1、DNA 双螺旋结构的发现过程 DNA 双螺旋结构的发现过程：科学技术的发展在增进人类认知与智慧的同时，也极大地改变了我们的生活，推动着社会的 进步。自 1901 年以来，一年一度颁发的诺贝尔科学奖广受瞩目，它们授予的自然科学之重大 发现和科学方法之重大 发明，当属最高 层次的创造性智慧，其获奖者亦堪称人中翘楚、科学精英。从本期开始， “探索发现”栏目将陆续登载诺贝尔科学奖得主的人生故事，敬请读者朋友垂注。距今整整 63 年前的那个春天，詹姆斯沃森和弗朗西斯 克里克这两个初出茅庐的年轻科学家构建出 DNA 结构模型， 轰动世界。这是 20 世纪下半叶最重要的科学发现，也是生物学自达尔文提出物种起
2、源理论以来最重要的进展。 围绕这一事件，有许许多多让人意想不到的曲曲折折，也有颇多耐人寻味之 处。“突破”前夜的困惑当第二次世界大战临近结束的时候，一门把生物学、化学和物理学融合在一起，从分子水平上研究生命现象物质基础的学科分子生物学， 渐渐地有了一个 雏形。1944 年，奥地利物理学家埃尔温薛定谔在生命是什么 ?活细胞的物理学观一书中，非常清楚地表达了一个信念：生命的基本特征就是能够储存和传递信息，亦即遗传密码能够代代相传。基因是活细胞的关 键组成部分，要懂得什么是生命，就必 须知道基因是如何发挥作用的。生物学家将“承载遗传信息的最小单位”称为“ 基因”，可当时没人知道基因到底什么样，它“寄
3、存”在哪里? 当时，细胞核中的染色体已被证实在遗传过程中起到关键作用，它主要由脱氧核糖核酸(DNA)和蛋白质组成，而染色体中蛋白 质要比 DNA 多一些。此外，已通过细菌转化实验证实：远不如蛋白质来得复杂的 DNA，实际上竟然是细胞中的一种遗传物质，它在决定遗传 性状上扮演着主要角色。 进 一步的研究表明：所有的生物都包含 DNA 分子，即储存制造蛋白 质的遗传指令分子。这意味着，要解开基因本质之谜基因是由什么组成的?它们怎样精确地复制?又如何控制(至少是影响)蛋白质的合成?就必须对 DNA 的化学及物理构造有更多的了解。两个天才的相遇1950 年秋，22 岁的“ 神童”詹姆斯沃森从美国印第安
4、纳大学取得遗传学博士学位后，拿到一笔研究奖学金，去往哥本哈根大学，从事生物化学方面的研究工作。1951 年春，他受邀到意大利那不勒斯参加一个有关生物大分子结构的学术会议。在这次会议上， 伦敦国王学院的物理学家莫里斯威尔金斯展示了 DNA 的 X 射线衍射图片。沃森看后深受启发，意识到：假使基因能像一般化学物质一样被结晶出来，那就一定可以用通常的化学、物理方法测定其结构。那一瞬间，沃森突然对化学产生了很大的兴趣，并且萌生了与威尔金斯进行合作研究的念头。几个月后，沃森设法变更了自己的学习计划，来到英国剑桥大学卡文迪什实验室，并在那里遇到了刚从物理学领域转型、 虽起步较晚但一心想在交叉学科上有所作
5、为的生物学研究生弗朗西斯克里克。这两个知识背景不同、相差 12 岁的年轻人一见如故，发现彼此的兴趣、思维方式和行为做派都惊人的相似。他们很快就擦出了智慧的火花，决 计携手合作，以建模方式确定 DNAComment CS1: 专才合作的沟通问题（仅是例子）：莫里斯威尔金斯是分子生物学家，罗萨琳富兰克林是物理化学家结构。起初，这两个名不见经传、 专业基础也不甚牢靠的“闯关者”，对于能否斩获成功并没有什么把握。不过，他们愿意“赌”一把，拼一拼。不错，像许多科学发现一样， DNA结构的发现也有多种可能的途径。即便有些科学家有着相同的想法，但他们解决问题 的办法却可能各不相同，不同的方法决定了谁将最先实
6、现目标;而且，往往是谁先发表了论文，谁才能最终赢取发明、发现权。一对冤家的纠结这一时期，就在同一个伦敦城里，沃森与克里克最大的 竞争对手、同处伦敦国王学院同一个研究小组的威尔金斯与罗沙琳德富兰克林，也在紧锣密鼓地寻思、鼓捣 DNA结构，而且他们手中握有与之密切相关的独门“利器”X 射线衍射装置。但是，与沃森与克里克这对心灵相通的“ 黄金搭档”形成极大反差的是，威尔金斯与富兰克林之间的关系势同水火，几乎到了不理不睬、恶语相向的地步。DNA对富兰克林而言，只是一种实验材料。 1952年前后，她已通过实验证明，DNA 根据水分含量的差别分 A型和 B型两种形式存在。 谨慎的天性使富 兰克林的工作进展
7、缓慢，她在不断地完善 DNA的 X射线衍射图谱，并独自 进行数学解析。1952 年 5月，她终于获取了一张极其重要的图谱。遗憾的是，当时她并没有认识到这张图谱 的重要性。她始终也不敢相信 DNA在任何情况下都会呈螺旋形，而是以 为这种形状只是特殊条件下出现的一种特殊情况。在大洋彼岸的美国，化学界声名显赫的大人物、化学键理论的奠基人莱纳斯鲍林，是沃森与克里克更为强劲的一个对手。在人 们心中，他是最有可能率先做出正确选择、解决 DNA结构问题的“大拿” 。1953年 1月中旬，一直在有意 识地跟鲍林之子彼得套近乎的沃森，直截了当地向他这位铁哥们问询，他老爸最近在家信中可曾透露 过什么研究新信息?半
8、个月后，沃森与克里克从彼得手中拿到一份父亲寄给他的关于 DNA结构的手稿，大吃一惊，心当即就沉下来了。此时，一场围绕 DNA结构之谜而展开的激烈竞争，已然到了白 热化的程度。可是，认真读罢鲍林手稿，沃森与克里克马上就松了一口气。原来，鲍林提出了一个以糖和磷酸骨架为中心的三链螺旋结构， 这恰恰是此前不久他 们也曾设想过、但已被 证实不对的玩意。鲍林误入歧途了，并且还犯了“忘记化学基本常识”的错误。几天之后，沃森面见富兰克林，向她通报了鲍林模型之误。富兰克林的反应令沃森感到十分奇怪。他们吵了起来，不欢而散。随后，沃森会见了威尔金斯，后者给他看了一些新的 X射线照片，其中包括由富兰克林拍摄、一直秘而
9、不宣的一张 DNA之 B型 X射线衍射照片。看到后一张照片时，沃森“惊得下巴差点掉了下来”， “心跳也加快了”。很显然 DNA模型应该是双链，因为重要生物对象都是成对出现的。威尔金斯此举，富兰克林毫不知情，后人评价：“如果这不是一次无私的为了科学Comment CS2: 并非专才（远不及其他专才）却博采众长，比下了领 域大咖Comment CS3: 全才式的学习，两人都多方位地进行自我提升，因 为这项研究本身就是跨学科的，结合当 时科学的发展状况，两人都能称得上全才 进步而分享信息的举动，那也 应该算是一次愤怒的报复行 为。 ”再说，备受激励的沃森与克里克随即展开新一轮建模工作。广揽信息所收获
10、的两个关键点大大简化并推动了他们的进展：一是对含氮碱基结构的更深了解，二是对这些碱基如何配对的深刻洞察。他们最终揭示出： DNA分子具有双螺旋梯形结构，每级梯级就是一个碱基对，碱基对的排列顺序就代表了 DNA中存贮的信息。他 们撰写的千字论文发表在 1953年 4月25日的自然杂志上。一个新的时代开始了。弗朗西斯克里克简介弗朗西斯克里克(Francis Crick，1916-2004)，英国生物学家、物理学家和神 经科学家。早年在伦敦大学学习物理， “二战”爆发后到英国海军部研究制造水雷，战后进入剑桥大学从事蛋白质晶体结构的研究。晚年的研究 兴趣转向神经科学，尤其是意识问题的研究。著有惊人的假
11、说：灵魂的科学探索和狂热的追求：对科学发现的个人见解等。詹姆斯沃森简介詹姆斯沃森(James Watson，1928-)，美国生物学家。早年在芝加哥大学、印第安纳大学学习。1953 年和弗朗西斯克里克发现 DNA双螺旋结构。 1962年与克里克、莫里斯威尔金斯三人获得诺贝尔生理学或医学奖。他 还是人类基因组计划的倡 导者和主持人。著有 基因的分子生物学DNA：生命的秘密和双螺旋：发现 DNA结构的个人经历等。沃森和克里克作为刚进入研究领域的年轻人，没有掌握 任何第一手的资料，但他们能积极与相关研究人员交流，博 采众长，使得他 们实际掌握的 资料在 3个小组中是最全面 的。在 1952年法国卢瓦
12、蒙会议上，沃森十分用心地听取了 鲍林构建分子模型的方法。从鲍林的讲话中，沃森很敏锐的 意识到鲍林的方法是解决 DNA问题的正确途径。在 1953 年 2月造访英王学院时，沃森从威尔金斯那里 获得了石射线 衍射试验的清晰照片和相关数据，为DNA模型的构建奠定 了坚实 的基础。在构建分子模型的过程中，他 们又吸收了数 学家JGriffith(格里菲斯 )对碱基受力( 氢键) 的计算和生物 化学家查伽夫关于 DNA中 A与 T，G与 c含量分别相等的 论断，促使他们形成碱基互补配对的思想。结构化学家 JDonohue(多诺休) 建 议他们采用的酮基碱基构 则为实现氢 键的碱基互补配对提供了物质基础。
13、而碱基互补配对正是 DNA双螺旋结构中最浓重的一笔，蕴含了遗传物质对遗传信 息的储存和复制的相关机制。此外，富兰克林 对沃森和克里 克最初构建的 DNA分子模型进行了批评和建议“。因此 在 DNA结构研究的 3个小组中，只有沃森和克里克真正专 注于 DNA结构解析，将 DNA的结构与功能进行联系思考问 题。在此 过程中，两人建立了良好的合作关系，在专业知识 上进行了互补；同时，他 们善于向周围科学家请教和学习，弥 补自身知识缺陷，得到Comment CS4: 克里克还奠定了神经科学的重要基础，可谓全才了不同学科专家相关结果的支持，将 信息、 结构与生物化学等相关结果进行糅合并取得了最终的 成功
14、。沃森和克里克童年趣事沃森小时候异常聪明好学，他有一个口头禅是“ 为什么 ?”，大人们简单的回答常常不能满足他的要求。他通过阅读世界年 鉴记住了大量的知识，因此在参加的一次广播节目比赛中获得了“天才儿童” 的称号，并赢得 100美元的奖励。沃森用这笔钱买了一个双筒望远镜，专门用来观鸟， 这也是他和父亲的共同爱好。他曾经的理想，是能够成为一名自然 历史博物馆中鸟类馆的馆长 。克里克小时候的家庭条件不错，但父母都没有什么科学基础，他对于周围世界的知识，是从父母给他买的一套儿童百科全书获得的。 这一系列出版物在每一期中都包括 艺术、科学、历史、神话和文学等方面的内容，并且十分有趣，克里克最感兴趣的是科学。他吸取了各种知识，并为知道了超出日常经验 、出乎意料的答案而洋洋得意，自认为是一块做科学家的料。“能够发现自然的奥秘是多么了不起啊!我一定要成为一名科学家!”克里克常常想。可是，渐渐地忧虑也萦绕在他心头：虽然未来看起来还很遥远，但等到我长大后，会不会所有的 东西都已经被发现了呢?少年克里克把他的这种担心告诉了母亲，一向看好他并深信他才能超群的母亲向他保证说：“别担心!宝贝儿，还会剩下许多东西等着你去发现呢!”
