沃森與克里克：解開DNA結(jié)構(gòu)之謎

尹傳紅

編者按：

科學技術(shù)的發(fā)展在增進人類認知與智慧的同時，也極大地改變了我們的生活，推動著社會的進步。自1901年以來，一年一度頒發(fā)的諾貝爾科學獎廣受矚目，它們授予的自然科學之重大發(fā)現(xiàn)和科學方法之重大發(fā)明，當屬最高層次的創(chuàng)造性智慧，其獲獎?wù)咭嗫胺Q人中翹楚、科學精英。從本期開始，“探索發(fā)現(xiàn)”欄目將陸續(xù)登載諾貝爾科學獎得主的人生故事，敬請讀者朋友垂注。

距今整整63年前的那個春天，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克這兩個初出茅廬的年輕科學家構(gòu)建出DNA結(jié)構(gòu)模型，轟動世界。這是20世紀下半葉最重要的科學發(fā)現(xiàn)，也是生物學自達爾文提出物種起源理論以來最重要的進展。圍繞這一事件，有許許多多讓人意想不到的曲曲折折，也有頗多耐人尋味之處。

? 染色體（計算機模擬圖）

“突破”前夜的困惑

當?shù)诙问澜绱髴?zhàn)臨近結(jié)束的時候，一門把生物學、化學和物理學融合在一起，從分子水平上研究生命現(xiàn)象物質(zhì)基礎(chǔ)的學科—分子生物學，漸漸地有了一個雛形。

1944年，奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤在《生命是什么？—活細胞的物理學觀》一書中，非常清楚地表達了一個信念：生命的基本特征就是能夠儲存和傳遞信息，亦即遺傳密碼能夠代代相傳?；蚴腔罴毎年P(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。

生物學家將“承載遺傳信息的最小單位”稱為“基因”，可當時沒人知道基因到底什么樣，它“寄存”在哪里？當時，細胞核中的染色體已被證實在遺傳過程中起到關(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。

此外，已通過細菌轉(zhuǎn)化實驗證實：遠不如蛋白質(zhì)來得復雜的DNA，實際上竟然是細胞中的一種遺傳物質(zhì)，它在決定遺傳性狀上扮演著主要角色。進一步的研究表明：所有的生物都包含DNA分子，即儲存制造蛋白質(zhì)的遺傳指令分子。

這意味著，要解開基因本質(zhì)之謎—基因是由什么組成的？它們怎樣精確地復制？又如何控制（至少是影響）蛋白質(zhì)的合成？—就必須對DNA的化學及物理構(gòu)造有更多的了解。

兩個天才的相遇

1950年秋，22歲的“神童”詹姆斯·沃森從美國印第安納大學取得遺傳學博士學位后，拿到一筆研究獎學金，去往哥本哈根大學，從事生物化學方面的研究工作。1951年春，他受邀到意大利那不勒斯參加一個有關(guān)生物大分子結(jié)構(gòu)的學術(shù)會議。在這次會議上，倫敦國王學院的物理學家莫里斯·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)，意識到：假使基因能像一般化學物質(zhì)一樣被結(jié)晶出來，那就一定可以用通常的化學、物理方法測定其結(jié)構(gòu)。

那一瞬間，沃森突然對化學產(chǎn)生了很大的興趣，并且萌生了與威爾金斯進行合作研究的念頭。幾個月后，沃森設(shè)法變更了自己的學習計劃，來到英國劍橋大學卡文迪什實驗室，并在那里遇到了剛從物理學領(lǐng)域轉(zhuǎn)型、雖起步較晚但一心想在交叉學科上有所作為的生物學研究生弗朗西斯·克里克。

這兩個知識背景不同、相差12歲的年輕人一見如故，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，決計攜手合作，以建模方式確定DNA結(jié)構(gòu)。

?詹姆斯·沃森

起初，這兩個名不見經(jīng)傳、專業(yè)基礎(chǔ)也不甚牢靠的“闖關(guān)者”，對于能否斬獲成功并沒有什么把握。不過，他們愿意“賭”一把，拼一拼。

不錯，像許多科學發(fā)現(xiàn)一樣，DNA結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)也有多種可能的途徑。即便有些科學家有著相同的想法，但他們解決問題的辦法卻可能各不相同，不同的方法決定了誰將最先實現(xiàn)目標;而且，往往是誰先發(fā)表了論文，誰才能最終贏取發(fā)明、發(fā)現(xiàn)權(quán)。

一對冤家的糾結(jié)

這一時期，就在同一個倫敦城里，沃森與克里克最大的競爭對手、同處倫敦國王學院同一個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)的獨門“利器”—X射線衍射裝置。

但是，與沃森與克里克這對心靈相通的“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)系勢同水火，幾乎到了不理不睬、惡語相向的地步。

DNA對富蘭克林而言，只是一種實驗材料。1952年前后，她已通過實驗證明，DNA根據(jù)水分含量的差別分A型和B型兩種形式存在。謹慎的天性使富蘭克林的工作進展緩慢，她在不斷地完善DNA的X射線衍射圖譜，并獨自進行數(shù)學解析。1952年5月，她終于獲取了一張極其重要的圖譜。遺憾的是，當時她并沒有認識到這張圖譜的重要性。她始終也不敢相信DNA在任何情況下都會呈螺旋形，而是以為這種形狀只是特殊條件下出現(xiàn)的一種特殊情況。

在大洋彼岸的美國，化學界聲名顯赫的大人物、化學鍵理論的奠基人萊納斯·鮑林，是沃森與克里克更為強勁的一個對手。在人們心中，他是最有可能率先做出正確選擇、解決DNA結(jié)構(gòu)問題的“大拿”。1953年1月中旬，一直在有意識地跟鮑林之子彼得套近乎的沃森，直截了當?shù)叵蛩@位鐵哥們問詢，他老爸最近在家信中可曾透露過什么研究新信息？半個月后，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，心當即就沉下來了。

此時，一場圍繞DNA結(jié)構(gòu)之謎而展開的激烈競爭，已然到了白熱化的程度。

?富蘭克林

?DNA的X射線衍射圖譜

道破天機的圖片

可是，認真讀罷鮑林手稿，沃森與克里克馬上就松了一口氣。原來，鮑林提出了一個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、但已被證實不對的玩意。鮑林誤入歧途了，并且還犯了“忘記化學基本常識”的錯誤。

幾天之后，沃森面見富蘭克林，向她通報了鮑林模型之誤。富蘭克林的反應(yīng)令沃森感到十分奇怪。他們吵了起來，不歡而散。

隨后，沃森會見了威爾金斯，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，沃森“驚得下巴差點掉了下來”，“心跳也加快了”。很顯然DNA模型應(yīng)該是雙鏈，因為重要生物對象都是成對出現(xiàn)的。威爾金斯此舉，富蘭克林毫不知情，后人評價：“如果這不是一次無私的為了科學進步而分享信息的舉動，那也應(yīng)該算是一次憤怒的報復行為?！?/p>

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

一個新的時代開始了。

弗朗西斯·克里克簡介

弗朗西斯·克里克（Francis Crick，1916-2004），英國生物學家、物理學家和神經(jīng)科學家。早年在倫敦大學學習物理，“二戰(zhàn)”爆發(fā)后到英國海軍部研究制造水雷，戰(zhàn)后進入劍橋大學從事蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的研究。晚年的研究興趣轉(zhuǎn)向神經(jīng)科學，尤其是意識問題的研究。著有《驚人的假說：靈魂的科學探索》和《狂熱的追求：對科學發(fā)現(xiàn)的個人見解》等。

詹姆斯·沃森簡介

詹姆斯·沃森（James Watson，1928-），美國生物學家。早年在芝加哥大學、印第安納大學學習。1953年和弗朗西斯·克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。1962年與克里克、莫里斯·威爾金斯三人獲得諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。他還是人類基因組計劃的倡導者和主持人。著有《基因的分子生物學》《DNA：生命的秘密》和《雙螺旋：發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)的個人經(jīng)歷》等。

沃森和克里克童年趣事

沃森小時候異常聰明好學，他有一個口頭禪是“為什么？”，大人們簡單的回答常常不能滿足他的要求。他通過閱讀《世界年鑒》記住了大量的知識，因此在參加的一次廣播節(jié)目比賽中獲得了“天才兒童”的稱號，并贏得100美元的獎勵。

沃森用這筆錢買了一個雙筒望遠鏡，專門用來觀鳥，這也是他和父親的共同愛好。他曾經(jīng)的理想，是能夠成為一名自然歷史博物館中鳥類館的館長。

克里克小時候的家庭條件不錯，但父母都沒有什么科學基礎(chǔ)，他對于周圍世界的知識，是從父母給他買的一套兒童百科全書獲得的。這一系列出版物在每一期中都包括藝術(shù)、科學、歷史、神話和文學等方面的內(nèi)容，并且十分有趣，克里克最感興趣的是科學。他吸取了各種知識，并為知道了超出日常經(jīng)驗、出乎意料的答案而洋洋得意，自認為是一塊做科學家的料。

“能夠發(fā)現(xiàn)自然的奧秘是多么了不起??！我一定要成為一名科學家！”克里克常常想。可是，漸漸地憂慮也縈繞在他心頭：雖然未來看起來還很遙遠，但等到我長大后，會不會所有的東西都已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)了呢？少年克里克把他的這種擔心告訴了母親，一向看好他并深信他才能超群的母親向他保證說：“別擔心！寶貝兒，還會剩下許多東西等著你去發(fā)現(xiàn)呢！”