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)展在增進人類認知與智慧的同時，也極大地改變了我們的生活，推動著社會的進步。自1901年以來，一年一度頒發(fā)的諾貝爾科學(xué)獎廣受矚目，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?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)獎得主的人生故事，敬請讀者朋友垂注。距今整整63年前的那個春天，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克這兩個初出茅廬的年輕科學(xué)家構(gòu)建出DNA結(jié)構(gòu)模型，轟動世界。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)自達爾文提出物種起源理論以來

2、最重要的進展。圍繞這一事件，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。“突破”前夜的困惑當(dāng)?shù)诙问澜绱髴?zhàn)臨近結(jié)束的時候，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)科分子生物學(xué)，漸漸地有了一個雛形。1944年，奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤在生命是什么?活細胞的物理學(xué)觀一書中，非常清楚地表達了一個信念：生命的基本特征就是能夠儲存和傳遞信息，亦即遺傳密碼能夠代代相傳?；蚴腔罴毎年P(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)時沒人知道基因到底什么樣，它“寄存”在哪里?當(dāng)時

3、，細胞核中的染色體已被證實在遺傳過程中起到關(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，已通過細菌轉(zhuǎn)化實驗證實：遠不如蛋白質(zhì)來得復(fù)雜的DNA，實際上竟然是細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。進一步的研究表明：所有的生物都包含DNA分子，即儲存制造蛋白質(zhì)的遺傳指令分子。這意味著，要解開基因本質(zhì)之謎基因是由什么組成的?它們怎樣精確地復(fù)制?又如何控制(至少是影響)蛋白質(zhì)的合成?就必須對DNA的化學(xué)及物理構(gòu)造有更多的了解。兩個天才的相遇1950年秋，22歲的“神童”詹姆斯·沃森從美國印第安納大學(xué)取得遺傳學(xué)博士學(xué)位后，拿到一筆

4、研究獎學(xué)金，去往哥本哈根大學(xué)，從事生物化學(xué)方面的研究工作。1951年春，他受邀到意大利那不勒斯參加一個有關(guān)生物大分子結(jié)構(gòu)的學(xué)術(shù)會議。在這次會議上，倫敦國王學(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)、物理方法測定其結(jié)構(gòu)。那一瞬間，沃森突然對化學(xué)產(chǎn)生了很大的興趣，并且萌生了與威爾金斯進行合作研究的念頭。幾個月后，沃森設(shè)法變更了自己的學(xué)習(xí)計劃，來到英國劍橋大學(xué)卡文迪什實驗室，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

5、克。這兩個知識背景不同、相差12歲的年輕人一見如故，發(fā)現(xiàn)彼此的興趣、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，決計攜手合作，以建模方式確定DNA結(jié)構(gòu)。起初，這兩個名不見經(jīng)傳、專業(yè)基礎(chǔ)也不甚牢靠的“闖關(guān)者”，對于能否斬獲成功并沒有什么把握。不過，他們愿意“賭”一把，拼一拼。不錯，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)。一對冤家的糾結(jié)專才合作的溝通問題（僅是例子）：莫里斯·威爾金斯是分子生物學(xué)家，羅薩

6、琳·富蘭克林是物理化學(xué)家這一時期，就在同一個倫敦城里，沃森與克里克最大的競爭對手、同處倫敦國王學(xué)院同一個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、鼓搗DNA結(jié)構(gòu)，而且他們手中握有與之密切相關(guān)的獨門“利器”X射線衍射裝置。但是，與沃森與克里克這對心靈相通的“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)系勢同水火，幾乎到了不理不睬、惡語相向的地步。DNA對富蘭克林而言，只是一種實驗材料。1952年前后，她已通過實驗證明，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展緩慢，她在不斷地完善DNA的X射線衍射圖譜，并獨自進

7、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)時她并沒有認識到這張圖譜的重要性。她始終也不敢相信DNA在任何情況下都會呈螺旋形，而是以為這種形狀只是特殊條件下出現(xiàn)的一種特殊情況。在大洋彼岸的美國，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勁的一個對手。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

8、稿，大吃一驚，心當(dāng)即就沉下來了。此時，一場圍繞DNA結(jié)構(gòu)之謎而展開的激烈競爭，已然到了白熱化的程度。可是，認真讀罷鮑林手稿，沃森與克里克馬上就松了一口氣。原來，鮑林提出了一個以糖和磷酸骨架為中心的三鏈螺旋結(jié)構(gòu)，這恰恰是此前不久他們也曾設(shè)想過、但已被證實不對的玩意。鮑林誤入歧途了，并且還犯了“忘記化學(xué)基本常識”的錯誤。幾天之后，沃森面見富蘭克林，向她通報了鮑林模型之誤。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，沃森“驚得下巴差點掉了下來

9、”，“心跳也加快了”。很顯然DNA模型應(yīng)該是雙鏈，因為重要生物對象都是成對出現(xiàn)的。威爾金斯此舉，富蘭克林毫不知情，后人評價：“如果這不是一次無私的為了科學(xué)進步而分享信息的舉動，那也應(yīng)該算是一次憤怒的報復(fù)行為。”再說，備受激勵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關(guān)鍵點大大簡化并推動了他們的進展：一是對含氮堿基結(jié)構(gòu)的更深了解，二是對這些堿基如何配對的深刻洞察。他們最終揭示出：DNA分子具有雙螺旋梯形結(jié)構(gòu)，每級梯級就是一個堿基對，堿基對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。一個新的時代開始了。弗朗西斯·克里克簡

10、介弗朗西斯·克里克(Francis Crick，1916-2004)，英國生物學(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)后到英國海軍部研究制造水雷，戰(zhàn)后進入劍橋大學(xué)從事蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的研究。晚年的研究興趣轉(zhuǎn)向神經(jīng)科學(xué)，尤其是意識問題的研究。著有驚人的假說：靈魂的科學(xué)探索和狂熱的追求：對科學(xué)發(fā)現(xiàn)的個人見解等。詹姆斯·沃森簡介詹姆斯·沃森(James Watson，1928-)，美國生物學(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雙螺旋結(jié)構(gòu)。1962年與克里克、莫里斯·威爾金斯三人獲得諾貝爾

11、生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。他還是人類基因組計劃的倡導(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)的個人經(jīng)歷等。沃森和克里克作為剛進入研究領(lǐng)域的年輕人，沒有掌握 任何第一手的資料并非專才（遠不及其他專才）卻博采眾長，比下了領(lǐng)域大咖，但他們能積極與相關(guān)研究人員交流，博 采眾長，使得他們實際掌握的資料在3個小組中是最全面 的。在1952年法國盧瓦蒙會議上，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，沃森從威爾金斯那里獲得了石射線 衍射試驗的清晰照片和相關(guān)數(shù)據(jù)，為DNA模型

12、的構(gòu)建奠定 了堅實的基礎(chǔ)。在構(gòu)建分子模型的過程中，他們又吸收了數(shù) 學(xué)家JGriffith(格里菲斯)對堿基受力(氫鍵)的計算和生物 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配對的思想。結(jié)構(gòu)化學(xué)家 JDonohue(多諾休)建議他們采用的酮基堿基構(gòu)則為實現(xiàn)氫 鍵的堿基互補配對提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。而堿基互補配對正是 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中最濃重的一筆，蘊含了遺傳物質(zhì)對遺傳信 息的儲存和復(fù)制的相關(guān)機制。此外，富蘭克林對沃森和克里 克最初構(gòu)建的DNA分子模型進行了批評和建議"。因此 在DNA結(jié)構(gòu)研究的3個小組中，只有沃森和克里克真正專 注于DNA結(jié)構(gòu)解析，將D

13、NA的結(jié)構(gòu)與功能進行聯(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 上進行了互補；同時，他們善于向周圍科學(xué)家請教和學(xué)習(xí)，彌 補自身知識缺陷全才式的學(xué)習(xí)，兩人都多方位地進行自我提升，因為這項研究本身就是跨學(xué)科的，結(jié)合當(dāng)時科學(xué)的發(fā)展?fàn)顩r，兩人都能稱得上全才 ，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候異常聰明好學(xué)，他有一個口頭禪是“為什么?”，大人們簡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，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，并贏得100美元的獎勵。沃森用這筆錢買了一個雙筒望遠鏡，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?？死锟诵r候的家庭條件不錯，但父母都沒有什么科學(xué)基礎(chǔ)，他對于周圍世界的知識，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)。他吸取了各種知識，并