艾弗里未获诺贝尔奖的科学史综述

吴志强 周 韦 谢仁荣

（1 安徽省芜湖市教育科学研究所 安徽芜湖 241000 2 安徽省合肥市锦绣中学 安徽合肥 231000 3 福建省石狮市第三中学 福建石狮 362700）

奥斯瓦尔德·艾弗里（Oswald T. Avery）及其同事于1944年报道DNA 是导致肺炎双球菌发生转化现象的化学物质[1]，许多人认为这一发现值得被授予诺贝尔奖。艾弗里最终却与诺贝尔奖擦肩而过，这不得不说是诺贝尔奖历史上的一大憾事。在公开的诺贝尔奖档案中，分析艾弗里每次被提名及其提名者的相关资料，从中可窥探艾弗里与诺贝尔奖无缘的那段科学史。

1 肺炎双球菌转化实验及艾弗里的结论

在对肺炎的诊断和治疗的工作中，艾弗里对肺炎双球菌的易感性和抗性均有极大的兴趣。艾弗里意识到要彻底解决这一问题，需要对肺炎双球菌菌体有更深入的认识，包括菌体的结构、化学成分、生理活性、免疫特征及遗传和变异。正因为对肺炎双球菌系统性的研究，艾弗里及其团队发现了与肺炎双球菌感染现象毫不相干的一个重大的生物学问题，即DNA 是遗传物质。

在对肺炎双球菌荚膜化学成分的研究过程中，艾弗里重新审视了格里菲斯（Fred Griffith）于1928年完成的细菌转化实验[2]。格里菲斯作为英国卫生部药学实验室的研究人员，发现了R 型菌和S 型菌的转化现象。当他将大量无毒的R 型菌和死亡的S 型菌注入小鼠体内后，发现总能从小鼠的血液中分离出具有相同毒性的S 型活菌，其多糖荚膜的免疫性质相同。由于格里菲斯缺乏足够的微生物学和遗传学知识，不能合理地解释这种转化现象。

肺炎双球菌的转化现象引起了艾弗里极大的兴趣，他建议并鼓励年轻的加拿大科学家道森（Michael H. Dawson）找出发生这一转化现象最有可能的条件。在确认格里菲斯实验结论的基础上，麦克劳德（Colin MacLeod）和麦卡蒂（Maclyn McCarty）也开始寻找能发生转化现象的化学物质。麦克劳德的重大贡献是通过改进方法分离出更多的转化物质，有助于后续更加详细地研究。具体做法是用加热法杀死细胞，而并非用常见的脱氧胆酸盐溶解细胞。这一改进方法避免了转化因子与细菌体内的酶的接触，进而获得更多有活性、更稳定的制备物。当麦克劳德离开洛克菲勒研究院在纽约大学任职后，麦卡蒂这位有着丰富微生物学知识的年轻科学家继续相关的工作，对转化因子进行了化学定性分析。通过与罗森（Alexandre Rothen）的合作，他们发现离心后转化因子的分子量在50 万～100 万Da 之间。对该不明物质的定性分析，尤其是磷氮比，得知除DNA 外的其他已知物质均不符合。麦卡蒂也对转化因子进行了酶解处理，并分析了处理后的样本活性，发现除DNA 酶外，其余样本均具有活性。

2 艾弗里早期研究对抗菌免疫现象作出错误结论

尽管对实验结果的分析合乎情理，但艾弗里在早期曾对抗菌免疫现象作出错误结论，影响人们对此次实验结论的认可。1916年，艾弗里发现治愈者的血清并不能杀死肺炎双球菌，但能抑制其在培养基中的增殖，因此，艾弗里和多切兹（Alphonse R. Dochez）在《实验医学杂志》发表的论文中认为抗菌免疫是由于感染者血清中的物质抑制了肺炎双球菌相关酶的活性[3]。1917年，艾弗里和多切兹发表第2 篇论文，通过简单的化学分析，2 位作者认为该物质是一种天然蛋白质或是与蛋白质相关的物质。宣称利用酒精和丙酮对尿液反复沉淀，可获得类似血清活性的物质[4]。布莱克（Francis Blake）于1917年发表的论文中，完全否定艾弗里的抗菌免疫观点。虽然布莱克证实艾弗里实验结果的真实性，但他认为这只是菌体聚集的结果并不涉及酶活性的抑制。随后，巴伯（Barber）和科尔（Cole）也表示对抗菌免疫现象的质疑。

1926年艾弗里和海德尔伯格（Heidelberger）证明此前结论可能存在问题，但他们并未发表一篇关于抗菌抑制的文章以反对上述质疑，也未在刊物上公开发表更正说明以撤回其错误结论。艾弗里作为一位众所皆知的细心的实验科学家，即使存在不利的实验证据，也仍然坚持其观点。在此后的25年里，他不断提及此问题。与抗菌免疫的文章相似，艾弗里关于DNA 的文章将彻底扭转人们对于遗传物质化学本质的思考。然而，艾弗里在科研生涯早期的2 篇错误文章的负面作用在此时显现，人们质疑该文章的科学性，如同质疑他以往的文章一样。这可能是当他发现DNA 是肺炎双球菌转化因子时不被大家广泛接受的一个原因。

3 艾弗里获30 次诺贝尔奖提名

艾弗里的诺奖提名有30 次之多，均是仅涉及肺炎双球菌的多糖荚膜及其抗原性的研究。艾弗里曾发表40 多篇以该问题为主旨的文章，推翻了抗原只能是蛋白质的论断，该观点很快被证实是完全正确的。但仍有一部分科学家认为，荚膜的抗原性是由于在提纯过程中混有蛋白质。随着研究的深入，艾弗里有力地回击了这一质疑。1946年，艾弗里因发现由DNA 导致的肺炎双球菌转化现象获得诺贝尔奖的提名，但哈马斯腾（Einar Hammarsten）根据他本人的实验结果，认为无法得到无蛋白质的天然DNA，强烈质疑这一实验结果。艾弗里的转化实验获得提名后，有2 个术语用于描述这一现象。其一是演化（transmutation），源自拉马克和达尔文对物种进化的描述，另一个则是现在普遍采用的转化（transformation）。现代遗传学中的转化是指细胞获得外源DNA 后导致遗传组成发生永久性改变的过程。这一术语的变化或多或少反映了艾弗里及其同事对于肺炎双球菌类型转变实质的一些疑惑。

在前4 次诺奖提名中，并未提及该现象的化学本质为何，且同时引用了多糖荚膜的相关工作成果。后10 次中仅有5 次提及DNA 或核苷酸才是遗传物质的化学基础。至于转化现象诺贝尔奖的提名中不涉及DNA 的原因，与当时几位生物化学权威密切相关。诺斯罗普（John H. Northrop）、斯坦利（Wendell M. Stanley）和萨姆纳共同获得1946年的诺贝尔化学奖。诺斯罗普和斯坦利曾在洛克菲勒研究院的普林斯顿分院共同工作过，曾于1943年拜访艾弗里。当时艾弗里详细回顾了多年以来积累的关于肺炎双球菌转化实验的数据结果，但这2 位经验丰富的生物化学家却丝毫未提出对于后续实验的相关建议。11年后，诺斯罗普提名艾弗里的肺炎双球菌转化实验时仍未直接提及DNA。至于制备出结晶体病毒蛋白的斯坦利，对病毒蛋白酶的转化活性研究，类比得出转化现象也应该与蛋白质有关，忽视了艾弗里的研究成果而从未提名过艾弗里。其他提名艾弗里的科学家包括当时顶级的研究核酸的化学家查哥夫（Erwin Chargaff）。他认为艾弗里于1944年发表的那篇论文对他产生了“决定性的影响”，让其将大部分精力都投入到研究核酸的过程中。但查哥夫在对艾弗里的诺贝尔奖提名中并未提及核苷酸或DNA，而仅提到“这是有关引起肺炎球菌类型转化物质的化学性质的工作”，同样的表述也出现在诺斯罗普的提名中。

4 没有遗传学家为艾弗里提名

1946年，英国皇家科学院授予艾弗里科普利奖章，认为肺炎双球菌的转化实验中，这种遗传的变化是由被称为“基因”的物质诱导产生的，而这种物质应该是脱氧核糖核酸。不久，就有数名化学家和生物学家对该观点作出回应。例如，霍齐斯基（Rollin Hotchkiss）开始对不同来源的DNA 的结构进行比较，米尔斯基也于1947年承认艾弗里的发现让化学家不得不认真思考核酸结构具有一致性假说的正确性，因为当前的实验证据表明核酸不可能是不变的。

尽管这是对核酸化学性质的初步探索，但DNA是遗传物质的观点并未让艾弗里获得当时几位杰出生物化学家的全力支持。在艾弗里发表文章后的一年内，包括哈钦森（George E. Hutchinson）、马沙克（Alfred Marshak）、沃克尔（A. C.Walker）和塞尔沃赖特（Sewall Wright）都曾提出DNA 可能是作为染色体的碎片以行使遗传功能。发现了乳糖操纵子模型而获得诺贝尔奖的科学家比德尔（George W. Beadle）在一次演讲中特别提及，肺炎双球菌的转化实验对于多聚核苷酸的研究，可能是人类首次发现突变基因发挥作用的途径。但这些评价并未出现在他们给艾弗里的诺贝尔奖的提名中。

当时的遗传学家面临的一个重要的问题是DNA 如何执行其功能？从1927年缪勒（Hermann J. Muller）发现将果蝇暴露在X 射线下可诱导产生各种不定向的随机突变后，遗传学家注意到DNA可让肺炎双球菌产生的这种定向突变，他们推测DNA 可能是一种能使肺炎双球菌发生定向突变的化学试剂。虽然DNA 作为突变剂对遗传学家而言同样具有重要作用，但这一意义远不及其作为遗传物质的化学成分。

艾弗里及其同事的工作促使沃森（James D.Watson）进行DNA 相关的研究工作。并且其导师卢利亚（Salvador Luria）早已认识到，艾弗里的实验结果表明DNA 很可能就是真正的遗传物质。当沃森在英国遇到持有同样观点的克里克（Francis Crick），2 人联手阐明了DNA 的双螺旋结构及其可能的复制方式。令人可惜的是，艾弗里与遗传学同行的交流屈指可数，以至于像是被他们遗忘一般，最后导致没有遗传学家为艾弗里提名诺贝尔奖。这恐怕也是艾弗里与噬菌体小组之间重要的不同。虽然了解艾弗里的工作和支持其观点的科学家越来越多，但缪勒、比德尔、利沃夫、卢利亚、沃森、克里克、赫尔希和蔡斯均未提名艾弗里获诺贝尔奖。

5 艾弗里未获诺贝尔奖的原因

这与当时著名的生化学家米尔斯基（Alfred E. Mirsky）反对艾弗里的观点有关。米尔斯基研究的内容注重蛋白质与核酸的结合，即在细胞中发现的核蛋白。其实验结果显示，即使从细胞中分离出的DNA 仍然紧密地结合有部分蛋白质，而想要将这二者彻底分离，在当时是一个严峻的技术难题。因此，米尔斯基质疑艾弗里制备的DNA样品中掺杂了少量的蛋白质，而按照当时的观点，由20 种氨基酸构成的蛋白质的多样性比由核苷酸构成的核酸能更好地体现遗传物质的特点。

当时诺贝尔奖评选委员会的成员是从卡罗林斯卡医学院选出的3 位资深教授。资历不凡的哈马斯腾教授于1946—1955年一直作为委员会的成员。哈马斯腾对于获奖者的选择有极大影响力，只要他愿意，完全可让艾弗里荣誉加身。但哈马斯腾犹豫的原因是受到卡佩森（Torbjorn Caspersson）的代谢模型的影响，在这一模型中，核酸的角色远不如蛋白质重要。1952年，卡佩森的同事马尔姆格伦（Berndt Malmgren）教授为委员会提供了艾弗里转化实验工作的第1 份详细评估报告，同时还讨论了霍奇基斯支持艾弗里实验的相关工作，并认为目前蛋白质参与转化现象的可能性不大。然而，他认为DNA 作为转化因子的最终证据仍不充分，目前不值得荣获诺贝尔奖[5]。

直至1954年后赫尔希和蔡斯的实验结论及沃森和克里克的双螺旋模型发表之后，艾弗里的工作再次受到关注。哈马斯腾给委员会做了第3次关于艾弗里工作评估报告，在这份简短的报告中承认DNA 而非蛋白质是遗传物质。但转化的机制尚不清楚，因此不值得获得诺贝尔奖。这一理由的确强人所难，因为转化的机制在多年后发现。而第2年，艾弗里先生就已去世。

此外，艾弗里个人古怪的性格也是其未获得诺贝尔奖的原因之一。他作为科学家却极少参加相关的科学会议，即使会议地点就在美国也不例外。1933年，他拒绝前往德国领取保罗·埃尔利希奖，1945年，拒绝去英国领取科普利奖，以及1950年拒领瑞典颁发的巴斯德奖。拒绝的理由是没有时间、身体抱恙及经费紧张等。而事实上，艾弗里更愿意在实验室工作或与家人度假。因此，不难想象，若获奖艾弗里是否会拒绝前往斯德哥尔摩领奖。如果这一情况发生，恐怕会使诺贝尔奖评选委员感到极其尴尬。

6 艾弗里超前的结论转变成既定的事实

1948年，法国巴黎举行了一次国际性会议，退休的艾弗里再次提及肺炎双球菌的转化问题，利沃夫（André Lwoff）提出其观点，肺炎双球菌中含有2 种核酸，这就如同等位基因，而转化的实质有可能就是它们轻微改变后的结果。利沃夫的观点是有预见性的，但其他遗传学家仍困扰于其他生物的相关研究资料的不足，使他们无法将DNA 及其遗传功能相联系。因为在其他生物材料中并未再现艾弗里的实验结果。当时推测的原因既可能是由于技术原因只能在细菌中实现，又可能是由于细菌某种特殊的代谢途径使其成为特例，而并不具有普遍的遗传原理。

但艾弗里的实验结果很快在其他研究中得到证实。博依文（Andre Boivin）利用DNA 成功诱导埃希氏杆菌发生变化，霍奇斯基发现DNA 可让肺炎双球菌的青霉素抗性发生转移，亚历山大（Hattie Alexander）和 利 迪（Grace Leidy）证 实 了DNA 导致流感嗜血杆菌抗原性质的改变。但这些实验面临与艾弗里的实验相同的问题，因为采用的都是细菌，无法排除DNA 作为突变剂的可能性，因为这一结果可能仅适用于某些细菌，而无法在高等生物中重现。

在意识到DNA 在肺炎双球菌转化现象中可能具有的重要作用后，赫尔希（Alfred Hershey）和蔡斯（Margaret Chase）设计了一个精妙的实验，证明了当噬菌体侵染细菌时其DNA 进入了细胞内并导致产生了新的子代病毒，而与此同时，蛋白质的外壳却仍留在细胞外。这一实验结果显然是赫尔希未曾预料到的，因为噬菌体小组也倾向于蛋白质是遗传物质这一观点。但这个新颖的实验排除了DNA 作为诱变剂的可能性，因为产生新的子代病毒意味着噬菌体的DNA 上具有多个相应性状的基因[6]。

1977年，原噬菌体小组成员之一的斯滕特（Gunther S. Stent）在《科学美国人》上发表题为《科学发现的超前性和独立见解》一文，提到艾弗里的DNA 研究工作对遗传学有重要意义。他指出其工作迟迟不受认可的原因，不是因为这一结果无人所知和饱受怀疑，而是结果的超前性，当时的遗传学家并不能在此基础上进一步做些什么。因此，当赫尔希和蔡斯得出与艾弗里一致的结论后，这一超前的思想终于转变成既定的事实。

7 结语

回溯艾弗里未获诺贝尔奖的科学史，清楚地表明一项科学发现所处的时代背景的重要性。在艾弗里的工作被忽视和贬低的10年间，另一项有所缺陷的发现——脑白质切开手术却受到了过度重视。一个没有临床精神病学的经验，对精神病学毫无兴趣的医生莫尼兹（António Egas Moniz），却设计了一种称为前额叶白质切开术的手术，也称前额叶切除术，用于治疗癫痫[7]。这项之后被禁止的手术却让莫尼兹于1949年被授予诺贝尔生理学或医学奖，而艾弗里的杰出工作却被置于一旁。

1947年，艾弗里获得有诺贝尔奖风向标之称的拉斯克奖，彼时评委会作出的评价是“以非凡的毅力、非凡的洞察力和非凡的观察准确性，奥斯瓦尔德·艾弗里将其科学生涯的大部分时间都奉献给了肺炎双球菌的研究”，获奖理由是“通过对细菌化学组成的研究，作出了卓越的贡献”。不得不说，艾弗里是未获得诺贝尔奖的科学家中最值得人们钦佩的科学家之一。