他們站在了巨人的肩上

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2022年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎出乎意料地授予了偏冷門的古基因組學研究，這讓人們再次對我們身體里的DNA產(chǎn)生了濃厚興趣?，F(xiàn)在我們已經(jīng)知道，DNA分子呈雙螺旋結(jié)構(gòu)。那么，我們是怎么知道的呢？

1953年，在科技史上注定是不平凡的一年。這一年，人類開啟了分子生物學時代，闡明了遺傳物質(zhì)的構(gòu)成和傳遞途徑。在此后短短的幾十年里，人類破解了一個又一個生命之謎。

而這一切，都源自1953年4月25日。在這一天，沃森和克里克發(fā)表了那篇注定要名留青史的論文。自此，困擾幾代人的DNA結(jié)構(gòu)之謎得以破解，分子生物學時代正式開啟。

薛定諤的啟示

1953年4月2日，美國分子生物學家沃森和英國分子生物學家克里克向《自然》投去了一篇900多個單詞的論文，論文題目是《核酸的分子結(jié)構(gòu)——脫氧核糖核酸的一個結(jié)構(gòu)模型》，論文于同年4月25日發(fā)表。這是首先揭示DNA為雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，由此揭開了分子生物學的序幕。由于這一發(fā)現(xiàn)，他們和威爾金斯共同獲得1962年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

牛頓曾經(jīng)說過：“如果說我看得比別人更遠些，那是因為我站在巨人的肩膀上?！蔽稚涂死锟四馨l(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，也是站在了“巨人”的肩上，或者說受到前人和同時代科學家的啟發(fā)。

首先啟發(fā)沃森和克里克的“巨人”是奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤。薛定諤在1944年出版了《生命是什么》一書，以物理學的原理和內(nèi)容來闡釋生命，尤其是通過熱力學和量子力學理論來解釋生命的本質(zhì)，借用非周期性晶體、負熵、遺傳密碼、量子躍遷式突變等概念來說明有機體物質(zhì)結(jié)構(gòu)、生命的維持和延續(xù)、遺傳與變異等現(xiàn)象。

沃森和克里克都讀到了這本書，得到的啟示是生命的本質(zhì)之一是通過遺傳密碼決定生命的繁衍和生存。

沃森原本學的是動物學專業(yè)，大學畢業(yè)時，他閱讀了《生命是什么》，開啟了他對分子生物學的興趣，并在之后投身于分子生物學的研究。沃森在后來所寫的《雙螺旋：發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)的個人經(jīng)歷》一書中說，《生命是什么》這本書非常清楚地提出了一個觀點，即基因是活細胞的組成部分，以及要懂得什么是生命，必須知道基因是如何發(fā)揮作用的。

克里克早年則在倫敦大學學習物理，二戰(zhàn)期間在海軍實驗室研究水雷。戰(zhàn)后，他也閱讀了《生命是什么》一書，書中最能啟示他的，是可以用精確的物理學和化學概念來考慮生物學的本質(zhì)問題。受此啟發(fā)，他轉(zhuǎn)而學習生物學并在英國卡文迪許實驗室攻讀博士學位。

借鑒別人的研究結(jié)果

研究生命現(xiàn)象和本質(zhì)，當然要先弄清DNA是什么、有什么樣的結(jié)構(gòu)、會產(chǎn)生什么樣的功能。1949年，沃森前往卡文迪許實驗室進修，與克里克在實驗室相遇相知，并開啟了他們一生中最為輝煌的合作——探索DNA的結(jié)構(gòu)。

在研究DNA的結(jié)構(gòu)中，沃森和克里克又受到威爾金斯、富蘭克林和萊納斯·鮑林的啟示，在反復的試錯中，獲得了“DNA的結(jié)構(gòu)是雙螺旋”的正確認知。

在沃森和克里克組建實驗室研究DNA結(jié)構(gòu)之前，已經(jīng)有倫敦國王學院的威爾金斯、富蘭克林實驗室在做這方面的研究，他們用X射線衍射法研究DNA的晶體結(jié)構(gòu)。同時，美國加州理工學院的萊納斯·鮑林實驗室也在進行相關研究。在此之前，鮑林通過搭建分子模型，提出DNA結(jié)構(gòu)是α螺旋結(jié)構(gòu)。而且，因在化學鍵方面的研究成果，鮑林獲得了1954年的諾貝爾化學獎。

實際上，最年輕和最沒有經(jīng)驗的是沃森和克里克建立的實驗室，但是他們善于借鑒別人的研究結(jié)果。1952年，鮑林發(fā)表了關于DNA三鏈模型的研究報告，認為DNA的三鏈模型使得DNA的結(jié)構(gòu)是一種α螺旋。在鮑林的啟發(fā)下，沃森和克里克也認為DNA是三鏈結(jié)構(gòu)，當然是觀察了威爾金斯、富蘭克林通過X射線衍射技術拍攝的DNA圖片。利用X射線衍射技術觀察物質(zhì)的結(jié)構(gòu)是德國物理學家勞厄提出的，如果分析X射線通過晶體在照相機底片上得到的衍射花樣，可確定晶體結(jié)構(gòu)。由于證實了這一假說并發(fā)現(xiàn)了晶體的X射線衍射現(xiàn)象，勞厄獲得了1914年的諾貝爾物理學獎。

但是，沃森和克里克最初跟隨鮑林提出DNA三螺旋模型的假設并沒有得到認可，因為富蘭克林指出DNA三螺旋模型的計算有錯誤。而且，富蘭克林此前拍攝的X射線晶體衍射照片也不支持DNA三鏈結(jié)構(gòu)。

但是，他們并沒有氣餒。1953年，他們再次觀看富蘭克林和威爾金斯拍到的一張DNA的X射線晶體衍射照片，這張照片讓沃森和克里克靈光閃現(xiàn)，認為DNA的內(nèi)部是一種雙螺旋結(jié)構(gòu)，而非三鏈的α螺旋結(jié)構(gòu)。于是，他們決定再次搭建模型來揭示DNA的結(jié)構(gòu)，這就是DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。這個模型指出，DNA的結(jié)構(gòu)是一對多核苷酸鏈，圍繞一個共同的中心軸盤繞而成。

此后，沃森和克里克再次求助威爾金斯和富蘭克林，通過對X射線數(shù)據(jù)的分析，雙螺旋結(jié)構(gòu)分子模型的正確性最終得到了證實。

X射線晶體衍射照片的助力

可以說，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的認知也是站在威爾金斯和富蘭克林這兩位科學巨匠的肩上。說來湊巧，威爾金斯進行相關研究也是受到了薛定諤的啟示。以前，威爾金斯是學物理學的，但他讀到了薛定諤的著作《生命是什么》后發(fā)現(xiàn)，薛定諤用物理學的語言描述生命現(xiàn)象，在他面前展現(xiàn)了“生物物理學”的美妙前景。因此，他也投入DNA結(jié)構(gòu)的探索中，但采用的是物理方法。

在一次學術會議上，威爾金斯幸運地得到了純DNA樣品，并帶回實驗室進行研究。他發(fā)現(xiàn)，在干燥和潮濕的環(huán)境下，DNA樣本是不一樣的，干燥時呈細小的針簇狀，遇潮時則是一團濕糊。威爾金斯把受潮的DNA涂在薄片上，放到顯微鏡下，觀察它吸收偏振紫外線的情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，DNA并不能保持片狀，而是形成像蜘蛛網(wǎng)那樣的纖維。

這種情況讓威爾金斯獲得一種靈感——DNA纖維中的分子排列可能有一定規(guī)律。當時，他的實驗室只有一部普通的X射線照相機，是用來研究比DNA纖維大得多的單晶。不過，威爾金斯和研究團隊對照相機進行了改造，以求拍攝DNA的清晰照片。他們把氫氣充入相機以驅(qū)除空氣，再讓DNA暴露在潮濕的氫氣環(huán)境中，然后拍照。他們還用安全套做成可伸縮的封口，以調(diào)節(jié)X光管的位置。通過反復實驗，威爾金斯等人獲得了更清晰、更詳細的DNA衍射照片，首次顯示DNA確實是結(jié)晶狀。

1951年，威爾金斯帶著這張照片到意大利參加一個學術會議，向與會者展示了這張照片，受到與會者和相關領域?qū)＜业目隙?。沃森就是在這次會議上與威爾金斯相識，并受到這張照片的啟發(fā)。

由于沃森和克里克的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)被更多的研究所證實并得到承認，1962年，威爾金斯與沃森、克里克一起被授予諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。而富蘭克林由于患乳腺癌去世，未能獲得諾貝爾獎。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，讓人們清晰地了解到遺傳信息的構(gòu)成、復制和傳遞途徑，把遺傳學的研究水平提高到了分子層面，開啟了分子生物學時代。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，與相對論和量子力學一起，被譽為“20世紀自然科學的三大發(fā)現(xiàn)”。

（責任編輯：白玉磊）