雙螺旋發(fā)現(xiàn)70周年：站在巨人肩上的年輕人
James Watson（左）、Francis Crick（右）與DNA雙螺旋模型的合影
責(zé)編 | 王靜、小雨
20世紀(jì)有很多發(fā)現(xiàn)是由年輕人做出的，然而像沃森這樣如此年輕就做出如此巨大的成就卻是不多見的。他及他的合作者克里克的成功可以說是分子生物學(xué)幾十年發(fā)展的必然結(jié)果。
探討基因的分子本質(zhì)并不是輕而易舉的事，它不僅需要生物學(xué)的知識(shí)，而且需要物理學(xué)和化學(xué)的技能和方法。因此，生物學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，迫切需要精通物理學(xué)和化學(xué)的人才。
1932年，量子物理的先驅(qū)玻爾作了題為《生命和光》的演講，表現(xiàn)出對生命奧秘的極大興趣。玻爾的學(xué)生德爾布呂克繼承和發(fā)展了玻爾的思想，試圖用新方法來研究生命。他組織的聲名遠(yuǎn)揚(yáng)的噬菌體研究小組以及由他開設(shè)的充滿新思想的冷泉港課題吸引了大批的科學(xué)家?？茖W(xué)研究是需要資金的。20世紀(jì)30年代，洛克菲勒基金會(huì)對分子生物學(xué)的支持對生物學(xué)的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。分子生物學(xué)作為一門學(xué)科在20世紀(jì)30年代并不存在?！胺肿由飳W(xué)”這個(gè)術(shù)語是維維爾（Weaver）在1938年的洛克菲勒基金會(huì)年度報(bào)告中首次引入的。維維爾報(bào)告的最重要一點(diǎn)是指出，生物學(xué)的發(fā)展必須用到大量的物理技術(shù)。布拉格和德爾布呂克等，都受到過洛克菲勒基金會(huì)的支持。
物理學(xué)轉(zhuǎn)向生物學(xué)的另一個(gè)重要原因與第二次世界大戰(zhàn)有關(guān)。20世紀(jì)40年代初，令人恐怖的第二次世界大戰(zhàn)使歐洲的上空硝煙彌漫，也使大批的年輕人或者走上戰(zhàn)場，或者從事軍事技術(shù)的研究。二戰(zhàn)結(jié)束后，物理學(xué)家們普遍感到一種“職業(yè)不適癥”。原子戰(zhàn)爭的幽靈和物理學(xué)所可能導(dǎo)致的毀滅作用引起了許多物理學(xué)家們的普遍反感[1]。西拉德是西方提出并實(shí)施物理學(xué)裂變理論的第一人，曾密切參與“曼哈頓工程”。原子彈在日本爆炸后，他一直感到很內(nèi)疚，試圖通過轉(zhuǎn)向生物學(xué)開釋自己的良心。維爾金斯、伯格等轉(zhuǎn)向生物學(xué)也都與原子彈有關(guān)。也有一些物理學(xué)家轉(zhuǎn)向生物學(xué)是由于他們感到量子物理學(xué)大發(fā)展的黃金時(shí)間已經(jīng)過去，余下的工作即使必要，也不過是改正理論的細(xì)節(jié)之類不大振奮人心的工作。于是便產(chǎn)生了疏遠(yuǎn)傳統(tǒng)科學(xué)的情緒。恰在此時(shí)，量子力學(xué)的創(chuàng)立者玻爾和薛定諤對生物學(xué)的見解為大批的物理學(xué)家指明了新的研究方向。
1945年，量子力學(xué)的奠基人之一、著名的物理學(xué)家薛定諤出版了一本題為《生命是什么？——活細(xì)胞的物理觀》的書。他自己用物理學(xué)的概念分析生命現(xiàn)象，試圖為解釋生命系統(tǒng)內(nèi)所存在的特殊性、有序性和基因的本質(zhì)提供線索。
薛定諤（Erwin Schr?dinger）。圖源：Wikimedia Commons
《生命是什么？》（英文版，1948）
薛定諤的新探索向人們展現(xiàn)出了誘人的生物學(xué)前景，吸引了一大批有創(chuàng)造力、甚至是有浪漫傾向的物理學(xué)家。就這樣，在生物學(xué)翹首以待的時(shí)候，薛定諤的著作成為一個(gè)契機(jī)，召喚著許多物理學(xué)家從事生物學(xué)研究。許多物理學(xué)家在讀了薛定諤的著作后，無不著迷于其新奇的思想。為了從生命現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律，許多人義無返顧地走上了探索生命的道路。著名的生物學(xué)家沃森、克里克、威爾金斯等都是如此。發(fā)現(xiàn)雙螺旋的沃森曾說：“從讀到《生命是什么？》的那一刻起就急于闡明基因的秘密。”[1]
用物理化學(xué)方法研究生命在當(dāng)時(shí)形成了三個(gè)學(xué)派：一個(gè)是結(jié)構(gòu)學(xué)派，主要關(guān)注于生物大分子的結(jié)構(gòu)；一個(gè)是信息學(xué)派，主要關(guān)注于研究基因所決定的遺傳信息如何表現(xiàn)出來的過程；一個(gè)是生化學(xué)派，主要關(guān)注于生物分子在細(xì)胞代謝和遺傳中的相互作用。這些學(xué)派在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)很少來往。但是在涉及生命物質(zhì)的遺傳本質(zhì)的問題上，它們終于相遇了[1]。
結(jié)構(gòu)學(xué)派起源于用X射線研究分子的結(jié)構(gòu)。布拉格父子可以說是X射線晶體學(xué)之父，他們因?yàn)樵谶@方面的開創(chuàng)性工作相繼獲得諾貝爾獎(jiǎng)金。后來，他們的學(xué)生阿斯伯里開始用這種方法探討生物大分子的結(jié)構(gòu)，由于他在生物大分子結(jié)構(gòu)研究上的突出貢獻(xiàn)使他成為“結(jié)構(gòu)學(xué)派”的鼻祖。開始人們主要探討蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，到20世紀(jì)50年代初，幾乎所有結(jié)構(gòu)學(xué)派的成員都在注視著DNA的X射線研究的成果。
威爾金斯是DNA結(jié)構(gòu)測定會(huì)戰(zhàn)中的主力之一。威爾金斯是物理學(xué)家蘭道爾的學(xué)生。在第二次世界大戰(zhàn)前，他跟隨著蘭道爾研究晶體的熒光現(xiàn)象以及電子的運(yùn)動(dòng)。大戰(zhàn)期間，他參加了曼哈頓計(jì)劃，為研制原子彈而工作。戰(zhàn)后，威爾金斯與他的老師蘭道爾一起都為薛定諤《生命是什么？》的著作所影響，投身于基因的研究。他在倫敦成立了一個(gè)研究小組，采用X射線衍射技術(shù)潛心研究DNA的結(jié)構(gòu)，1951年，威爾金斯已經(jīng)認(rèn)識(shí)到DNA的螺旋結(jié)構(gòu)，并測到了一些數(shù)據(jù)，但由于各種原因，他們沒有成功。
在這個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻，一位年輕的女物理學(xué)家弗蘭克林參加了這個(gè)小組。弗蘭克林是英國劍橋大學(xué)畢業(yè)的第一流高材生，是一位多才多藝的科學(xué)家，在X射線結(jié)晶學(xué)上有特殊的才能。她的到來使威爾金斯小組的實(shí)力大大加強(qiáng)[2]。1951年弗蘭克林獲得了一張非常出色的DNA衍射的照片，但遺憾的是她沒有從中引出正確的結(jié)論。
當(dāng)時(shí)，威爾金斯與卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的一位研究生克里克有著非常密切的關(guān)系?？死锟艘?yàn)榈诙问澜绱髴?zhàn)耽誤了學(xué)業(yè)，戰(zhàn)后因?yàn)槭艿窖Χㄖ@著作的影響轉(zhuǎn)向生物學(xué)的學(xué)習(xí)研究。當(dāng)他開始從事生物大分子結(jié)晶學(xué)研究時(shí)已經(jīng)33歲了。在科學(xué)事業(yè)上，以這樣的年齡改行從事一個(gè)完全陌生的事業(yè)，顯然沒有足夠的勇氣和熾熱的事業(yè)心，是決不敢冒此風(fēng)險(xiǎn)的。1951年10月，美國信息學(xué)派的年輕的生物學(xué)家沃森來到了劍橋大學(xué)的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，正好與克里克在同一辦公室工作。這實(shí)在是一種歷史的巧合。由于學(xué)術(shù)思想上共同受到薛定諤的影響，都對遺傳的本質(zhì)問題有濃厚的興趣，所以他們一見如故。從此開始了遺傳學(xué)史上最富于成效、最激動(dòng)人心的合作。
沃森，1928年出生于美國的芝加哥，從小聰明好學(xué)，15歲時(shí)進(jìn)入芝加哥大學(xué)學(xué)習(xí)動(dòng)物學(xué)。大學(xué)畢業(yè)后，他計(jì)劃到哈佛大學(xué)或加州理工學(xué)院攻讀博士學(xué)位，但遺憾的是這兩個(gè)學(xué)校都沒有錄取他，所以他又申請到印地安納大學(xué)學(xué)習(xí)，結(jié)果他成了諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者穆勒的學(xué)生。但是當(dāng)他到達(dá)印地安納大學(xué)不久，他發(fā)現(xiàn)生物學(xué)界研究果蠅的大好日子已經(jīng)過去，許多優(yōu)秀的年輕人正在研究微生物，所以在衡量了什么是最有希望從根本上促進(jìn)生物學(xué)的發(fā)展的思考之后，他毅然決然地決定轉(zhuǎn)在盧里亞的手下工作，盧里亞后來也是諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。由于盧里亞的建議，沃森投入到了噬菌體小組的研究工作。沃森工作得很出色，22歲時(shí)他就獲得了博士學(xué)位，并且在這個(gè)小組中已經(jīng)小有名氣。
1951年他到歐洲那不勒斯開會(huì)，聽到了威爾金斯有關(guān)DNA的X射線結(jié)晶學(xué)研究成果的報(bào)告，他受到了極大的吸引，決定立即到英國工作。沒過多久他就獲準(zhǔn)在英國的劍橋從事這方面的研究[3]。
在沃森和克里克著手研究DNA時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于他們的同行。但最終結(jié)果是他們的同行都輸給了起步較晚的沒有名氣的沃森和克里克。他們成功的奧秘是天時(shí)、地利、人和的結(jié)果。所謂天時(shí)是指，當(dāng)時(shí)的生物學(xué)發(fā)展為DNA結(jié)構(gòu)的最終確定作了必要、充足的準(zhǔn)備。當(dāng)時(shí)，人們已經(jīng)清楚了DNA分子的基本組成，弗蘭克林等人已經(jīng)推測出DNA分子有多股鏈，呈螺旋型等特點(diǎn)，離DNA雙股鏈的螺旋結(jié)構(gòu)只有一步之遙。
所謂地利是指沃森和克里克所處的學(xué)術(shù)環(huán)境是世界上一流的。聞名于世的劍橋大學(xué)的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室擁有世界上X衍射分析的最高聲譽(yù)，不僅有最好的儀器設(shè)備，還能及時(shí)獲得各方面的研究資料。他們所處的環(huán)境還能使他們經(jīng)常接觸一流的學(xué)者。
所謂人和是指他們能精誠合作，頻繁地與各方面有關(guān)學(xué)者接觸請教，取百家之長，經(jīng)常進(jìn)行廣泛而慎重的討論。
1952年6月，生物化學(xué)家查哥夫訪問劍橋，沃森和克里克向他請教，從查哥夫那里，他們得到了DNA分子中嘌呤和嘧啶堿基1∶1的正確比。后來，他們由此想到了堿基的配對問題。
1952年底，關(guān)于DNA結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)入了緊鑼密鼓的階段，美洲的結(jié)構(gòu)學(xué)派也向DNA的結(jié)構(gòu)發(fā)起了沖擊。鮑林在1952年的最后一天向美國科學(xué)院發(fā)表了他的DNA三鏈模型，鮑林模型把DNA的密度計(jì)算過高，也有一些明顯錯(cuò)誤。1953年2月6日，沃森和威爾金斯對鮑林的模型進(jìn)行討論，威爾金斯向沃森第一次顯示了弗蘭克林一年半前所獲得的一張極好的DNA的X衍射照片[3]。這使沃森很受震動(dòng)，因?yàn)樗麖膩頉]有看到過如此清晰的DNA照片。這張照片使他立刻領(lǐng)悟到DNA 肯定具有螺旋結(jié)構(gòu)，并且是雙鏈的。
沃森和克里克立即著手建立DNA的雙鏈模型，在建立DNA結(jié)構(gòu)模型最關(guān)鍵的時(shí)刻，他們又請教了在同一辦公室工作的美國化學(xué)家多納休[3]。在此之前，沃森和克里克一直使用了一種錯(cuò)誤的堿基形式，所以很難說明氫鍵的形成。當(dāng)多納休指出他們的錯(cuò)誤，并給出正確的堿基形式時(shí)，他們兩人豁然開朗。至此，DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的模型已經(jīng)完整地呈現(xiàn)在他們的面前。他們的模型還沒發(fā)表，就立即傳遍了世界各地。3月7日歐洲的結(jié)構(gòu)學(xué)派成員，布拉格、肯德魯、威爾金斯等人都來參觀這個(gè)模型。美國的德爾布魯克、鮑林也都寫信對這個(gè)模型表示贊同。4月25 日在布拉格和蘭道爾的安排下英國的《自然》雜志發(fā)表了三封來信，一封是沃森、克里克提出的雙螺旋模型，另外兩封是威爾金斯和弗蘭克林等人出示的支持雙螺旋模型的證據(jù)。
就在沃森和克里克提出DNA的雙螺旋模型之后幾個(gè)星期，在給《自然》雜志的第二封信中，他們設(shè)想了DNA分子的半保留復(fù)制模式，即DNA分子首先解螺旋，然后分別以DNA的一條鏈為模板，按堿基互補(bǔ)配對原則，合成兩條新的與原來一模一樣的DNA鏈。
DNA中堿基的結(jié)合方式
這是他們導(dǎo)演的生物學(xué)革命上的又一壯麗的一幕。遺傳學(xué)上“種瓜得瓜，種豆得豆”的現(xiàn)象，終于在分子水平上得到了說明。
1962年，克里克（左）、威爾金斯、沃森（右）共同分享了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。圖中間為文學(xué)獎(jiǎng)得主約翰·斯坦貝克
雙螺旋的發(fā)現(xiàn)不僅揭示了遺傳的奧秘，而且促進(jìn)了生物學(xué)的統(tǒng)一。DNA模型告訴人們遺傳信息都寫在DNA這本“書”里，是它決定了病毒為什么會(huì)成為生命的“瘟疫”，細(xì)菌為什么那么善變，老鼠為什么生來就會(huì)打洞，馬為什么跑得那么敏捷，人為什么會(huì)成為萬物之靈等等。然而它是如何決定生物性狀的呢？即是說DNA是如何決定蛋白質(zhì)的合成的呢？
不過在20世紀(jì)50年代，要破譯這些密碼還為時(shí)過早。為解決這個(gè)問題，人們還必須清理一下手邊所有關(guān)于蛋白質(zhì)合成的材料。從DNA到蛋白質(zhì)的合成是一個(gè)巨大的系統(tǒng)工程，經(jīng)過了近十年的積累，60年代初，人們終于獲得了足夠的材料來破譯生命密碼了。
美國生物學(xué)家尼倫伯格首當(dāng)其沖。1961年他用人工合成的RNA模板，進(jìn)行無細(xì)胞蛋白質(zhì)合成，以破譯人們已經(jīng)設(shè)想的遺傳密碼。他合成了一種只含尿嘧啶的多聚核苷酸，以它為模板合成蛋白質(zhì)，結(jié)果產(chǎn)生了一種只有苯丙氨酸組成的蛋白質(zhì)。這表明UUU就是苯丙氨酸的密碼。這一成功非常令人振奮，許多生物學(xué)家開始投入到破譯遺傳密碼的工作，到1967年，64個(gè)遺傳密碼全部得到破譯。
Marshall Warren Nirenberg
蛋白質(zhì)體外合成的實(shí)驗(yàn)示意圖
遺傳密碼的破譯，是20世紀(jì)科學(xué)史上最激動(dòng)人心的大事。
這樣，在20世紀(jì)60年代，人們已經(jīng)基本上搞清楚了遺傳信息的傳遞方向?？死锟丝偨Y(jié)了當(dāng)時(shí)最新的遺傳成果，提出了分子生物學(xué)的“中心法則”，即DNA一方面作為自體復(fù)制的模板進(jìn)行復(fù)制，另一方面還以自己為模板合成RNA，并以通過RNA把遺傳信息翻譯為蛋白質(zhì)。至此，生物學(xué)在分子水平上實(shí)現(xiàn)了新的大統(tǒng)一。
作者簡介：
李建會(huì)，北京師范大學(xué)哲學(xué)與社會(huì)學(xué)學(xué)院教授。
原文載于《醫(yī)學(xué)與哲學(xué)》2003年第24卷第7期，網(wǎng)絡(luò)版首發(fā)于《科學(xué)春秋》，《賽先生》獲雜志授權(quán)刊發(fā)，圖片為編者所加。
BOOK TIME
《雙螺旋（插圖注釋本）》
諾貝爾獎(jiǎng)獲得者詹姆斯·沃森，親自講述他與自己的“黃金搭檔”弗朗西斯·克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)背后的故事，還原雙螺旋發(fā)現(xiàn)故事蕞出彩的一面！與普通科學(xué)家的自述不同，沃森用自己獨(dú)特的敘事方式，使本書行文中充滿著好萊塢式的戲劇張力，同時(shí)又保留了歷史敘事的真實(shí)性。
與文字版相比，新增300余幅珍貴歷史照片及信件，補(bǔ)充大量注釋及說明，增補(bǔ)文字版中刪除的章節(jié)及附錄，收錄了《雙螺旋》一書出版前后在學(xué)界引發(fā)的爭議與評論內(nèi)容，全景還原與展示一個(gè)充滿了動(dòng)人細(xì)節(jié)與張力的、真實(shí)有血肉的發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的“新”故事。
《狂熱的追求》
制版編輯 | 小毛
