螺旋之双上ldquoDNA之父

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一个痴迷观察鸟类的孩子诸位，你如果参加了电视台举办的智力竞赛，获得了最高奖，奖金嘛，当然很多，你打算用这笔钱来做什么？或许大家很多答案。可是你知道有“DNA之父”之称的沃森（JamesDeweyWatson，-），用这笔钱来做什么了吗？沃森小时侯，参加了电台举办的智力竞赛节目，并获得了“天才儿童”的称号，还赢得了美元奖金。最终，他用这笔奖金买了一架双筒望远镜，没错，是望远镜。这样，他就可以尽情地观察天空中自由自在的飞鸟了。他为什么对鸟类是如此的痴迷呢？要知道，很多人的兴趣都是从小培养出来的。沃森也不例外。沃森7岁的时候，从父亲手中得到了第一本叙述鸟类知识的书，令小沃森非常好奇的是，那些鸟儿是怎样从北半球飞到了南半球，难道那些幼鸟们不迷路吗？他特别想知道为什么？对此，父亲非常支持他，每个星期天，都要带着他坐车来到离家四五公里以外的一个公园去观察鸟类。观鸟，成了他持续终身的爱好。小时候的沃森异常聪明，也很好学，无数个“为什么”藏在他的脑子里，促使他寻求答案。一大本《世界年鉴》让他爱不释手，也教会了他大量的知识。正是通过广泛的课外阅读，才使得他在广播比赛中脱颖而出，获得“天才儿童”的美誉。头顶“天才儿童”的耀眼光环，年仅十五岁的沃森就步入了芝加哥大学，在动物学系就读。他为什么这么小的年龄就能进入芝加哥大学呢？因为当时芝加哥大学正在进行一项实验性的入学计划，允许更多的高中优等生提早入学，以提前进行培养。所以，沃森早早地上了大学。在大学学习期间，沃森仍旧每天痴迷地观鸟。对于自己喜欢的课程，像《动物学》、《生物学》，他都学的特别好。他当时的志向是当一名动物学家，最好能成为自然历史博物馆的馆长。老师们对这位“天才儿童”的印象就是——热衷于观鸟，对其他事情都显得漠不关心。但令人欣慰的是，他各科成绩都名列前茅。一本小书——《生命是什么？》那究竟是什么原因，吸引了沃森最终放弃了研究鸟类，而踏上了探索DNA结构之谜的道路呢？一切源于一本神秘的小书，它就是由大名鼎鼎的物理学家，波动力学之父，量子力学集大成者——薛定谔(ErwinSchr?dinger，年8月12日-年1月4日)所著的《生命是什么？》。一群专家在一个狭窄的领域所取得的孤立的知识，其本身是没有任何价值的，只有当他与其他所有的知识综合起来，并且有助于整个综合知识体系回答“我们是谁”这个问题时，它才真正具有价值。我认为科学是我们致力于回答一个包容了所有其他问题的重大哲学问题，即我们是谁这一整体中的一部分。——薛定谔在书中，他提出了一系列天才的思想及大胆的猜测，用物理学和化学原则，诠释生命现象；基因是一种非周期性的晶体或固体；突变是由基因分子中的量子跃迁引起；突变论是物理学中的量子论；可以用量子理论来说明基因的持久性和遗传模式的长期稳定性；染色体是遗传的密码本；生命是以“负熵”为主，从环境中抽取“序”来维持系统的组织并进化。在书中，薛定谔以物理学家那深刻的洞察力改变了人们对于世界组成的理解。这一本薄薄的小册子，在二战后，吸引了大批的物理学家、化学家、生物学家投身到遗传学的研究中。遗传密码必须要由分子来“书写”？还能储存与传递信息？竟然还能够代代相传？这种令人耳目一新的理论深深地打动了沃森，使他决定从研究鸟类而转向研究遗传学，去揭开生命遗传的奥秘。一个与自己相似的灵魂年秋天，23岁的沃森来到英国剑桥大学卡文迪许实验室，在这里，沃森遇到了一个与自己相似的灵魂，一个热情思索基因奥秘的灵魂——DNA双螺旋结构的另一个发现者——弗朗西斯·克里克（FrancisHarryComptonCrick，－），两人一见如故，一拍即合，开始了DNA结构的探索之旅。探索一个未知的问题，勇气固然可嘉，可是，从哪里着手呢？噢，当然得从人所共知的知识开始。一起梳理线索让我们一起梳理一下已有的线索——线索一：四种碱基早在19世纪末期，德国生物化学家科塞尔和他的学生，美国生物化学家列文、琼斯等人，就已经发现了核酸之中有四种常见碱基：腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）和尿嘧啶（U）。进一步研究表明，核酸中含有五碳的核糖和脱氧核糖。由此，核酸被分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两大类，核酸是由许多核苷酸组成的大分子，而每个核苷酸又是由碱基（嘌呤碱或嘧啶碱）、核糖（或脱氧核糖）与磷酸组成。这四种分子（A、T、C、G）是以什么方式附着在“骨架”上的？它们的结构如何？限于当时的化学分析水平，列文提出了“四核苷酸”假说，即核酸是由含量相等的四种核苷酸呈线性排列，构成简单重复的多聚体。这个假说极其简单，细细推敲起来，如果核酸真是这种结构的话，那它就无法承载大量的遗传信息，可以说，这是一个错误的假说，这个假说严重阻碍了人们对于DNA结构的探索。而两位年轻人所要做的，就是要构建一个新的模型。线索二：DNA为遗传物质艾弗里的“肺炎球菌转化试验”以及赫尔斯-蔡斯的“噬菌体浸染试验”，结论是——DNA为遗传物质。沃森始终坚信，DNA就是遗传物质。问题是：它是如何承载遗传信息的？线索三：α-螺旋结构年，美国加州理工学院著名的化学家鲍林，利用X射线晶体衍射技术，研究蛋白质结构，提出蛋白质分子长链分子，并发现了α-螺旋结构。沃森与克里克很快达成共识，决定效仿鲍林的做法，也来搭建模型，从而破解DNA结构的秘密。线索四：DNA的X线衍射图谱虽然在三维空间里搭建DNA模型可以一目了然，看清其结构，但是至少有十几种方式可以让碱基、磷酸与戊糖结合在一起，到底哪一种最准确呢？这就需要求助于另外一项技术——X射线衍射技术。当时的伦敦国王学院是研究DNA的重镇，克里克与国王学院的威尔金斯教授关系甚好，在威尔金斯的邀请下，沃森参加了威尔金斯的同事，女科学家富兰克林举办的研讨会。富兰克林当时年仅31岁，但已经是世界上最有资质的X射线衍射专家。沃森非常希望能从富兰克林那儿打探到更多的关于DNA的信息。在会上，沃森认真地作了笔记，但遗憾的是，由于他不是物理学家，对于结晶学的知识也是一知半解，以至于他把DNA晶体的含水量记错了，而且还错的离谱。带着这个错误数据，沃森回到了卡文迪许实验室，与克里克一道，信心十足地搭建起DNA分子模型来。两人制作了磷酸、碱基、戊糖的模型，计算着原子的大小，键长与键角，想象着各种可能的装配方式，运用一套组装小孩子玩具的工具，开始忙碌起来。在实验室里，他们喋喋不休地讨论着，一讨论就是好几个小时，同事们都快被他们那滔滔不绝的高谈阔论“逼疯”了，最后，他俩不得不搬到一间单独的办公室，这样，就不会惹烦别人了。模型建起来，又拆掉，拆掉后，又重建。不用纸和笔，两人一心想着尽快搭建出与观察到的试验数据一致的模型。几个星期过去了，他们确信已然成功——DNA分子应该是三螺旋结构，于是信心满满地邀请威尔金斯前来观赏。威尔金斯如约前来，让两人吃惊的是，同行的还有一个人，那就是女科学家富兰克林。富兰克林也想先睹为快，DNA到底是什么样呢？很快，富兰克林就看出了问题——这个模型中DNA的含水量竟然是正常含水量的10倍！毫无疑问，沃森与克里克辛辛苦苦搭建的模型根本就不能成立！唉，质量极差的DNA衍射照片，再加上错得离谱的数据，造成了两人的惨败。这一失败带来的后果也是严重的——实验室的领导布拉格爵士马上下令禁止两个人再继续鼓捣DNA，沃森，还是回去研究烟草花叶病毒的结构吧，而克里克，继续老课题——血红蛋白的分子结构。懊丧不已的两个人，索性将制作模型的零件及工具都交给了威尔金斯与富兰克林，既然自己不能找到答案，那就干脆让他们两个人一试身手好了。但可惜的是，这两位都是物理学家，虽然也很想探索DNA的结构，但决不想靠搭建模型来做到。天哪，那简直就是七岁孩子才鼓捣的东西！设法获取DNA高质量的衍射图谱，并仔细研究分析其中的数据才是正道。于是，沃森与克里克送来的工具与零件，他们连动都没有动一下。表面上看，10倍的含水量浇熄了两人的热情，但哪个实验室的领导都无法阻止他们私下里讨论DNA。毕竟，两人只是无名小卒，沃森，资历尚浅的博士后，而克里克，尚且寻找自己的博士论文的课题呢。既然没有什么名望，那也谈不上什么损失，对吧？错误的结论是不清晰的图片与不完善的数据造成的，那接下来就着手获取更为清晰的图片以及更为确切的数据就是了。一定不能放弃，听说美国那边儿，鲍林要研究DNA的分子结构了！线索五：格里菲斯计算结果——A吸引T；C吸引G正当两人一筹莫展之际，转机出现了。年春天，他们与剑桥大学年轻的数学家格里菲斯（J.Griffth）相遇。出于对生物学问题的好奇，他答应帮助两人计算DNA分子中碱基之间的吸引力。不久，结果出来了，运用基本化学原理和量子力学计算，碱基之间的结合力是A吸引T，C吸引G。这个结果，让克里克看到了碱基互补配对的可能。线索六：查伽夫法则：A:T=C:G=1:1年，生物化学家查伽夫（E.Chargaff，-）曾经报道过他对人、猪、牛、羊、细菌及酵母等不同生物DNA分析的结果。结果显示，虽然在不同生物的DNA之间，四种核苷酸的数量及相对比例很不相同，但无论是哪一种生物的DNA，都存在着A=T和C=G的现象，这也被称为DNA化学组成中的“查伽夫法则”。年6月，查伽夫到剑桥大学访问，两人向查伽夫请教核酸研究的新进展，查伽夫略微迟疑了一下，但很快说到：“一句话就说完，1:1。”克里克立即意识到，这与格里菲斯的计算结果是完全一致的。不同类型的碱基进行配对，或许就是DNA分子结构的基础。接下来需要做的就是，确立嘌呤碱基与嘧啶碱基应该以什么样的维度排列，才既符合氢键的理论要求，又符合查伽夫碱基配对的要求。此时，两人的研究进入到了关键时期，进展很缓慢。沃森回忆道：“好几次我们都一边散步一边讨论，猛然会热情高涨，急匆匆赶回实验室搭建模型，然后我们很快就发现刚才的讨论，完全没有道理。有时我会单独工作，一干就是好几个小时，然而如果没有弗朗西斯的鼓励与安慰，很显然我是无法想象DNA分子的结构的。”时光飞逝，很快就到了年底，传来了一个不大好的消息——加州理工学院的鲍林写信给自己在剑桥读书的儿子彼得，说不久后将发表一篇关于DNA分子结构的论文。看来，鲍林已经提前洞悉了DNA结构的奥秘，沃森与克里克在这场科学竞争中落败了。年1月28日，彼得带着父亲的论文来到了沃森与克里克的办公室，请他们看一看父亲的大作。急性子的沃森赶忙冲上去将手稿抢了过来，细心研读。论文指出，DNA分子是由三部分组成，中心为核糖与磷酸构成的骨架——鲍林肯定弄错了，磷酸不是离子化的，模型中的核酸根本就不是酸。这让沃森与克里克大大松了一口气。鲍林的论文计划于当年3月发表，而一旦鲍林发现自己的错误，他肯定会加倍努力，挽回自己的声誉。这也就意味着沃森与克里克仅仅有6周左右的时间来寻找正确答案！沃森与克里克马上向实验室的主任布拉格说明了这一情况。布拉格立即指示他们重返构建DNA模型的岗位，争取尽快构建正确的模型。对于鲍林的错误，沃森认为有必要告诉威尔金斯与富兰克林一声。1月30日，星期五，沃森来到了国王学院，恰巧威尔金斯不在实验室，沃森只好去找富兰克林，结果很不愉快。两人对DNA分子到底是不是螺旋结构这一问题产生了很大分歧。富兰克林认为实验数据根本没有证明DNA分子是螺旋结构，而沃森则认为她的说法根本就站不住脚，DNA分子本来就是螺旋结构。两人越吵越凶，突然，盛怒之下的富兰克林从实验室的长桌对面向沃森冲了过来，吓得沃森赶紧抓起鲍林的手稿向外逃，正好被探头进来的威尔金斯挡住了去路——他刚巧进来找沃森。于是，两个人都被富兰克林推到了门外，惊魂未定的沃森一个劲儿地感谢威尔金斯救了他一命，而威尔金斯对此早已见惯不惊了。可是两人都忘了，正是沃森的态度激怒了富兰克林。线索七：51号DNA分子衍射图谱就在这次与威尔金斯的会面中，沃森看到了一张编号为51的DNA分子B结构的衍射图谱，这是富兰克林在年5月份拍摄的。她与研究生戈斯林改进了实验室的设备，增大了其湿度，使DNA分子在受潮之后，延展变细，这时获取的衍射图谱比以往任何图谱都要清晰。一看到这张图谱，沃森禁不住瞪大了眼睛，心跳加速了，血流也快了——图片中最显眼的交叉状的黑色纹路不正是螺旋结构形成的吗？对，DNA只能是螺旋结构。那现在的问题就集中在它到底是双链还是三链？碱基是排列在内侧还是在外侧？带着这张照片所反映出的几个重要参数以及全新的思路与想法，沃森乘火车返回了剑桥。在火车上，沃森仔细琢磨，要是以核糖-磷酸为骨架，那双螺旋结构相比三螺旋结构更为合理。身为物理学家的克里克也深以为然——重要的生物部件总是成双配对出现的。回到实验室，沃森马上动手拆除了那个“令人憎恶的”骨架在中间的分子模型。一切都要重新开始！先搭建一个磷酸与核糖在外侧的模型吧！根据富兰克林那张清晰的衍射图谱，每隔34埃（一埃等于一百亿分之一米）重复一次的规律，两人计算出DNA分子螺旋的角度。图谱显示，附着在“骨架”上的碱基是一个一个整整齐齐地排列在一起的。但是这些碱基究竟是怎样联系在一起的呢？沃森还没有想好，但是看上去碱基位于内侧显得更为合理，这样，碱基承载的遗传密码才比较容易传递。线索八：碱基互补配对2月8日，威尔金斯告诉克里克与沃森，国王学院正准备向医药研究委员会提交一份有关DNA分子结构研究情况的报告。这也算不上是机密了，很快，两人就拿到了这份报告。报告提供了非常重要的线索，比如DNA分子结构很特别，是两条朝向相反的链，形成一个对称的结构。但是两条链上的碱基究竟是怎样连在一起的呢？报告没有说明，沃森只能自己琢磨。一开始，他用一条链上的碱基去配另一条链上相同的碱基也就是A配A，T配T，C配C，G配G，这样做似乎很有道理，因为相同的碱基化学性质是相同的。可是这样装配出来的分子模型怎么看都不顺眼，极不协调。无奈之下，沃森只得去向晶体衍射的专家求教。恰好实验室有一位来自美国的晶体衍射专家杰瑞·唐纳休（JerryDonohue）。唐纳休看了沃森搭建的模型后，告诉他，一种碱基可以和不同的碱基搭配。可是教科书上明明说只能是相同的碱基配对啊？哦，那就是教科书错了！（教科书难道都对吗？）沃森与克里克凑在一起钻研了一个星期，才知道唐纳休是对的。看起来生搬硬套教科书也不行啊！研究科学一定要有质疑精神，敢于向固有的思维挑战。唐纳休还建议他们将模型的构型由烯醇型改为酮型。这让两人茅塞顿开，可是，卡文迪许实验室已经没有足够的碱基模具了，急性子的沃森干脆自己动手，用硬纸板剪起了模具。一个看上去有点儿摇摇欲坠的模型年2月27日，沃森费了一下午的功夫，剪出了一大堆简陋的碱基模具，然后出门看电影了。2月28日，沃森又开始用纸板模具搭建模型，工夫不负有心人，突然间，沃森的灵感上来了。他回忆到：“我突然意识到，A和T是结合在一起的，C和G是结合在一起的，这时两组碱基的体积是一样大小的。”“更让我感到兴奋的是，这样的双螺旋结构可以说明DNA复制的程序，A与T配对，C与G配对，说明两条链上的碱基序列是互补的。只要知道一条链上的碱基序列，就很容易弄清楚另一条链上的碱基序列。而且，这使人很容易想象一条链在另一条互补链的形成过程中是如何充当模板的角色，从而确定互补链的碱基序列的。”40分钟以后，克里克来了，他认为沃森的想法太有道理了，唐纳休也认可了沃森的想法。3月7日，完整的模型搭建成功！尽管一部分还是用硬纸板做模具搭建起来的，看上去有点儿摇摇欲坠，但在沃森与克里克眼里，“她”是那么美，那么和谐，那么优雅！磷酸和戊糖形成的支架位于外侧，犹如楼梯的扶手，而一对对碱基位列其中，互补结合，A吸引T，C吸引G，如同一级级阶梯，盘旋而上。这一模型，不仅合理地解释了X线衍射分析的资料，更进一步阐明了DNA自我复制的机理，还可以解释控制蛋白质合成的机理。DNA双螺旋模型对于遗传学研究的重大意义：1.说明遗传物质的自我复制；2.说明遗传物质是如何携带遗传信息的；3.说明基因是如何突变的，即碱基序列发生了变化，这样的变化可以通过复制得到保留。克里克曾经深情地说；“有一种内在美，存在于DNA分子中。”的确，看着自己亲手创建的分子模型，怎能不欢喜呢！一页论文接下来的事情就是要尽快地把自己的成果发表出来。两人共同撰写了论文，并决定了这个模型的命名。怎样命名呢？很简单，抛硬币嘛，正面冲上，沃森赢了，于是DNA双螺旋模型就定名为“Waston-Crick”模型。可以想见，当时的硬币如果反过来，那我们今天学到的模型就是“Crick-Waston”模型了。模型经过了逐项精确的检查，得到了布拉格、威尔金斯、富兰克林以及鲍林等学者的一致认可，成功建立。论文以《核酸的分子结构—脱氧核糖核酸的一个结构模型》为题，很快于年4月25日发表于英国著名的《自然》杂志上。文章开宗明义：“我们将向大家介绍脱氧核糖核酸的分子结构，这个奇特的结构在生物学上具有极其重要的意义。”言简意赅，全篇仅仅一页，却宣告了一个时代——分子生物学时代的来临，余韵悠长，双螺旋模型为分子生物学进一步发展留下了无尽的探索余地。一个是资历尚浅的博士后，另一个是年龄偏大的研究生，正为寻找博士论文发愁。从年秋天两人相遇，到年4月，仅仅一年半的时间，就实现了破解DNA分子结构之谜的目标，两人成功的关键在哪里呢？首先，目标明确，要建立一个合理的DNA分子机构模型。为此，沃森尽可能的搜集相关资料，而克里克，也刻苦自学晶体学，X线衍射方面的知识。其次，精诚合作。沃森，有着生物学研究的背景，他深信DNA就是遗传物质，也知晓DNA分子在生物遗传中的作用，因此，在建模型时他始终努力构想DNA分子是怎样承载遗传信息的。而克里克，最早学的是物理学，但改行从事生物学研究后又努力学习晶体学、X线衍射方面的知识，这使得他能够解释DNA衍射图谱的意义。而且，两人始终密切合作，及时交换意见看法，不做保留。正是这种开诚布公、团结协作的态度，使得两人能够取长补短，迅速成功。第三，善于借鉴。从他们研究的历程来看，两人没有闭目塞听，闷头猜想，而是努力地借鉴他人研究的成果，例如，借鉴鲍林构建蛋白质分子模型成功的经验；记录富兰克林的数据，并及时修改完善；并从查伽夫、格里菲斯及唐纳休等人处得到启发，确立了碱基互补配对原则；与国王学院的威尔金斯密切合作，看到DNA分子极为清晰的X线衍射图片，及时得知DNA分子是两条相反的链。他们虚心求教，从多个科学家那里获取灵感，努力分析资料，及时整理信息，动手构建模型，终于取得了最后的成功。年，年仅35岁的沃森与克里克，威尔金斯共享诺贝尔生理或医学奖。从年开始，沃森担任美国冷泉港实验室主任，全面主持实验室工作。在任期间，他利用自己卓越的影响力和独特的人格魅力，多方努力，使冷泉港实验室成为全世界最好的实验室之一，被誉为“世界生命科学的圣地”，“分子生物学的摇篮”。鉴于他对于世界生命科学发展的巨大贡献，美、英、俄、瑞士、澳大利亚等国纷纷将各种荣誉奖项颁发给他。一个错误的言论正当荣誉纷至沓来时，年10月初，沃森在访问英国期间接受《星期日泰晤士报》采访时说，他“发自内心地对非洲的前景表示担忧”，因为“我们所有的社会政策都建立在他们的智商与我们相同的事实上——然而所有实验都表明事实并非如此”。此言一出，立即引起媒体、科学界和人权组织的强烈抨击。随后沃森为自己带有种族主义色彩的言论道歉，但迫于压力，他还是在10月25日辞去已工作近40年的纽约冷泉港实验室领导职务。此后，沃森一直为科学界所排挤，成了“被放逐排斥的人”，不仅此后收入骤降，甚至要把他年因发现DNA结构而获得的诺贝尔奖金质奖章和部分手稿拍卖。86岁的沃森表示，将捐赠部分拍卖所得，以支持慈善及科学研究。沃森希望

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