是单股螺旋还是多股螺旋

第十九章　DNA是单股螺旋还是多股螺旋

第二次世界大战结束时，实验生物学学会决定举行其首届学术讨论会。这届学术讨论会的主题是有关呼吸作用。但是，由于戴维·基林对组织这次会议与其他会员有“争论”，所以詹姆斯·丹尼利有机会插手此事，并提出了不同的讨论主题——核酸。这种“争论”是经常发生、屡见不鲜的。丹尼利常到基林的办公室“串门聊天，而基林则借此机会滔滔不绝地说一些激怒他的话，他突然意识到我正坐在那里朝他笑。此时，他显得十分可爱”（丹尼利，1969）。

所以，我们真的要感谢基林发脾气呢。因为1946年7月，终于在剑桥召开了关于核酸的学术讨论会。在这次会上，古兰德提出了关于碱基间氢键的证据，阿斯特伯里则评述了在利兹完成的X射线晶体照相工作。 自战前这些日子以来，他没有补充多少新内容，但确实发表了由DNA钠盐的定向性极好的纤维所产生的图形，迄今，只有在贝尔的论文中出现过此图。我们现在才知道，这是两种不同分子形式的混合物。除了赤道面上16.2Å的间隔以外，它还在大约27Å处的第一层线上留下一个间隔。现在贝尔的一切图像都在3.34Å处显示出一个显著的子午线反射，而且，由于27/3.34近似为8，所以阿斯特伯里得出结论：“空间中的排列是沿纤维轴每隔8个（或16个）核苷酸重复一次”（1947，67）。这是什么排列呢？在这个问题上，阿斯特伯里很谨慎——它是碱基顺序，“由于化学上的原因，或几何学上的原因，或由两者共同”决定的。但是，他还是情不自禁地得出结论：要把化学的观察和结晶学的观察联系起来。

尽管似乎令人难以相信，但事实却是：分子内的图形是建立在四种核苷酸重复出现的基础上。这一事实与从化学数据得出的结论无关，后者认为分子是由四种不同的核苷酸按等比例组成的。

（阿斯特伯里，1947，67）

对他来说，不大可能的事实是：一根呈现出如此精细的衍射图形的纤维，竟是由碱基随机分布的多核苷酸链组成的“确切地说，它们必然按一定的次序，一个接一个地排列的——至少在整个结构的结晶较好的区域内是如此……”（同上）因此，阿斯特伯里终于否定了自己早先反对四核苷酸理论的决定。

曼塞尔·戴维斯的模型构建

阿斯特伯里在剑桥发表的论文比八年前他在冷泉港发表的论文有了新的进展，即支持曼塞尔·戴维斯提出的硬币堆叠模型。1942年，阿斯特伯里参加了纺织物理学实验室为英国纤维丝公司开展研究工作。1945年，阿斯特伯里结束了这项工作，从洛克菲勒基金会获得一笔资助，用于购买一套红外设备，以此来检测蛋白质。在等待设备到达的那段时间里，阿斯特伯里建议戴维斯继续对洛克菲勒基金会提供的核酸作贝尔的X射线研究。据戴维斯说，他获得的图像优于贝尔的图像，但这些照片没有发表也没有保存下来，故无法证实。戴维斯在1944年就早已为阿斯特伯里制造了几个纤维素模型，“我们证明在藻朊酸和纤维素中，呋喃糖环的‘扶手椅’形式同X射线图像相一致”（阿斯特伯里，1945）。

在利兹大学，终于迫切需要通力合作，以便把DNA的研究工作深入下去。但是，出了一点儿差错。戴维斯为了确定键角和键长，研究了迈耶和马克合著的《天然有机高聚物的构造》以及H.A.斯图尔特所著的《分子结构》。一两天后对当时用的木球钻了孔。出于两个原因，它们的键角难以做得很精确。戴维斯后来宣称：那时的数据允许在不太了解的类型中，键角可以有5°的误差。这个看法被红外研究所证实，红外研究肯定了这些键角很容易改变。其次，“工场可以把四面体的角或120°角的误差，规定在正负2°范围内，但其他值是‘特定值’，不是常常需要的”（戴维斯，1967）。

阿斯特伯里为戴维斯规定的任务是制造一个模型，沿骨架有3.34Å的重复，或他现在所说的“大约3.4Å”的重复。戴维斯的依据是利思戈和托德建立的配糖键的β-连接以及古兰德关于嘌呤在N⁷处连接（古兰德、霍利德和麦克雷，1934）和嘧啶在N₃处的连接（莱文和蒂普森，1932）的光谱学证据；相邻糖之间的磷酸二酯连接，在DNA的脱氧核糖C₂上缺少一个羟基，只留下了C₅和C₃，而C₄则参与了环的形成等光谱学证据。尽管直到1952年这个结论才被托德确立，但阿斯特伯里和戴维斯却在1946年就正确地推测到了（见图19.1）。对戴维斯来说，显而易见的是，配糖键并不在糖环的平面上，而是在四面体角上，所以阿斯特伯里和贝尔早先提出的糖和碱基在同一平面上的假设一定是错的。阿斯特伯里同意对自己的模型作更大修正，但后来他又忘得一干二净，因此，人们继续把他的名字同共平面模型联系在一起。

图19.1　阿斯特伯里的DNA中的多核苷酸链示意图。它表明了正确的碱基-糖-磷酸酯连接。此图没有打算表明链的构象（录自阿斯特伯里，1947，69）。

到目前为止一切都很顺利。但是，当戴维斯借助磷酸二酯键来连接糖环时，他却碰到了困难，其实他应预料到会碰到困难的。为了使碱基互相重叠，中间又只相隔3.4Å，就要使结合到磷原子上的氧和OH基团太靠近链上的其他原子。阿斯特伯里论证说，或许碱基扁平环之间的范得瓦尔引力强到足以“改变氧的范德瓦尔距离……使多核苷酸柱更不稳定，否则情况就不会是这样”（阿斯特伯里，1945，70）。但是，戴维斯键角必定还有其他差错，因为用现在的设备绝对不可能把DNA骨架弯成这种构型，使碱基在3.4Å处相互重叠，而不采用螺旋构象。

阿斯特伯里确实为DNA考虑了一种螺旋构型，但只考虑了一种构型，碱基处于外侧，而螺旋只含一条单链。这样一个结构当然不会使碱基彼此重叠。只有通过相邻的螺旋互相贯穿才能达到每立方厘米1.63克的高密度。

……相邻分子的核苷酸必须紧密地交织在一个极有规律的结构中。这似乎是极不可能的，因为对结构起稳定作用的力，主要是大平面之间的强大的总引力；使势能减小到最低限度的最简单而又最有效的方法，如有可能将使这些平面相互重叠，建立在平面上的其他结构就是如此。

（阿斯特伯里，1947，68）

戴维斯回忆起他是如何三番五次地要求阿斯特伯里招聘一些人，继续进行核酸研究工作，但始终没有找到合适的人选。在二十世纪四十年代，也作了其他一些尝试，但这些尝试都夭折了。普雷斯顿的兄弟克利福德试图研究活的精子。

1940年，他（阿斯特伯里）要求我试拍一张取一定方向的精子的X光照片。此事我还记忆犹新。他说，他真不知道该怎么办——我需要完全靠自己。……这个想法是：采用一个我自己做的微型蠕动泵，使精液沿着一根薄壁玻璃管（我想是锂玻璃）流线型地流动，从而达到使精子定向流动的目的。在这项研究（工作）的早期阶段，由于剑桥的肯尼思·贝利成功地制造了注射卵白蛋白用的细长注射针，于是阿斯特伯里决定转向这项研究，暂时搁下精子这个研究课题。

（普雷斯顿，1968）

这项研究没有成功。部分原因是公牛精子的尾巴太短，以致不能有效地定向。但是，南美洲学生梅兰德小姐用干燥处理的精子的底片确实“获得了胸腺核酸的一些衍射特征”（阿斯特伯里，1951，114）。关于她的染色体研究工作，阿斯特伯里作了这样的评价：“她出色地制备了几千个摇蚊染色体，把它们并排地并且尽可能平行地排列着；但这个任务是如此耗时而费力，我们最后找到的只是变性蛋白的X射线图！”（阿斯特伯里，1951，114）但是，R.D.普雷斯顿确信：此处的失败是由于梅兰德把制品放上X光机以前，曾跌落在地板上造成的（私人通信）。

在下一章中，我们将提及E.贝顿在1951年拍摄的精致照片，但显而易见的是，1951年前在利兹大学实际上没有完成什么重大工作。据戴维斯称，这种事态应部分地归因于医学研究委员会拒绝支持阿斯特伯里“主要从事系统的生物分子研究。实验室曾提出，把该项研究列入原来的计划……”（戴维斯，1967）。

医学研究委员会支持生物物理学研究

第二次世界大战结束时，科学家中间确实发起了一场运动，说服政府支持基础研究中的重要课题。约翰·兰德尔即后来的约翰爵士和劳伦斯·布拉格爵士成功地向医学研究委员会提出了申请。阿斯特伯里却没有成功。哈罗德·希姆斯沃思爵士解释阿斯特伯里未获支持的原因：

1945年，梅兰比和阿斯特伯里在出席“皇家学会午餐会”时，两人正好坐在一起。我认为这是一年一度的午餐会，因为信上的日期是12月8日。信上还提到那天下午阿斯特伯里要当选为皇家学会委员会的委员。在1945年这个歉收年中，很可能只有皇家学会会员才有资格一起聚餐：没有多余的食物可供来宾享用。

显然，他们三句不离本行，而且梅兰比被阿斯特伯里提出的一些想法深深吸引住了。谈话的要点是：他鼓励阿斯特伯里从医学研究委员会那里获得支持。阿斯特伯里在信中解释说，他从许多来源得到了许多笔小额资助，但他真正需要的是有保证的长期支持，以便把研究工作进行下去。

如果在今天，这样频繁联系的结果将是梅兰比要他提出一份备忘录，开列他的科学研究计划和种种要求。但是，那时梅兰比没有要他提出方案，阿斯特伯里也没有主动提出什么方案。所有的通信内容都是有关方法和措施。

上述谈话的结果是，梅兰比说服医学研究委员会邀请阿斯特伯里参加他们的一个会议和谈谈他的看法。阿斯特伯里似在1946年1月这么做了。但是，他显然没有说服医学研究委员会。尽管当时的记录未能提供什么信息，但他后来和梅兰比的通信却很能说明问题。

从通信中得知，阿斯特伯里似设法使医学研究委员会留下印象：他真正感兴趣的是纤维素和人造纤维一类的结构。我从措词中推断，他采取的原则一定是：先学会走路再去奔跑；生物学上重要的大分子却是十分困难的。不管怎么说，他显然极力坚持他的整个计划是研究合成塑料；然后再把注意力集中到诸如生物产品一类更为复杂的物质。

我认为，这也许可以解开你的疑窦，即医学研究委员会为什么不支持阿斯特伯里，而在几个月后却支持兰德尔。从当时的另一些通信中可清楚地看出，那时医学研究委员会正在寻找机会，以支持生物学上重要的大分子的研究工作。他们看来没有看中阿斯特伯里坚持的研究合成塑料。恰恰相反，他们迅速转向了兰德尔的那个与生物制品有直接关系的计划。

最后，综观全部档案，没有一次提到过核酸。但是，我确实找到了一份材料：附在档案上的阿斯特伯里的一篇文章单行本。这篇文章投稿于《论生长和形成论文集》，这本书是赠给丹西·温特沃思·汤普森的。

（希姆斯沃思，1963）

研究合成纤维无疑是一条非常切合实际的途径，但医学研究委员会显然未为所动。这也不是阿斯特伯里原来的意图。如果他真的得到医学研究委员会的资助，他就会全力以赴地研究DNA。据谣传，阿斯特伯里参加医学研究委员会的会议时变得非常粗率无礼，当问到他的单位里谁是生物学家时，他回答说，他本人就是生物学家。这正好是多年前他在剑桥面试时的重演！

兰德尔的申请

科学家中间的这场运动可追溯到1943年。当时拉尔夫·福勒爵士和P.M.S.布莱克特向英国皇家学会理事会写信表达他们的看法：如果基础物理学的发展只靠大学的局部积极性，则与应用物理学相比，基础物理学将遭不幸。作为这场运动的直接成果之一，是在1947年建立了医学研究委员会兰德尔研究所。他们敦促理事会“为了有效地向政府申请增加基础研究的财政援助”（英国皇家学会理事会，1945，91），必须提出些指导方针。结果是在1943年11月成立了一个委员会，对基础物理学的战后需要提供咨询。第二年春，这种委员会的数目增加到6个。现在，生物学、生物化学、化学、地质学、地理学、地球物理学和物理学都包括在内了。1945年末，英国皇家学会同政府打交道要求提供经费，财政部同意予以考虑。申请的金额比议会提供的科学研究资助费（1850年制定）要大得多。

兰德尔等筹集研究基金与理事会的行动无关。四十年代初，他就怀有从事生物物理学研究的志向。他发现1941年贝尔纳在伯明翰作的关于蛋白质结构的讲演非常动人心弦。报告之后他俩进行了交谈，贝尔纳提议兰德尔去访问当时在约翰·英斯园艺研究所工作的C.D.达林顿。这次会见后不久，兰德尔收到了几张在紫外线显微镜下拍摄的精子头部的精彩照片。这些照片显示了染色质堆积的精子头部对紫外线的高度吸收。此后，他希望有机会用一切可能的光学技术——紫外、红外、干涉显微镜技术——以及某种X线晶体分析法来研究细胞。1944年，他在圣安德鲁斯大学任自然哲学教授，在那里他终于能着手进行小规模研究，用的是英国海军部的资助，因而大部分时间用于为战争服务的研究项目。

莫里斯·威尔金斯曾参与曼哈顿原子弹研究计划，于1945年参加了兰德尔的研究工作。关于这一行动，他在接受诺贝尔奖的演讲中作了如下的回顾：

战争期间，我参与了制造原子弹。战争结束时，我和许多人一样寻找新的研究领域。部分原因是原子弹的制造使我在某种程度上对物理学失去了兴趣。 因此，当我读到薛定谔的《生命是什么？》一书时，我对此很感兴趣，并被支配生命过程高度复杂的分子结构的概念深深吸引住了。研究这些课题似乎比研究固体物理学更富有魅力。那时，许多首屈一指的物理学家，例如梅西、奥利芬特和兰德尔（后来我获悉博尔同他们的看法一样）都认为物理学能对生物学作出巨大贡献；他们的忠告鼓励我向生物学进军。

（威尔金斯，1963，127）

应生物物理学家A.V.希尔的要求，1945/1946年冬，兰德尔提交了一份应用于细胞的生物物理学技术研究计划。希尔热忱地作了答复，建议他把预算翻一番（兰德尔，私人通信）。因此，他把预算追加到22000英镑。1946年间，英国皇家学会委员会研究了兰德尔的计划。该委员会是由希尔组建的，现在由爱德华·索尔兹伯里爵士任主席。爱德华爵士也是大学拨款委员会的成员，他曾以委员的身份访问过圣安德鲁斯大学，兰德尔是该大学的物理学教授。不费吹灰之力就可看出，在这所有名的老大学（创建于1410年）里，生物物理学计划是不会得到有力地贯彻的。圣安德鲁斯大学除了离开爱丁堡较近外远离其他学术中心，该大学在生物学方面拥有1897年任命的传奇式人物达西·温特沃思·汤普森爵士以及像约翰尼·沃克那样的人物，虽已是86岁高龄但仍身强力壮，在星期六晚上的“舞会”上还是一个精力充沛的舞蹈家呢，但他们对当前的细胞结构研究不可能作出有成果的贡献。索尔兹伯里为此把兰德尔拉到一边，向他建议说，如果想要钱去建立生物物理学研究所，他最好动身去伦敦。

幸好在1945年末，伦敦皇家学院的惠特斯通讲座物理学教授的职务有了空缺，那是因为C.D.埃利斯已被提名到煤炭委员会任新职去了。这个部门刚刚开始出名，在英格兰它算得上是第一个教学机构，而且它以拥有众多的教授而蜚声四海，其中包括惠特斯通、麦克斯韦、威尔逊和三位诺贝尔奖获得者——巴克勒、欧文·理查森和爱德华·阿普尔顿爵士；但在1946年，皇家学院的处境不妙。从1934年到1943年间曾疏散到布里斯托尔；与此同时，该学院在斯特兰德的大楼被用作消防队的队部；它的工程实验室被用来生产炮弹，并被当作教室给受训人员讲解机床的使用。1940年，阿穆尔公司军械部所属工厂遭到轰炸，为此允许该公司使用皇家学院实验室的设施一直到1944年。在这个四方院子里有个27英尺深和58英尺长的洞，这就是1940年10月的炸弹坑。事情更糟的是，惠特斯通讲座教授——查尔斯·埃利斯已获准从1943年至1946年离任，去担任陆军委员会的科学顾问。在他离任期间，这个讲座的前主讲人爱德华·阿普尔顿爵士在1944年前指导这个学部的工作。

皇家学院后来提出了一个重大的挑战，兰德尔接受了挑战。1946年秋，他在皇家学院任职。当时，他向皇家学会提出的申请已被通过，并提交给财政部。财政部的托马斯·巴洛爵士建议将此计划提交给医学研究委员会，因为该委员会是更合适的机构。委员会的秘书爱德华·梅兰比在适当时候会见了兰德尔，同意他的申请，并在1947年3月提供了资助。

在此后的20年中，生物物理学实验室的工作人员从中等规模的40人增加到120多人，新设备也增添了一倍。首先在新的地下室实验室里增添了新设备。新的地下室实验室是建在老的四方院子（设有物理学和工程实验室）的下面。其次是在德鲁里街的它自己的大楼里增添了新设备。这种增长记录是由兰德尔毫不动摇的决心和他的权威所取得的。兰德尔不向反对派屈服，也不容忍任何拖延战术。在他被任命为惠特斯通讲座教授的第二天，他从圣安德鲁斯大学打电话给皇家学院的秘书，陈述了他的要求。对在战争环境中厉行节约、并在学院的动荡状态下积极参与决策的秘书来说，这是不必要的开支——写封信就可以了——而且是不受人欢迎的要求。皇家学院的秘书向一个同事埋怨说：“我刚听到兰德尔这家伙提出的要求；我担心我们会从他那里招来麻烦。”

反对兰德尔生物物理研究所的势力在皇家学院内确有所发展，这并不令人吃惊，因为一个局外人来到了一个饱受战争蹂躏的学院，并从外界获得了皇家学院迄今未曾梦想过的一笔可观的资助。兰德尔清楚地意识到“学院内外”有人反对他的计划。他回忆说：“但是，我和学部的任何领导人都没有任何直接冲突……”（兰德尔，1974）。制定该计划的一部分任务落到了丹尼利的肩上。在高级研究员委员会这一级以及在专业委员会这一级，他遭到了反对。在学院会议上，唐纳德·海伊（化学系）和约翰·森普尔（数学系）所持的态度表明兰德尔如果碰到困难，他们将袖手旁观（丹尼利，RS）。尽管没有得到支持，兰德尔还是取得了成功。其结果是自1947年以来，他这个系“是该国唯一对生物物理学怀有浓厚研究兴趣的物理系”（兰德尔，1974）。

兰德尔的计划

贝尔纳和达林顿关于细胞分裂和染色体力学的想法，显然启发了兰德尔的想象力。因此，该计划的“中心内容是用直接和间接的方法，研究影响有丝分裂和细胞分裂的物理因素”（医学研究委员会，1972）。卡斯帕森关于紫外显微镜技术的研究工作尚有待验证。从定向的乌贼精子头部寻求X射线图形的工作也有待进行。胞质流动、染色体的弹性、胶体中的远程力、胶体中的蛋白质和病毒粒子的分子间距以及超声对突变的影响等都有待于研究。总而言之，兰德尔继续二战期间对细胞的生物物理学所进行的一系列研究，以便在由卡斯帕森、贝尔纳、达林顿和昂纳·费尔奠定的基础上深入下去。

兰德尔的目标是从研究细胞的许多方法中进行精选，以便跨学科地研究染色体及其环境的秘密。他说：“我们的生物物理实验，或许可以直接描述成细胞研究的实验。”（1951，2）早期的许多研究涉及光学原理的检验和仪器的设计。威尔金斯、威廉·西兹和K.P.诺里斯研制了一种能反映物体的球面镜，它有显微分光光度研究工作所必需的消色差功能（西兹和威尔金斯，1949），用于TMV、核酸和核蛋白的紫外二向色性研究（西兹和威尔金斯，1950）和核酸的红外研究（弗雷泽，1950）。与此同时，H.G.戴维斯和P.M.B.沃克制造了一种紫外折射显微镜（1950年），他们用这种显微镜确定了DNA复制的分裂间期的时间（沃克和耶茨，1952），这是不依赖于芝加哥的斯威夫特而独立完成的。沃克的新的光密度计后来由洛伯命名为乔伊斯·洛伯显微光密度计而投放市场。然后，E.M.迪莱为他在皇家学院的哲学博士学位论文研制了一种积分显微光密度计，而巴尔和斯特劳德后来又把这种新设计的显微光密度计推向市场。

1950年夏，兰德尔研究所看来已从探索阶段进入制订更明确的计划阶段。不再有人谈起超声技术，威尔金斯等人在研究中用的希思-鲁宾逊器械也已销声匿迹。人们认识到马乔里·麦克尤恩和D.L.莫尔德研究的黏土和矿物粒子胶体中的远程力完全不同于细胞中起作用的力（兰德尔，1951，3）。麦克尤恩曾试图证明中期赤道板是由非牛顿液体所组成，但这种打算被放弃了。相反，该研究所集中力量研究DNA、TMV以及核蛋白。威尔金斯兴趣的转移对这种变化无疑起了很大作用。他在接受诺贝尔奖的演讲中回顾了当他看到细胞中的染色体时所感受到的魅力，“但是我开始感到，作为一个物理学家，通过研究从细胞中分离出来的大分子，我可对生物学作出更多贡献。在这方面，我颇受来自斯坦利病毒实验室的杰拉尔德·奥斯特的鼓励，并激起我对TMV粒子的兴趣”（1963，127）。

来自DNA的第一批X射线图形

5月12日，威尔金斯出席了法拉第学会为期一天的会议。会上，鲁道夫·赛纳描述了他在伯尔尼完成的DNA钠盐的制备及其物理特性的研究。从三十年代和卡斯帕森合作研究时起，赛纳就深信DNA是一个长链分子，提取时很容易被弄成断片。第二次世界大战末，他开始着手设计更好的提取方法。到1949年，他的学生H.施万达尔改进了米尔斯基和波利斯脱尔的方法，出色地提取出没有降解的小牛胸腺DNA。

赛纳给这次法拉第学会会议带来了一瓶他能找到的最好的DNA，并分发给与会者。威尔金斯是幸运的领受者之一，另一个是保罗·多蒂。他用光散射法测定了相对分子质量，其值为7.0×106万（赖克曼等，1953）。彼得林用同样方法测定的值为6.7×106（1953）。毫无疑问，这种DNA给出了最佳的X射线图像！威尔金斯想要把这种赛纳DNA用到他借助反射显微镜进行的光学研究计划中去。那时他尚未从事X线衍射研究，而且他在那种技术上也没有受过训练。但是，物理系的A.R.斯托克斯在剑桥曾研究过碳化合物X射线结晶学。兰德尔指定刚从伦敦大学学院毕业的物理学家R.G.戈斯林为斯托克斯的助手。当时，斯托克斯正负责研究公羊精子头部的X射线研究，以补充兰德尔对精子所作的电子显微镜研究。兰德尔写道：“正是因为戈斯林想得到清晰的DNA样品图型作为对照，他才向威尔金斯要一点赛纳的DNA。”（兰德尔，1974）戈斯林想从赛纳的DNA干胶片层得到衍射图型。戈斯林把干胶片层夹在两片玻璃板之间切断，玻璃板垂直于X射线束（参见图19.2）。根据兰德尔的建议，让氢通过水冒出气泡然后通入照相机，使相对湿度保持在90%，结果得到的衍射图型不太理想。从玛丽·弗雷泽在皇家学院制备的鲱鱼DNA样品，戈斯林拍摄到类似的图型。

图19.2　DNA片层样品的辐射。

DNA纤维的晶状图型

在对赛纳的DNA进行光学研究过程中，威尔金斯看到：

在偏光显微镜下，极其均匀一致的纤维在交叉的尼科耳棱镜之间有清晰的消光。我发现，当我操作DNA胶体时，纤维是在不知不觉中产生的。每当我用玻璃棒触碰胶体和移开玻璃棒时，就有一根很细的几乎看不见的DNA纤维拉了出来，就像一根蛛网丝。纤维的完美性和均匀性表明，纤维中的分子是有规律地排列着。

（威尔金斯，1963，128）

这些纤维有极强的负双折射性，这表明DNA分子有很好的方向性。为此，威尔金斯去戈斯林那里想得到纤维的X射线衍射图型。遗憾的是，戈斯林用的设备不适合于做纤维研究工作。由于从样品到X光片之间的距离太大，X光管又太弱，所以不能用合理的曝光时间从精心拉制的纤维中产生一个理想的图型。因此，戈斯林便把大约35根为一束的纤维黏结在一起，并使它们曝光4小时，用的是钻辐射而不是铜辐射，目的是要提高分辨率。结果是令人惊讶的，戈斯林得到的图型同以前从DNA看到的任何图型相比，有更多的衍射最大值。

下一步显然是要搞清楚湿度变化是如何影响图型的。相对湿度为15%时，图型仍是同样类型。但是，三维能级明显减弱，因为衍射峰散开了。在曝光前，放在五氧化二磷上干燥并加热至80℃时，同一束纤维没有出现任何三维能级的迹象。使戈斯林和威尔金斯吃惊的是，当这些同样的纤维刚刚回复到90%的相对湿度时，它们又给出了最好的衍射图型。

卡文迪什会议

这最后一张照片无疑是阿斯特伯里和贝尔研究工作的一大进展。这是第一张清晰的结晶图型，出现的是结晶的DNA，而没有任何相变。后来，威尔金斯作了如下评论：

因而不可避免的是，DNA真正是结晶的。但是，应该承认阿斯特伯里的图型并未确凿证实这一点，尽管它们给出很好的迹象。有几个实例表明，生物材料的结晶点是重叠在扩散图型上，这是由于结晶不纯。有时候要求杂质不超过百分之几。

（威尔金斯，1968）

现在是6月，一切似乎都是为了取得真正的进展，但到了4日，即星期日这一天，从海军部无限期借来的雷马克斯X射线管出了故障（斯托克斯，1967）。与此同时，威尔金斯发现赛纳的DNA纤维可逆延伸，其长度超过原来长度的一倍，并且从负双折射变到正双折射，二向色之比也下降（参见图19.3）。在潮湿的大气中，纤维又回复到原来的长度和光学特性（西兹和威尔金斯，1950，422）。他激动地写了封信告诉剑桥的马卡姆有关X光片之事：“此照片比阿斯特伯里的好得多，而且几乎像单晶，约有100个点。这些纤维可逆伸展，在伸展期间，它们形成颈，颈明显地把两个相隔开。我认为，与角蛋白相比，这是一个可以伸长的分子。”（威尔金斯，1950a）从这封信里可以清楚地看出，威尔金斯一直在钻研1947年阿斯特伯里发表的论文中的X光照片。这些使威尔金斯预感到像在TMV中的高聚RNA，“或许同我们的伸展的DNA相类似……”（同上）。为此，他要求马卡姆给他TMV核酸。

图19.3　纤维延伸超过生长点而形成一个“颈”。当从交叉的尼科耳棱镜下观察时，狭窄的“颈”是正双折射，如同图的右下部分所示（录自威尔金斯、戈斯林和西兹，1951，760）。

无法避开这里所用的方法，它包括阿斯特伯里关于α-角蛋白以及伸展的或β-角蛋白同丝纤之间的类似性等准则。我得出的结论是，威尔金斯是把DNA当作α-角蛋白那样的折叠长链分子来拍摄的。它可以通过伸展来解开螺旋。这样，免不了要得出的结论是，他于1950年7月在卡文迪什由佩鲁茨主持召开的一个不公开发表的会议上作有关核蛋白的讲话时，他的想法就是如此。正如威尔金斯写在他的计划副本背面上的摘记所表明的那样，他描述了他对TMV和DNA做的紫外、二向色性和双折射研究。接着，他报告了戈斯林对DNA所作的X射线研究，显示出一个“杂乱的”图型（有3.4Å的反射）和一个结晶图型（有3.3Å，3.53Å和4.2Å的反射）。最后，他提到了DNA纤维干燥时的横截面和长度的变化以及伸展的效应。这导致他提出了自己的“假说”，我们推论的就是关于分子内变化的假说，如角蛋白的αβ转化的假说。

这些在1950年拍摄的照片，可从它们中央的白色大圆盘来加以识别，因当时不必要地用了一个很大的铅档板而留下了这个圆盘。除了赛纳的DNA以外，还拍摄了小牛胸腺以及玛丽·弗雷泽在皇家学院制备的鲱鱼精子DNA，也包括人的精子DNA以及定向的乌贼精子的X光照片。在1950年，威尔金斯并未把这两种类型的X射线图型看作是代表了不同的分子结构。恰恰相反，他认为戈斯林所说的“片层”图型只是“杂乱的”DNA，当“杂乱的”DNA变得有序时，就会呈现出“结晶的”图型。

红外光谱学

卡文迪什会议召开后不久，医学研究委员会的澳大利亚学者布鲁斯·弗雷泽把核酸列入他的红外研究课题（威尔金斯，1950b）。得到的红外光谱证实了一般持有的观点，即DNA中的碱基是垂直于分子链和纤维轴的。那年夏天，威尔金斯、西兹和弗雷泽在剑桥召开的法拉第学会会议（9月25—28日）上，描述了他们的研究工作。九天以后，兰德尔、威尔金斯、戈斯林和斯托克斯在帝国化学公司的韦林花园城研究实验室里，会见了合成纤维专家C.W.布恩。威尔金斯“有几张和他合影的很好照片”。斯托克斯在日记中写道，“但我们没有完全听懂他的解释”（斯托克斯，1967a）。布恩显然建议过在曝光过程中浸一下纤维，使得衍射最大值扩散，这样可能有助于标定衍射最大值。此外，他还提议设法制备具有双向性的样品。这次会议以后，威尔金斯写信给马卡姆：“布恩十分肯定地支持伸展分子的想法。阿斯特伯里十分错误地比较了核酸颈和尼龙颈。”（威尔金斯，1950d）威尔金斯显然一定也对阿斯特伯里谈起过颈，而阿斯特伯里把它归因于一个个长链分子的剪切，如同在尼龙纤维中所体现的那样。在尼龙纤维中，链已充分得到伸展。威尔金斯之所以对DNA中的颈感到吃惊，其理由是他认为这体现了分子内的变化，布恩同意他的看法。如同卡茨初步了解橡胶的分子内结构以及阿斯特伯里通过伸展纤维初步掌握了α-角蛋白的分子结构那样，威尔金斯颇希望能从这些伸展实验中获得有关DNA结构的线索。1951年2月，戈斯林和威尔金斯向《自然》杂志投寄的一篇短文，宣布他们验证了阿斯特伯里的结论，即DNA中的碱基在同纤维轴相垂直的地方有它们自己的平面，并被3.4Å的距离所分隔，他们还补充说，他们观察到“一个不寻常的纤维伸展现象，这个现象表明，这些长分子可以伸展成第二种形态”（戈斯林和威尔金斯，1951，759）。他们认为，“分子交叉滑行”不大可能是导致这种可逆延伸的原因。光学观察表明，在这过程中嘌呤和嘧啶环作了旋转，并且一般居于纤维长度的大约45°处（同上）。

尽管取得了这些成果，总的来说，这个计划仍处在探索阶段。“……第一个三年左右的时间，大部分用来制造仪器设备和选择那些我们最能解决的问题。”（兰德尔，1974）为此，当兰德尔向皇家学会作题为“生物物理学的实验”的演讲时，他要求：“同建立得早得多的研究机构所取得的重大成就相比，在这个早期阶段，对他的这个研究所的工作不能期望过高……”（兰德尔，1951，2）这次演说给历史学家提供了一个重大的信息——1951年初，在皇学学院内，DNA模型是其宠爱的一个研究课题。戈斯林和威尔金斯早已了解到伯克贝克学院的挪威结晶学家斯文·富尔伯格的工作。他确立了在胞嘧啶核苷中，糖的取向与碱基成直角，并断定在DNA中保留了这个取向，因而使糖环的平面平行于分子的轴（富尔伯格，1950a，760）。皇家学院的研究组当时必定研究了富尔伯格在伦敦提出的哲学博士论文，并且也一定比较了富尔伯格的DNA红外光谱研究结果和他的两个模型，其中一个模型是一条把碱基包在里面的单螺旋，另一个模型是碱基在外侧的一条带状链。现在，富尔伯格用骨架模型构造设备来建造他自己的模型了（富尔伯格，1968），但在《皇家学会会议录》中阐明的模型却是一个空间填充模型。所以我们可以肯定，这个模型是于1950/1951年冬，在皇家学院内建成的。它是富尔伯格带状链模型稍作修改后的模型，其碱基在外侧。所以，当时威尔金斯肯定没有想到一条宽的螺旋，这条螺旋可被拉出来伸展开。恰恰相反，他在考虑富尔伯格当时所说的“锯形链”（富尔伯格，1949b，93），在这种链中，正如他后来所说的，“核糖环和磷酸盐基团形成一根扁平的中心柱……”（富尔伯格，1952，638）。

富尔伯格的贡献

1947年，斯文·富尔伯格在他的导师——哈塞尔和芬巴克的提议下，来到伯克贝克学院工作。哈塞尔和芬巴克很赞赏贝尔纳所做的结构化学研究。通过纳菲尔德基金会，贝尔纳最后得到资助建立了一个生物分子研究实验室。富尔伯格获得了英国委员会奖学金来到了伦敦，在那里见到了贝尔纳的同事C.H.卡莱尔。卡莱尔由于读了古兰德的著作，他的兴趣最近已被吸引到核酸方面来了。毫无疑问，正是卡莱尔使富尔伯格对核酸作为“接生婆”分子的重要性产生深刻印象。正因为如此，富尔伯格的论文包含了达林顿论文中的一段话。达林顿的这篇论文发表在实验生物学学会的学术讨论会上。

经过历时50年的长期酝酿以后，我们现在正亲眼目睹技术力量的集结，其目标针对涉及遗传、发育和疾病的最本质的因子。由于核酸的作为一切繁殖粒子的分了“接生婆”的普遍功能，这种集结已有可能。尽管核酸在化学上还不太清楚，但正是核酸名副其实地给生物学提供了一个迄今一直缺少的统一体，一个化学上的统一体。

（达林顿，1947，266；引自富尔伯格，1949b，3）

G.皮特一直在伯克贝克学院研究羟基嘧啶的结构。现在，卡莱尔想循着核酸的方向进一步开展研究。对他来说，很明显的是，如果皮特的嘧啶结构连接到一个核糖环上，那么这两个单位就不是共平面的。所以，他叫富尔伯格注意由诺丁汉的D.O.乔丹提供的单晶形态的胞嘧啶核苷的结构。考虑到当时的技术水平，富尔伯格在二维傅里叶投影基础上能解决这个分子的三维结构，确是“一件非常出色的研究工作。事实上就是一个非常难解决的问题，如果他想要听听大家的意见，人们就会告诉他，这个问题是不可能解决的”（克里克，1973）。他确立了糖的取向几乎垂直于碱基（参见图19.4），并继续制作了两个DNA模型，包括了他关于核苷的构象。与此同时，他提出了胞嘧啶核苷酸中的磷酸盐基团的构象，在这个构象中，连接到糖环上的P-O₃链垂直于碱基的平面。根据阿斯特伯里的数据：3.4Å的碱基间隔和在27Å处的某种重复，富尔伯格制作了一个螺旋模型，在27Å的螺距中有8个核苷酸，每个残基与它的相邻残基沿轴相距3.4Å，绕轴作45°的旋转（参见图19.5a）。磷酸盐基团的取向为他提供了磷原子相距5Å。这是有一个螺旋构象，碱基在螺旋内侧，而且这也是说明以螺距表示的27Å处重复的第一个模型。富尔伯格喜欢这个模型甚于他的第二个模型（参见图19.5b），因为碱基是按阿斯特伯里建议的形态互相转变的，这样就允许碱基环之间的范德瓦尔斯力赋予结构的稳定性。

在富尔伯格的第二个结构中，残基每隔6.8Å占有相同的晶体位置。27Å并不代表模型的结构特征。但是，追随阿斯特伯里的富尔伯格写道，这两个模型或许“可以通过适当选择核苷酸的顺序而具有这个数值的重复单位”（1952，639）。这个论断发表在富尔伯格1952年3月提交的一篇论文中。当时他还指出，关于DNA内部结构的证据，“还不允许在现阶段”在他的这两个模型或介乎其间的模型之间“作出抉择”（同上）。显然，富尔伯格毫不了解柴门霍夫和查格夫所作的DNA核心的研究，否则他肯定会抛弃他的第二个模型，并只用螺旋的螺距来解释27Å的重复。

图19.4　（a）富尔伯格的在C-轴方向上胞嘧啶核苷的傅里叶投影；（b）富尔伯格的对应于上述投影的胞嘧啶核苷的模型。请注意，C₃和C₄之间的距离定为1.4Å录自富尔伯格，1949，22）。

图19.5　以“标准”构型的核苷酸为基础的胸腺核酸的两个模型。嘌呤环和嘧啶环的平面垂直于低的平面（录自富尔伯格，1952，637；还可参阅他的论文，1949，92）。

那不勒斯会议

关于威尔金斯于1951年初研究DNA和核蛋白的情况，我们可从他在那不勒斯动物学研究所召开的为期四天的“原生质的亚显微结构”会议（1951年5月22—25日）上提出的论文中收集到一些线索。他的论文是这样开始的：

晶体的特性反映了那些组成晶体的分子的特性。因此，当找到结晶状态的生命物质时，用分子来解释生物结构和生物过程的可能性就大大增加了。特别是研究活细胞中的结晶核蛋白，或许将有助于人们更接近于解决基因结构问题。

（威尔金斯，1951 a，105）

在听众中有一位年轻的博士后，美国人J.D.沃森。毫无疑问，他在凝神倾听！威尔金斯描述了皇家学院的研究小组如何全力以赴地研究核酸的两个方面：它们的结构以及它们在精子头部中的分子取向。他提供的信息是提取出来的DNA和细胞的DNA是相同的，因为它们的特性是如此相似。虽然尚未拍摄到乌贼精子头部的X射线图形，但光学研究却揭示了下述诸方面的无比惊人的类似性：在精子头部和纤维中的核酸的排列，碱基的取向以及存在可伸展的分子链结构。这再次清楚地表明，威尔金斯打算研究核蛋白，而阿斯特伯里已研究了羊毛的核蛋白。解开结构之谜的关键在于研究伸展的方法，通过伸展就可获得分子的延伸构型。威尔金斯显然希望借助两种类型的衍射图形，把正常状态和伸展状态联系起来。他揭示了结晶图形，这或许是为了说明这种可能性，即伸展图形是可以找到的，因为在威尔金斯论文发表后所作讨论结束时，阿斯特伯里说：“我对他（威尔金斯）在伸展的胸腺核酸纤维上观察到的现象特别感兴趣，因为我们自己在利兹甚至在二战以前，就已得到两张不同的X射线图……”（阿斯特伯里，1951，113）。这句话意味着威尔金斯曾谈到过两张X光照片。此外，从这次会议还可以清楚地看出，威尔金斯未曾讨论螺旋分子，但他讨论了分子的螺旋堆砌。在他活体研究的TMV晶体中，或在水合DNA纤维（经过伸展以后）中，在交叉的尼科耳棱镜之间观察它们时，他注意到都有带型。这个图形表示，沿着晶体和纤维的光学轴上有一种有规则的变化，这表明长链分子的锯齿形堆砌或螺旋形堆砌。

对沃森来说，“在威尔金斯即将结束讲话，在屏幕上映出DNA的X射线图像——晶状的或A型的X射线图像时”，真正激动的时刻终于到来了！尽管威尔金斯的“枯燥无味的英语表达方式”掩盖了他的激情，但他认为：“这个图像显示的内容要比以前任何图像详细得多，事实上可认为，这个图像是从结晶物质产生的。”这种看法促使沃森来了个一百八十度的大转变，而且

对化学着了迷。在莫里斯讲话以前，我曾担心基因可能是非常不规则的。然而，现在我知道基因可以结晶；因此，基因必定有一个有规律的结构，可用直接的方式来解释。

（《 螺旋》，33）

威尔金斯的螺旋模型

到1951年5月为止，我们还没有证据能证明威尔金斯曾认真考虑过富尔伯格的DNA螺旋模型，而威尔金斯和斯托克斯却都回顾了那年夏天的讨论，当时倾向于单链螺旋。这项进展不可能来自任何新的和激动人心的X光照片，因为上一年7月雷麦克斯管烧坏以后没有拍摄过任何照片；在此，专业X射线结晶学家罗莎琳德·富兰克琳的到来并未迅速改变这事态。在2月份时，富兰克琳在皇家学院逗留了一个月，威尔金斯写信给马卡姆：

我们现在才开始真正花力量研究核酸，红外研究人员对于环的位置已取得一些成果可供发表……我们现在有富兰克琳小姐专事X射线研究，我们希望能真正做点事，因为自夏天以来，我们几乎没有取得什么进展。

（威尔金斯，1951b）

此时，埃伦伯格-斯皮尔X光管已投入正常工作。伯克贝克学院已制出这种管子的一些原型，并发展了设计。这些管子投入商业生产以前，皇家学院在1950年5月幸运地得到了一只管子（斯托克斯，1967a）。开始，富兰克琳忙着为皇家学会写一篇有关碳的重要论文。5月，她完成了论文的修改（富兰克琳，1951a）。与此同时，威尔金斯在那不勒斯与B.巴塔格利亚合作研究薄片和纤维中乌贼精子的大分子样的行为特性（威尔金斯，1951c，214）。那年夏天，他们要参加几个重要会议。富兰克琳参加了6月底在斯德哥尔摩召开的国际结晶学家会议，而威尔金斯则出席了在利明顿矿泉附近的英国钢铁联合会的领地——阿肖恩山召开的法拉第学会年会（7月18—20日），以及在美国召开的戈登会议（8月27—31日）。所以，那年9月以前没有拍什么X光照片也就不足为奇了。

然而，威尔金斯关于DNA的想法却有了重大的进展。1951年7月中旬，他在由佩鲁茨召开的第二届蛋白质会议上，清楚地表达了这种想法。威尔金斯现在看到了DNA图形中的子午线缺失以及“十字线”特性的重要意义，而且从中直觉地推断出DNA分子的螺旋特性。由“十字线”的斜率给出了螺旋的梯度（参见图19.6）。

图19.6　1951年在剑桥由威尔金斯展示的一种图。

在那不勒斯有一个人一直在思考DNA分子的螺旋堆砌，并看出“TMV晶体的螺旋结构、螺旋化的染色体以及许多精子头部的螺旋形之间可能有某种联系”（威尔金斯，1951a，109），这个人现在考虑这种可能性，即DNA分子像α-螺旋的多肽链一样，它本身或许就是螺旋形的。正是由于子午线的缺失给他造成了深刻的印象，所以他请教了他的同事斯托克斯：什么样的分子结构才可解释子午线的缺失？斯托克斯认为是螺旋。那时，1951年7月下旬，威尔金斯开完剑桥和利明顿会议回来了，他感到迫切需要进行深入研究，单单作这种直觉的解释是远远不够的，所以他要求斯托克斯制订出螺旋衍射理论。

斯托克斯记不清到底花了多长时间，

但我认为估计一两天是最保险的——一旦你知道你要去做什么事，那么实际上就不会花很长时间，而且在数学上这也没有什么独到之处。我确信，如果“反螺旋的云”该降下而没有降下时，我们有可能在很短时间内使人们知道我们的想法。但遗憾的是，我们一度遭到挫折。

（斯托克斯，1967b）

斯托克斯在一张纸上写出螺旋衍射的导数，在另一张纸上给出了头17条层线上的贝赛耳函数。威尔金斯把这两张纸贴在皇家学院的布告栏上。这种贝塞耳函数图示法表明衍射最大值如何从一个角度的原点移动出来的，这个角度的子午圈等于螺旋斜率的子午圈，于是强度便沿子午圈本身消失。当考虑了纤维图的四个象限时，这就给出了现在这些熟悉的“十字线”。在1950年的“纸上”图形中可以检出这些“十字线”。在1950年的“结晶”图形中，子午线的缺失虽很清楚，但却没有明显的“十字线”。

夏末，威尔金斯在美国曾写了一封信，在富兰克琳的论文中包含了这封信的部分内容。这封信告诉我们威尔金斯在1951年底前的很多想法，信的内容是：

斯托克斯提供了一些有关螺旋的很好情况。我做了很多关于纤维膨胀和收缩的研究。当纤维膨胀到100%的湿度时，其横截面则提高2.7倍到3倍，长度也提高30%～40% 。

我认为，这些简单的体积实验，很可能足以说明每单位晶胞的链数目。我们假定干纤维的密度为1.6，即使其中有孔，每单位晶胞的链数目也不足2个，必为1个。关于这一点有许多假设，但我认为，证据确凿指明链数目是1个而不是2个。

赖利已发表（法拉第学会）的数字是以体积表示的。

此时了解水的密度似乎并不十分重要，重要的是要了解水在单位晶胞体积中所占的百分比。毫无疑问，测定百分结晶度是全部研究工作中最基本的；你的单色辐射实验无疑是澄清事实的唯一途径。因此，除了采纳百分结晶度这个数字以外，无论是密度实验或是体积实验都没有多大意义。

由于某些失误，帕特森分析看来得出错误的对称，因此我只得把它置之脑后了。

其结构可能是一条40°螺距的单螺旋，每单位晶胞一个螺旋体，层线是由螺旋的螺距给出的，而核苷酸是沿螺旋均匀地隔开的。斯托克斯可以解释近似的006007008点是3个而不是1个，这是就单螺旋而言的。然而，这都是推测。

他自愿使用诺里斯手中的赫胥黎照相机，并已订购了雷麦克斯X光管和拥有布罗德的装置。

给X线技术人员以希望的科学与工业研究总署，是医学研究委员会原来计划以外的一个新发展。

衷心希望你度过一个愉快的节日！

M.W.

（威尔金斯，1951d）

在同威尔金斯讨论了这封信以后，我了解到1951年他动身赴美以前，曾要求富兰克琳对戈斯林的结晶图形作帕特森分析。他阐明了这封信的突出之处——威尔金斯仍倾向于单链结构——是由于过高估计了结晶DNA的含水量。（他得到的70%这个数值并不来自经X射线辐射的结晶样品，而是来自用于膨胀和收缩实验的材料。）我们还从这封信中获悉，威尔金斯已了解到赖利和奥斯特的有关DNA胶体的工作。这里提到的“（法拉第）数字”也许就是他们对在利明顿召开的法拉第讨论会作出的贡献。此外，这封信还表明，威尔金斯的分子概念是以1950年的照片所提供的细节为基础的。为此，螺旋的螺距大约为45°。如果这代表1951年7月时他的DNA分子概念，那么他必定会对赖利和奥斯特向法拉第学会年会提交的论文感兴趣。

利明顿矿泉会议

赖利和奥斯特的论文是关于胶体和大分子系统引起的X射线和光散射问题（1951a）。有关DNA的部分是作者发表在1951/1952年冬出版的《生物化学和生物物理学学报》上的长篇论文的摘要。和威尔金斯一样，赖利和奥斯特是赛纳DNA的幸运领受者；但和威尔金斯不一样的是，他们是在一家配备有X光设备的研究所工作——这家研究所就是皇家研究所，它曾是威廉·布拉格爵士的住宅。他们认为：“了解分子在类似活细胞内的环境中的相互作用，对于了解细胞学的宏观现象比了解该分子在分离后拍摄的整幅图像要重要得多。”（赖利和奥斯特，1951b，526）所以，他们的目标并不是“详细分析核酸分子本身，而是研究其在相当高浓度的水系中的分子排列”（同上）。由于他们没有使自己的样品定向，所以他们获得的X射线图像就像粉末和流体的图形。他们的实验程序从干的DNA开始，然后加水，每隔一定时间加一点水，直到他们获得湿的凝胶为止。在实现凝胶状态以前，他们注意到两种 X射线图形——他们称一种为晶体，另一种为湿晶体（在他们提交给法拉第学会的论文中，称为“流体晶体”）。他们在探索分子间的堆砌变化时，把注意力集中到窄的角间隔。他们报道的晶体图形的许多宽角间隔，经观察表明并不平行在湿晶体图形上。所以他们设想，从一种图形变为另一种图形是连续的变化。为了说明水合作用下窄角间隔的交替，他们提出了两种解释。一种是绷紧的螺旋分子作了分子内的解旋，作为一条较松和较宽的螺旋；另一种解释是，其中有一个分子团棒状体系统，每个棒状体由包含7个棒状分子的六角形排列组成，这种排列可以移开而形成让水流入的孔穴。他们拍摄的赛纳DNA本身的分子是一个直径为16Å、长8000Å的棒状体（赖利和奥斯特，1951a，116）。在考虑了分子团系统后才得出上述直径，但他们注意到在阿斯特伯里和贝尔图像中，紧靠赤道16.5Å间隔处有一个16Å的X射线衍射间隔（赖利和奥斯特，1951b，545）。

威尔金斯回到皇家学院

在美国，威尔金斯拜访了给过他DNA的查格夫。这种DNA取自大肠杆菌、小麦胚芽和小猪。因此，在掌握了更多的情况以后，威尔金斯盼望重新加入皇家学院研究小组。由于富兰克琳终于得到了良好的设备和更多的DNA材料，毫无疑问他们可以居领先地位，可共同从事一些有成效的实验研究了。

当威尔金斯回来后不久，他就发现他的希望破灭了！富兰克琳确实十分忙碌。她和戈斯林在那年9月份拍摄了许多X光照片，为了获得更多的晶体图形，他们把相对湿度提高到90%以上。但是，他们不但未能获得衍射图形的更多细节，恰恰相反，得到的却寥寥无几。总而言之，得到的只是一个完全不同的反射阵列！它不再是结晶，而是仲晶了，或者如他们所说的是“湿的”。大约一年以后，这种形态被叫做“B结构”，与成为“A结构”的结晶形态形成对比。湿的形态类似于戈斯林和威尔金斯于1950年获得并错误确定的“片层”图，但现在可清楚地看出，十字线是由一系列密密麻麻的点子组成，沿着子午线直至3.4Å处，强度全部消失了。此时，一个强度弧主宰了整幅图面。

威尔金斯一看到这个图像就十分激动是不足为奇的，因为这是最激动人心的证据，尽管是一张曝光不足的底片也能看出DNA是一个螺旋模型——子午圈缺失，在3.4Å处重复，这是迄今最好的“双钻石”图形！使他吃惊的是，富兰克琳并没有分享他的激情。她怒气冲冲地说：“你胆敢向我解释我的数据吗？”经过许多次旅行后威尔金斯又回来了，他不愿向她提出关于单链螺旋和体积测量的愚蠢的建议。他现在只是想推动她的研究计划，因为这项研究计划看来很有希望，难道他早先没有显露出业余活动的才华吗？他的业余活动包括：制作过大的铅屏蔽，使氢通过水而不是通过合适的盐溶液来控制湿度，使用了供纤维研究工作用的单晶设备。就他所作的解释尝试来说，他抨击了阿斯特伯里的直观方法，而这正是阿斯特伯里的独到之处。威尔金斯没有解决单结构问题。这也许是她当时的感受。

罗莎琳德·富兰克琳的研究方法

1951年1月富兰克琳来到皇家学院时，她的一技之长是她在前八年里在研究煤炭时积累起来的。首先，她曾在英国煤利用研究协会的实验室里工作过，而后她在法国巴黎的国家化学部中央实验室工作。在英国，她发展了分子筛假说，用来说明她所研究的煤的真正而明显的密度；在法国，她用X射线晶体技术完成了分子团堆砌的更精确的定量模型。所以说，她擅长密度测定的低角度处的非晶物质的X射线衍射，来提示分子团的堆砌。在她到皇家学院以前未曾接触过生物学以及任何重要的生物物质。看来，她不会赞同下述意见，即染色体和精子揭示了螺旋形态学，因此，DNA很可能是螺旋状的。那么，究竟是什么驱使她研究DNA的呢？

富兰克琳十分高兴曾在巴黎实验室工作过。在那里，她是作为一个同事而被平等相待的，尽管她是个妇女。她直爽，善辩，讲话简洁，不能容忍愚昧和无所事事的人。尽管她酷爱登山和在政治上持左派立场，但所有这一切都没有影响她对科学的严肃而热烈的追求。在巴黎，她的同事都支持她。当她发怒时，从来不会惊呆他们，恰恰相反，这倒会激励他们奋发工作。其结果是，他们之间有了高境界的思想交流。但是，她的家人要求她返回英国。当时她已是快30岁的人了，她感到该回到英国科学界里去了，否则以后要回去会变得十分困难。1949年初，她拜访了查尔斯·库尔森，然后到了皇家学院。一年后，她翻阅了《自然》杂志上刊登的广告，写信给库尔森征询关于她在英国大学中谋求帝国化学公司研究员职位的意见。库尔森向她作了解释，认为她必须先找到一个合适的系，并在申请以前一定要征得系主任的同意。他认为，伦敦的伯克贝克学院或者皇家学院是她最合适去的地方。“如果你对你熟练的技术可能应用于生物学感兴趣，那么，你到皇家学院是再合适不过了。”（库尔森，1951）显然，在通信中出现生物学话题还是第一次。富兰克琳欣然接受了库尔森的建议，和兰德尔一起承担了这项工作，尽管她提醒兰德尔：

毫无疑问，我很少了解生物学，但我可以想象，大多数从事X射线工作的人都是这么起步的。我当然对生物学方面的X射线工作感兴趣。虽然我对皇家学院的研究工作一无所知，但既然伯克贝克学院的研究重点是单晶，我就可想象出皇家学院将着眼于其他方面的研究。这就更中我的意，这不是因为单晶研究工作的成果不那么迷人，而是因为实际的技术并不十分吸引我。

（富兰克琳，1950）

一定是在4月底左右，富兰克琳到皇家学院来见兰德尔。那时，关于DNA还没有很多工作要做，而且赛纳也尚未把他的材料带到伦敦。显然，决定先研究溶液中的蛋白质，这或许是最适合于X射线衍射技术的最佳课题。在巴黎时，她一直用X射线衍射技术。这个课题获得同意后，研究员职位委员会于6月召见了富兰克琳并授予从那年秋季开始连续三年的特纳-纽厄尔研究员职位。为了结束在巴黎的工作，她设法延迟担任这个研究员职务，到新年时她才上任。1950年11月，她写信给兰德尔，询问工作进展情况以及该工作同她的课题有何关系。兰德尔的回信是直截了当的。自从富兰克琳在春天访问以来，从赛纳的DNA上取得的成果是众所周知的。而且，人们感到这些成果是颇有希望和鼓舞人心的，因此正如兰德尔所说的，“对这项研究的看法在某种程度上已发生了变化……”。看来富兰克琳的信促使兰德尔与他的同事们作了一次讨论，因为兰德尔在信中接着又说：

在与高级人士十分仔细而周密的讨论和考虑以后，现在看来，研究我们感兴趣的生物纤维的结构，对你来说是十分重要的。这可以从低角度或高角度的衍射来进行研究，这种研究的意义远远胜过继续原来的课题，即对原来作为主要课题的溶液的研究。

正如我一直指出的那样，斯托克斯博士衷心希望在将来能致力于理论问题的研究，而不仅仅局限于X射线光学。一般说来，这很可能涉及显微镜术。这意味着，就实验性X线研究的力量配备来说，在目前只有你和戈斯林，另外还可以得到从锡拉丘兹毕业的赫勒夫人的临时帮助。和威尔金斯一起工作的戈斯林已经发现，从瑞士伯尔尼的赛纳教授提供的物质中获得的脱氧核糖核酸的纤维，给出了极佳的纤维图。这些纤维具有极强的负双折射性，在伸展时，这些纤维具有正双折射性，而在潮湿的大气中，又回复到负双折射性。毫无疑问，正如所知道的，核酸是细胞的一种极重要的成分。对我们来说，如果能详细探索核酸的本源，或许是十分有价值的。如果你能同意改变计划，那么也许就没有必要立即设计一架供研究溶液用的照相机了。然而，如从这些纤维中探索大的间隔，这种照相机还是十分有价值的。

我希望你能谅解我这样的建议，并不是说我们应该抛弃有关溶液研究工作的全部想法，但我们确实感到有关纤维的研究工作或许能给我们带来比较直接的好处，而且这可能是更为重要的研究工作。

（兰德尔，1950）

根据这封信很容易理解富兰克琳认为她和戈斯林可能是从事DNA纤维研究的仅有的几个人。这封信十分简洁明了。取得了初步的令人感兴趣的结果。她将接替有关工作并加强X射线的衍射分析工作。1950年11月，兰德尔和她的高级研究人员讨论时，威尔金斯显然同意富兰克琳应该接替他和戈斯林大约5个月前已开始做的工作。当时，对他来说，还不清楚基因结构的关键在于所提取的DNA的结构。他很想继续研究定向的精子、活的精子、TMV的核蛋白以及TMV的RNA（核糖核酸）。应记住的是，沃森和克里克偶尔也担心或许会证明DNA结构在生物学上是令人生厌的（《螺旋》，188）。赖利和奥斯特则故意把他们的注意力从分子内结构转移开去，因为他们预期DNA的生物学重要性不在分子内结构。但是，威尔金斯万万没有料到富兰克琳竟不愿和他合作及交换信息。当她来到皇家学院时，威尔金斯不在那里。几个星期过去了，“他才开始故作姿态地积级参加X射线数据的解释工作。在这种情况下，她很自然地感到，这项研究工作已分配给她了”（兰德尔，1974）。

我们现在可以看出，威尔金斯和富兰克琳各自从错误的立脚点出发勉强走到一起来了。在威尔金斯继续从事光学研究或出席有关会议时，一切都很顺利，但当他从查格夫实验室回来并想参加X射线工作时，富兰克琳发怒了。在威尔金斯同意把赛纳的DNA留给富兰克琳和戈斯林而他自己使用查格夫的材料后，他俩之间的不快才暂时平息。那时，他根本不知道用查格夫的材料不会得到“晶体”图形（A结构），也不知道用这种来产生卷缩的“湿”图形时，竟比用赛纳的材料更难定向。

当克里克邀请刚从美国回来的威尔金斯欢度周末时，威尔金斯欣然应邀出席。他们谈论DNA时，沃森也在场。他们一致认为DNA是一个螺旋分子。据沃森说，威尔金斯把这归因于在“湿”图形中不存在子午线。斯托克斯“告诉他，这是和螺旋完全一致的。得出这个结论以后，莫里斯怀疑三条多核苷酸链被用来构成螺旋”（《螺旋》，56）。由此我们可断定，1951年秋威尔金斯已抛弃了他早先的单链螺旋的信念，现在已接受三股螺旋的看法了。如果他确实告诉过沃森和克里克有关富兰克琳和戈斯林于9月间得到“湿”图形之事，那么看来他也不会给沃森和克里克产生这是一个惊人的新发现的印象。这个早期的B图形曝光不足，并不像翌年夏天的标本那么吸引人。威尔金斯后来回忆说，富兰克琳“在1951年9月间，我想是在那个时候，分辨了十字线图形中的层线，当时我远在美国的查格夫那里收集DNA。这些层线与强度分布，和斯托克斯从螺旋上计算的衍射是惊人的一致”（威尔金斯，1968）。但是，威尔金斯试图参加此项研究工作的尝试却遭到了失败。因此，他不再知道他们在干些什么，尽管他们都在该学院的同一幢楼的底层里工作。幸好兰德尔的系里将举行学术讨论会，那时富兰克琳会作报告。

1951年的学术讨论会

斯托克斯在11月21日的日记中写道：“在核酸结构学术讨论会上，威尔金斯、富兰克琳和我都发表了论文（我的论文是关于一般螺旋理论）。”（斯托克斯，1967a）人们都认为，威尔金斯会报告他对核酸纤维伸展性及其光学特性的研究，以及前一年春在那不勒斯的精子定向底片的工作；斯托克斯会介绍螺旋的傅里叶变换的一般特性以及如何用这个理论来解释DNA的衍射图形。

让我们设想在这次学术讨论会上，富兰克琳确实利用了由她的合作者艾伦·克卢格保存的她的研究笔记。于是，在我们面前呈现了一幅体现她所作贡献的画面，不过这幅画面显然不同于沃森的回忆（克卢格，1968）。她报告了三种“在相当程度上明确规定的状态”：（1）湿的；（2）结晶的；（3）干的。她还放映了这些状态的衍射图形的幻灯片。首先，她把注意力集中到子午线上的3.4Å弧以及两个“在约40°处针对子午线的倾斜污迹”。在赤道面上，有一个“极强的点”，她的结论是：只有赤道面能显示出“高度有序”。由于没有提供有关“湿”图形的细节，我们可以确信富兰克琳并未讨论可见层线的数目，而且也没有说明这个3.4Å弧。至于干的形态，她注意到了赤道强度的逐渐消失，只留下了这个3.4Å的子午弧以及两个侧弧。当她解释“结晶”图形时，除了27Å这个点外，她没有作出详细的解释。她指出：“目前由于实验的困难，我们看到的数量受到了限制。”菲利普斯微型照相机揭示出更多的点，这是在采用较好的样品时才做到的。但是，好的纤维是很细小的，细小的纤维则要求很长的曝光时间。1951年她的笔记表明，研究工作为此而中断了好多次。在这样的条件下，时间长是有困难的，曝光不足的“湿”图形就是一束“几根精细的纤维”曝光6小时后才获得的（戈斯林，1954，63；插图2）。

从结晶的到湿的转化

威尔金斯和戈斯林没有观察到他们的结晶图形转变成一个十分明显的“湿”图形。这种失误或许是由于富兰克琳的纤维的含盐量过高，这是为了控制湿度而采用盐溶液而造成的。富兰克琳和戈斯林报告了要使纤维从“湿”的变回到“结晶”所遇到的困难。

在学术讨论会上，富兰克琳着重探讨了相对湿度在70%和80%之间，从干条件下的P₂O₅转变为结晶态时，DNA要吸收多少水的问题。她的回答是，没有拉过的纤维含有42%以重量计的水。在转变成“湿”形态以前，她试图测量更进一步的吸水量，虽然这项工作尚未完成，但她注意到了“相对湿度在80%以上时的大吸水量”（富兰克琳，1951b）。她在1951年对单位晶胞所作的估计虽是初步的，但指明了它是“单斜的，向心的。在投影上，这是接近六角形，虽不是完全的六角形”（同上）。现在她可以集中所需的数据，以测定单位晶胞中的核苷酸的数目了。关于这项工作，她作了如下的笔记：

用阿斯特伯里的值1.63为干的DNA的密度时，测得晶体结构的含水量为42%以及核苷酸平均相对分子质量为330，于是就给出每单位晶胞（向心的）为46个核苷酸，也即每原始晶胞为23个核苷酸，这大致相当于每原始晶胞为24个核苷酸。

（富兰克琳，1951b）

富兰克琳的解释

鉴于后来发生的事件，值得仔细描述富兰克琳对她自己这阶段的研究结果所作的解释。下面是她记的并经过编辑加工的笔记：

总的假说

链组：在垂直于纤维轴的截面上，其结构十分接近于六角形。分子链的走向可能平行于纤维轴。这提示在接近六角形的紧密堆砌中，结构是由稍微扭曲的圆柱形单元所组成。

螺旋结构的证据：（1）由于不平衡的力的作用，因此绝对不可能是一条未扭曲的直链。（2）在结晶形态中，在子午线上没有反射，这提示是一个螺旋结构。在该结构中，投射到纤维轴上的电子密度几乎是均匀的。（3）存在一个很强的27Å周期。这显然不可能只由不同的核苷酸产生，这一定意味着核苷酸只是处在相隔27Å的相等距离上。这还提示，27Å可作为螺旋转一圈的长度。近乎六角形的堆砌方式则提示每晶格点只有一个螺旋（可能包含一条链）。密度测度（24个残基/27Å）提示是一条链。

晶体湿的变化：在湿图中，只有赤道显示出强烈的反射。这提示存在着圆柱形单元。这些圆柱形单元作平行于纤维的随机位移。此图（除了在赤道上）又可表示一个单晶格点单元的形态因素。

从一种形态变到另一种形态时，赤道点只移动约10%。这提示与单晶格点有关的链组保持原样；也即证实这些（2，3或4？）链的相互结合比在其他组中的链结合更强些，而且不会因水的作用而分离。在这种变化中发生了一个很大的长度变化。为此分离出来的螺旋不是结晶形态的同样的结构。后者涉及螺旋的某些应变。

结晶结构：单元间的键和单元内的键在这里是同样的重要，必须加以考虑。它们可能是：（1）碱基对碱基（NH—CO键？）；（2）碱基对磷酸盐；（3）磷酸盐对磷酸盐。这些键在相对湿度大于80%时会被水破坏。因此，（1）被完全排除在外；（2）是值得怀疑的；（3）极可能是磷酸盐对磷酸盐的键。单元间连接的存在（及其变式），可以很好地解释该结构对含水量的敏感度，也可解释结晶结构中有大量的水（很可能被保存在磷酸基团的领域中）。这种形态的含水量提示每核苷酸有8个水分子。

事实上，在中性pH时，每个磷原子只有一个可以电离的氧。

晶体干的变化：彻底干燥可稳定以后形成的结晶结构；也即在干燥时结晶序列虽然消失，但负责结晶序列的单元间的键却在干的状态下得到了保存和加强。干燥时，hkl和hko反射逐渐隐退，强度逐渐减小到零，得到的只是稍多的扩散。这提示三维骨架仍保持不变，但由于水的消失而变得扭曲和变形了。可以设想由于水的失去而在单元间的空间中形成孔穴一张非常干的照片的低角度散射证实了这一结论。

结论：此结构或是一条大的螺旋或是一条由几条链组成的较小的螺旋。因磷酸盐在外侧，所以磷酸盐对磷酸盐的螺旋间键被水打断。在这个外部位置上，磷酸盐可被蛋白质利用。

困难之处：尽管推论出每单位晶胞有24个核苷酸，但人们仍不知道此结构的同质性到什么程度。由于衍射图形上不存在无定形环，故人们不能测定无序的程度。

（富兰克琳，1951b，奥尔贝编）

沃森的来访

沃森出席了这次学术讨论会，但在他的回忆中怎么会一点都没有提到富兰克琳拥护螺旋的话呢？我们能否设想在讨论会上没有用到富兰克琳的笔记来说明这一情况呢？这似乎是不大可能的。因为这些笔记的标题是“1951年11月学术讨论会”。威尔金斯的评论是：“我的记忆是富兰克琳没有谈到螺旋，但我不能肯定。我认为，在讲话中把笔记中的推测提出来是不合适的。”（威尔金斯，1972）但是，关于螺旋的这些推测是十分有限的，她认识到必须研究表明圆柱形分子的近似的六角形堆砌，这一认识支持了这些推测。在她的谈话中无疑有充分的理由可以谈论这一特征及其重要意义，难道不是这样吗？

为此，让我们在开始时就注意到，在这一阶段沃森没有提到富兰克琳反对螺旋的观点。沃森早从威尔金斯以及从阿斯特伯里和贝尔那里获悉，在大约27Å至28Å处有一个链重复，而且碱基彼此相隔3.4Å。威尔金斯还告诉沃森和克里克，他倾向于三股模型。所以，当富兰克琳重复提到这些情况时，并没有使沃森吃惊。

11月初，克里克和科克伦研究出了螺旋的傅里叶变换式。克里克探索用来解释纤维图的这一理论的热情，深深地感染了沃森；沃森也深受克里克对该理论的重要意义所作评价的影响。这一理论应与波林成功地解决多肽结构所用的方法相关。沃森来到伦敦，希望听到富兰克琳谈谈有关模型构造、层线强度的细节以及简单解决方法的可能性等。但事与愿违，他听到的是喋喋不休的告诫，技术上的难题，各种湿度范围内样品含水量的冗长数据。这同模型有什么关系呢？谁介意分子之间的磷酸盐与磷酸盐的相互作用呢？沃森追求的是分子本身的结构呀！他自己承认，富兰克琳说的话，大部分成了耳边风！他不再注意听讲话了，他又习惯地写自己的笔记了。

因此，我们必须区别富兰克琳在1951/1952年冬暂时承认DNA具有A和B两种形态的螺旋结构，以及那时她对该证据的重要意义所作的评价。据沃森说，学术讨论会刚过一个星期，富兰克琳就宣布“没有任何证据能证明DNA是螺旋结构”（《螺旋》，94）。这种态度同她继续暂时承认DNA分子是螺旋构象不相一致。1952年2月，她向研究员职位委员会提交了她的第一份报告。她再次承认两种形态的螺旋结构。

阿斯特伯里和贝尔取得的进展

1951年末，研究工作比1946年阿斯特伯里描述的境况迈进了一大步。由于用了赛纳·施万达的DNA以及由埃伦伯格-斯皮尔电子管和菲利普斯微型照相机组成的X射线新设备，才可能取得这一成就。皇家学院有三项重大的观察：能制出定向良好的纤维；能产生单相结晶图形；发现了分子的两种结构形态，它们的衍射图形清晰可辨。阿斯特伯里和贝尔从未得到过不混有“湿的”形态的结晶形态。结果是“湿”形态的3.4Å的核苷酸间的间隔，就同“结晶”形态的27Å的骨架重复有混淆。鉴别赤道面反射就可检出纤维中的结构不止一种：

最后，纤维的亲水性强烈地提示磷酸盐基团必定在分子的外侧。