他们站在了巨人的肩上

张田勘

2022年的诺贝尔生理学或医学奖出乎意料地授予了偏冷门的古基因组学研究，这让人们再次对我们身体里的DNA产生了浓厚兴趣。现在我们已经知道，DNA分子呈双螺旋结构。那么，我们是怎么知道的呢？

1953年，在科技史上注定是不平凡的一年。这一年，人类开启了分子生物学时代，阐明了遗传物质的构成和传递途径。在此后短短的几十年里，人类破解了一个又一个生命之谜。

而这一切，都源自1953年4月25日。在这一天，沃森和克里克发表了那篇注定要名留青史的论文。自此，困扰几代人的DNA结构之谜得以破解，分子生物学时代正式开启。

薛定谔的启示

1953年4月2日，美国分子生物学家沃森和英国分子生物学家克里克向《自然》投去了一篇900多个单词的论文，论文题目是《核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型》，论文于同年4月25日发表。这是首先揭示DNA为双螺旋结构的发现，由此揭开了分子生物学的序幕。由于这一发现，他们和威尔金斯共同获得1962年的诺贝尔生理学或医学奖。

牛顿曾经说过：“如果说我看得比别人更远些，那是因为我站在巨人的肩膀上。”沃森和克里克能发现DNA双螺旋结构，也是站在了“巨人”的肩上，或者说受到前人和同时代科学家的启发。

首先启发沃森和克里克的“巨人”是奥地利物理学家埃尔温·薛定谔。薛定谔在1944年出版了《生命是什么》一书，以物理学的原理和内容来阐释生命，尤其是通过热力学和量子力学理论来解释生命的本质，借用非周期性晶体、负熵、遗传密码、量子跃迁式突变等概念来说明有机体物质结构、生命的维持和延续、遗传与变异等现象。

沃森和克里克都读到了这本书，得到的启示是生命的本质之一是通过遗传密码决定生命的繁衍和生存。

沃森原本学的是动物学专业，大学毕业时，他阅读了《生命是什么》，开启了他对分子生物学的兴趣，并在之后投身于分子生物学的研究。沃森在后来所写的《双螺旋：发现DNA结构的个人经历》一书中说，《生命是什么》这本书非常清楚地提出了一个观点，即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。

克里克早年则在伦敦大学学习物理，二战期间在海军实验室研究水雷。战后，他也阅读了《生命是什么》一书，书中最能启示他的，是可以用精确的物理学和化学概念来考虑生物学的本质问题。受此启发，他转而学习生物学并在英国卡文迪许实验室攻读博士学位。

借鉴别人的研究结果

研究生命现象和本质，当然要先弄清DNA是什么、有什么样的结构、会产生什么样的功能。1949年，沃森前往卡文迪许实验室进修，与克里克在实验室相遇相知，并开启了他们一生中最为辉煌的合作——探索DNA的结构。

在研究DNA的结构中，沃森和克里克又受到威尔金斯、富兰克林和莱纳斯·鲍林的启示，在反复的试错中，获得了“DNA的结构是双螺旋”的正确认知。

在沃森和克里克组建实验室研究DNA结构之前，已经有伦敦国王学院的威尔金斯、富兰克林实验室在做这方面的研究，他们用X射线衍射法研究DNA的晶体结构。同时，美国加州理工学院的莱纳斯·鲍林实验室也在进行相关研究。在此之前，鲍林通过搭建分子模型，提出DNA结构是α螺旋结构。而且，因在化学键方面的研究成果，鲍林获得了1954年的诺贝尔化学奖。

实际上，最年轻和最没有经验的是沃森和克里克建立的实验室，但是他们善于借鉴别人的研究结果。1952年，鲍林发表了关于DNA三链模型的研究报告，认为DNA的三链模型使得DNA的结构是一种α螺旋。在鲍林的启发下，沃森和克里克也认为DNA是三链结構，当然是观察了威尔金斯、富兰克林通过X射线衍射技术拍摄的DNA图片。利用X射线衍射技术观察物质的结构是德国物理学家劳厄提出的，如果分析X射线通过晶体在照相机底片上得到的衍射花样，可确定晶体结构。由于证实了这一假说并发现了晶体的X射线衍射现象，劳厄获得了1914年的诺贝尔物理学奖。

但是，沃森和克里克最初跟随鲍林提出DNA三螺旋模型的假设并没有得到认可，因为富兰克林指出DNA三螺旋模型的计算有错误。而且，富兰克林此前拍摄的X射线晶体衍射照片也不支持DNA三链结构。

但是，他们并没有气馁。1953年，他们再次观看富兰克林和威尔金斯拍到的一张DNA的X射线晶体衍射照片，这张照片让沃森和克里克灵光闪现，认为DNA的内部是一种双螺旋结构，而非三链的α螺旋结构。于是，他们决定再次搭建模型来揭示DNA的结构，这就是DNA的双螺旋结构。这个模型指出，DNA的结构是一对多核苷酸链，围绕一个共同的中心轴盘绕而成。

此后，沃森和克里克再次求助威尔金斯和富兰克林，通过对X射线数据的分析，双螺旋结构分子模型的正确性最终得到了证实。

X射线晶体衍射照片的助力

可以说，DNA双螺旋结构的认知也是站在威尔金斯和富兰克林这两位科学巨匠的肩上。说来凑巧，威尔金斯进行相关研究也是受到了薛定谔的启示。以前，威尔金斯是学物理学的，但他读到了薛定谔的著作《生命是什么》后发现，薛定谔用物理学的语言描述生命现象，在他面前展现了“生物物理学”的美妙前景。因此，他也投入DNA结构的探索中，但采用的是物理方法。

在一次学术会议上，威尔金斯幸运地得到了纯DNA样品，并带回实验室进行研究。他发现，在干燥和潮湿的环境下，DNA样本是不一样的，干燥时呈细小的针簇状，遇潮时则是一团湿糊。威尔金斯把受潮的DNA涂在薄片上，放到显微镜下，观察它吸收偏振紫外线的情况，结果发现，DNA并不能保持片状，而是形成像蜘蛛网那样的纤维。

这种情况让威尔金斯获得一种灵感——DNA纤维中的分子排列可能有一定规律。当时，他的实验室只有一部普通的X射线照相机，是用来研究比DNA纤维大得多的单晶。不过，威尔金斯和研究团队对照相机进行了改造，以求拍摄DNA的清晰照片。他们把氢气充入相机以驱除空气，再让DNA暴露在潮湿的氢气环境中，然后拍照。他们还用安全套做成可伸缩的封口，以调节X光管的位置。通过反复实验，威尔金斯等人获得了更清晰、更详细的DNA衍射照片，首次显示DNA确实是结晶状。

1951年，威尔金斯带着这张照片到意大利参加一个学术会议，向与会者展示了这张照片，受到与会者和相关领域专家的肯定。沃森就是在这次会议上与威尔金斯相识，并受到这张照片的启发。

由于沃森和克里克的DNA双螺旋结构被更多的研究所证实并得到承认，1962年，威尔金斯与沃森、克里克一起被授予诺贝尔生理学或医学奖。而富兰克林由于患乳腺癌去世，未能获得诺贝尔奖。

DNA双螺旋结构的发现，让人们清晰地了解到遗传信息的构成、复制和传递途径，把遗传学的研究水平提高到了分子层面，开启了分子生物学时代。DNA双螺旋结构的发现，与相对论和量子力学一起，被誉为“20世纪自然科学的三大发现”。

（责任编辑：白玉磊）