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法蘭西斯·克立克

英國分子生物學家、生物物理學家、神經科學家，脫氧核糖核酸結構的共同發現者

法蘭西斯·哈利·康普頓·克立克 OM FRS（英語：Francis Harry Compton Crick，1916年6月8日—2004年7月28日），英國生物學家、物理學家及神經科學家。他最重要的成就是1953年在劍橋大學卡文迪許實驗室與占士·華生共同發現了去氧核糖核酸（DNA）的雙螺旋結構，二人也因此與莫里斯·威爾金斯共同獲得了1962年諾貝爾生理及醫學獎，獲獎原因是「發現核酸的分子結構及其對生物中資訊傳遞的重要性」[1] 。克立克在2004年因大腸癌病逝於美國加州。他的同事克里斯托夫·科赫曾感嘆道：「他臨死前還在修改一篇論文；他至死仍是一名科學家」[2]。

法蘭西斯·克立克1962年諾貝爾生理學或醫學獎得主
Francis Crick
法蘭西斯·克立克
出生(1916-06-08)1916年6月8日
 英國北安普敦郡韋斯頓法弗爾（英語：Weston Favell）
逝世2004年7月28日(2004歲—07—28)（88歲）
 美國加利福尼亞州聖地牙哥
居住地 英國
國籍 英國
母校倫敦大學學院
劍橋大學
米爾·希爾學校（英語：Mill Hill School）
知名於DNA結構、意識
獎項諾貝爾生理學或醫學獎（1962年）
科學生涯
研究領域分子生物學
機構索爾克生物研究所
博士導師馬克斯·佩魯茨
簽名

生平

早期

 
卡文迪許實驗室入口

法蘭西斯·哈利·康普頓·克立克是哈利·克立克（Harry Crick、1887年至1948年）和安妮·伊麗莎白·克立克（Annie Elizabeth Crick、1879年至1955年）夫婦的第一個兒子。他在北安普頓附近的Weston Favell出生及成長，當時克立克的父親和叔叔在此經營鞋廠。他的祖父沃爾特·德布烈治·克立克（Walter Drawbridge Crick、1857年至1903年）是一位業餘博物學家，曾撰寫一份有孔蟲（單細胞原生生物）報告，並與查理斯·達爾文互相討論[3] 。

法蘭西斯·克立克在幼年時被科學所吸引。他在大約12歲時因為喜歡科學研究勝過宗教信仰[4]，所以他不想再進入教堂。他曾就讀於北安普頓文法學校（Northampton Grammar School），14歲後則於倫敦米爾·希爾學校（英語：Mill Hill School）學習數學、物理與化學。他在1933年7月7日獲得沃爾特·諾克斯化學獎。

克立克於21歲時獲得了倫敦大學學院物理學士學位[5]。克立克後來未能進入劍橋大學學習，可能是因為他們認為他的拉丁文水準不足。克立克後來成為劍橋大學岡維爾與凱斯學院博士研究生和榮譽院士，主要於卡文迪什實驗室、醫學研究理事會（MRC）劍橋分子生物學實驗室工作。他也是劍橋大學丘吉爾學院及倫敦大學學院的榮譽院士。

克立克在倫敦大學學院的博士研究項目是測量水在高溫下的粘度（他描述為「最乏味的問題」 ），指導教授為愛德華·安德拉德。第二次世界大戰爆發（特別是在不列顛戰役中）後，他的實驗設施遭到炸彈摧毀[6] 。

他於第二次世界大戰期間曾在金鐘研究實驗室進行研究。當時許多著名的科學家都在這裏工作，包括大衛·貝滋（David Bates）、羅拔·博伊德（ Robert Boyd）、佐治·迪肯（George Deacon）、約翰·岡恩（John Gunn）等人，他​​的工作也包含磁學和聲學水雷研究，並設計新的水雷來有效地打擊德國掃雷艦[7]。

第二次世界大戰之後

1947年，克立克開始學習生物，成為一位將研究重心從物理轉移到生物研究的科學家。這種轉變可能是受到物理學家的影響，例如約翰·蘭德爾，他發明雷達持續發展來贏得戰爭。克立克認為學習物理的經驗教導他重要的觀念，因為物理學已經獲得了巨大的成就，其他的科學應該也有可能得到很大的進展，例如生物學。克立克認為這種態度鼓勵他要比典型的生物學家更加大膽，傾向於關注艱鉅的生物學問題，而不是物理過去的成功經驗。

克立克與醫學研究理事會合作，同時在劍橋Strangeways實驗室工作，進行細胞質物理特性研究。他後來加入卡文迪什實驗室，與馬克斯·佩魯茨、約翰·肯德魯一起研究。當時威廉·羅倫士·布拉格領導卡文迪什實驗室，他曾於1915年以25歲之齡獲得諾貝爾物理學獎。布拉格卡文迪什實驗室領導擊敗美國化學家萊納斯·鮑林，首先發現DNA結構。卡文迪什實驗室同時與倫敦大學國王學院競爭，當時約翰·蘭德爾領導倫敦大學國王學院生物物理學系。蘭德爾拒絕法蘭西斯·克立克在國王學院工作。法蘭西斯·克立克和國王學院的威爾金斯成為朋友，影響到後來的科學活動，就像克立克和占士·華生之間的親密友誼一樣。

1977年，克立克離開劍橋，到美國大學任教。

1976年，加入沙克研究所，研究重心由分子生物學，轉向人類神經科學與大腦意識的研究。

去世

克立克於2004年7月28日在聖地牙哥加利福尼亞大學桑頓醫院拉霍亞大學因大腸癌而去世，他的骨灰最後撒向太平洋。索爾克研究所在2004年9月27日於加利福尼亞州聖地牙哥舉行公眾悼念儀式，演講嘉賓包括占士·華生、西德尼·布倫納、艾力克斯·瑞奇（Alexander Rich）、他的兒子麥克·克立克（Michael Crick）及小女兒積琪蓮·尼科爾斯（Jacqueline Nichols）等人[8]。私人悼念會2004年8月3日於舉行。

生物研究

 
占士·華生與法蘭西斯·克立克共同提出DNA雙螺旋形結構

克立克對生物學中的兩個問題很感興趣：一，分子如何從無生命的物質變成生物；二，大腦如何產生思想。他後來意識到他所受到的教育很適合成為一名生物物理學家。當時，克立克受到了很多來自一些著名物理學家，例如鮑林和薛定諤等人的影響[9] 。理論上，共價鍵可以將生物分子連接起來，成為基因的基礎。但是實際上，生物學家們仍然需要知道到底是哪個分子使得整個結構具有生命。對於克立克來說，只要將達爾文從自然選擇所創造出的演化論及孟德爾在基因方面所進行的研究一起匯集起來，就能獲得生命的秘密[10]。不過當他意識到自然地形成生命有多麼困難時，他說：「一個誠實的人，不管知道多少，也只能說生命的起源幾乎是一個奇蹟，因為有多少條件需要具備啊！」總之他稱自己為「強烈傾向於無神論的懷疑論者」[11]。

當時許多生物學家已經意識到，像蛋白質這樣的高分子很有可能是基因的基礎物質[12] 。但是，蛋白質只是結構性和功能性的高分子，並且很多又是酶。1940年代中，生物學家們已經開始發現另一種高分子：去氧核糖核酸，這是染色體另一個重要的結構，有可能是基因的根源。奧斯瓦爾德·埃弗里及他的同事發現，細菌可以替基因添加DNA分子而造成基因表現型的不同[13]。可是也有證據說明DNA和生物學家的目標無關；DNA可能只是給更重要的蛋白質分子提供基本的框架而已。正在這時，克立克在1949年參加了劍橋大學馬克斯·佩魯茨的研究小組，開始利用X射線來研究蛋白質結晶[14]。此種研究，在理論上，提供了科學家很好的機會來徹底明白大型分子的結構，可是實際上又有太多的技術問題，使得利用X射線在當時並不適合研究分子結晶[14]。

X射線結晶學

克立克自己學習了X射線結晶學的數學理論基礎[15]。在這段時間內，劍橋大學的研究員正在嘗試着確認蛋白質的最穩定的螺旋鏈模型—α螺旋。鮑林是第一個發現α螺旋中氨基酸：旋轉=3.6的比例的科學家[16]。克立克自己目睹了他同事在研究α螺旋中所犯的錯誤，並在研究DNA的結構中成功地避免了類似的情景。

雙螺旋結構

 
DNA磷酸骨架的圖示。華生和克立克首先製作了螺旋模型，其中磷酸骨架位於螺旋的中心。

1951年，克立克與威廉士·科克倫（William Cochran）及泛德（Vladimir Vand）一起推出了螺旋形分子的X射線繞射的數學理論[17]。從這個數學理論得出的結果和認為含有α螺旋的蛋白質的X射線實驗結果正好吻合[18]。此結果在1952年的一期自然雜誌裡出版。螺旋體繞射理論對研究DNA的結構很有幫助。

從1951年底開始，克立克開始與華生一起在英國劍橋大學的卡文迪許實驗室裡工作。他們利用倫敦國王學院的科學家莫里斯·威爾金斯、雷蒙德·葛斯林及富蘭克林等人的X射線繞射的實驗結果，一起提出了DNA的螺旋形結構模型，並在1953年發表研究結果[19]。

 
克立克與華生發現的DNA結構

當華生來到劍橋時，35歲的克立克僅是一名研究生，而23歲的華生已經有了博士學位，可他們都對分子結構如何儲存遺傳資訊的這個問題很感興趣。他們不斷地討論着，認為他們有可能能猜到一個好的、可以解釋這個問題的分子結構。1951年11月，威爾金斯與他的學生雷蒙德·葛斯林（Raymond Gosling）來到了劍橋大學，並且提供華生和克立克一項非常重要的實驗結果，那就是威爾金斯和他的同事亞歷山大·斯托克斯（Alexander Stokes），最近從DNA的X射線繞射的實驗結果意識到DNA的結構必定是螺旋形的。他們的實驗結果和富蘭克林後來的一堂課鼓勵華生和克立克繼續研究螺旋形的分子結構，但是因為他們（特別是華生）認為鮑林有可能會搶在他們前面發表研究結果[20]，所以在匆忙中發佈一個錯誤的模型。他們的積極性受到了一定的打擊；幾個月來，他們並沒有在這方面做太多的研究。就在這時，富蘭克林發現並指出了他們的錯誤－DNA裡親水的磷酸鹽應該位在螺旋表面，而疏水的鹼性部分應該位在螺旋內部；而在他們的模型中，磷酸鹽位在螺旋的內部，顯然是不正確的。

克立克向威爾金斯描述了他們原本模型的錯誤，並請他與富蘭克林繼續幫助華生和克立克研究DNA的分子結構。威爾金斯向他們提供了最新的、還沒有發表的X射線繞射圖像；富蘭克林也在1952年向他們提供了她對這些圖像所做的分析（這些分析後被包括在她交給倫敦國王大學的蘭德爾的一份實驗報告裡)。這份資訊進一步地鞏固了他們對雙螺旋、反平行的分子模型的信心。

克立克在1952年初曾經讓格里菲斯試着利用基本化學原理和量子力學計算一下不同的核苷酸之間的吸引力。格里菲斯的結果顯示鳥嘌呤（G）與胞嘧啶（C）互相吸引，而腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）同樣也是同一對。此時克立克並沒有意識到此結果的重要性。1952年底，查戈夫來到英國與華生和克立克見面，並告知他們他的新發現，也就是查戈夫法則（也稱鹼基當量規則）[21]。這條法則內含兩個比例：鳥嘌呤（G）與胞嘧啶（C）的比例為1：1，腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）的比例也為1：1，與格里菲斯的計算結果相同。華生後來突然意識到，A:T這一對和C:G這一對的結構很相似，它們都一樣長，且每一對裡的兩個分子都是由氫鍵連起來的。華生及克立克在綜合查戈夫等人的發現後完成DNA分子結構的研究。

華生及克立克在1953年4月25日首次在《自然雜誌》公佈研究結果。，卡文迪許實驗室主任羅倫士·布拉格爵士1953年5月14日於倫敦蓋茨醫學院進行演講，里奇·考爾德在1953年5月15日於《倫敦新聞紀事報》發表一篇文章，描述該場演講內容。《紐約時報》於隔天進行報導，探討克立克的生平，文章標題為「華生及DNA：創造一次科學革命」。劍橋大學在校生報紙《Varsity》也於1953年5月30日星期六發佈短篇文章。1962年，華生、克立克及威爾金斯因為DNA研究被授予諾貝爾醫學獎[22]。

分子生物學

 
膠原蛋白三螺旋形結構

1954年，37歲的克立克完成博士論文：「X-射線晶體學：肽及蛋白質」，並獲得博士學位。克立克然後在紐約科技大學的實驗室工作，他在那裏繼續進行蛋白質X射線晶體學的分析研究，主要目標是核糖核酸酶與蛋白質生物合成機制。

克立克在發現DNA雙螺旋結構模型後，他將焦點迅速轉向生物學結構所具有的意義。1953年，華生和克立克於《自然雜誌》發表另一篇文章：「它似乎可能是攜帶遺傳資訊代碼的基礎程序」[23]。

1956年，克立克與華生推測出小病毒的內部結構，認為球形病毒是由60個相同亞基所組成，例如番茄叢生矮化病毒[24]。

他在紐約短暫工作後，克立克又回到劍橋大學，直到1976年為止。克立克在這段期間搬到加州定居。克立克與亞歷山大合作，使用X射線繞射來進行研究，例如膠原蛋白結構[25]。

俄羅斯科學家佐治·伽莫夫組織一群科學家，針對RNA進行研究。克立克清楚的意識到，必須有一個短序列的核苷酸代碼來指定一個特定的氨基酸在新蛋白質中形成。1956年，克立克為伽莫夫的RNA研究小組撰寫一篇有關的遺傳密碼問題的論文[26]。克立克在這篇文章中，提出蛋白質是由大約20個氨基酸所合成的證據。

在1950年代中期至後期之間，克立克持續研究蛋白質的合成。到了1958年，克立克已經可以列出所有的蛋白質合成過程中的關鍵程序[27]。

佛朗西斯·克立克於1957年9月的一個實驗生物學研討會上，提出分子生物學中心法則（Central Dogma）。實際上，於1956年10月，他寫了一篇題為「關於蛋白質合成的想法」的筆記，共有2頁。該文件的第二句話是「中心法則：」一旦資訊進入蛋白質，它就不能再出現了。這裏的資訊，是指氨基酸殘基，或與其相關的其他序列的序列。」這個說法在1957年9月的講座中反覆提到了好幾次，並且也出現1957年10月他發在美國《Scientific America》關於核酸的文章中。並於1970年在《自然雜誌》中重申： 分子生物學的中心法則旨在詳細說明連串資訊的逐字傳送，它指出遺傳資訊不能由蛋白質轉移到蛋白質或核酸之中[28]。

DNA → RNA → 蛋白質

對於克立克來說，清楚地存在四種資訊傳遞：DNA→DNA（DNA複製），DNA→RNA（蛋白質合成的第一步），RNA→蛋白質（蛋白質合成的第二步）和RNA→RNA它們自己。有兩個步驟 （圖中的虛線） 沒有證據，但克立克認為是可能的：DNA→蛋白質（這意味着RNA不參與蛋白質合成）和RNA→DNA（結構上可能的，但是當時沒有發現相關的生物功能）。

由於缺乏證據和缺乏生物化學機制，克立克認為是不可能的三個資訊流動同樣令人震驚。這些是蛋白質→蛋白質，蛋白質→RNA，最重要的是蛋白質→DNA。這就是克立克的意思，當他說，一旦資訊從DNA進入蛋白質，它就無法從蛋白質中脫離出來並回到遺傳密碼中。這就是著名的中心法則。

爭議

生物學家蘭茜·霍普金斯表示，1960年代時她還是大學生時，法蘭西斯·克立克曾經到她的實驗室，將手放在她的胸部[29]。她說：「在我可以抬起手和他握手之前，他已經穿過房間站在我後面，將手放到我胸部問說：『妳在做什麼研究呢？』」 [30]。

私生活

法蘭西斯·克立克一生曾結過2次婚，育有3個子女，共有6個孫子[31][32]。

逸事

1953年3月19日，法蘭西斯·克立克發現DNA雙螺旋結構時，寫了一封七頁的信給其子麥可。

2013年，他的家人，將此封家書交由紐約佳士得拍賣會，包括佣金在內，以六百多萬美金（約台幣一億八千萬，人民幣三千七百萬）的價格賣出，成為有史以來拍賣價格最高的書信。部份所得捐助索爾克生物研究所。

參考文獻

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相關書籍

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  • Bill Bryson; A Short History of Nearly Everything (Broadway Books, 2003) ISBN 978-0-7679-0817-7.
  • Soraya De Chadarevian; Designs For Life: Molecular Biology After World War II, CUP 2002, 444 pp; ISBN 978-0-521-57078-7.
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  • Edwin Chargaff; Heraclitean Fire, Rockefeller Press, 1978.
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  • Edward Edelson, "Francis Crick And James Watson: And the Building Blocks of Life"' Oxford University Press, 2000, ISBN 978-0-19-513971-6.
  • John Finch; 'A Nobel Fellow On Every Floor', Medical Research Council 2008, 381 pp, ISBN 978-1-84046-940-0.
  • Hager, Thomas; "Force of Nature: The Life of Linus Pauling", Simon & Schuster 1995; ISBN 978-0-684-80909-0
  • Graeme Hunter; Light Is A Messenger, the life and science of William Lawrence Bragg (Oxford University Press, 2004) ISBN 978-0-19-852921-7.
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  • James D. Watson; The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA, Atheneum, 1980, ISBN 978-0-689-70602-8 (first published in 1968) is a very readable firsthand account of the research by Crick and Watson. The book also formed the basis of the award winning television dramatization Life Story by BBC Horizon (also broadcast as Race for the Double Helix).
  • James D. Watson; The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA; The Norton Critical Edition, which was published in 1980, edited by Gunther S. Stent: ISBN 978-0-393-01245-3.
  • James D. Watson; "Avoid boring people and other lessons from a life in science" New York: Random House. ISBN 978-0-375-41284-4, 366pp.
  • Maurice Wilkins; The Third Man of the Double Helix: The Autobiography of Maurice Wilkins ISBN 978-0-19-860665-9.


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