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
2、尔文提出物种起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
3、时没人知道基因到底什么样， 它“寄存”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
4、 年秋，22 岁的“ 神童”詹姆斯沃森从美国印第安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
5、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 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 DNA Comment 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
6、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
7、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，
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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。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，
14、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。 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
15、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!”
