的主导者并非科学家。
对于科研工作,科研人员只有建议权,决策权被牢牢掌握在领导干部的手上。在后者看来,科学是一种工具,是为国防军工、经济建设、政治和意识形态服务的,它本身并没有什么价值。而且,他们还在相当长的时间内认为自然科学是有阶级性的,有“唯心”“唯物”之分,而科研则有“跪着”和“独立自主”之别。所以,他们才会批判“为科学而科学”,才会纵容一些人消灭摩尔根遗传学,才会批判“从文献缝里找题目”,才会主张“科学研究必须搞群众运动”。正因为高度专业化的科研工作和其他工作一样,也是由喜欢“多快好省”“抱大西瓜”的外行领导所主导,科研人员才不得不“曲线救国”、“拉大旗作虎皮”,去建议从事能为政治和意识形态服务的“人工合成生命”系列研究。这些项目被批准后,从找哪些单位协作,把什么人结合到项目组中来,用什么方式来做研究,到成功后论文如何署名,如何宣传,选什么人作为代表人物,如何分配荣誉,等等,全都由官员来决定。在官员们在做相关决策时,考虑的主要是政治和意识形态,而非规律和真相。
自由体制和官营体制
就像20世纪二三十年代是量子力学发展的黄金年代一样,20世纪五十至七十年代,也是分子生物学发展的黄金年代。新的问题域和新的范式出现,不同国家不同学科的西方科学家,尤其是年轻学者投入进来,在思想的市场独立自主、自由选择、自由探索、自由争辩,摘取了一个又一个的重大成就,令自己作为科学英杰被永久载入史册。
同时期的中国科学界属于举国体制,“全国一盘棋”。在官员的领导下,科研人员和人民群众“两条腿走路”,批判各种“错误”观念,统一思想,一切行动听指挥,集中力量办大事,盼望抱得惊天动地的“大西瓜”,赶上和超过世界先进水平。
但事与愿违的是,那个时段中国开展的大部分协作攻关项目都是失败的;在达到了预期目标的少量项目,如人工合成胰岛素、胰岛素晶体结构测定、人工合成酵母丙氨酸tRNA项目中[23],中国的科研效率也远远不及国外的竞争者。中国倾全国之力,把很多优秀专家集中到一起,在不计成本的情况,仍然只是基本与西方的一两位并不是特别突出的科学家如卡佐亚尼斯(P. G. Katsoyannis,1924-2019)、查恩(H. Zahn,1916-2004)、大塚荣子等战成平手,而西方特别突出的科学家如霍奇金(D. C .Hodgkin,1910-1994)、科拉纳(H. G. Khorana,1922-2011)、梅里菲尔德(R.B. Merrifleld,1921-2006)等则在同类工作上有远胜中国之处[24]。
对于中国的科研效率过低这一点,虽然基本没有在大众媒体上作过公开报道,不少相关的科研人员和管理者是承认并颇有微词的。而且,这些项目并没有显著的带动效应:重点没能带动一般,任务对学科的带动作用也不够明显。
和同期西方自由研究所获得的巨大成就相比,中国围绕“人工合成生命”而开展的少量工程性官营研究是非常后进的。但不管怎么样,通过这种曲折的途径,即使在“文化大革命”这种极为严酷的时期,中国仍然在分子生物学领域产出了一定的成果。更重要的是,“文革”时期,在大学停止招生、研究生停止培养、别的基础研究项目基本不再进行之后,这些项目几乎成了培养现代生物学人才的唯一手段。一些负责“促生产”的干部本想通过开展这些“无产阶级司令部”下达的任务而在参与造反的青年群众中培养“无产阶级革命事业的接班人”,可各单位的相关青年“革命科技人员”通过“在战争中学习战争”,却最终使自己变成了分子生物学领域的专门人才。有了这批人才积累,再加上部分还没把专业知识全荒废掉的老专家,中国才能迅速跟上国际潮流,于“文革”结束之后数年即在以分子遗传学和基因工程为代表的分子生物学主流研究领域取得成果。而他们的学生辈,尤其是那些有机会到海外去留学和工作的,更是能够融入国际,和国际同行一道成长,在某些领域进入国际先进行列。
结语
1949年之后,中国很重视科学技术,当时先后制订了十二年规划、十年规划,并发动了“向科学进军”、“技术革命”、“技术革新和技术革命”等与科学技术有关的政治运动,期望本国在科学和产业上能够迅速超英赶美胜苏联。如果说略有遗憾,大概是没有机会参加近代以来的几次科学革命、技术革命,以至于教科书上、科学技术史上基本没有记载由近现代的中国人所做出来的成果。
分子生物学的重大突破出现在20世纪50年代初,然后分子生物学迅速成为科学发达国家的研究热点,一个又一个的里程碑式成果出现。谈家桢等中国科学家意识到了这是一个换道超车的好机会。他们还在报刊上发表文章,给国民尤其是领导人普及相关的知识,呼吁国家重视这方面的研究。遗憾的是,这些呼吁没能及时得到响应,后来虽有所响应但也没能落实。中国的相关科研人员难以按照自己的认识和心愿去做最有价值的研究,只好“拉大旗作虎皮”,以显得有些谄媚的态度去争取一点做边缘研究的机会。就分子生物学革命而言,不但早期的重大成就不是中国做出的,而且在人家做出来之后,中国科学界也基本没有跟踪,而是试图闭门造车、另搞一套,以至于革命中期、后期的成果中国也没有份,直到相关的技术应用——基因工程出现后,中国才逐渐向国际主流靠拢,才慢慢跟着国际主流一起进步。
十一届三中全会以来,经过多轮改革,随着经济的发展,中国的科学研究也取得了长足的进步,逐渐从远远跟跑或闭门造车,变成了贴身紧跟,某些领域甚至先行跑到了无人区。在没人可以跟踪的时候,原创能力不足是一个严重的问题。在这个时候,重温错失分子生物学革命的教训是有价值的。亟盼我们能够吸取相关教训,尊重科学家在科研工作中的主体地位,走科学发达国家花数百年摸索出来的正路。
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