最近尝试做了一下彩铅背景的课件,看着还过得去。需要课件的同仁请直接拉到最下面。好,下面我们开始今天的课程:
英国剑桥大学的卡文迪许实验室建于~年间,由当时剑桥大学的一位校长威廉·卡文迪许(亨利·卡文迪许的近亲)私人捐款兴建。这个实验室就取名卡文迪许实验室。光到年为止,这个实验室就已经出了21位诺贝尔奖得主。那个时代,物理学有着绝对的统治地位。其他学科都还没太发展起来,或者说没有像物理学这样成体系。
卡文迪许实验室的威廉·劳伦斯·布拉格和他的父亲合作发展出X射线衍射晶体图学。布拉格认为X射线的波长刚好接近原子之间的距离,应该可以在晶体中呈规律排列的原子之间产生衍射现象,并可以通过衍射图案反推晶体中原子的排列方式。听上去很玄乎,我们来解释一下。
关于衍射,大家可以看下面这张水(波)通过狭缝的图,当缝隙足够大时,你能看到很多不明显的平行波纹,而当缝变小,就可以看到明显的衍射现象,这个时候水看上去就像绕过了这个缝隙继续在前行。光本身也是一种波,它实际是像小波浪一样曲线式前进的(就像:~~~~~~~~~),我们说光沿直线传播,其实是因为光波的波峰和波谷之间的距离相差非常非常小,小到可以忽略不计,可以大致看做沿直线传播。
所以当光穿过大孔径时,能看到一个大光圈(因为此时完全可以认为其沿直线传播),但是如果孔径非常小,小到跟光波的波长差不多,由于它特殊的传播方式,大部分的光被阻挡,但是总有些光能够恰好穿过去(以合适的角度),就会在后面的光屏上产生多个同心环。屏上的亮处就是恰好穿过去的光,暗处就是被阻挡了的光。即发生了衍射现象。
正因为衍射现象需要极小的狭缝,而原子与原子,分子与分子之间的距离正好也非常小,所以我们可以利用衍射现象来推测一些物质的空间构型,尤其是晶体。下面是一个晶体的立体图,和从三个角度进行X射线衍射得到的图像。它们之间有着明显的相似性,所以这种技术也慢慢发展了起来。
不管怎么说,这对父子研发出这种技术,算是相当厉害了,他们于年获得诺贝尔奖。
卡文迪许实验室虽有着无数优秀的物理学家,进行蛋白质结构的研究,但是在第一回合就输给了一位强劲的对手:美国加州理工学院的鲍林。年,鲍林和同事用X射线衍射技术,率先解开了蛋白质的二级结构。
卡文迪许实验室的研究者们也要开始发力了。年1月,伦敦国王学院的威尔金斯和他的学生葛斯林进行了一场与DNA有关的演讲,会上他展示了自己用X射线做出的两张DNA衍射照片。观众中有一位二十出头的生物学家,沃森。(其实这个图我们已经看到了部分DNA的真实结构。)
同年,国王学院来了一位新的女科学家罗萨琳·富兰克林。院长聘请她和格斯林一起研究DNA的结构,为期三年。信中说:“我们实验室目前X射线实验方面的工作,目前就只有你和格斯林做”。才几个月时间,富兰克林就取得了可喜的成绩,她通过威尔金斯做出来的A型和B型DNA衍射照片,发现只要提高空气的湿度,就可以让DNA从A型变为B型,显然DNA很容易吸收水分。所以她认为脱氧核糖核苷酸的亲水磷酸基团应该位于DNA的外侧,其余部分位于内侧。这是解开DNA结构的重要线索。
生物学家沃森与物理学家克里克首次在卡文迪许实验室相遇,两人合力推出了三股螺旋的DNA结构,他们把磷酸排在内侧,含氮碱基排在外侧。当他们邀请威尔金斯和富兰克林前来观看时,被两人评价为“一无是处”,并告知他们含氮碱基应该排列在内侧,磷酸基团在外侧。沃森和克里克默默地记录下了这个关键信息。
年7月的某一天,奥地利生物化学家查加夫来到沃森和克里克的实验室,于是两人又得到了一个关键信息:DNA中碱基会相互配对,而且A与T的数量相等,C与G的数量相等。
这解开了沃森和克里克一直解释不了的疑惑。“A与T的数量相等,C与G的数量相等”不就意味着A应该与T配对、C应该与G配对吗?当他们用废铁片进行构思的时候,突然意识到A、T配后的长度与C、G配对后的长度是相等的,如果DNA是双链的话,就成了一个相当规则,宽度一致的结构了!历史证明他们是对的。当然,还有很多细节需要修正。
年4月25日,英国《自然》杂志同时刊登了三篇论文,一篇是沃森和克里克的、一篇是威尔金斯的、一篇是富兰克林的。同时刊登这三篇论文其实是布拉格和国王学院的两位院长商议决定的,因为沃森和克里克的论文中用到了威尔金斯和富兰克林的论文结论,而那两篇论文还没发表。
年,沃森、克里克、威尔金斯同时获得了诺贝尔生理学或医学奖。可惜富兰克林在四年前因为癌症去世了。DNA的双螺旋结构由此才为世人所知。
长按