DNA結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)之旅

一本著作的非凡威力

1953年4月2日，生物學(xué)家沃森和克里克聯(lián)名向《自然》雜志投去了一篇附有插圖的千字論文，這篇題為《核酸的分子結(jié)構(gòu)——脫氧核糖核酸的一個結(jié)構(gòu)模型》的論文，于當(dāng)月25日發(fā)表。這是人類首次揭示DNA結(jié)構(gòu)的大發(fā)現(xiàn)，也由此拉開了分子生物學(xué)研究的序幕。這篇名垂青史的論文，讓沃森和克里克一舉奪得1962年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

其實，沃森和克里克也曾受到他人指點。他們的第一位老師是奧地利物理學(xué)家薛定諤。

提起薛定諤，就不得不說“薛定諤的貓”。在密閉的盒子中，有放射性粒子、毒氣裝置和貓，一定時間后，放射性粒子可能衰變，而毒氣裝置能探測到這次衰變并釋放毒氣將貓毒死。若不打開盒子，里面的情形就無法被外界探測，貓就處于死與活的疊加態(tài)。一旦打開盒子，貓是死是活便一目了然。薛定諤用這一假設(shè)巧妙地解釋了量子力學(xué)的觀點：人不觀測時，物質(zhì)的微觀世界處于粒子和波的疊加態(tài)；一旦觀測，它就呈現(xiàn)粒子特性。

然而，薛定諤的貢獻不限于此。1944年，他在《生命是什么》一書中以熱力學(xué)和量子力學(xué)原理解釋生命的本質(zhì)，借用非周期性晶體、負熵、遺傳密碼、量子躍遷等概念闡述了有機體物質(zhì)結(jié)構(gòu)、生命的維持與延續(xù)、遺傳與變異等內(nèi)容。

沃森和克里克讀了這本書后深受啟發(fā)，認為生命的本質(zhì)就是遺傳密碼決定生命的存在和繁衍。

沃森原本攻讀動物學(xué)專業(yè)，閱讀了《生命是什么》后，他轉(zhuǎn)向分子生物學(xué)領(lǐng)域。后來，他在《雙螺旋》一書中說，《生命是什么》提出了一個非常鮮明的觀點：基因是細胞的核心部分，要懂得什么是生命，就必須弄清基因如何發(fā)揮作用。

克里克早年在倫敦大學(xué)攻讀物理學(xué)，他從《生命是什么》中獲得啟發(fā)：可用精確的物理學(xué)概念來理解生物學(xué)的根本問題。于是，他也由此轉(zhuǎn)而學(xué)習(xí)生物學(xué)，并在英國著名的卡文迪許實驗室攻讀博士學(xué)位。

合理取舍他人的成果

研究生命的現(xiàn)象和本質(zhì)，必須弄清DNA是什么，結(jié)構(gòu)如何，有何作用。1949年，沃森前往卡文迪許實驗室進修，與克里克相遇，開啟了他們一生中最輝煌的篇章。

二人首先組建了專門的實驗室，一起潛心研究DNA結(jié)構(gòu)。他們先提出假設(shè)，再以實驗驗證，在反復(fù)試錯中有了初步發(fā)現(xiàn)：DNA結(jié)構(gòu)既不是環(huán)狀的，又不是球狀的，也不是立體網(wǎng)狀的，更不是鏈狀的，極可能是由兩條長鏈構(gòu)成的網(wǎng)帶，如同梯子一樣。

與此同時，美國生物學(xué)家鮑林通過搭建分子模型，在DNA結(jié)構(gòu)研究方面取得了突破。1952年，他發(fā)表了一篇研究報告，指出DNA是由三根鏈條組成的螺旋狀結(jié)構(gòu)，有點像麻花，但這種構(gòu)型在有機體中非常罕見。這一新奇說法立即引起了生物學(xué)家的廣泛關(guān)注。

當(dāng)時，沃森和克里克資歷尚淺，缺乏經(jīng)驗，但他們時刻關(guān)注著遺傳領(lǐng)域的研究進展。鮑林的觀點讓他們眼前一亮，但同時他們也質(zhì)疑“三根鏈條”是否合理。沃森與克里克的懷疑不無道理，鮑林的DNA三螺旋結(jié)構(gòu)假設(shè)并未得到生物界認可。不久后，沃森發(fā)現(xiàn)鮑林的計算有誤，因此他斷定DNA三螺旋結(jié)構(gòu)假設(shè)必然是錯的。

沃森與克里克根據(jù)自己和他人的研究成果大膽猜測：“2”這個數(shù)字對生命來說很微妙，許多動物的肢體、器官和組織都是成雙成對的，并且十分對稱，也許生物分子的微觀世界也是這樣的。于是，他們搭建分子模型繼續(xù)探索，并向知名學(xué)者威爾金斯和富蘭克林求助，獲得了利用特殊技術(shù)拍攝的DNA照片。通過認真分析，他們斷定，DNA是由一對核苷酸長鏈圍繞共同的中心軸盤繞而成的，類似兩根互相纏繞的膠皮電線。

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沃森和克里克對DNA結(jié)構(gòu)的正確認識，很大程度上得益于威爾金斯和富蘭克林的貢獻，也就是前面提到的用特殊技術(shù)拍攝的DNA照片。

在一次學(xué)術(shù)會議上，威爾金斯得到了一份DNA樣本，并將其帶回實驗室研究。通過研究，他發(fā)現(xiàn)在干燥環(huán)境中DNA樣本呈現(xiàn)細小的針簇狀，受潮時則變成黏膠狀。于是，他把潮濕的DNA樣本涂在玻璃薄片上，用顯微鏡觀察它吸收紫外線的情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)DNA并不能保持片狀，而是變成了纖維狀。這情形讓威爾金斯靈感頓生——DNA的分子排列可能有一定規(guī)則。當(dāng)時，他只有一部普通的X光衍射相機，主要用于研究比DNA大得多的單晶材料。于是，他和助手富蘭克林立即改造相機，以期拍出清晰的DNA照片。

他們把氫氣充入相機，去掉里面的雜質(zhì)，再把DNA樣品放進潮濕的透明容器里，射入X光后拍照，經(jīng)過反復(fù)實驗，終于獲得了清晰的DNA衍射照片。

1951年，威爾金斯帶著這張照片到意大利參加學(xué)術(shù)會議，沃森在會議上與他相識，并詳細觀察了這張照片，從中得到啟示。1953年，沃森再次觀察威爾金斯和富蘭克林拍的DNA衍射照片，當(dāng)看到X光在相機底片留下的與眾不同的花紋時，他腦海中閃過兩根由糖和磷酸構(gòu)成的長鏈互相纏繞的情景，便精準推斷出了DNA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

DNA微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，讓人們得以認識遺傳物質(zhì)的構(gòu)成、復(fù)制、傳遞原理，遺傳學(xué)研究水平由此提升到分子層面，分子生物學(xué)時代也由此開啟。因此，這一生物學(xué)成就，與相對論和量子力學(xué)一起，被譽為“20世紀自然科學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)”。