“DNA分子的结构”一节的科学史及备课建议

付馨悦

(北京师范大学附属中学 100052)

“DNA分子的结构”是人教版高中生物《遗传与进化》模块第3章第2节的内容，其重点为DNA双螺旋结构的特点。教材中呈现了沃森和克里克在《自然》杂志上发表的英文论文(详见章题图)、一段简要的科学史和制作双螺旋结构模型的方法。由于是英文原版论文常被广大教师所忽略，而简要的科学史并不足以呈现众多科学家在发现DNA双螺旋模型中的智慧和贡献，使得DNA分子的结构特点难于总结，比如三螺旋模型是如何被否定的？如何推断DNA分子的两条链反向平行？若不阐述清楚，使得模型的制作也是困难重重。此外，X射线衍射技术的应用是成功构建模型的前提，而教材的章题图中呈现的B型DNA和科学史中的A型DNA衍射图谱并不是最为关键的启发沃森和克里克的“照片51号”。

由于DNA分子结构的提出使遗传学研究深入到分子层次，使人们逐渐清楚地了解遗传信息的构成和传递的途径，一个又一个生命的奥秘从分子角度得到了更清晰的阐明，而DNA重组技术的发展更是为利用生物工程手段的研究和应用开辟了广阔的前景。因此，这部分内容对后续章节DNA的复制、基因的表达以及基因工程的教学，以及培养学生具有敏锐的洞察力、勇于竞争和善于合作的科学态度和科学精神均具有重要意义，有必要对其中的科学史等资料进一步地分析和整理，以利于教学目标的落实。

1 梳理复杂的人物关系

教材正文中出现的人物有沃森、克里克、威尔金斯、富兰克林、化学家和查哥夫，在章题图的英文论文中出现的还有鲍林、柯雷、弗雷泽、弗尔伯格和多诺休。此外，教材中没有提及的薛定谔、艾弗里、赫尔希、卢里亚、德尔布吕克、布拉格、肯德鲁、佩鲁茨、格里菲斯和葛斯林等也在DNA分子结构的发现过程中有重要作用。比如沃森、克里克和威尔金斯不约而同提到了一本书，是由1933年诺贝尔物理学奖得主薛定谔撰写的《生命是什么？》。在这本书里他叙述了生命的本质，人类、虎、鼠等所具有的特性，指出生命的特性是由染色体决定的。他还认为生命有说明书，说明书肯定存在于分子上。分子上有非常特别的构造，能利用某一方式将信息复制下来[1]。沃森是在芝加哥大学读书时阅读了此书，他说：“这本书非常清楚地提出了一个信念，基因是活细胞的组成部分以及要懂得什么是生命，必须知道基因是如何发挥作用的。正是这本书引导他去寻找基因的奥秘”[2]。1946年，克里克因这本书的启发开始研究物理学在生物学中的应用。书中提出的可以用精确的概念，即物理学和化学的概念来考虑生物学的本质问题给他留下了深刻的印象[3]。1950年，威尔金斯也阅读了这本书。半个多世纪后，威尔金斯回忆说，是薛定谔用物理学的语言描述生命现象，在自己面前展现了“生物物理学”的美妙前景。

其他各位也多是诺贝尔科学奖得主或相关领域的专家。尤其是富兰克林的贡献是不可磨灭的，她不但利用X射线衍射技术拍摄到清晰的DNA图谱，专业地对晶体数据进行解读使她发现糖-磷酸在DNA分子的外部，并且在她撰写的报告中指出了两条主链是反向平行的，对沃森和克里克最终构建出双螺旋模型都有决定性作用。卡文迪什实验室的主任布拉格因发明利用X射线衍射技术对晶体结构进行研究与父亲分享了1915年的诺贝尔物理学奖，他将实验室的发展方向由纯物理研究转向利用X射线进行生物大分子结构的跨学科研究，他的领导和决策多次影响着沃森和克里克的研究进程。

2 阐明研究方法和实验材料

一般来说，化学家如欲了解某物质之三维空间的构造，有两条重要途径可循：一种方法是按照物质特性使用物理学的工具(如X射线衍射法、电子显微镜和核磁共振法)探讨分子中原子的相对位置；另一种方法是制作模型，对分子中的各种原子按照比例作出模型，并根据物理学的计算和实验数据，确定各原子间的距离和键角[4]。比如，美国著名结构化学家鲍林就是通过建立模型的方法确定了蛋白质的α螺旋结构，荣获1954年的诺贝尔化学奖。在研究DNA的三维结构时他也采取了模型法，他失败的主要原因是没有掌握最新的DNA衍射数据，使用的是1938年阿斯特伯里和贝尔拍摄的老照片。而威尔金斯早期采用的是显微镜法，后来在美国生物化学家杰拉尔德·奥斯特的建议下开始使用更强大的X光来研究DNA分子。

实验材料的选择往往是实验成败的关键，而这份材料的获得颇具偶然性。在一场研讨会中，威尔金斯从瑞士科学家鲁道夫·席格纳手上得到一种淬自小牛胸腺的纯DNA样品。随后他和同事又分别利用人、鲱鱼、小牛和墨鱼精子等的DNA作为研究材料，效果并不是那么明显。而富兰克林和葛斯林就是利用这个小牛胸腺DNA获得了清晰的“照片51号”，它曾经被X射线晶体衍射先驱之一约翰·贝尔纳形容为“几乎是有史以来最美的一张X射线照片”。而沃森和克里克的过人之处恰恰是借鉴他人经验，把X射线衍射法与模型法结合起来。

3 分析沃森和克里克成功的原因

首先，他们的成功与其专业背景和个人兴趣是分不开的。沃森在芝加哥大学动物学系毕业后申请了印第安纳大学攻读病毒学博士，师从卢里亚。毕业后赴丹麦哥本哈根与卢里亚和玻尔的学生、噬菌体小组的领导德尔布吕克一起研究噬菌体。而克里克的专业是物理学，与佩鲁茨一起从事血红蛋白的X射线研究使他具有较深的晶体学功底。两个人专业互补并在探索基因本质的问题上有着共同的兴趣，一拍即合。

其二，具有敏锐的洞察力和快速的行动力。沃森在那不勒斯的会议上被威尔金斯展示的X射线衍射照片所吸引，便迫不及待地直接从哥本哈根去了剑桥的卡文迪什实验室，不但遇到了与他志同道合的克里克，随后还在肯德鲁的介绍下认识了查哥夫。当时的学术背景是1944年艾弗里的肺炎双球菌的转化实验以及1952年赫尔希和蔡斯的噬菌体侵染细菌的实验进一步证明了DNA是遗传物质，DNA在生命活动中的重要性已经一目了然，DNA分子结构的发现指日可待，只是研究进展得并不顺利。事件的转折点是威尔金斯出示了富兰克林和葛斯林拍摄的“照片51号”，原本放弃DNA三维构象研究的沃森和克里克迅速重拾旧业，在短短不到一个月的时间里就构建出了双螺旋模型。

最后，采用了建模的方法。在构建模型的过程中，两人虽多次犯错甚至放弃过，但在专家的指导下及时修正自己的错误，始终把实验检验和模型调整有机地结合起来。比如，将模型由三条链改为两条链和主链由在内改为在外都接受了富兰克林的批评和建议。在生物化学家查哥夫和数学家格里菲斯的帮助下，验证了碱基互补配对思想的正确性。此外，化学家多诺休还指出他们使用的是错误的碱基分子结构式，鸟嘌呤和胸腺嘧啶应为酮式而非烯醇式。在每一步的调整过程中都考虑到了X射线衍射实验和生物化学实验的结果，使他们不断修正错误走向正确。

4 深入挖掘章题图的内涵

与以往的章题图不同，第3章“基因的本质”别出心裁地选择了一篇1953年4月25日在《自然》上发表的英文论文“核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型”。纵观中学生物学教材，也仅此一例，说明这篇论文在生命科学发展史上的重要意义。沃森和克里克在短短1000多字和一幅插图的论文中，以谦逊的笔调指出了对鲍林和柯雷、弗雷泽两篇论文的不同观点，详尽地描述了DNA双螺旋结构的特点，并暗示了这个结构模型在遗传上的重要性。

但需要注意的是在论文的右下角展示的X射线衍射图谱源于威尔金斯等的论文，是由富兰克林和葛斯林拍摄的B型DNA。事实上，在同日的《自然》杂志上除了沃森和克里克的论文外，还刊登了威尔金斯、史道克斯和威尔逊的论文“脱氧戊糖核酸的分子构造”，以及富兰克林和葛斯林合写的“胸腺核酸的分子结构”，对沃森和克里克启发最大的“照片51号”刊于其中。威尔金斯和富兰克林在论文中均对DNA衍射后的数据做了深入的解读，并表示自己的数据与沃森和克里克的模型相符。

这篇论文后来成为分子遗传学发展的风向标，在结尾还为DNA分子的半保留复制埋下了伏笔。同年的5月30日他们又在《自然》杂志发表“脱氧核糖核酸结构的遗传学意义”的论文，展开说明双螺旋结构在遗传学上的意义。随后威尔金斯和富兰克林又分别发表“结晶的脱氧戊糖核酸的螺旋结构”和“在胸腺核酸晶体结构中双链螺旋的证明”。这些论文进一步说明了他们对DNA双螺旋结构的建立所做的贡献。

DNA分子结构的提出是学科交叉、相互融合和相互借鉴的重大科学成果。在研究中既合作又竞争，多种观点在交流中不断地碰撞产生智慧的火花。虽因富兰克林英年早逝未能获诺贝尔奖而饱受争议，但并不影响此成果在生命科学发展史上举足轻重的地位。但囿于课程标准的要求、课时、教师专业水平和学生的认知能力等限制，不得不将X射线衍射技术的原理、相关的数学和化学知识做合理的回避。