發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的兩個(gè)“門(mén)外漢”

鬼谷藏龍

1947年，劍橋大學(xué)迎來(lái)了一個(gè)年輕人，他的名字叫作弗朗西斯·克里克。

31歲的克里克原本在倫敦大學(xué)學(xué)習(xí)物理，第二次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)使他被迫中斷攻讀博士的學(xué)業(yè)，被調(diào)到了隸屬于軍隊(duì)的某個(gè)研究部門(mén)研究水雷。然而，隨著二戰(zhàn)落幕，克里克失業(yè)了，好在英國(guó)政府推薦他到劍橋大學(xué)重新開(kāi)始求學(xué)之路。

可是應(yīng)該再去研究什么呢？

正在糾結(jié)這個(gè)問(wèn)題的時(shí)候，著名物理學(xué)家薛定諤寫(xiě)的《生命是什么》進(jìn)入了他的視野。在《生命是什么》中，薛定諤根據(jù)自己在量子力學(xué)領(lǐng)域的探索，類比性地預(yù)測(cè)了生命的一些“應(yīng)該有的”特征。同是研究物理學(xué)出身的克里克對(duì)此大為贊同，但對(duì)他而言，影響最為深遠(yuǎn)的是書(shū)里面的一句話：20世紀(jì)是生命科學(xué)的世紀(jì)。

這句話成了克里克轉(zhuǎn)向生命科學(xué)領(lǐng)域的最重要的信條，促使他在劍橋大學(xué)選修了不少生命科學(xué)的課程。

1951年，23歲的年輕遺傳學(xué)家詹姆斯·沃森從美國(guó)到劍橋大學(xué)做博士后時(shí)，就在尋找合伙人。沃森的目標(biāo)是破解承載著遺傳信息的生物大分子——DNA的分子結(jié)構(gòu)。在那個(gè)時(shí)代，人們已經(jīng)通過(guò)化學(xué)方法知道，DNA由無(wú)數(shù)被稱為脫氧核苷酸的小分子聚合而成，而每個(gè)脫氧核苷酸都是由一份磷酸、一份脫氧核糖和一份含氮堿基構(gòu)成的。這個(gè)含氮堿基有4種可能性：腺嘌呤、鳥(niǎo)嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶。但是這些化學(xué)零部件具體是怎么合成這種大分子的，則是眾多科學(xué)家要研究的關(guān)鍵。

與此同時(shí)，DNA的重要性日益浮現(xiàn)。許多實(shí)驗(yàn)間接證明，DNA是編碼生命底層代碼的物質(zhì)。但是DNA代碼的復(fù)雜程度遠(yuǎn)超我們的想象。

當(dāng)時(shí)，沃森與克里克兩人一拍即合，決心要將此作為自己努力的方向。只是他們忽略了一件事，他倆都不是這個(gè)專業(yè)的，沃森本來(lái)是研究病毒學(xué)的，克里克本來(lái)是研究物理學(xué)的，兩個(gè)人都是“門(mén)外漢”。

更糟心的是，他們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是當(dāng)時(shí)世界排名第一的美國(guó)結(jié)構(gòu)生物學(xué)家——萊納斯·卡爾·鮑林。

鮑林曾經(jīng)破解過(guò)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)可比DNA復(fù)雜多了。因此，有著豐富經(jīng)驗(yàn)的鮑林要破解DNA結(jié)構(gòu)，只是時(shí)間問(wèn)題。

為了戰(zhàn)勝這個(gè)強(qiáng)大的對(duì)手，克里克和沃森找來(lái)了莫里斯·威爾金斯。威爾金斯的專業(yè)是做X射線衍射，這在當(dāng)時(shí)幾乎是破解生物大分子結(jié)構(gòu)的唯一手段。

此時(shí)的鮑林沒(méi)把破解DNA結(jié)構(gòu)放在心上，畢竟自己在結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域早就無(wú)敵了?；趯?duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)理解的慣性思維，他一直認(rèn)定DNA是一種三螺旋或者四螺旋結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在我們當(dāng)然知道，DNA應(yīng)該是雙螺旋結(jié)構(gòu)，外側(cè)是磷酸骨架，內(nèi)側(cè)的堿基互補(bǔ)配對(duì)。鮑林犯的更嚴(yán)重的錯(cuò)誤是，在他的模型當(dāng)中，DNA的磷酸骨架位于DNA鏈的內(nèi)部，而堿基則叉在外部。磷酸基團(tuán)帶有非常多的負(fù)電荷，3股多聚磷酸鏈擰到一起，彼此會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的電荷斥力，足以讓DNA模型當(dāng)場(chǎng)散架。

在那個(gè)年代，一般的年輕科學(xué)家不敢質(zhì)疑鮑林，這也誤導(dǎo)了沃森和克里克。他們想在鮑林的DNA三螺旋結(jié)構(gòu)上尋求突破卻不得其解。然而真正的創(chuàng)新者必須破除迷信，敢于向權(quán)威挑戰(zhàn)。

有一天，兩人看到了當(dāng)時(shí)在科學(xué)界存在感很低的埃爾文·查戈夫的一篇論文，這篇論文看上去平淡無(wú)奇，實(shí)驗(yàn)做得也很粗糙。唯一值得贊許的地方是他的實(shí)驗(yàn)?zāi)依俗匀唤缃^大多數(shù)類群的生物，算是揭示出了DNA的一個(gè)普適特征。論文中提出了一條非常關(guān)鍵的證據(jù)，即在DNA當(dāng)中，腺嘌呤與胸腺嘧啶含量相同，而鳥(niǎo)嘌呤則與胞嘧啶含量相同。基于此，沃森和克里克馬上想到，從分子大小的角度來(lái)說(shuō)，腺嘌呤與胸腺嘧啶的長(zhǎng)度之和，幾乎等于鳥(niǎo)嘌呤與胞嘧啶的長(zhǎng)度之和。這隱約揭示出DNA的結(jié)構(gòu)很可能是雙螺旋的，甚至連堿基互補(bǔ)配對(duì)原則都呼之欲出了。

沃森和克里克決定試試雙螺旋的可能性。結(jié)果他們的工作一下突飛猛進(jìn)，雙螺旋的模型在化學(xué)理論層面居然順暢得不可思議，剩下的僅僅是其中一些具體的理論參數(shù)還需要現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)算。

但他們的外援威爾金斯對(duì)DNA的結(jié)構(gòu)不感興趣，做了幾次不太成功的實(shí)驗(yàn)以后就沒(méi)再干過(guò)。此時(shí)，威爾金斯的女同事羅莎琳德·富蘭克林給了沃森與克里克最關(guān)鍵的助攻。

差不多在沃森與克里克在理論上推導(dǎo)DNA結(jié)構(gòu)的同時(shí)，富蘭克林就已經(jīng)開(kāi)始利用實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)類似的目的?；蛟S是受那個(gè)時(shí)代女性社會(huì)地位低的影響，富蘭克林出于某種自我保護(hù)機(jī)制，早些時(shí)候與沃森、克里克和威爾金斯關(guān)系緊張。

1952年，富蘭克林拍出了那張意義深遠(yuǎn)的DNA分子X(jué)射線衍射圖。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，你可以理解為這是一張DNA雙螺旋的正面照。根據(jù)相關(guān)公式，就可以利用條紋的間距計(jì)算出DNA雙螺旋的直徑、堿基之間的距離等參數(shù)，為沃森與克里克的模型提供了最核心的數(shù)據(jù)。如果說(shuō)之前查戈夫的論文還只是一個(gè)指導(dǎo)性的攻略，那么這張照片基本上就相當(dāng)于在公布正確答案了！

富蘭克林所屬的研究機(jī)構(gòu)沒(méi)有在第一時(shí)間通知沃森和克里克，反而邀請(qǐng)遠(yuǎn)在美國(guó)的鮑林過(guò)來(lái)欣賞這張DNA的高清大圖。

就在鮑林準(zhǔn)備親自飛往英國(guó)去觀看這張傳奇圖片時(shí)，他卻被人攔了下來(lái)。不許他出國(guó)的不是別人，正是美國(guó)政府。

為什么美國(guó)政府會(huì)禁止鮑林這樣的大科學(xué)家出國(guó)呢？這還得從之前鮑林獲得諾貝爾獎(jiǎng)?wù)f起。他先后獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)和諾貝爾和平獎(jiǎng)。因?yàn)樗L(zhǎng)期以來(lái)一直致力于反對(duì)美國(guó)的核試驗(yàn)，得罪了不少美國(guó)的權(quán)勢(shì)人物，這些人到處游說(shuō)鮑林可能是蘇聯(lián)的間諜。在這樣的環(huán)境下，幾句讒言讓鮑林成為“有問(wèn)題的人物”而被沒(méi)收護(hù)照。

這樣一來(lái)機(jī)會(huì)又落到了沃森和克里克身上，沒(méi)過(guò)多久，沃森和克里克就發(fā)表論文，宣布他們破解了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。

1962年，因?yàn)槠平釪NA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，沃森、克里克和威爾金斯一起獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。在那篇論文的最后，克里克寫(xiě)下了一句話：DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)或許揭示出了DNA復(fù)制的生物學(xué)機(jī)制。這句話最終開(kāi)啟了生命科學(xué)新的時(shí)代。

（摘自科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社《不可思議的科學(xué)史：一讀就上癮的生命科學(xué)簡(jiǎn)史》）