发现双螺旋的英雄们

　　( 1962年，因为发现了DNA的分子结构及其在生物物质信息传递中的作用，英国生物学家克里克(Fra ncisCrick)、威尔金斯(MauriceWilkins)和美国生物学家沃森(JamesD.Watson) ，获得了诺贝尔生理医学奖。最近，生于1916年的克里克和威尔金斯相继逝世，生于1928年的沃森也垂垂老矣。

　　DNA双螺旋模型的发现，是20世纪最重大的科学发现之一，也是生物学历史上惟一可

与进化论相媲美的最重大的 发现，它与自然选择一起，标志着分子遗传学的诞生。这是许多人共同奋斗的结果，而克里克、威尔金斯和沃森，则是其中最 杰出的英雄。)

　　本报特约撰稿方舟子

　　20世纪40年代末50年代初，在DNA被确认为遗传物质之后，生物学家们面临着一个难题。DNA必须能够携 带遗传信息，自我复制、传递遗传信息，让遗传信息得到表达以控制细胞活动，能够突变并保留突变，这4点缺一不可。那么 ，DNA应该有什么样的结构才能担当起遗传的重任？如何建构DNA的分子模型以解释这一切？

　　“不务正业”研究DNA

　　当时，主要有3个实验室在同时研究DNA分子模型。第一个实验室是伦敦国王学院的威尔金斯、弗兰克林实验室。 他们用X射线衍射法研究DNA的晶体结构，根据得到的衍射图像，可以推测分子大致的结构和形状。第二个实验室是加州理 工学院大化学家鲍林的实验室。第三个是沃森和克里克的“不务正业”的研究小组。

　　23岁的遗传学家沃森于1951年从美国到剑桥大学做博士后时，他的课题是研究烟草花叶病毒，但他的真实意图 是要研究DNA分子结构。当时，年长他12岁的克里克正在做博士论文。沃森说服克里克一起研究DNA分子模型。他们从 1951年10月开始拼凑模型，终于在1953年3月获得了正确的模型。

　　这3个实验室之间的明争暗斗、互相竞争，由于沃森风靡全球的自传《双螺旋》而广为人知。沃森和克里克既不像威 尔金斯和弗兰克林那样拥有第一手的实验资料，又不像鲍林那样拥有建构分子模型的丰富经验(他们是第一次建构分子模型) ，为什么能在这场竞赛中获胜？

　　坚信DNA就是遗传物质

　　在这些“参赛选手”中，除了沃森以外，其他人都不是遗传学家，而是物理学家或化学家。威尔金斯虽然在1950 年最早研究了DNA的晶体结构，却对DNA究竟在细胞中干什么一无所知，在1951年才觉得DNA可能参与了核蛋白控 制的遗传。弗兰克林也不了解DNA在细胞中的重要性。鲍林研究DNA分子纯属偶然。1951年11月，他在《美国化学 学会杂志》上看到一篇核酸结构的论文，觉得荒唐可笑，为了反驳这篇论文而着手建立DNA分子模型。这两个研究小组完全 根据晶体衍射图建构模型，鲍林根据的甚至是上世纪30年代拍摄的模糊不清的衍射照片。不理解DNA的生物学功能，单纯 根据晶体衍射图，很难得出正确的模型。

　　沃森坚信DNA就是遗传物质。1951年他到剑桥后，发现克里克也是“知道DNA比蛋白质更为重要的人”。但 按克里克本人的说法，他当时对DNA所知不多，并不觉得它在遗传上比蛋白质更重要，只是认为DNA作为与核蛋白结合的 物质，值得研究，而确定一种未知分子的结构是个值得一试的课题。

　　数据如此之少

　　在确信了DNA是遗传物质之后，还必须理解遗传物质需要什么样的性质才能发挥基因的功能。

　　正是因为沃森和克里克坚信DNA是遗传物质，理解遗传物质应该有什么样的特性，才能根据非常少的数据，得到重 大的发现。

　　他们根据的数据仅有3条：第一条当时已广为人知，即：DNA由6种小分子组成：脱氧核糖、磷酸和4种碱基(A 、G、T、C)。这些小分子组成了4种核苷酸，这4种核苷酸组成了DNA。第二条数据在当时是最新的：弗兰克林得到的 衍射照片表明，DNA是由两条长链组成的双螺旋。第三条是最关键的：美国生物化学家查加夫测定了DNA的分子组成，发 现DNA中的4种碱基的含量并不是等量的；虽然4种碱基的含量不同，但A和T的含量总是相等，G和C的含量也相等。

　　查加夫早在1950年就发布了这个重要的发现，但奇怪的是，研究DNA分子结构的3个实验室都将它忽略了。甚 至在1951年春天查加夫亲访剑桥，与沃森和克里克见面后，沃森和克里克对这一发现也未重视。后来，沃森和克里克终于 意识到查加夫发现的重要性，并请剑桥的青年数学家约翰·格里菲斯计算出A吸引T、G吸引C，A+T的宽度与G+C的宽 度相等之后，很快就拼凑出了DNA分子的模型。

　　DNA分子模型发表

　　沃森和克里克在1953年4月25日的《自然》杂志上，以1000多字的短文和一幅插图公布了他们的发现。根 据他们的模型，DNA是由两条由脱氧核糖和磷酸交替组成的长链形成的双螺旋，每个脱氧核糖上都连着一个碱基；这两条长 链通过碱基之间的氢键结合在一起；碱基以A对T、G对C的原则配对。按照碱基配对的原则，一条链上的碱基顺序确定之后 ，另一条链上的碱基顺序便显而易见了。

　　在论文中，沃森和克里克以谦逊的笔调，暗示了这个结构模型在遗传上的重要性：“我们并非没有注意到，我们所推 测的特殊配对立即暗示了遗传物质的复制机理。”

　　在随后发表的论文中，沃森和克里克详细说明了DNA双螺旋模型对遗传学研究的重大意义：第一，它能够说明遗传 物质的自我复制。在复制时，DNA的双链拆开，成为两个模板，再根据碱基配对的原则，复制成两个与原来的DNA序列一 模一样的新分子。在这两个新DNA分子中，各有一条旧链和一条新合成的链。这个“半保留复制”的设想后来被麦赛尔逊和 斯塔勒用同位素追踪实验证实。第二，它能够说明遗传物质是如何携带遗传信息的。DNA上的碱基序列就是遗传信息，4种 碱基的排列组合可以携带无限多样的遗传信息。第三，它能够说明基因是如何突变的。基因突变是由于碱基序列发生了变化， 这样的变化可以通过复制而得到保留。

　　破解人类遗传的密码表

　　但是，这个模型无法解释遗传物质的第四个特征，即遗传信息得到表达以控制细胞活动。沃森和克里克当时也承认， 他们不知道DNA如何能“对细胞有高度特殊的作用”。

　　早在1952年，在提出DNA双螺旋模型之前，沃森就设想，遗传信息是由DNA传到RNA，再由RNA传到蛋 白质的。在1953年至1954年间，沃森进一步思考了这个问题。然而，这个过于离奇的设想被克里克否定了。克里克指 出，遗传信息仅仅体现在DNA的碱基序列上，DNA和RNA不可能直接充当连接氨基酸的模板，还需要一种连接物将碱基 序列和氨基酸连接起来。这个“连接物假说”很快就被实验证实了，“转运RNA”就是克里克猜想的连接物。

　　1958年，克里克提出了两个学说，奠定了分子遗传学的理论基础。第一个学说是“序列假说”，认为一段核酸的 特殊性完全由它的碱基序列决定。第二个学说是“中心法则”，认为遗传信息只能从核酸传递给核酸，或从核酸传递给蛋白质 ，而不能从蛋白质传递给蛋白质，或从蛋白质传回核酸。后来，沃森把“中心法则”更明确地表示为，遗传信息只能从DNA 传到RNA，再由RNA传到蛋白质。

　　克里克在破译遗传密码上也做出了重大贡献。1961年，克里克等人用遗传学的方法证明，蛋白质中1个氨基酸的 顺序是由3个碱基编码的(这称为1个密码子)。同年，美国分子遗传学家尼伦伯格和马特哈伊破解了第一个密码子。到19 66年，64个密码子被全部破解，人类从此有了破解遗传奥秘的密码表。

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