發(fā) 現(xiàn) 的 前 夜

   20世紀(jì)上半葉的幾十年，幾代科學(xué)家不懈的努力終于將遺傳物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)確定為DNA。在此基礎(chǔ)上，玻爾（N. Bohr）、德爾布呂克（M. Delbrück）、薛定諤（E. Schr?觟dinger）等一批物理學(xué)家的適時(shí)加入，將物理學(xué)的新觀點(diǎn)、思維方式和研究手段引入遺傳學(xué)研究，深深影響著整整一代戰(zhàn)后的青年科學(xué)家，包括沃森和克里克。

   克里克是一個(gè)深受薛定諤思想影響的物理學(xué)家，戰(zhàn)后從物理學(xué)轉(zhuǎn)入生物學(xué)研究。他認(rèn)為，運(yùn)用物理學(xué)和化學(xué)的科學(xué)概念和精確的術(shù)語重新思考生物學(xué)的基本問題，是會有成果的。他思考問題敏銳深刻，不停頓地思考與評論是他最大的嗜好。沃森說：“他掌握別人的資料，并使之條理化的速度之快，令人倒吸一口冷氣。”也正因?yàn)檫@一點(diǎn)，在克里克的周圍聚集了一批沃森這樣的優(yōu)秀青年科學(xué)家。1951年，23歲的沃森來到英國劍橋著名的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，在那里遇到了大他12歲的克里克，開始了現(xiàn)代生物學(xué)史上最動人心弦的合作。

   沃森和克里克決定一起揭示DNA分子結(jié)構(gòu)后，立刻確定目標(biāo)：提出一個(gè)結(jié)構(gòu)模型，它既要能解釋X射線衍射分析的圖像，又要能闡明基因自體催化（復(fù)制）和異體催化（編碼蛋白質(zhì)）等生物學(xué)性質(zhì)。

   那當(dāng)時(shí)有關(guān)DNA結(jié)構(gòu)的知識是怎樣的呢？從物理學(xué)性質(zhì)講：根據(jù)阿斯特伯里（W. Astbury）等人的X射線衍射分析資料，DNA是由許多亞單位疊合在一起組成的，疊層間距是0.34納米；DNA是一個(gè)長鏈分子，在整個(gè)分子線性結(jié)構(gòu)中，分子的直徑是衡定的。

   從化學(xué)性質(zhì)講：DNA含有4種堿基，即兩種嘌呤（A和G）和兩種嘧啶（C和T），以及脫氧核糖和磷酸根。一個(gè)堿基、一個(gè)糖分子和一個(gè)磷酸根組成一個(gè)結(jié)構(gòu)單位，叫核苷酸。核苷酸之間經(jīng)磷酸酯鍵相連，組成分子的骨架結(jié)構(gòu)。

   影響重大的四件事情

   他們面臨的第一個(gè)問題是如何設(shè)想DNA分子中核苷酸的排列和連接，使之保證DNA大分子內(nèi)部的幾何協(xié)調(diào)和力的平衡，在化學(xué)上趨于最穩(wěn)態(tài)，還要保證DNA作為遺傳物質(zhì)所需的復(fù)制精確性。

   組成分子骨架的糖磷酯鍵是結(jié)合力最強(qiáng)的共價(jià)鍵。然而X射線衍射分析表明，DNA分子中有不止一個(gè)這樣的骨架，那么多個(gè)長鏈骨架是怎樣結(jié)合在一起的呢？會不會是多條核苷酸鏈靠堿基間的氫鍵相互連接？如果是這樣，那堿基間就有三種不同連接方式：相同的堿基相互連接，如A與A相連；相同類別的堿基相連，即嘌呤與嘌呤、嘧啶與嘧啶相連；不同類別的堿基相連，即嘌呤與嘧啶相連。

   還有，這種連接究竟是不同多核苷酸鏈上的堿基相互連接呢，還是同一條鏈不同部位上的堿基相互連接呢？這后一種設(shè)想也就是所謂單鏈回旋折疊自我連接，也是沃森和克里克最初的想法，顯然受了蛋白質(zhì)肽鏈折疊模式的影響。然而，在接下來的一年半中，至少有四件事使他們摒棄了這種看法。

   第一件，1952年6月，在聽完天文學(xué)家高爾特（T. Gold）的講座“完美的宇宙學(xué)原理”后，沃森、克里克和劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)系研究生格里菲斯（J. Griffith）閑談有沒有“完美的生物學(xué)原理”，又談到DNA的復(fù)制，談到DNA分子中堿基間如何形成穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。格里菲斯對基因的復(fù)制很感興趣，應(yīng)他們的請求，他答應(yīng)用量子力學(xué)和化學(xué)鍵理論來計(jì)算不同堿基間的吸引力大小，以及如何搭配才能使分子趨于最穩(wěn)態(tài)。不久，格里菲斯告訴他們，理論計(jì)算表明A吸引T，G吸引C?？死锟肆⒖滔氲?，A吸引B、B吸引A，這樣相互形成的專一性配對不就能解釋鏈的復(fù)制嗎。那么，怎樣把堿基互補(bǔ)和DNA分子的三維結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來呢？克里克動腦筋的速度實(shí)在太快了，甚至連格里菲斯所講的相互間吸引力最大的堿基對是什么都沒有記住。

   第二件，也是在那年六七月間，哥倫比亞大學(xué)教授查伽夫（E. Chargaff）訪問劍橋，來到卡文迪什實(shí)驗(yàn)室?？系卖?J. C. Kendrew)把兩位年輕人介紹給查伽夫。這是一次非常重要的會見，克里克多年后記述了這次會見：“起初，我們談了許多有關(guān)蛋白質(zhì)的問題，后來我問及核酸研究現(xiàn)狀，查伽夫頓了一下說：‘一句話說完，就是1:1。’ 我又問1:1是什么意思，他說：‘文章已經(jīng)發(fā)表了。’ 毫無疑問，我漏讀了查伽夫的重要文章，感到茫然若失。他又補(bǔ)充了一句：‘這是電效應(yīng)的緣故。’我突然閃現(xiàn)了一個(gè)念頭，‘天哪！1:1不就是互補(bǔ)配對嗎？’他還講了些什么，我一點(diǎn)也沒有聽見。告別了查伽夫，我立刻去找格里菲斯，請他再告訴我，理論計(jì)算表明哪兩種堿基間吸引力最大。我轉(zhuǎn)而去查閱查伽夫的文章，頓時(shí)驚呆了：格里菲斯算出來的堿基對A配T、G配C，正是查伽夫?qū)嶒?yàn)中克分子量呈現(xiàn)1:1比例的堿基對。”這就是著名的查伽夫當(dāng)量定律，即分子數(shù)A＝T、G＝C。

   第三件，沃森和克里克成功地運(yùn)用了鮑林(L. C. Pauling)提出的生物大分子結(jié)構(gòu)分析方法。鮑林根據(jù)量子力學(xué)原理，提出了作為量子化學(xué)基石的化學(xué)鍵理論，在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究中提出了肽鏈折疊通過氫鍵形成α螺旋的學(xué)說。他通過多肽鏈基本構(gòu)件的拼裝組合，構(gòu)建出符合蛋白質(zhì)晶體X射線衍射分析圖像的結(jié)構(gòu)模型，并據(jù)此建立了結(jié)構(gòu)分析的所謂“第一性原理”，又稱逼近法。它要求從生物大分子最基本的構(gòu)件出發(fā)，運(yùn)用化學(xué)規(guī)律找出構(gòu)件間可能形成的所有排列方式，特別要考慮對整個(gè)大分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有決定作用的氫鍵的形成方式；再將所獲得的各種理論模型與X射線圖像一一對比，不斷修正，并決定取舍。兩人運(yùn)用逼近法測定各種嘌呤和嘧啶的大小、堿基對的排列、氫鍵的引力，以及DNA分子直徑、螺距、鍵角等結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，再與衍射圖像一一對比，不斷校正，逐步逼近真實(shí)狀態(tài)。

   值得一提的是，鮑林當(dāng)時(shí)也在構(gòu)建DNA分子結(jié)構(gòu)模型。威爾金斯（M. Wilkins）和富蘭克林（R. Franklin）也在利用衍射圖像分析DNA的結(jié)構(gòu)，與沃森和克里克保持著經(jīng)常的聯(lián)系和深入交流。威爾金斯和富蘭克林的思路與鮑林不同，他們作為晶體結(jié)構(gòu)學(xué)家，總是先從衍射圖像中的點(diǎn)及點(diǎn)的密集程度出發(fā)，并考慮衍射點(diǎn)的分布特點(diǎn)，經(jīng)數(shù)學(xué)變換，將衍射圖像詮釋為分子中的各種化學(xué)鍵的鍵長、鍵角等結(jié)構(gòu)要素。1953年2月，沃森和克里克從富蘭克林的X射線衍射圖像分析，雖然還不能肯定DNA是雙鏈還是三鏈，卻已明白在DNA的螺旋結(jié)構(gòu)中糖磷酯骨架在外側(cè)，堿基在分子內(nèi)部。這是非常重要的發(fā)現(xiàn)，鮑林的錯誤之一就是認(rèn)為糖磷酯鍵在分子中央。

   現(xiàn)在，橫在沃森和克里克面前的問題是DNA分子究竟由幾條鏈組成，這些鏈又是怎樣相互連接的。

   第四件事，有機(jī)分子在不同的條件下往往具有不同的構(gòu)型，它們互為異構(gòu)體。當(dāng)時(shí)，沃森和克里克畫在草圖上的堿基只是若干種異構(gòu)體中的一種，這種結(jié)構(gòu)很難同時(shí)符合分子的幾何結(jié)構(gòu)要求和化學(xué)穩(wěn)定性要求。他們?nèi)フ埥虒?shí)驗(yàn)室的訪問學(xué)者多諾休（J. Donohue）。多諾休是曾和鮑林共事的量子化學(xué)家，他看了沃森的草圖后，指出他們畫的堿基構(gòu)型屬于烯醇式，應(yīng)該改為酮式異構(gòu)體。這真是神來之筆！克里克在回憶中寫道：“多諾休和沃森站在黑板旁邊，我坐在辦公桌一側(cè)。突然，我看到了一幅堿基對互補(bǔ)的圖像，它能解釋1:1。太妙了，真是再美不過了！就在1953年2月20日星期五的這一刻，我們都明白了，堿基在分子內(nèi)部，它們是靠氫鍵來專一性配對的。”

   沃森很快發(fā)現(xiàn)，在酮式結(jié)構(gòu)情況下，A-T堿基對與G-C堿基對長度相等，又恰恰與DNA分子的直徑相當(dāng)，這使沃森和克里克確信DNA是雙鏈而不是三鏈。

   沃森和克里克花了整整一個(gè)星期來設(shè)計(jì)DNA結(jié)構(gòu)模型，測量了兩種堿基對和DNA長鏈上每一種鍵的旋轉(zhuǎn)角度，并和X射線衍射圖像一一對比，不斷修正。沃森以驚人的記憶力把從威爾金斯和富蘭克林實(shí)驗(yàn)室得到的新的信息全部融入了這個(gè)模型，克里克以他特有的思想和表達(dá)能力把一切都記錄下來。他們的合作真是到了水乳交融、你我不分的地步。

   成 功 的 模 型

   3月29日是三月份最后一個(gè)周末，兩人終于完成了文稿。但因秘書休假，沃森請正在英國度假的姐姐幫忙打字，姐弟倆整整忙了一個(gè)下午。沃森對姐姐說：“我們的工作，稱得上是達(dá)爾文進(jìn)化論發(fā)表以來，生物學(xué)中最為轟動的事件。”

   4月1日，他們把文章送給實(shí)驗(yàn)室主任布拉格（W. L. Bragg）。布拉格非常高興，原因至少有兩條：第一，這件了不起的事是在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室完成的，而不是在鮑林的實(shí)驗(yàn)室；第二，他和他父親所建立的晶體X射線衍射分析方法，在探索生命本質(zhì)的研究中發(fā)揮了十分重要的作用。布拉格對文章作了少許文字修飾，附了一封推薦信，在4月2日就發(fā)往《自然》周刊。

   鮑林聞訊時(shí)正在赴布魯塞爾開會途中，特地于4日趕到劍橋。他仔細(xì)看了模型，又看了富蘭克林的DNA衍射照片，當(dāng)即向兩位年輕人祝賀。布拉格主任設(shè)宴歡慶。

   1953年4月25日，《自然》周刊發(fā)表了這篇僅有900多字的文章：DNA的分子結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)模型的要義是：DNA是一個(gè)長長的雙鏈分子，由兩條同軸反向相互纏繞的多核苷酸鏈組成，外側(cè)是由脫氧核糖和磷酸根組成的分子骨架，中間是由互補(bǔ)的堿基對組成的階梯，堿基配對方式是A配T，C配G；堿基對間距為0.34納米，每10個(gè)堿基對形成一個(gè)螺旋周期，螺旋直徑為1納米。這個(gè)模型既能從螺旋性、分子直徑、堿基對的幾何學(xué)尺度等方面闡明X射線衍射圖像，又能以堿基專一性互補(bǔ)配對來解釋查伽夫當(dāng)量定律。

   這個(gè)模型不但外形美，更有內(nèi)在的科學(xué)美。它的科學(xué)美體現(xiàn)在兩個(gè)方面。第一，堿基配對的專一性保證了復(fù)制的高度精確性，只要一條鏈上的堿基序列確定了，其互補(bǔ)鏈上的堿基序列也隨之確定了；第二，就一條鏈而言，模型并不限制堿基排列順序，這保證了DNA可以負(fù)載無窮多樣的遺傳信息。這充分體現(xiàn)了基因的屬性：變異的無窮多樣性和復(fù)制的高度精確性。

   1962年，沃森、克里克因發(fā)現(xiàn)DNA分子結(jié)構(gòu)，與改進(jìn)了X射線衍射技術(shù)的威爾金斯一起獲得了諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎。

   也許大家會問：沃森和克里克為什么會成功？

   從X射線衍射分析技術(shù)看，沃森和克里克是不及威爾金斯和富蘭克林的；就結(jié)構(gòu)化學(xué)知識而言，沃森和克里克更不是鮑林的對手。沃森和克里克能夠在這場科學(xué)競賽中取勝，靠的是兩人的合作，靠的是知識和能力的互補(bǔ)，靠的是博采眾家之長。這對組合最強(qiáng)的優(yōu)勢是把物理和化學(xué)的研究資料都放到生物學(xué)背景上去考慮，時(shí)刻牢記DNA是遺傳物質(zhì)，搞清楚DNA分子結(jié)構(gòu)，就是為了在分子水平上闡明基因的自體催化和異體催化。迄今為止，搞清楚結(jié)構(gòu)的大分子不計(jì)其數(shù)，結(jié)構(gòu)之復(fù)雜、精度之高都大大超出雙螺旋模型，有不少也得了諾貝爾獎。但全世界唯獨(dú)把1953年4月25日來紀(jì)念，并把2003年4月25日定為國際DNA日，就是因?yàn)檫@個(gè)模型深刻的生物學(xué)內(nèi)涵——它揭示了生命的分子本質(zhì)，揭示了DNA的生物學(xué)之魂！

   沃森和克里克所做的顯然不是一般意義上的實(shí)驗(yàn)研究，而是對已有的關(guān)于DNA的實(shí)驗(yàn)與觀察資料進(jìn)行審視與評判，再將它們?nèi)跁谝黄?，形成一個(gè)有嶄新的科學(xué)思想的整體。這使人想起一位先哲的話：To see what everyone has seen and think what no one has thought（見人人之所見，思人人所未思）。

   沃森和克里克是偉大的，但又是平凡的，他們的思想和工作都是一點(diǎn)一滴的積累，都不是我們不能理解、不能想象、甚至不可能去思去想去作去為的，只是他們把一點(diǎn)一滴都圍繞了一個(gè)目標(biāo)，鍥而不舍，不屈不撓。

   后 面 的 故 事

   故事講完了。主角們后來又怎樣了呢？

   富蘭克林此后不久離開威爾金斯實(shí)驗(yàn)室，去倫敦從事煙草花葉病毒方面的研究。1958年她因癌癥去世，時(shí)年僅37歲，令人惋惜。

   沃森1953年下半年回到美國，先在哈佛大學(xué)，后在冷泉港實(shí)驗(yàn)室當(dāng)主任，在腫瘤的遺傳病因研究中有重要貢獻(xiàn)。后來又大力推動人類基因組計(jì)劃（HGP），并擔(dān)任美國HGP的首任首席科學(xué)家。

   克里克后來提出了分子遺傳學(xué)中的信息傳遞中心法則，與布倫納（S. Brenner）一起弄清楚了遺傳密碼的本質(zhì)，后來又研究生命起源和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

   威爾金斯繼續(xù)做生物大分子的X射線衍射分析，并將該技術(shù)與活細(xì)胞的化學(xué)分析相結(jié)合。

   查伽夫被稱作沒有得諾貝爾獎，但貢獻(xiàn)超過這個(gè)獎的人。

   布拉格不久退休，到英國倫敦皇家學(xué)院任自然哲學(xué)教授。

   鮑林1954年因化學(xué)鍵理論獲諾貝爾化學(xué)獎，后因反戰(zhàn)和反對氫彈試驗(yàn)獲1962年諾貝爾和平獎。

   最后還想講一個(gè)人:與埃弗里(O. T. Avery)一起最先用實(shí)驗(yàn)方法證明DNA是遺傳物質(zhì)的麥克卡迪（M. McCarty）。在紀(jì)念沃森和克里克文章發(fā)表50周年之際，他在《自然》周刊上發(fā)表回憶文章說：“當(dāng)沃森和克里克敘述DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的文章在《自然》周刊發(fā)表時(shí)，我當(dāng)然立刻明白了他們的發(fā)現(xiàn)所具有的全部意義，也非常高興地看到從結(jié)構(gòu)研究獲得如此輝煌的結(jié)果。但他們都沒有把我們的工作引作推動DNA結(jié)構(gòu)研究的動力，這真讓我不快。” 筆者完全理解他的感受。