DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)過程

1、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)過程DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)過程：科學(xué)技術(shù)的發(fā)展在增進(jìn)人類認(rèn)知與智慧的同時(shí)，也極大地改變了我們的生活，推動(dòng)著社會(huì)的進(jìn)步。自1901年以來，一年一度頒發(fā)的諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)廣受矚目，它們授予的自然科學(xué)之重大發(fā)現(xiàn)和科學(xué)方法之重大發(fā)明，當(dāng)屬最高層次的創(chuàng)造性智慧，其獲獎(jiǎng)?wù)咭嗫胺Q人中翹楚、科學(xué)精英。從本期開始，“探索發(fā)現(xiàn)”欄目將陸續(xù)登載諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)得主的人生故事，敬請(qǐng)讀者朋友垂注。距今整整63年前的那個(gè)春天，詹姆斯沃森和弗朗西斯克里克這兩個(gè)初出茅廬的年輕科學(xué)家卞建出DNA結(jié)構(gòu)模型，轟動(dòng)世界。這是20世紀(jì)下半葉最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，也是生物學(xué)自達(dá)爾文提出物種起源理論以來最重要的進(jìn)展。圍繞這一事件

2、，有許許多多讓人意想不到的曲曲折折，也有頗多耐人尋味之處?！巴黄啤鼻耙沟睦Щ螽?dāng)?shù)诙问澜绱髴?zhàn)臨近結(jié)束的時(shí)候，一門把生物學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)融合在一起，從分子水平上研究生命現(xiàn)象物質(zhì)基礎(chǔ)的學(xué)科一分子生物學(xué)，漸漸地有了一個(gè)雛形。1944年，奧地利物理學(xué)家埃爾溫薛定謂在生命是什么？一活細(xì)胞的物理學(xué)觀一書中，非常清楚地表達(dá)了一個(gè)信念：生命的基本特征就是能夠儲(chǔ)存和傳遞信息，亦即遺傳密碼能夠代代相傳?；蚴腔罴?xì)胞的關(guān)鍵組成部分，要懂得什么是生命，就必須知道基因是如何發(fā)揮作用的。生物學(xué)家將“承載遺傳信息的最小單位”稱為“基因”，可當(dāng)時(shí)沒人知道基因到底什么樣，它“寄存”在哪里當(dāng)時(shí)，細(xì)胞核中的染色體已被證實(shí)在遺傳過程

3、中起到關(guān)鍵作用，它主要由脫氧核糖核酸（DNA）和蛋白質(zhì)組成，而染色體中蛋白質(zhì)要比DNA多一些。此外，已通過細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證實(shí)：遠(yuǎn)不如蛋白質(zhì)來得復(fù)雜的DNA,實(shí)際上竟然是細(xì)胞中的一種遺傳物質(zhì)，它在決定遺傳性狀上扮演著主要角色。進(jìn)一步的研究表明：所有的生物都包含DNA分子，即儲(chǔ)存制造蛋白質(zhì)的遺傳指令分子。這意味著，要解開基因本質(zhì)之謎一基因是由什么組成的？它們?cè)鯓泳_地復(fù)制？又如何控制（至少是影響）蛋白質(zhì)白合成？一就必須對(duì)DNA的化學(xué)及物理構(gòu)造有更多的了解。兩個(gè)天才的相遇1950年秋，22歲的“神童”詹姆斯沃森從美國(guó)印第安納大學(xué)取得遺傳學(xué)博士學(xué)位后，拿到一筆研究獎(jiǎng)學(xué)金，去往哥本哈根大學(xué)，從事生物化學(xué)方

4、面的研究工作。1951年春，他受邀到意大利那不勒斯參加一個(gè)有關(guān)生物大分子結(jié)構(gòu)的學(xué)術(shù)會(huì)議。在這次會(huì)議上，倫敦國(guó)王學(xué)院的物理學(xué)家莫里斯威爾金斯展示了DNA的X射線衍射圖片。沃森看后深受啟發(fā)，意識(shí)到：假使基因能像一般化學(xué)物質(zhì)一樣被結(jié)晶出來，那就一定可以用通常的化學(xué)、物理方法測(cè)定其結(jié)構(gòu)。那一瞬間，沃森突然對(duì)化學(xué)產(chǎn)生了很大的興趣，并且萌生了與威爾金斯進(jìn)行合作研究的念頭。幾個(gè)月后，沃森設(shè)法變更了自己的學(xué)習(xí)計(jì)劃，來到英國(guó)劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，并在那里遇到了剛從物理學(xué)領(lǐng)域轉(zhuǎn)型、雖起步較晚但一心想在交叉學(xué)科上有所作為的生物學(xué)研究生弗朗西斯克里克。這兩個(gè)知識(shí)背景不同、相差12歲的年輕人一見如故，發(fā)現(xiàn)彼此的興趣、

5、思維方式和行為做派都驚人的相似。他們很快就擦出了智慧的火花，決計(jì)攜手合作，以建模方式確定DNA結(jié)構(gòu)。起初，這兩個(gè)名不見經(jīng)傳、專業(yè)基礎(chǔ)也不甚牢靠的“闖關(guān)者”，對(duì)于能否斬獲成功并沒有什么把握。不過，他們?cè)敢狻百€”一把，拼一拼。不錯(cuò)，像許多科學(xué)發(fā)現(xiàn)一樣，DNA結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)也有多種可能的途徑。即便有些科學(xué)家有著相同的想法，但他們解決問題的辦法卻可能各不相同，不同的方法決定了誰將最先實(shí)現(xiàn)目標(biāo);而且，往往是誰先發(fā)表了論文，誰才能最終贏取發(fā)明、發(fā)現(xiàn)權(quán)。一對(duì)冤家的糾結(jié)這一時(shí)期，就在同一個(gè)倫敦城里，沃森與克里克最大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手、同處倫敦國(guó)王學(xué)院同一個(gè)研究小組的威爾金斯與羅沙琳德富蘭克林，也在緊鑼密鼓地尋思、鼓才DD

6、NA結(jié)構(gòu)，而且他們手中握有與之密切相關(guān)的獨(dú)門“利器”一X射線衍射裝置。但是，與沃森與克里克這對(duì)心靈相通的“黃金搭檔”形成極大反差的是，威爾金斯與富蘭克林之間的關(guān)系勢(shì)同水火，幾乎到了不理不睬、惡語(yǔ)相向的地步。DNA對(duì)富蘭克林而言，只是一種實(shí)驗(yàn)材料。1952年前后，她已通過實(shí)驗(yàn)證明，DNA根據(jù)水分含量的差別分A型和B型兩種形式存在。謹(jǐn)慎的天性使富蘭克林的工作進(jìn)展緩慢，她在不斷地完善DNA的X射線衍射圖譜，并獨(dú)自進(jìn)行數(shù)學(xué)解析。1952年5月，她終于獲取了一張極其重要的圖譜。遺憾的是，當(dāng)時(shí)她并沒有認(rèn)識(shí)到這張圖譜的重要性。她始終也不敢相信DNA在任何情況下都會(huì)呈螺旋形，而是以為這種形狀只是特殊條件下出現(xiàn)

7、的一種特殊情況。在大洋彼岸的美國(guó)，化學(xué)界聲名顯赫的大人物、化學(xué)鍵理論的奠基人萊納斯鮑林，是沃森與克里克更為強(qiáng)勁的一個(gè)對(duì)手。在人們心中，他是最有可能率先做出正確選擇、解決DNA結(jié)構(gòu)問題的“大拿”。1953年1月中旬，一直在有意識(shí)地跟鮑林之子彼得套近乎的沃森，直截了當(dāng)?shù)叵蛩@位鐵哥們問詢，他老爸最近在家信中可曾透露過什么研究新信息？半個(gè)月后，沃森與克里克從彼得手中拿到一份父親寄給他的關(guān)于DNA結(jié)構(gòu)的手稿，大吃一驚，心當(dāng)即就沉下來了。此時(shí)，一場(chǎng)圍繞DNA結(jié)構(gòu)之謎而展開的激烈競(jìng)爭(zhēng)，已然到了白熱化的程度?？墒?，認(rèn)真讀罷鮑林手稿，沃森與克里克馬上就松了一口氣。原來，鮑林提出了一個(gè)以糖和磷酸骨架為中心的三鏈

8、螺旋結(jié)構(gòu)，這恰恰是此前不久他們也曾設(shè)想過、但已被證實(shí)不對(duì)的玩意。鮑林誤入歧途了，并且還犯了“忘記化學(xué)基本常識(shí)”的錯(cuò)誤。幾天之后，沃森面見富蘭克林，向她通報(bào)了鮑林模型之誤。富蘭克林的反應(yīng)令沃森感到十分奇怪。他們吵了起來，不歡而散。隨后，沃森會(huì)見了威爾金斯，后者給他看了一些新的X射線照片，其中包括由富蘭克林拍攝、一直秘而不宣的一張DNA之B型X射線衍射照片?？吹胶笠粡堈掌瑫r(shí)，沃森“驚得下巴差點(diǎn)掉了下來”，“心跳也加快了"。很顯然DNA模型應(yīng)該是雙鏈，因?yàn)橹匾飳?duì)象都是成對(duì)出現(xiàn)的。威爾金斯此舉，富蘭克林毫不知情，后人評(píng)價(jià)：“如果這不是一次無私的為了科學(xué)進(jìn)步而分享信息的舉動(dòng)，那也應(yīng)該算是一

9、次憤怒的報(bào)復(fù)行為。再說，備受激勵(lì)的沃森與克里克隨即展開新一輪建模工作。廣攬信息所收獲的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)大大簡(jiǎn)化并推動(dòng)了他們的進(jìn)展：一是對(duì)含氮堿基結(jié)構(gòu)的更深了解，二是對(duì)這些堿基如何配對(duì)的深刻洞察。他們最終揭示出：DNA分子具有雙螺旋梯形結(jié)構(gòu)，每級(jí)梯級(jí)就是一個(gè)堿基對(duì)，堿基對(duì)的排列順序就代表了DNA中存貯的信息。他們撰寫的千字論文發(fā)表在1953年4月25日的自然雜志上。一個(gè)新的時(shí)代開始了。弗朗西斯克里克簡(jiǎn)介弗朗西斯克里克(FrancisCrick,1916-2004)，英國(guó)生物學(xué)家、物理學(xué)家和神經(jīng)科學(xué)家。早年在倫敦大學(xué)學(xué)習(xí)物理，“二戰(zhàn)”爆發(fā)后到英國(guó)海軍部研究制造水雷，戰(zhàn)后進(jìn)入劍橋大學(xué)從事蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的研

10、究。晚年的研究興趣轉(zhuǎn)向神經(jīng)科學(xué)，尤其是意識(shí)問題的研究。著有驚人的假說：靈魂的科學(xué)探索和狂熱的追求：對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的個(gè)人見解等。詹姆斯沃森簡(jiǎn)介詹姆斯沃森（JamesWatson,1928-）,美國(guó)生物學(xué)家。早年在芝加哥大學(xué)、印第安納大學(xué)學(xué)習(xí)。1953年和弗朗西斯克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋Z勾。1962年與克里克、莫里斯威爾金斯三人獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。他還是人類基因組計(jì)劃的倡導(dǎo)者和主持人。著有基因的分子生物學(xué)DNA:生命的秘密和雙螺旋：發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)的個(gè)人經(jīng)歷等。沃森和克里克作為剛進(jìn)入研究領(lǐng)域的年輕人，沒有掌握任何第一手的資料，但他們能積極與相關(guān)研究人員交流，博采眾長(zhǎng)，使得他們實(shí)際掌握的資料在3個(gè)小

11、組中是最全面的。在1952年法國(guó)盧瓦蒙會(huì)議上，沃森十分用心地聽取了鮑林構(gòu)建分子模型的方法。從鮑林的講話中，沃森很敏銳的意識(shí)到鮑林的方法是解決DNA問題的正確途徑。在1953年2月造訪英王學(xué)院時(shí)，沃森從威爾金斯那里獲得了石射線衍射試驗(yàn)的清晰照片和相關(guān)數(shù)據(jù)，為DNA模型的構(gòu)建奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在構(gòu)建分子模型的過程中，他們又吸收了數(shù)學(xué)家J.Griffith（格里菲斯）對(duì)堿基受力（氫鍵）的計(jì)算和生物化學(xué)家查伽夫關(guān)于DNA中A與T,G與c含量分別相等的論斷，促使他們形成堿基互補(bǔ)配對(duì)的思想。結(jié)構(gòu)化學(xué)家J.Donohue（多諾休）建議他們采用的酮基堿基構(gòu)則為實(shí)現(xiàn)氫鍵的堿基互補(bǔ)配對(duì)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。而堿基互補(bǔ)配

12、對(duì)正是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中最濃重的一筆，蘊(yùn)含了遺傳物質(zhì)對(duì)遺傳信息的儲(chǔ)存和復(fù)制的相關(guān)機(jī)制。此外，富蘭克林對(duì)沃森和克里克最初構(gòu)建的DNA分子模型進(jìn)行了批評(píng)和建議"。因此.在DNA結(jié)構(gòu)研究的3個(gè)小組中，只有沃森和克里克真正專注于DNA結(jié)構(gòu)解析，將DNA的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行聯(lián)系思考問題。在此過程中，兩人建立了良好的合作關(guān)系，在專業(yè)知識(shí)上進(jìn)行了互補(bǔ)；同時(shí)，他們善于向周圍科學(xué)家請(qǐng)教和學(xué)習(xí)，彌補(bǔ)自身知識(shí)缺陷，得到了不同學(xué)科專家相關(guān)結(jié)果的支持，將信息、結(jié)構(gòu)與生物化學(xué)等相關(guān)結(jié)果進(jìn)行糅合并取得了最終的成功。沃森和克里克童年趣事沃森小時(shí)候異常聰明好學(xué)，他有一個(gè)口頭禪是“為什么？”，大人們簡(jiǎn)單的回答常常不能滿足他的要求。他通過閱讀世界年鑒記住了大量的知識(shí)，因此在參加的一次廣播節(jié)目比賽中獲得了“天才兒童”的稱號(hào)，并贏得100美元的獎(jiǎng)勵(lì)。沃森用這筆錢買了一個(gè)雙筒望遠(yuǎn)鏡，專門用來觀鳥，這也是他和父親的共同愛好。他曾經(jīng)的理想，是能夠成為一名自然歷史博物館中鳥類館的館長(zhǎng)?？死锟诵r(shí)候的家庭條件不錯(cuò)，但父母都沒有什么科學(xué)基礎(chǔ)，他對(duì)于周圍世界的知識(shí)，是從父母給他買的一套兒童百科全書獲得的。這一系列出版物在每一期中都包括藝術(shù)、科學(xué)、歷史、神話和文學(xué)等方面的內(nèi)容，并且十分有趣，克里克最感興趣的是科學(xué)。他吸