DNA双螺旋结构的发现与生物学意义

说到生物学历史上的重要发现，那就不可能不提到DNA的双螺旋结构。就像所有的发现、发明都十分具有戏剧性一样，DNA双螺旋结构的发现也不例外。

DNA双螺旋结构的发现过程暴露出了人性自私的一面，诺贝尔奖得主和相关人士出版的许多书籍都有提及。在本节中，我将为大家介绍DNA双螺旋结构发现前的一些故事，以及双螺旋结构的生物学意义。

分子生物学是从生物化学和生物物理学延伸出来的学科，是以物理学家为核心发展起来的。到了20世纪中期，分子生物学家开始关注DNA这种能够解释遗传现象的重要物质。在前文提到的薛定谔所著的《生命是什么》（1944年）的出版，也推动了分子生物学家们用物理学和化学的规律来理解生物学。

詹姆斯·沃森通过该书的盛赞了解到了德尔布吕克的“噬菌体团队”，而来到了印第安纳大学的卢里亚研究室。对，他正是确定了DNA分子结构的两人之一。沃森是卢里亚指导的第一批学生。他年仅22岁就于1950年取得了博士学位，经由欧洲大陆来到了英国，加入了剑桥大学的卡文迪许实验室。

在这里，他与确定DNA分子结构的另一人——弗朗西斯·克里克命运般地相遇了。沃森隶属于生物系，主要研究噬菌体遗传学；克里克则是理论物理学出身，在“二战”后转而研究生物学。

两人都被《生命是什么》所打动。野心勃勃的两个人当时还算不得什么人物。恐怕就连他们自己都没有想到，短短数年之后，他们就能够震撼全世界。沃森从还在美国的时候起，满脑子想的就只有DNA，但包括克里克在内，卡文迪许实验室的其他成员却并非如此（虽然都认为“DNA应该很重要吧”）。导致这种情况的最主要的原因，就在于这出大戏的第三位主人公——莫里斯·威尔金斯。威尔金斯也和沃森、克里克两人一起获得了诺贝尔奖。

英国国内DNA结构分析方面的权威，其实是伦敦大学国王学院的威尔金斯。当时的氛围可容不得其他什么人随便涉足这个领域。

在卡文迪许实验室，沃森身边的人都以蛋白质结构分析为中心课题。想要理解生命现象，对蛋白质的研究是不可或缺的。应该说，当时更多的研究者都认为，DNA是蛋白质的配角。无论如何，生物分子的结构都与其功能有紧密的联系，这是研究人员的共识。在确定分子结构时所必需的技术，就是通过X射线衍射进行分子结构分析。接下来，将为大家简要介绍一下X射线衍射实验。

用X射线（也称“伽马射线^[1]”）拍摄X光片，能够穿透身体，拍到骨骼和部分内脏。这一点想必各位读者也都了解。

原因是X射线的波长比可见光（红色到紫色，也就是彩虹的七种颜色）更短，短到能够穿透分子之间的缝隙，所以能够拍出穿透身体的X光片。可见光接触到分子后会被吸收、散射、反射（这就是眼睛所看到的“颜色”）。X光片透过身体后，就能够照出体内的形态。

因为X射线也会被较重的原子（电子密度高的原子）弹飞。当X射线直接穿透人体时，显示的图像就是透明的，但当它击中骨头这种金属（钙）元素含量较多的器官时，就会沿着X射线的轨道被反弹，形成阴影。

也就是说X光片是利用X射线完成的皮影戏（医院会将图像黑白翻转）。根据人体组织内所含原子的不同，X射线被反弹的情况，也就是穿透率也会不同。

利用这一原理所发明的物质结构分析技术就是X射线衍射。X光片只是粗略地拍摄大件物体，不过原理上是利用原子的电子密度来改变X射线的轨道。

也就是说，在分子级的小范围内，只要拍下X射线是如何散射的，就能够预测出构成分子的原子是如何分布的。更准确地说，是拍摄当X射线穿过原子之间的缝隙时，衍射的X射线是如何相互干涉的（斑点）。如果晶体结构很有规律，那么斑点的形态也会很有规律。

从斑点的分布规律来倒推，就能够复原原子的立体分布（分子结构）。进入20世纪之后，这种技术广为流传。到了第二次世界大战前后，研究的对象就已经从无机物转向了有机物和生物分子（尤其是蛋白质）。

让我们回到1950年的英国。伦敦大学的威尔金斯想要利用X射线衍射来确定DNA的结构，但是实验的进展并不顺利（因为X射线衍射实验难度很高）。沃森原本更想加入威尔金斯门下，而不是卡文迪许实验室，但在那之前不久，他在意大利的罗马举办的学会上遇到过威尔金斯，对他印象很差，于是便放弃了。

其实，威尔金斯也是研究物理学出身。在战时曾参加过曼哈顿计划，研究过核弹，在战后转而研究生物学。威尔金斯也被《生命是什么》打动，对光学颇有研究的他，接手了一项观察活的动植物细胞中的DNA的项目，作为研究的一部分，他试图通过X射线衍射来确定DNA的结构。

这也就是说，威尔金斯是出于生物物理学的研究角度对DNA感兴趣，他并不像沃森那样对以噬菌体研究为代表的遗传学十分了解。他并非刻意忽略沃森。面对和自己兴趣不同还爱指手画脚的毛头小子，他没什么热情态度也是没法子的事。

失落的沃森选择了剑桥大学，作为自己在伦敦大学之外可以研究生物分子X射线衍射的地方。失意的他却在这里结识了克里克。命运有时真是令人难以捉摸。

诺贝尔奖（发现DNA双螺旋结构）的三位得主都已经登场，接下来我将为大家介绍第四位主角。她就是本节的一抹亮色，也是最为关键的人物：罗莎琳德·富兰克林。

富兰克林去世时年仅37岁，遭受了许多误解和偏见。尤其是在她去世后，沃森的著作《双螺旋》更进一步加深了人们对这位女性研究者的偏见。直到21世纪，有人为她出版了一部详细的传记，才为她抹去了在人们心中的错误印象。

富兰克林是生于英国的犹太人，1950年，她结束了法国的留学，来到了威尔金斯所在的伦敦大学。她原本是受聘于威尔金斯的上司约翰·蓝道尔，但矛盾的种子从一开始就已经埋下。

蓝道尔也是一位战后从物理学转而研究生物学的研究者。他很擅长操作项目，也很懂怎么从国家拿到项目预算，但在研究室的管理上却算不得公平公正，为人颇有些像一名政客。虽然不撒谎骗人，但他却喜欢把消息全部掌握在自己手中，让研究室的工作人员按自己的心意办事。

威尔金斯有些洁癖，在研究上是蓝道尔的左右手，但他却并不怎么喜欢自己的上司。而蓝道尔一手管着机构运营，同时又喜欢亲自做实验（但因为过于繁忙，在时间上很难办到）。

在这种情况下，蓝道尔便雇用了富兰克林，以取代不听指挥的威尔金斯，来为自己感兴趣的研究服务。这个研究，正是通过X射线衍射分析DNA的分子结构。当然，这也是威尔金斯曾负责的研究之一。

蓝道尔告诉威尔金斯，自己“为了确定DNA的分子结构，雇用了一位X射线衍射的专家”，同时告诉富兰克林，“你就专门负责研究DNA的分子结构。之前负责这个项目的威尔金斯还有别的工作要做，没关系”。

威尔金斯因为休假而缺席了富兰克林赴任伦敦大学之后的研究会议。蓝道尔失算的地方在于，富兰克林不听从自己的指挥，而且是一个比旁人更加自傲且拥有与之相符的出众能力的研究者。富兰克林在法国留学期间因分析碳分子结构而声名鹊起，是利用X射线衍射分析晶体结构的专家。蓝道尔的如意算盘全打错了，为之后留下了隐患。

果不其然，威尔金斯休假回来之后和富兰克林大吵了一架。威尔金斯以为自己多了个助手，但在富兰克林看来，自己却是一个独立项目的负责人。

富兰克林的不幸中也有时代的因素。当时人们对女性的独立还有偏见，女性研究者更是少之又少。富兰克林摆出了作为独立研究者的姿态，面对干涉自己所负责的研究且态度近乎侮辱的男性研究者们，采取过于感性的应对措施，也是很可以理解的。说是大吵了一架，其实是威尔金斯面对态度坚决的富兰克林，因为自己的研究莫名被转交而感到迷惑不已。

富兰克林只不过是尽力保护自己的研究而已。但沃森却在自己的著作《双螺旋》中，为了把此事描绘得更加可笑，用带有偏见的男性视角称，“富兰克林为人封闭，眼界狭隘，只知道守着自己的数据，结果错失了双螺旋，是个‘Dark Lady’（性格阴暗的女人）”，将这种极为不礼貌的偏见传播给了世人。

最终，蓝道尔也没有从中恰当地协调，富兰克林在研究室待了两年左右之后就离开了。然而，她在此期间所记录下来的宝贵数据，最终揭开了DNA的双螺旋结构。尤其是后来被称作“51号”的DNA X光片，更是起到了决定性的作用。

富兰克林的实验笔记在几年之后公开了，克里克看到之后称，当时富兰克林距离正确答案只差两步之遥。他还说，如果他是富兰克林的话，能够在三个月之内走完这两步。

富兰克林发现了DNA分子的结晶因为含水量不同而可以分为A型（干燥）和B型（湿润）两种，两者在结构上有所不同。富兰克林已经确认，B型DNA呈双螺旋结构。

这一点在她拍摄的日后被称作“51号”的X光片中也很明显。而A型DNA因为含水量少，原子排列密集，X射线的散射情况复杂，分析起来比较困难。它可能不只是双螺旋，有可能是三重螺旋、四重螺旋，甚至可能不是螺旋构造（富兰克林还怀疑过螺旋结构是可分解的）。

当然，因为细胞内充满水分，因此只有B型DNA具有生物学意义，但当时的人们还完全不清楚这一点。富兰克林通过X射线衍射发现了加热会让碳分子产生晶体层面的不同（就像是铅笔芯和钻石之间的区别），她会纠结于DNA分子晶体的差异也是很自然的。因为她并不是一位纯粹的生物学家，而是一位分析晶体结构的专家。(www.xing528.com)

导致富兰克林决定离开研究室的，可能不只是被孤立这件事。她的研究笔记似乎也被人偷看了。在意识到富兰克林不会任自己摆布之后，蓝道尔就没有帮过她。而威尔金斯也认为富兰克林抢走了自己的工作（虽然只是一部分），而不与她来往。哪怕能够随意使用研究设备，但研究数据都会被人偷看的环境，可以说是再糟糕不过的了。富兰克林的怀疑，对她的精神健康也是不利的。留下未确定的A型DNA结构虽然并非她的本意，可富兰克林还是向蓝道尔汇报了所有与B型DNA相关研究数据，之后便离开了研究室。

问题出现在这之后。

沃森和克里克，此时正埋头于搭建球棍式的分子模型。两人试图通过当时已经存在的种种假说和自己的直觉，使用物理化学的方法来推断出DNA分子中原子的结构。

作为基础的假说如果都错了，自然只能得到错误的结果。两人公布的早期模型也确实因为一些低级错误遭到了其他研究者的嘲笑。而按照富兰克林的做法，在实验数据收集完整之前，她是不会下结论的。

与其说哪种方法更好，不如说这只是方法论上的差异，一般而言，在单人研究中也可能同时出现这两种推动研究的方法。但在沃森和克里克两人身上，还有着“研究灵感来自他人的非公开数据”这一伦理问题。

制作出DNA的双螺旋结构分子模型的灵感，仅凭查戈夫法则（核碱基的A和T、G和C的数量总是相当的）和卡斯佩森的发现（DNA是以“核碱基＋磷酸＋脱氧核糖”为单位的高分子化合物）是不够的，还必须有富兰克林拍摄的、被称作“51号”的B型DNA的X光片及其分析数据才行。

51号X光片，是威尔金斯展示给沃森的。威尔金斯并没有把照片交给沃森，但那完美的分子形态，懂行的人一看就知道，正是双螺旋结构。威尔金斯能够拿到51号X光片，是获得了富兰克林许可的。

这是威尔金斯从决心离开研究所的富兰克林手中继承下来的资料之一，通过富兰克林所指导的研究生转交而来。然而，这明明并非自己所取得的数据，却将其轻易地展示给既是朋友又是对手的人看，威尔金斯的举动过于轻率了（威尔金斯后来也对此表示反省）。

不过，光是知道了“双螺旋”这一点，还无法决定DNA的分子模型。富兰克林的研究数据，还被刊登在了蓝道尔研究室的中期年报上。

当然，年报并不是什么机密材料，不过因为其中会登有论文或是学会上的未公开数据，因此在机构内是应当保密的。可是，克里克的上司，因为拥有分配机构预算的权力，而看到了蓝道尔研究室的中期年报。

就这样，富兰克林的数据经由上司之手传到了克里克手中。凭借着沃森看到的51号X光片和克里克得到的数据，两人以富兰克林的实验结果为基础，搭建起了DNA模型。

而为了保全两人的名声，还需要加上原创性的想法。他俩根据自己的灵感来源，汇总出了如下三个答案：

首先，DNA呈梯子扭转后的双螺旋结构（51号X光片）。其次，脱氧核糖和磷酸交替相连，形成一条长链，组成螺旋结构（卡斯佩森的发现），因为分子结构导致链条有3'端和5'端的方向之分，DNA的两条链方向相反（由富兰克林的数据得出的独创结论。用两个箭头来比喻的话就是呈“↑↓”状）。再次，核碱基向螺旋结构的内侧突出，A和T、G和C可逆地结合起来，让两条链连成梯状（从查戈夫法则得出的两人的独创结论，被称作“碱基对”）。

此外，例如螺旋结构的角度、分子间的距离等结论，一般认为都参考了富兰克林的数据。不过，克里克也著有论文，其中出现了可利用X射线衍射法倒推出螺旋结构的算式，他应该的确证明了自己和沃森的模型的正确性。

这一分子模型最优秀的地方就在于，能够解释DNA的复制。通过A和T、G和C相连的DNA双链，能够像拉链一样被分为单链。A和T、G和C如果必然（且可逆地）结合，那么通过两条单独的DNA链条，应该能够复原出两个双螺旋结构。

这个假设其实是完全正确的。这意味着传递生物性状的遗传物质DNA，是一种结构巧妙、能够复制的分子。换言之，DNA正是能够解释遗传现象的物质，是证明生命是由物质构成的分子。凭借揭示了DNA的生物学意义，沃森和克里克于1962年获得了诺贝尔奖。

沃森和克里克急忙将自己的发现写成论文，以通信形式向如今也依旧权威的科学杂志《自然》投稿。或许是因为实在过意不去，他们在投稿前告知威尔金斯此事，向他提议是否要在论文中联合署名。

威尔金斯却回绝了他们，并提出自己也会出一篇关于DNA结构的论文，希望他们给自己一些时间，以便两篇论文能够同时刊登在《自然》上。在这时，威尔金斯联络了富兰克林和她的学生，通知她们论文已经写好了。这就是那篇刊登了B型DNA的51号X光片的通信。

◆DNA双螺旋结构图

DNA的糖是由5个碳原子（C）和1个氧原子（O）组成的环形结构（虚线内）。碱基链接的碳原子是1'位，碳原子的位置沿顺时针方向决定。DNA链是由3'位和5'位的碳原子和磷酸结合连成一条长链的。

蓝道尔气得昏了头，两个毛头小子竟敢打破绅士协议，夺走DNA研究的美名。如果自己的研究室不拿出一篇关于DNA的研究，作为全英国最大的生物物理学研究所的创始人可太丢人了。蓝道尔向《自然》编辑部的熟人解释了来龙去脉，最终让威尔金斯和富兰克林的两篇论文，以及沃森和克里克的论文，总共三篇通信文章一并刊登在《自然》上。现在，研究主题相同的文章如果同时投稿，杂志也会采取相似的版面结构，这种刊登方式本身并没有什么特别。

在刊登顺序上，第一篇是沃森和克里克的论文，提出了DNA双螺旋结构的理论模型；第二篇是威尔金斯的论文，提示出生物可能普遍具有DNA双螺旋结构（刊登了与富兰克林不同的X射线衍射照片）；第三篇是富兰克林的论文，揭示了B型DNA的双螺旋结构（刊登了那张51号照片）。

因为是同时刊登，三篇论文之间的表述有所调整。对DNA双螺旋结构的发现，贡献最大的本应是富兰克林，但在沃森和克里克论文的结尾，用极为拐弯抹角的方式，表示自己参考了威尔金斯和富兰克林的非公开数据，但并未致谢（多年后，他们才承认没有富兰克林的非公开数据，是不可能建立起模型的）。

而在刊登的第三篇富兰克林的论文中，加上了一句话，表示自己的实验数据和前文刊登的沃森、克里克的想法并不矛盾。毕竟那是基于富兰克林的数据建立起的模型，没有矛盾也是自然的。但这却给人一种印象，仿佛沃森和克里克的想法，是先于富兰克林的数据产生的。周围的人都认为，富兰克林已经意识到自己的实验数据在未经许可的情况下被使用了（就连克里克也是这么想的）。

可是，就连和富兰克林一起写论文的学生都没有听她抱怨过这件事。蓝道尔虽然知道事情的大致经过，但完全没有为富兰克林说话，更别说为她出头了。蓝道尔甚至在论文刊登前一周还写信给富兰克林，称“你既然要离开实验室了，那以后就不准进行核酸研究，也不要再为我这里的学生指导论文了”。

富兰克林进入新环境（同在伦敦大学的伯贝克学院）后，精神上得到了极大的放松。她对蓝道尔的信一笑置之，在RNA病毒研究领域不断拿出了先驱成果，为一同开展实验的研究生指导论文，还完成了两份共同署名的论文。

真正的富兰克林，并不是“dark”（性格阴暗），其实是一个开朗、积极的人，对运动和旅行的热爱完全不输于研究。她厨艺很好，很会招待客人，也很关注流行时尚。

而病魔却袭击了富兰克林，她患上了卵巢肿瘤。据说有人认为，她早逝的原因是在实验中受到了X射线的辐射。不过卵巢肿瘤中也存在早发性（35岁以下）的病例，要说没有受到辐射的影响，没人敢如此断言，不过从流行病学的角度来说，目前并没有发现遭受辐射和卵巢肿瘤之间的关联。

在20世纪50年代，自然还有研究者遭受了比富兰克林更多的X射线辐射，但在研究者之间，并没有认为这会带来什么健康影响。当时也有安全指南，不过别说考虑健康问题了，研究人员们甚至还觉得安全指南会阻碍自己的研究呢（这种想法非常危险）。

在富兰克林去世4年之后（1962年），沃森、克里克和威尔金斯三人获得了诺贝尔奖。历史没有如果，但若是富兰克林还活着，也许就会取代三位获奖者中的某一位吧。

但以她的实力，凭借之后的病毒研究应该也能拿下诺贝尔奖。和富兰克林一起发现烟草花叶病毒结构的阿龙·克卢格于1982年获得了诺贝尔奖。

经历了种种人间大戏，DNA这种掌握生命关键的分子，一跃成了生物学研究的主流。

[1] 此处为原文错误，应为“伦琴射线”（Roentgen rays）。伦琴射线与伽马射线（γ射线）并不是同一种射线，其波长及产生原理均不相同。