DNA双螺旋：二十世纪的最伟大发现之一
20世纪上半叶，很多物理学家都纷纷参与到了研究生命的大潮之中，希望能从物质层次上揭示生命的奥秘。1944年，量子力学奠基人之一奥地利物理学家薛定谔（1887年-1961年）出版了《生命是什么？》一书，用通俗的语言和物理学家的新视角阐明了研究生命现象的重要性。他从生物学的研究成果中凝练出了许多新的科学问题，并且认为生物科学中的问题需要依靠物理学和化学方法来最终解决。《生命是什么？》一书在年轻的科学家中产生了巨大的影响，被誉为是生物学中的唤梦之作。
一、相见恨晚的不期而遇
在一大群被新思想和新观点所唤醒的青年中，正在剑桥大学攻读物理学博士学位的弗朗西斯·哈里·康普顿·克里克（FrancisHarry Compton Crick）便是其中的一人。克里克于1934年进入伦敦大学物理系学习。由于第二次世界大战暴发，他被迫中断学业进入英国海军部门研究鱼雷。二战结束后，他返回剑桥大学继续学习。受到《生命是什么？》一书的启迪，他预感到了生物学广阔的领域需要物理学家的共同参与，他深信自己掌握的物理学知识有助于生物学的研究，便毅然转向了生物学。不久进入卡文迪什实验室的医学研究理事会，攻读生物学博士。克里克在1949年加入了剑桥大学马克斯·佩鲁茨的研究小组，利用X射线研究蛋白质结晶。为弥补知识的不足，他发奋攻读有机化学、X射线衍射理论和技术。
身在大西洋彼岸的詹姆斯·杜威·沃森（James Dewey Watson）也同样受到了《生命是什么？》一书的影响。如他所说，他在芝加哥大学时就读过了这本书，并立志要破解基因的奥秘。沃森原来的专业是鸟类学，在系主任的建议下，沃森转而从事遗传学研究。当时著名遗传学家赫尔曼·缪勒（Hermann Muller）恰好在印第安那大学任教授，沃森不仅上过缪勒关于“突变和基因”的课，而且成绩还不错（分数得A）。但是，他后来转向研究噬菌体遗传，并拜萨尔瓦多·卢里亚（Salvador Luria）为师。在获得了博士学位后，沃森于1950年远赴欧洲从事博士后工作。他先是在丹麦的哥本哈根大学从事噬菌体的研究工作。1951年，他又来到著名的英国剑桥大学的卡文迪什实验室工作。在丹麦的哥本哈根大学期间，他曾经做过用同位素标记追踪噬菌体DNA的实验，坚信DNA就是遗传物质。
1951年的秋天，沃森在剑桥大学卡文迪什实验室结识了詹姆斯·杜威·沃森（James Dewey Watson）。正是这次的不期而遇，改变了他们的命运，也改变了生物学的发展进程。沃森在生物学上很有造诣，而克里克则在X射线晶体衍射学方面知识雄厚，他说服了克里克与他分享同一个办公室。沃森生物学基础扎实，训练有素；克里克则不受传统生物学观念束缚，以一种全新的视角思考问题。当时他们的课题内容是研究烟草花叶病毒，但是课题的真正内容是却研究DNA的分子结构。他们都认为解决DNA分子结构问题是打开遗传之谜的关键。他们两个一拍即合，相见恨晚，立即开始合作，从1951年10月开始构建模型，解析DNA的空间结构。
早在1951年，克里克在开展博士论文研究时，就与威廉斯·科克伦（William Cochran）及泛德（Vladimir Vand）一起推导出了螺旋形分子的X射线衍射的数学理论。由此理论得出的计算结果和实验得到的具有α螺旋结构的蛋白质的X射线结果正好吻合。此结果发表在1952年的《Nature》杂志上。螺旋体衍射理论对解析DNA的结构起到了很大促进作用。
1952年初，克里克又让青年数学家约翰·格里菲斯（John Griffith）尝试着利用基本化学原理和量子力学计算不同的核苷酸之间的吸引力。格里菲斯的计算结果显示：鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）互相吸引，而腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）则相互吸引。但是此时克里克并没有意识到这一结果的重要性。1952年底，查戈夫（Chargaff）来到了英国。在与沃森和克里克见面时，查戈夫报告了他的新发现，即查戈夫法则（也称碱基当量规则）。这条法则与格里菲斯的计算结果相同。沃森突然意识到，A:T这一对碱基和C:G这一对碱基的结构很相似，长度也相近，且每一对里的两个分子都是由氢键连接起来的。
二、朋友之间的竞争
上世纪40年代到50年代初是研究DNA结构的鼎盛时期。当时在世界范围内有三个主要的实验室在开展着相关的工作。
早在1950年之前，伦敦国王学院的威尔金斯和富兰克林实验室就开始利用X射线衍射技术研究DNA晶体结构。当X射线照射到生物大分子的晶体时，晶格中的原子或分子会使射线发生偏转，根据得到的衍射图像，可以推测分子的结构和形状。富兰克林是一位经验丰富的科学家，经过了3年的潜心研究，她得到了DNA晶体的X射线衍射图像，在分辨出了这种分子的维度、角度和形状后，她发现DNA是螺旋结构，至少有两股，其化学信息位于螺旋结构的内侧。
第二个从事DNA结构解析的实验室是加州理工学院的著名化学家莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）的实验室。在此之前， 鲍林因为发现了蛋白质的a螺旋结构而闻名于世。他在1951年11月的《美国化学学会杂志》上看到一篇有关核酸结构的论文。为了纠正这篇论文中的错误，他开始建立DNA分子模型。但是，鲍林并不理解DNA的生物学功能，只是把它当作化合分子而不是遗传物质来研究的。1952年，鲍林发表了关于DNA三链模型的研究报告，这种模型被称为α螺旋。由于鲍林是根据早年拍摄的清晰度不高的晶体衍射图，因此他提出的结构很难得出正确的模型。
第三个实验室就是在英国剑桥大学的卡文迪什实验室的沃森和克里克小组。由于同在一个国家，他们经常与威尔金斯和富兰克林小组进行学术交流。1951年11月，威尔金斯与他的学生雷蒙德·葛斯林（Raymond Gosling）来到了剑桥大学，向沃森和克里克展示了一项非常重要的实验结果，那就是从最近DNA的X射线衍射的实验结果中可以推测出DNA的结构必定是螺旋形的。后来，又受到了富兰克林的一次报告的启示，沃森和克里克决定沿着螺旋形分子结构的思路深入下去。因为他们（特别是沃森）认为鲍林有可能会抢在他们前面发表研究结果，所以在匆忙中发布一个错误的模型。他们的积极性受到了打击。而后的几个月中，他们并没有在这方面得到太多的进展。
三、建造近代生物学的里程碑
苦于没有清晰的X 衍射图像，沃森和克里的研究进展甚微。听了罗莎琳的报告，并看到了她所展示的DNA 分子X衍射图像，沃森和克里克领悟到其中蕴含的学术价值。他们立刻着手对DNA 分子结构进行更深入的研究，并于不久构建出第一个DNA 分子的三维模型。这是一个三螺旋的结构，而且碱基位于螺旋的外侧。罗莎琳和威尔金斯看过他们的模型以后指出，由于他们低估了DNA的含水量，这个模型是错误的。富兰克林还指出了DNA中亲水的磷酸盐应该位在螺旋表面，而疏水的碱性部分应该位在螺旋内部，而在他们的模型中，磷酸盐却在螺旋的内部，这显然是不正确的。
1953年2月14日，在没有得到弗兰克林同意、并且在她不知情下以及没有发表的情况下，威尔金斯向沃森展示了一张弗兰克林于1951年11月获得的B-型DNA清晰X射线衍射照片。这张著名的标号为#51的图片表明，DNA只能是双链结构才能显示那样漂亮而清晰的X射线衍射图。1968年，沃森在他撰写的《The Double Helix》一书中说：“The instant I saw thepicture my mouth fell open and my pulse began to race.”1953年2月28日，沃森和克里克搭建出了正确的DNA双螺旋结构模型。
1953年4月25日，《Nature》发表了沃森和克里克的文章。这篇文章中只有1000多个文字，一张简单的线条图和6篇参考文献。沃森和克里克描述了自己的DNA模型：两条多核苷酸链形成一个右手、反向平行的双螺旋结构；碱基位于双螺旋内侧而磷酸与糖基在外侧；以及碱基间的距离，核苷酸之间的夹角和碱基按A-T、G-C互补配对关系。克里克以其深邃的科学洞察力，在他们的论文中加上“DNA的特定配对原则，立即使人联想到遗传物质可能有的复制机制”这句话，使他们不仅发现了DNA的分子结构，而且从结构与功能的角度作出了解释。在1953年4月25日出版的《自然》杂志上，还同时发表了威尔金斯的《脱氧戊糖核酸的分子结构》和罗莎琳的《胸腺核苷酸酸钠盐的分子构象》两篇文章。罗莎琳根据X 衍射实验结果，准确地推断出DNA双螺旋每10个碱基对为一个周期，距离为34埃 ,螺旋直径为20埃 。
沃森和克里克在他们文章的最后写到：“We have also been stimulated by aknowledge of the general nature of the unpublished experimental results andideas of Dr. M. H. F. Wilkins, Dr. R. E. Franklin and their co-workers atKing’s College, London.”后人认为这一段是针对弗兰克林的衍射图。但是更多的人认为沃森和克里克至少引用弗兰克林和她的学生发表在同期中的文章，那是弗兰克林首次发表的更为清楚的DNA衍射图。毋庸置疑，罗莎琳的X 衍射实验结果为沃森和克里克的双螺旋模型提供了有力的实验证据。
四、被诺奖遗忘的英雄
在发现DNA结构的进程中，罗莎琳·富兰克林（Rosalind E. Franklin）做出了不可磨灭的贡献。1920年，罗莎琳出生在伦敦的一个犹太家庭。由于她的父亲和母亲都受过高等教育，她从小就接受了良好教育。从圣保罗女子学校毕业后，罗莎琳进入剑桥大学纽汉姆女子学院攻读物理和化学。她从剑桥毕业时年仅21岁时。为了支持反法西斯战争，她对煤的燃烧特性以及碳元素转化为石墨的机理进行了比较深入的研究，并到英国煤炭应用研究协会从事碳纤维的研究。在不到5 年的时间里，罗莎琳发表了5篇论文，对高强度碳纤维的发现和利用以及核反应堆的关键部件石墨棒的发明具有很大价值。1947 年，她到法国国家化学实验室学习刚刚推广应用的X射线晶体衍射技术，并利用这一技术继续对于碳元素的研究。在著名晶体学家雅克的指导下，凭借着自己的不懈努力、良好的学术背景、以及女性特有的细致和耐心，她很快就成了晶体衍射方面的专家。
1951年，伦敦大学国王学院的约翰·伯纳尔也对DNA分子作了初步的X衍射试验，他希望一位经验丰富的晶体学家能够对DNA分子X衍射实验结果进行深入的分析，便邀请罗莎琳到他那里工作。同样受到了《生命是什么？》一书的启发和鼓舞，罗莎琳认为探索DNA分子结构的意义重大。因此，她停止了多年来对碳元素的研究，转而投入到用X衍射探索DNA分子结构的研究。
当时，利用X射线晶体衍射技术研究DNA 分子困难重重，不仅X衍射实验过程十分繁琐枯燥，而且会经常因为图像的不清晰而前功尽弃。但是，凭借丰富的经验和细致的工作，罗莎琳很快就取得了突破性的进展。首先，她敏锐地认识到，只有将DNA样品保持在一定湿度的环境下才能获得清晰的X衍射图像。她把实验样品DNA分为A型和B型两种，并从B型分子的衍射图像推断出DNA分子是螺旋状的结论。其次，根据DNA分子易于失水以及易于受水分子攻击磷酸根的实验结果，她推测出DNA分子的磷酸根骨架处于螺旋外侧，而碱基处于螺旋内侧。她的推测是人类认识DNA的分子结构的重大突破。罗莎琳在剑桥的学术报告引起了沃森和克里克的关注。1951年11月, 罗莎琳拍摄到了一张十分清晰的B型DNA分子清晰的X射线衍射图像。其中标号为#51的X射线衍射图像已经很清楚地显示出一种双螺旋结构。这是一张具有里程碑意义的图像。
1953年2月24日, 她在自己的研究笔记里记录了自己对B型DNA分子三维螺旋结构的构想，这时，她已经十分接近打开DNA 结构奥秘的大门了。1953年3月17日，她完成了关于DNA 结构的论文草稿。沃森和克里克在洞悉了DNA 双螺旋结构的秘密之后，很快便在《Nature》上发表了论文。
但是，富兰克林非常有个性，经常对人进行直言不讳地批评，沃森和克里克也尝过她的苦头。此外，在20世纪50年代，英国学术界排外思想严重。特别是富兰克林是一名犹太人，一个女人，再加上她的脾气率直，自然不被学术界所包容。沃森在1968年出版的《双螺旋》一书中，透露了威尔金斯曾偷偷复制富兰克林的研究成果并提供给他，其中就包括了现在众所周知的、标号为#51的X射线图像。1962年，沃森和克里克获得诺贝尔奖时发表演说根本没有提到她。而本应属于她的荣誉落到了她在伦敦大学国王学院的对手威尔金斯身上。可惜的是，处在黄金年龄段的富兰克林却英年早逝（1920-1958）。
【推荐阅读】
1. Watson, J. D.. The Double Helix: A Personal Accountof the Discovery of the Structure of DNA. New York: Atheneum. 1968
2. Michel Morange. A History of Molecular Biology. Boston,Harvard University Press, 1998 ( translated by Matthew Cobb from French)
（关一夫）