DNA心計(jì)

距今整整60年前的那個(gè)春天，兩位年輕的科學(xué)家構(gòu)建出DNA結(jié)構(gòu)模型，轟動(dòng)世界。這是20世紀(jì)下半葉最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，也是生物學(xué)自達(dá)爾文提出物種起源理論以來(lái)最重要的進(jìn)展。

21世紀(jì)可以說(shuō)是基因的世紀(jì)，基因?qū)＠纳虡I(yè)價(jià)值也日益突顯。此時(shí)回望60年前的那段歷史，有許許多多讓人意想不到的曲曲折折。

這當(dāng)中，科學(xué)家群體的雄心、競(jìng)爭(zhēng)和心計(jì)展露無(wú)遺，而沃森和克里克這兩個(gè)初出茅廬的無(wú)名之輩，如何異想天開(kāi)地“站在巨人的腳趾上”，于激烈的“科學(xué)競(jìng)賽”中擊敗那些功底深厚、學(xué)識(shí)淵博的名流大腕，也有頗多耐人尋味之處。

這當(dāng)中，還有一個(gè)極富爭(zhēng)議的話題：沃森和克里克解開(kāi)DNA結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵線索，是女科學(xué)家富蘭克林所拍攝的一張DNA晶體衍射圖片，然而，它卻是在其生前并不知情的情況下被“盜用”的。

“突破”前夜的困惑

當(dāng)?shù)诙问澜绱髴?zhàn)臨近結(jié)束的時(shí)候，一門(mén)把生物學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)融合在一起，從分子水平上研究生命現(xiàn)象物質(zhì)基礎(chǔ)的學(xué)科——分子生物學(xué)，漸漸地有了一個(gè)雛形。1944年，奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤在《什么是生命？》一書(shū)中，非常清楚地表達(dá)了一個(gè)信念：生命的基本特征就是能夠儲(chǔ)存和傳遞信息，亦即遺傳密碼能夠代代相傳。基因是活細(xì)胞的關(guān)鍵組成部分，要懂得什么是生命，就必須知道基因是如何發(fā)揮作用的。他還認(rèn)為，遺傳密碼必須由分子來(lái)“書(shū)寫(xiě)”，因?yàn)橹挥羞@樣才能將復(fù)雜而緊湊的信息“裝進(jìn)”小小的細(xì)胞里。

生物學(xué)家將“承載遺傳信息的最小單位”稱(chēng)為“基因”，可當(dāng)時(shí)沒(méi)人知道基因到底什么樣，它“寄存”在哪里？人們普遍認(rèn)為基因是一種特殊類(lèi)型的蛋白質(zhì)分子。此前，細(xì)胞核中的染色體已被證實(shí)在遺傳過(guò)程中起到關(guān)鍵作用，它主要由脫氧核糖核酸（DNA）和蛋白質(zhì)組成，而染色體中蛋白質(zhì)要比DNA多一些。問(wèn)題是，基因必須在每次細(xì)胞分裂中精確地復(fù)制自身，可沒(méi)有任何蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)能說(shuō)明它們可以進(jìn)行這個(gè)過(guò)程，而且也沒(méi)能解釋分子如何攜帶遺傳信息，以及這種信息是如何在分子水平上進(jìn)行復(fù)制的。

1944年，美國(guó)生物學(xué)家?jiàn)W斯沃德·艾弗里及其同事通過(guò)細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證實(shí)：遠(yuǎn)不如蛋白質(zhì)來(lái)得復(fù)雜的DNA在決定遺傳性狀上扮演著主要角色。進(jìn)一步的研究表明：所有的生物都包含DNA分子，即儲(chǔ)存制造蛋白質(zhì)的遺傳指令分子。

這意味著，要解開(kāi)基因本質(zhì)之謎——基因是由什么組成的？它們?cè)鯓泳_地復(fù)制？又如何控制（至少是影響）蛋白質(zhì)的合成？——就必須對(duì)DNA的化學(xué)及物理構(gòu)造有更多的了解。也就是說(shuō)，人們所要探究的首要目標(biāo)，是完整的DNA分子內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

兩個(gè)天才的相遇

1950年秋，22歲的“神童”詹姆斯·沃森從美國(guó)印第安納大學(xué)取得遺傳學(xué)博士學(xué)位后，拿到一筆研究獎(jiǎng)學(xué)金，去往哥本哈根大學(xué)，從事生物化學(xué)方面的研究工作，夢(mèng)想著有朝一日大功告成、一舉成名。然而，在丹麥，乏味而又不得要領(lǐng)的學(xué)術(shù)生活令沃森十分郁悶。1951年春，他受邀到意大利那不勒斯參加一個(gè)有關(guān)生物大分子結(jié)構(gòu)的學(xué)術(shù)會(huì)議。在這次會(huì)議上，倫敦國(guó)王學(xué)院的物理學(xué)家莫里斯·威爾金斯展示了DNA的X射線衍射圖片。沃森看后深受啟發(fā)，意識(shí)到：假使基因能像一般化學(xué)物質(zhì)一樣被結(jié)晶出來(lái)，那就一定可以用通常的化學(xué)、物理方法測(cè)定其結(jié)構(gòu)。

那一瞬間，沃森突然對(duì)化學(xué)產(chǎn)生了很大的興趣，并且萌生了與威爾金斯進(jìn)行合作研究的念頭。為此他甚至，要撮合自己的妹妹與威爾金斯交好，但古板的威爾金斯并沒(méi)有“落入圈套”。幾個(gè)月后，沃森設(shè)法變更了自己的學(xué)習(xí)計(jì)劃，來(lái)到英國(guó)劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，并在那里遇到了剛從物理學(xué)領(lǐng)域轉(zhuǎn)型、雖起步較晚但一心想在交叉學(xué)科上有所作為的生物學(xué)研究生弗朗西斯·克里克。

這兩個(gè)知識(shí)背景不同、相差12歲的年輕人一見(jiàn)如故，發(fā)現(xiàn)彼此的興趣、思維方式和行為做派都驚人的相似。他們很快就擦出了智慧的火花，決計(jì)攜手合作，以建模方式確定DNA結(jié)構(gòu)。

起初，這兩個(gè)名不見(jiàn)經(jīng)傳的“闖關(guān)者”，對(duì)于能否斬獲成功并沒(méi)有什么把握。不過(guò)，他們?cè)敢狻百€”一把。

像許多科學(xué)發(fā)現(xiàn)一樣，DNA結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)也有多種可能的途徑。即便有些科學(xué)家有著相同的想法，但他們解決問(wèn)題的辦法卻可能各不相同，不同的方法決定了誰(shuí)將最先實(shí)現(xiàn)目標(biāo)；而且，往往是誰(shuí)先發(fā)表了論文，誰(shuí)才能最終贏取發(fā)明、發(fā)現(xiàn)權(quán)——榮譽(yù)和成功只“賜”給冠軍。當(dāng)中的“時(shí)差”，有時(shí)極短。這也正是“科學(xué)競(jìng)賽”的殘酷之處。

一對(duì)冤家的糾結(jié)

這一時(shí)期，就在同一個(gè)倫敦城里，沃森與克里克最大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手、同處倫敦國(guó)王學(xué)院同一個(gè)研究小組的威爾金斯與羅沙琳德·富蘭克林，也在緊鑼密鼓地尋思、鼓搗DNA結(jié)構(gòu)，而且他們手中握有與之密切相關(guān)的獨(dú)門(mén)“利器”——X射線衍射裝置。

但是，與沃森與克里克這對(duì)心靈相通的“黃金搭檔”形成極大反差的是，威爾金斯與富蘭克林之間的關(guān)系勢(shì)同水火。有著劍橋大學(xué)物理化學(xué)博士學(xué)位的富蘭克林是個(gè)獨(dú)立、好強(qiáng)的女子，在當(dāng)年對(duì)女科學(xué)家心懷偏見(jiàn)甚至敵意的環(huán)境中，她一直堅(jiān)持不懈地進(jìn)行自己的研究，不甘受到威爾金斯的“領(lǐng)導(dǎo)”和鉗制。

DNA對(duì)富蘭克林而言，只是一種實(shí)驗(yàn)材料。1952年前后，她已通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，DNA根據(jù)水分含量的差別分A型和B型兩種形式存在。謹(jǐn)慎的天性使富蘭克林的工作進(jìn)展緩慢，她在不斷地完善DNA的X射線衍射圖譜，并獨(dú)自進(jìn)行數(shù)學(xué)解析。1952年5月，她終于獲取了一張極其重要的圖譜。遺憾的是，當(dāng)時(shí)她并沒(méi)有認(rèn)識(shí)到這張圖譜的重要性。她始終也不敢相信DNA在任何情況下都會(huì)呈螺旋形，而是以為這種形狀只是特殊條件下出現(xiàn)的一個(gè)特殊情況。

在大洋彼岸的美國(guó)，化學(xué)界聲名顯赫的大人物、化學(xué)鍵理論的奠基人萊納斯·鮑林，是沃森與克里克更為強(qiáng)勁的一個(gè)對(duì)手。當(dāng)時(shí)幾乎沒(méi)有人懷疑，他是最有可能率先做出正確選擇、解決DNA結(jié)構(gòu)問(wèn)題的“大拿”。1953年1月，一直在有意識(shí)地跟鮑林之子彼得套近乎的沃森，直截了當(dāng)?shù)叵蛩@位鐵哥們問(wèn)詢(xún)，其父最近在家信中可曾透露過(guò)什么？半個(gè)月后，沃森與克里克從彼得手中拿到一份父親寄給他的關(guān)于DNA結(jié)構(gòu)的手稿，大吃一驚，心當(dāng)即就沉下來(lái)了。

此時(shí)，一場(chǎng)圍繞DNA結(jié)構(gòu)之謎而展開(kāi)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，到了白熱化的程度。

道破天機(jī)的圖片

可是，認(rèn)真讀罷鮑林手稿，沃森與克里克馬上就松了一口氣。原來(lái)，鮑林提出了一個(gè)以糖和磷酸骨架為中心的三鏈螺旋結(jié)構(gòu)，這恰恰是此前不久他們也曾設(shè)想過(guò)、但已被證實(shí)不對(duì)的玩意。鮑林誤入歧途了，并且還犯了“忘記化學(xué)基本常識(shí)”的錯(cuò)誤?！澳翘爝B續(xù)幾個(gè)小時(shí)的激動(dòng)，使我們無(wú)法繼續(xù)工作下去?！碑?dāng)晚哥倆來(lái)到他們常去的一個(gè)酒館，“坐下來(lái)為鮑林的失敗干了幾杯”。

但他們很快又意識(shí)到，一旦鮑林覺(jué)察到自己的失誤，必定會(huì)不停地研究下去，一直到搞出正確的結(jié)構(gòu)為止。所以，大西洋這邊的人再也不能浪費(fèi)時(shí)間了。

幾天之后，沃森面見(jiàn)富蘭克林，向她通報(bào)了鮑林模型之誤。富蘭克林的反應(yīng)令沃森感到十分奇怪。她毫不客氣地指出，無(wú)論是鮑林或其他什么人，都沒(méi)有任何證據(jù)認(rèn)為DNA是螺旋結(jié)構(gòu)。他們吵了起來(lái)，不歡而散。

隨后，沃森會(huì)見(jiàn)了威爾金斯，后者給他看了一些新的X射線照片，其中包括由富蘭克林拍攝、一直秘而不宣的一張DNA之B型X射線衍射照片?？吹胶笠粡堈掌瑫r(shí)，沃森“驚得下巴差點(diǎn)掉了下來(lái)”，“心跳也加快了”。很顯然DNA模型應(yīng)該是雙鏈，因?yàn)橹匾飳?duì)象都是成對(duì)出現(xiàn)的。威爾金斯此舉，富蘭克林毫不知情，后人評(píng)價(jià)：“如果這不是一次無(wú)私的為了科學(xué)進(jìn)步而分享信息的舉動(dòng)，那也應(yīng)該算是一次憤怒的報(bào)復(fù)行為?！?/p>

再說(shuō)，備受激勵(lì)的沃森與克里克隨即展開(kāi)新一輪建模工作。廣攬信息所收獲的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)大大簡(jiǎn)化并推動(dòng)了他們的進(jìn)展：一是對(duì)含氮堿基結(jié)構(gòu)的更深了解，二是對(duì)這些堿基如何配對(duì)的深刻洞察。他們最終揭示出：DNA分子具有雙螺旋梯形結(jié)構(gòu)，每級(jí)梯級(jí)就是一個(gè)堿基對(duì)，堿基對(duì)的排列順序就代表了DNA中存貯的信息。他們撰寫(xiě)的千字論文發(fā)表在1953年4月25日的《自然》雜志上。

一個(gè)新的時(shí)代開(kāi)始了。

（作者為中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)常務(wù)理事）