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1、DNA双螺旋结构发现记1953年 2月 28日，弗朗西斯克里克（Francis Crick）冲进英国剑桥大学校园内的老鹰酒吧（Eagle pub），大声向酒客们宣布：他和詹姆斯沃森（James Watson）“已经发现了生命的秘密”！这一场景是沃森的回忆，克里克的说法和他并不一致。不过，具体情况究竟如何并不要紧，重要的是事实他们确实发现了“生命的秘密”！ 多年以来，全世界的科学家都在积极研究脱氧核糖核酸（DNA）的分子结构。1953 年2月 28日这一天，克里克和沃森终于成功地找到了答案，他们建立了 DNA分子结构的三维模型。他们坚信，这样的分子结构可以充分说明 DNA是如何扮演遗传密码（ge
2、netic code）载体角色的，因此也可以证明 DNA的确是承担生物遗传使命、主导生物发育和进化的关键分子。 令人感慨的是，沃森和克里克当时并不是 DNA分子结构研究领域中最优秀的科学家（尽管他们很聪明），他们在该领域涉猎也并非最深的实际上，他们先前在该领域的研究成果几乎是一片空白。他们没有最先进的实验设备，他们甚至对生物化学了解不多。 尽管他们在当时激烈的研究竞争中胜出的机会非常渺茫，但他们最终成功了。半个世纪以来，他们的发现大大改变了科学、医药和现代生活的面貌，他们的发现对一切事物的全盘影响尚未完全显示出来。两位名不见经传的科学家怀着渺茫的希望，揭开了分子生物学（molecular bi
3、ology）最根本的谜团。这一传奇故事告诉我们：破解大自然的奥妙并不是只需要聪明的脑瓜和经过严格的科学训练，还需要灵活通达的想法、百折不挠的韧性以及相当的运气。 沃森在他的回忆录双螺旋（The Double Helix）中不经意地揭示了这一道理。这本回忆录在 1968年首次出版发行时引起轰动，成为当年的畅销书。尽管沃森在回忆录中用傲慢刻薄的文字描述了研究过程中的人和事，引起了很多争议，但他揭示的道理却放之四海皆准。 沃森于 1928年 4月 6日出生在美国芝加哥，从小就对鸟类非常感兴趣，曾经立志要当一名动物学家。16 岁那年，沃森进入芝加哥大学，就读于动物学系。他之所以能在 16岁时就上大学，
4、是因为当时芝加哥大学有吸纳优等生提早入学的办学方案，让优秀的高中生能提早进入学术殿堂。在芝加哥大学读书期间，沃森读到了大名鼎鼎的物理学家、量子物理学创始人薛定谔（Erwin Schrodinger）写的一本科普读物生命是什么？（What Is Life？）。这本书改变了沃森的一生。 在这本书中，薛定谔提出了一个重要的观点，即生命的基本特征就是能够储存和传递信息也就是说，遗传密码能够代代相传。薛定谔认为，遗传密码必须是由分子来“书写”的，因为只有这样才能将复杂而紧凑的信息装进小小的细胞中。 年轻的沃森被薛定谔的理论打动了，他决定从研究鸟类转向研究遗传学。1947 年，19岁的沃森从芝加哥大学毕业
5、，进入印第安纳大学研究病毒。病毒是地球上最简单的生命形式，因此人们可以非常容易地从病毒体内找到遗传密码。 当时，英国卫生部的科学家弗雷德格雷夫斯（Fred Griffith）和美国纽约洛克菲勒学院（Rockefeller Institute，洛克菲勒大学的前身）的科学家奥斯瓦尔德阿弗雷（Oswald Avery）先后对肺炎球菌做了一系列非常出色的实验，充分证明薛定谔所说的“遗传密码”是由 DNA承载的。生物学家将“承载遗传信息的最小单位”（smallest unit of genetic information）称为“基因”（gene），不过当时没有人知道“基因”到底什么样，年轻气盛的沃森因此
6、下决心要把答案找出来。 1950年，沃森从印第安纳大学毕业，获得博士学位。导师希望他能接受一些严格的生物化学训练，因此将他送往丹麦首都哥本哈根，跟随著名的生物化学家赫尔曼卡尔卡（Herman Kalckar）做博士后研究。然而这段博士后研究很快就结束了，沃森在他的回忆录双螺旋中刻薄地写道：“赫尔曼没有给我半点启发。”沃森认为更糟糕的是，卡尔卡的研究对他理解基因的结构不能产生立竿见影的效果。 不过，正是在这一段研究过程中，沃森有了不小的收获。1951 年春，沃森来到意大利那布勒斯参加学术会议，碰巧听了英国伦敦国王学院（Kings College）维尔金斯（Maurice Wilkins）教授的一
7、场演讲，受到了极大的启发。 维尔金斯在演讲中谈到，他采用 X射线衍射技术来分析 DNA的分子结构。所谓 X射线衍射技术，就是当 X射线照射到任何晶体上时，晶体颗粒都会将 X射线反射回来，在摄影底片上形成复杂的纹路，通过分析这些纹路，人们可以了解晶体的分子结构。由于某些生物分子（如 DNA）也是晶体，因此 X射线衍射技术在理论上也可以用来分析生物分子的结构。不过在实际操作中，用衍射技术探测 DNA的结构是极其困难的。维尔金斯获得的图片表明，DNA 的结构是有规则的晶体结构，遗传密码是以某种方式附着在这个结构上的。如果能够确切地描述这种结构，人们将能够更好地理解基因如何工作。听罢维尔金斯的演讲，沃
8、森大喜过望。很多科学家赞赏维尔金斯的研究思路，但不少科学家并不接受他的理论，沃森对维尔金斯的理论则深信不疑。他认识到，自己应该好好学习一下 X射线衍射技术。沃森本想跟随维尔金斯从事研究工作，却从来没有机会提出申请，于是他设法转到英国剑桥大学卡文迪什（Cavendish）实验室去。 1951年秋天，23 岁的沃森来到英国剑桥大学，师从布拉格爵士（Sir William Lawrence Bragg）。布拉格和他的父亲威廉爵士（Sir William）在 1912年到 1914年间发展了晶体X 射线衍射技术，在沃森到来时，布拉格爵士正领导两个实验室积极进行蛋白质晶体 X射线衍射研究。 沃森正是在卡
9、文迪什实验室初次见到了 35岁的克里克。像维尔金斯一样，克里克也是从物理学研究领域转向生物学研究的。像维尔金斯和沃森一样，克里克也深受薛定谔生命是什么？一书的触动。不过克里克一开始并不是研究 DNA的，第二次世界大战期间他曾在军中服役，因为某些过失而退伍，战后则进入卡文迪什实验室攻读博士学位，课题是用 X射线衍射技术研究血色素（血液中携带铁离子的蛋白质）。沃森在这里做的课题则是用 X射线衍射技术研究肌血球素（一种蛋白质）的分子结构。 尽管沃森和克里克手头都有正式的研究课题，但两人对探索基因的奥秘有极大的热忱，他们认为，弄清楚 DNA的结构有助于了解基因，因此决定展开合作。沃森在回忆录双螺旋中写
10、道：“有我在实验室里成天念叨着基因，弗朗西斯再也不可能不去想 DNA的事情了。如果他愿意每周花几个小时的时间陪我思考 DNA，帮我解决一个极其热门的大难题，其他人也不用觉得奇怪。” 事实证明，这两人真是绝代双骄，双方合作得好极了。克里克在他的回忆录狂热的追求（What Mad Pursuit）中写道：“吉姆和我一拍即合，立即开工。我认为，这部分是因为我们的兴趣惊人地相似，部分是因为我们年轻气盛，对别人那些稀里糊涂的想法决不苟且忍让。”克里克的确年轻气盛，他在卡文迪什实验室不止一次地抨击导师们的馊主意，给自己惹了不少麻烦。 沃森和克里克经常在一起高谈阔论，在康河（river Cam）岸边的小路上
11、，在克里克的客厅里，在老鹰酒吧，在实验室，他们通常一谈就是几个小时。实验室的同事们都快被他们滔滔不绝的高谈阔论逼疯了，最后沃森和克里克不得不搬进一间单独的办公室，再也不用去烦别人了。最重要的是，这两人都像好斗的公牛一样坚定执着，一旦选定研究目标，不弄个水落石出决不肯善罢甘休或者，除非有人抢先弄明白了 DNA的结构。 被沃森和克里克视为最大的竞争对手的，是美国科学家林纳斯保林（Linus Pauling）。对于现在的年轻读者来说，他们知道的保林只是一个反战积极分子，一个几近疯狂地鼓吹服用维生素 C的怪人（保林认为维生素 C是预防感冒和癌症的灵丹妙药）。然而在 20世纪中叶，保林是当时世界上最优秀
12、的物理化学家（1954 年获诺贝尔化学奖，1964年获诺贝尔和平奖，是全世界极少有的两次获诺贝尔奖的学者之一，而在两个方面获奖的仅有他一个人，被誉为“生物化学之父”）。在沃森来到剑桥的几个月前，保林在研究角质素（形成毛发和指甲的蛋白质）分子结构的竞争中击败了卡文迪什实验室。 保林在研究分子结构的过程中也采用了晶体X 射线衍射技术，但他主要依靠的是自己在物理化学方面精深的学识，根据图谱和原子之间可能的结合方式亲手搭建分子模型。卡文迪什实验室的科学家主要依靠 X射线衍射技术，他们不得不经常向化学系的同事们咨询原子的结合情况，因此在与保林的竞争中几乎必然处于毫无希望的劣势。 保林的成功使卡文迪什实验
13、室备感羞辱。布拉格爵士可能会说，被保林击败“是我科学生涯中最大的失误”。克里克和沃森明白，相同的遭遇完全有可能再次发生。保林当然知道，研究 DNA结构是下一个大的挑战，一旦他将自己聪明的头脑转向这个问题，他是有可能攻克难关的。沃森在回忆录中写道：“我来剑桥几天后，就和弗朗西斯达成了共识：我们应该模仿保林的做法，以其人之道还治其人之身。” 为此，沃森和克里克必须尽快用 X射线衍射技术研究 DNA。不过，他们只能求助于剑桥大学以外的科研机构了，卡文迪什实验室专注于研究蛋白质，伦敦的国王学院才是研究DNA的重镇。与美国科学家积极展开竞争是很好的，但猎取英国科学家的科研成果就不太好了。幸运的是，克里克
14、与国王学院的维尔金斯关系很好正是维尔金斯的衍射图谱开启了沃森的思路。不幸的是，维尔金斯和自己的同事成就非凡可浑身长刺的罗莎林德弗兰克林（Rosalind Franklin）关系糟透了。当时，弗兰克林年仅 31岁，但她已是世界上最有资质的 X射线衍射图谱专家。弗兰克林曾经在法国巴黎一个声名显赫的实验室工作过，最近才回到英国，在国王学院从事研究工作。 弗兰克林深深地相信，实验数据才是最重要的。在她看来，保林依靠搭建精巧的模型获得成功不过是运气罢了。她坚持认为，了解 DNA结构的最好办法是首先获得高质量的 X射线衍射图谱，然后对图谱进行分析。沃森在回忆录中总结了弗兰克林的想法：“只有像保林这样的天才
15、建立的模型才能够既像 10岁娃娃一样玩耍，同时又能找到正确答案。” 维尔金斯做了一件错事，他公开宣布，弗兰克林的衍射图谱表明 DNA结构是螺旋状的。弗兰克林气坏了，她认为维尔金斯根本没有资格来谈什么 DNAX射线衍射，因为她相信只有自己才是国王学院里对这一专题惟一有发言权的人物。 维尔金斯和弗兰克林虽然同在一个实验室，但他们几乎不会交谈。为了弄清楚弗兰克林到底在做什么，维尔金斯不得不参加她于 1951年 11月主办的一个研讨会，因此他邀请沃森一同前往。克里克对 DNA研究的兴趣众所周知，由于担心会引起别人的警惕，他没有参加那次研讨会。 维尔金斯事先警告过沃森，说弗兰克林很难相处。从沃森个人的角
16、度来说，像其他的年轻小伙子一样，他当时对女人也充满了热望。不过，沃森喜欢的是“小宝贝”（popsies），即年轻、漂亮但没脑子的女人，像弗兰克林这样强悍又独立的女性只会让他感到头疼。沃森在回忆录中用尖酸刻薄的语言描绘了弗兰克林： “在个人品位的选择上，她并不强调自己的女性气质。尽管个性很强悍，她并非没有一点迷人之处。如果她的穿着不那么刺眼，也许她能迷倒一大片人。可她不是这样。她从来不抹口红，这使她又黑又直的长发显得单调。尽管已经是 31岁的人了，她打扮起来跟英国的高中女生没什么两样。” 沃森在回忆录中直呼弗兰克林的小名“罗希”（Rosy），而弗兰克林非常痛恨别人这样称呼她。正因为如此，像孩子般顽皮的竞争对手偏要这样称呼她。沃森在回忆录中这样评价弗兰克林的工作情况：“很显然，罗希最好是离开国王学院，或者摆正自己的位置。离开当然是最受人欢迎的选择，因为她个性好斗，这会使维尔金斯很难坐稳自己的领导位置，很难不受干扰地进行 DNA研究工作。” 不过在当年的情况下，沃森和维尔金斯都被
