双螺旋结构

现在我们知道了DNA是生物体的遗传物质，那么DNA究竟是什么样子的呢? 1953年，沃森和克里克共同提出了DNA分子的双螺旋结构，也正是双螺旋结构的提出，标志着生物科学的发展进入了分子生物学阶段。

DNA双螺旋结构示意图

假如你要建造一幢房子，或一幢办公大楼，就必须准备好一个计划或一份设计图纸，上面规定了施工过程的每一个细节，但是这种计划如果要和造一个人，哪怕一只老鼠所需要的计划相比，实在是太简单了。因为要造一个人，你就得为一千亿个细胞以及包括产生新细胞新生命所必需的一切东西，订出详详细细的计划来，堆放这么多的计划图纸可得要好大一个地方啊。而所有这些复杂事情，DNA似乎都能办到。在细胞核深处的一个小小的分子里面，居然存放得下所有这些图纸。如此多样复杂的生命完全由DNA控制着。如果没有DNA的组织，就根本不会有我们所认识的这个世界。但是，这种有规律而又多种多样的新生命的产生决不是一次成功的，而是需要每天成百上千万次不断变化才完成的。那么生命究竟是怎样产生的呢?如此之多的信息又是怎么贮藏在这小小的细胞核里的呢? DNA又是如何为整个生命传递信息的呢?它的结构又是怎样的呢?

克里克

当时，世界各国都在研究这个问题，无论英国、美国，科学家们在实验室里运用各种手段对DNA的结构展开了探索和研究。其中最为有名的就是美国芝加哥的詹姆斯·沃森和英国科学家克里克，他们经常和一直在伦敦工作的威尔金斯和富兰克林共同研究和讨论一些问题。威尔金斯和富兰克林有一架放大倍数很高的显微镜，而且还拍摄了一些DNA分子的X光照片。他们那架显微镜当时在剑桥大学是很先进的，它可以把观察物放大20万或30万倍。如果用它视察一只苍蝇，看上去足足有1英里(约1.609千米)长。在这架显微镜里，神秘的细胞活动情况看得非常清晰。克里克试图用数学计算方法来解决DNA分子结构问题，他整天沉浸于数学公式里，沉默寡言。一天，他在常去的伊尔小酒店吃饭时，感到一阵剧烈的头痛，于是连实验室也没去就回家了。他坐在煤气取暖器旁边什么也没做，过了一会儿又觉得实在无聊，于是他又动手算了起来。不一会儿，他发现问题的答案已经找到了，他是那样的激动，然而这时他又不得不停下来，因为时间到了，他得陪他漂亮的妻子奥迪尔去参加一个品酒晚会。可是晚会并没有他们想象的那样有意思，所以他们便早早地回家了，克里克又陷入了沉思、回家途中他开始考虑这DNA分子一定是某种形式的螺旋体，也就是说它是呈一圈一圈盘旋形状的。

就在这个时候，沃森正埋头忙于他的X光摄片工作。他一心想要拍摄几张能显示DNA结构的片子来。他想，如果能找到一个正确的拍摄角度，使他的片子能显示出分子的结构那该多好啊。在一个6月的晚上，他沃森打开X光摄影机，开始冲洗一张刚从25°角拍摄的片子，当他把那张湿淋淋的片子凑到灯前一看，马上发觉自己成功了，螺旋形的线条看得清清楚楚。第二天一大早，沃森便焦急地等待着克里克的到来，当克里克拿起片子看了不到十秒钟，就立刻表示完全同意沃森的看法。断定了DNA的结构是一个螺旋体以后，紧接着需要解决的问题是，这个螺旋体究竟是由单链或是双链、四链，还是三链构成的呢?为了解决这个问题，他们经历了一段艰苦的历程。

詹姆斯·沃森

根据当时的材料，他们有充足的理由否定了DNA分子的单链和四链的螺旋结构，但他们需要根据有力的事实作出是双链还是三链的判断。他们很快建立起了一个三链结构的模型，并自信这个模型的螺旋结构的参数都是符合DNA的X射线材料所反映的事实的。欣喜之余，他们立即向皇家学院X射线衍射小组报告了DNA模型的建立。第二天，以威尔金斯为首的一批科学家对模型进行了验证和核实，发现他们对实验数据理解错了，由此否定了他们建立的第一个三链模型。从此以后，他们暂时停止了直接建立DNA模型的研究工作。不久，富兰克林拍摄了一张DNA纤维B型照片，从这张片子上完全可以断定DNA的结构是一个螺旋体。所不清楚的只有一个问题，这个螺旋体到底是只有一个螺旋呢，还是像的鲍林所做的那种三螺旋体?沃森想，在自然界，一切最主要的事物，如机体内部的各种器官，甚至细胞内的染色体都是成双成对的，估计DNA分子也是一种双链结构。这个分子结构里有糖和磷酸盐，先是糖，后是磷酸盐，像链一样，其次是四种碱基——这是四种名字非常复杂的化学物质，被分别简称为A、G、C、T。

我们不妨想象一下，许多现代化的建筑为了节省空间都有一个螺旋形的楼梯。而DNA中楼梯的支撑就是糖和磷酸盐形成的链:糖─磷酸盐─糖─磷酸盐─糖─磷酸盐。好像一节一节的链一样，然后给它配上碱基，好像给楼梯装上梯级一样。在制作模型的过程中，沃森和克里克发现，他们无法把碱基放到模型中他们任意选择的位置上，这些碱基不得不用一种特殊的方式连在一起。每一个梯级必须由两个碱基组成，问题在于有一部分的“半梯级”是长的，而另外一部分“半梯级”是短的，如果把这两个“长”的半梯级连接起来，那么做出来的梯级就太宽，不适合这个楼梯扶手的两个链之间的空间。在另一头，如果把两个“短”的连接在一起，其结果是梯级又太狭窄，同样无法布满两个扶手之间的空间，可是天然形成的结构从来都是十分合理而完善的。沃森和克里克发现，设计其实也很简单，不管哪个链上的一个“短”碱基总是和另一个链上的“长”碱基连接那样，每一个梯级之间的长度和宽度都彼此完全相等了。所以A(“长”的)必须和T(“短”的)连接，C(“长”的)必须和G(“短”的)连接，这样便能做成一个结构很牢固很平衡的螺旋体。威尔金斯和富兰克林把这个模型和他们所拍摄的X光照片进行比较结果发现X光照片和模型完全符合。

威尔金斯

终于，在1953年4月26日，由四位科学家共同撰写的一篇仅仅只有900字的重要文章发表在《自然》杂志上。文章的第一句是这样说的“关于脱氧核糖核酸盐类(DNA)的结构我们想提出一个建议。”他们就用这样谦虚的方式向世界宣布了他们已经揭开了生命的最大秘密之一。1962年，沃森、克里克及威尔金斯由于成功地建立了DNA双螺旋结构模型而共同获得了诺贝尔奖金。

而英国著名女科学家富兰克林却没有得到这样的荣誉。然而人们在1953年4月25日的《自然》杂志上却看到了富兰克林的一篇对DNA双螺旋模型热情洋溢的支持性文章。她高尚的科学道德受到后人的赞扬。