摘取桂冠的竞争

摘取DNA桂冠的竞争

确认DNA是遗传物质

20世纪40年代，人们对DNA有了正确的认识。这是由两个著名的实验引发的。

一个是1944年美国细菌学家艾弗里及其同事进行的肺炎球菌实验。他们认识到，DNA就是遗传物质，而过去则认为蛋白质是遗传的基础。所以，有人以前称艾弗里的实验标志着DNA“黑暗时代”的结束和“分子遗传学”的开始。还有人称，艾弗里是分子遗传学的鼻祖。

另一个是1952年美国微生物学家赫尔希等人进行的噬菌体感染研究。当人们为艾弗里的实验而激烈争论时，赫尔希等人在考虑，能否将蛋白质和DNA完全分开，单独观察DNA的作用呢？关于噬菌体的研究证实，进入细菌细胞的噬菌体是核酸，进而说明，携带遗传信息的是核酸，而不是蛋白质。噬菌体的DNA不但包括噬菌体自我复制的信息，而且包括合成噬菌体蛋白质所需要的全部信息。此后，再也无人怀疑DNA是遗传物质了。赫尔希因此获得了1960年的诺贝尔医学和生理学奖。

肺炎双球菌的转化实验

值得提及的还有查可夫。在20世纪40年代，他首次利用一些先进的分析方法，完成了关于DNA的4种碱基量的测定工作。查可夫得到的规律对最终搞清楚DNA的结构具有重要的启发作用。

解析DNA结构

20世纪30年代末，学者们开始应用X光衍射技术来研究生物大分子的结构，形成了分子生物学中的结构学派。结构决定着功能，对结构了解得越精细，则从中推导出功能信息的可能性就越大，准确性就越高。这就是当时生物学中观念尚未十分明确但气氛却非常浓郁的还原论。

在蛋白质分子结构模型的基础上，学者们开始应用X光衍射法来研究DNA的分子结构，其中贡献卓著的当数威尔金斯和富兰克林。

威尔金斯于1915年出生于新西兰，他的父母是爱尔兰人，威尔金斯22岁时毕业于英国剑桥的圣约翰大学物理系，24岁在伯明翰大学获物理学博士学位。他自己曾追述说，在剑桥时，“我对固体的结构及其依赖于这种结构的特殊性质非常感兴趣。”20世纪40年代中期，当威尔金斯读到薛定谔的《生命是什么》一书时，非常兴奋，感受到控制生命过程的复杂分子结构的概念的强烈冲击，从此步入了生物学的殿堂。1950年，威尔金斯担任英国皇家学院生物物理学部的助理主任，并开始进行DNA分子的X光衍射研究。

第一幅DNA的X光衍射照片是由先驱者阿斯特伯里在1938年得到的，但这中间停顿了几十年。到威尔金斯小组重新研究这个问题时，已是20世纪50年代了。1950年，威尔金斯得到伯恩实验室作为礼物送来的一份纯净的DNA。这份DNA呈胶状，是一种黏性物质。当威尔金斯用玻棒点了一下，然后拿开玻棒时，他发现玻棒“带出一条细得几乎看不见的DNA纤维，就像蜘蛛丝一般”。这些纤维表明其内部分子具有有序的排列。威尔金斯和他的研究生戈斯林立即用X光衍射设备拍摄了DNA纤维产生的图样照片，他们得到的照片比阿斯特伯里的要精美得多。其中一个主要原因就是他们保持了DNA纤维的湿润状态，而阿斯特伯里研究的是干了的DNA薄膜。DNA的X光衍射照片中有明显的几组点组成了十字的一横，提示DNA的整个结构为螺旋形，但证据并不充分。要弄明白DNA究竟是什么样的螺旋，研究者们还有很长的路要走。

富兰克林和她的DNA　X光衍射结果

正在此时，富兰克林加入了研究组。富兰克林生于1920年，在剑桥大学获得物理化学学位。她是X光衍射技术的专家。富兰克林此时也进行DNA的X光衍射研究，并于1952年5月获得一张清晰的DNA的X光衍射照片。

威尔金斯和富兰克林为沃森和克里克提出DNA分子双螺旋结构模型提供了宝贵的数据资料。沃森、克里克和威尔金斯于1962年荣获诺贝尔生理学医学奖。应该说，富兰克林在这方面的贡献完全不亚于威尔金斯。沃森和克里克提出DNA分子双螺旋结构模型所依据的其实是1952年5月富兰克林得到的DNA的X光衍射照片。事实上，富兰克林也接近得出DNA的双螺旋结构模型了。可惜她英年早逝，而未能获得诺贝尔奖，这是科学史上的一件憾事。

在X光衍射照片的基础上，综合DNA化学研究方面的资料，沃森和克里克，特别是沃森，有着更宽广的眼界，从各专家处汲取所需，而得到新的综合结果，而且这种综合结果比其各部分更伟大，这是那些不能聚木为林的专家们无法领悟到的。

1928年4月6日，沃森出生于美国芝加哥。16岁就在芝加哥大学毕业，获动物学理学士学位，在生物学方面开始显露才华。22岁时沃森来到英国剑桥大学的卡文迪许实验室，结识了早先已在这里工作的克里克，从此开始了两人传奇般的合作生涯。克里克于1916年6月8日生于英格兰的北安普敦，21岁在伦敦大学毕业。二战结束后，来到剑桥的卡文迪许实验室，克里克也是深受薛定谔的《生命是什么》一书的影响，从物理学转向研究生物学的。

沃森和克里克构建DNA分子结构模型的工作始于1951年秋。他们仿照鲍林构建蛋白质α螺旋模型的方法，根据结晶学的数据，用金属片按原子间键角与键长的比例搭配核苷酸。核苷酸是DNA的基本结构单位。核苷酸有A、T、G、C共4种。1950年，生物化学家查伽夫报道了他对人、猪、牛、羊、细菌和酵母等不同生物DNA进行分析的结果。查伽夫的结果表明，虽然在不同生物的DNA之间，4种核苷酸的数量和相对比例很不相同，但无论哪种物质的DNA中，都有A＝T和G＝C，这被称为DNA化学组成的“查伽夫法则”。1952年7月，查伽夫访问卡文迪许实验室时，向克里克详细解释了A∶T＝G∶C＝1∶1的法则。1952年春，克里克的朋友，理论化学家格里菲斯通过计算表明，DNA的4种核苷酸中，A必须与T成键，G必须与C成键。这与查伽夫法则完全一致，以上这些工作，就成了沃森和克里克DNA分子模型中A—T配对、G—C配对结构的基础。

DNA结构图

1953年2月，威尔金斯将富兰克林1952年5月拍的一张非常精美的DNA的X光衍射照片拿给沃森和克里克看，克里克立即发现，DNA是双螺旋的，而且构成双螺旋的两条单链走向相反。至此，DNA骨架已经浮现。随后，鲍林以前的同事多诺告诉沃森，A－T和G－C配对是靠氢键维系的。克里克提出，与糖－磷酸骨架垂直的碱基只有朝向骨架中心，才能保持稳定的氢键联系。2月28日，沃森用纸板做成4种碱基的模型，将纸板粘到骨架上朝向中心配对，克里克马上指出，只有两条单链的走向相反才能使碱基完善配对，这正好与X光衍射资料一致。

完整的DNA分子结构模型完成于1953年3月7日，星期六。根据这个模型，DNA分子是一个双螺旋结构，每一个螺旋单位包含10对碱基，长度为34埃（1埃＝10^－10米）。螺旋直径为20埃。4月15日，沃森和克里克关于该模型的第一篇论文在《自然》杂志上发表。同时在这期《自然》杂志上发表的有关论文还有：威尔金斯、斯托克和威尔逊合署的文章，介绍了X光衍射数据的总体证据支持DNA的双螺旋结构模型，以及富兰克林和戈斯林合署的文章，文中展示一幅重要的、精美的DNA的X光衍射照片，并确认了沃森－克里克模型的合理性。

DNA复制

DNA分子双螺旋结构模型的发现，是生物学史上的一座里程碑，它为DNA复制提供了构型上的解释，使人们对DNA作为基因的物质基础不再怀疑，并且奠定了分子遗传学的基础。DNA双螺旋模型在科学上的影响是深远的。2003年是DNA双螺旋模型发现50周年，科学界举行了隆重的纪念活动。

激烈的竞争

20世纪20年代至30年代，量子力学的发展很快，新的思想对遗传学的发展产生了重要影响，并且有一大批物理学家加入到遗传学的研究之中。同时，由于物理学家的介入，对遗传学的实验技术发展也产生了很大的推动作用，特别是X射线结晶技术。它不仅仅在研究蛋白质结构的工作中发挥了重要作用，而且在分析DNA结构的工作中也发挥了极其重要的作用。

关于DNA结构的研究，人们当时已经认识到，这是一场关于获取诺贝尔奖的竞争。在这场激烈的竞争中，摘取诺贝尔桂冠的是英国剑桥大学卡文迪许实验室的沃森和克里克，还有伦敦皇家学院的威尔金斯。然而，许多人的工作也是不可忽视的。

在沃森和克里克的工作中，他们采用了模型的方法来反映DNA的结构。其实在他们之前就有人采用此法。例如，20世纪初的著名科学家莱文和30年代至40年代的科学家就采用了模型的方法，但由于条件尚不成熟，在探索DNA结构的研究中未能获得成功。

在这场竞争中，除了沃森和克里克小组之外，还有两个著名的小组：鲍林小组和威尔金斯小组。

鲍林在研究化学键的性质和复杂分子结构方面做出了重要的贡献，为此获得了1954年度的诺贝尔化学奖。后来还获得了1962年度的诺贝尔和平奖。1951年，鲍林小组首次提出了纤维状蛋白质分子的阿尔发螺旋体模型。

威尔金斯和富兰克林在建立DNA分子模型中的作用是非常重要的。威尔金斯是新西兰物理学家，40年代开始生物物理学的研究工作。1950年开始研究DNA晶体结构，并在方法上采取了“X射线衍射法”。他们拍摄出第一张DNA纤维衍射图，证明DNA分子具有单链螺旋结构。这在建立DNA的分子模型的工作中发挥了重要的作用。富兰克林是一位才能卓越的物理化学家。早年研究色层分析技术，后来在巴黎学习X射线衍射技术。30岁的富兰克林已经成为一位出色的物理学家、物理化学家、结晶学家和X射线衍射技术的专家。1951年，她同威尔金斯一起研究DNA分子结构问题。

富兰克林首先制备出DNA样品，并且拍摄出不同湿度下的X射线衍射照片，这是DNA分子B型图。从照片中，她发现DNA具有螺旋型结构，并且测量了这种螺旋体的直径和螺距。她发现DNA螺旋体呈现的不是单链结构，而是按双链同轴排列的。这些对沃森和克里克的发现具有极其重要的意义。

然而，对DNA分子结构的研究还是沃森和克里克捷足先登。鲍林和富兰克林的研究虽然有重大的突破，并且对DNA的分子的认识大大加深了。但是，他们的研究对揭开DNA之谜还是功亏一篑。1974年，鲍林回忆起这段发现的过程时感到深深的遗憾。据说，查可夫听说沃森和克里克的成功之后，他感到非常的失望和痛苦。富兰克林由于身患癌症，于1958年去世，而4年后，沃森、克里克和威尔金斯获取了诺贝尔奖。人们对此次授奖颇有微辞，认为这是英国“大男子主义”的表现。不过，富兰克林的认识的确是有一定的片面性。

DNA的双螺旋结构

就查可夫来说，虽然他的发现为“碱基配对”规律的发现奠定了化学基础，甚至相信核苷酸之间的数量关系必定有其结构上的原因，但他还是就此了结，而并未深入下去。

鲍林的懊悔是有一定道理的，因为他在分子结构理论上有很好的造诣。他从化学的角度解决了许多DNA的结构问题，认识到DNA的多链和氢键的问题，但未能掌握X射线晶体分析方面的最新成果，也不能运用功能和信息的方法研究基因复制，因此对碱基互补的问题束手无策。尽管他深知核酸内会有嘌呤和嘧啶，但他始终没有想到碱基配对的问题；尽管他考虑到DNA的结构问题，但他只是考虑三螺旋结构而未想到双螺旋结构。

20世纪50年代，威尔金斯和富兰克林的研究是领先的。威尔金斯对富兰克林的研究最先了解，沃森曾指出：“威尔金斯应该首先有机会解决这个问题，但是，他一点不认为摆弄分子模型就能找到问题的答案。”威尔金斯对从分子结构的角度说明生物遗传的功能是不感兴趣的。富兰克林的造诣很高，对DNA的研究是很有深度的。但是，富兰克林只是侧重于结晶学的角度。尽管她实际完成了建立DNA结构的大部分工作，但她对构建完整的DNA模型不感兴趣。因此，她对碱基配对和双股链的走向结构都没有明确的假设。她甚至认为，DNA的螺旋结构是在特殊条件下呈现的，并不具有一般的意义。这可能因为她是一个物理学家，难于理解DNA分子结构的生物学意义。从这一点上说，她远逊于沃森。再加上富兰克林天性谨慎，尽管她对研究工作是认真负责的，但是对研究的进度影响较大。

此外，从知识互补的角度看，沃森和克里克的配合与威尔金斯和富兰克林的配合也有很大的不同。前者的知识结构是异质互补，各自的优势相互补充且得到充分的发挥。后者则在结晶学研究上居世界前列，但对DNA的生物学意义认识得不够。尽管威尔金斯和富兰克林的造诣超过了沃森和克里克，但是缺乏学科综合的能力，困于单一的方法。这些也大大影响了他们的研究水平。

中心法则

1941年，比德尔与塔特姆一起提出“一个基因一种酶”的假说，认为基因是通过酶来起作用的。基因主要位于细胞核中。如果酶是在细胞核内合成的，问题倒也简单，由基因直接指导酶的合成就是了。可事实却并不如此。

中心法则

早在20世纪40年代，汉墨林和布拉舍就分别发现伞藻和海胆卵细胞在除去细胞核之后，仍然能进行一段时间的蛋白质合成。这说明细胞质能进行蛋白质合成。1955年李托菲尔德和1959年麦克奎化分别用小鼠和大肠杆菌为材料证明细胞质中的核糖体是蛋白质合成的场所。这样，细胞核内的DNA就必须通过一个“信使”将遗传信息传递到细胞质中去。

1955年，布拉舍用洋葱根尖和变形虫为材料进行实验，他用核糖核酸酶分解细胞中的核糖核酸，蛋白质的合成就停止。而如果再加入从酵母中抽提的RNA，蛋白质的合成就有一定程度的恢复。同年，戈尔德斯坦和普劳特观察到用放射性标记的RNA从细胞核转移到细胞质。因此，人们猜测RNA是DNA与蛋白质合成之间的信使。1961年，雅各布和莫诺正式提出“信使核糖核酸”的术语和概念。1964年马贝克斯从兔的网织红细胞中分离出一种分子量较大而寿命很短的RNA，被认为是mRNA。

实际上，早在1947年，法国科学家布瓦旺和旺德雷利就在当年的《实验》杂志上联名发表了一篇论文，讨论DNA、RNA与蛋白质之间可能的信息传递关系。一位不知名的编辑把这篇论文的中心思想理解为DNA制造了RNA，再由RNA制造蛋白质。10年以后，1957年9月，克里克提交给实验生物学会一篇题为“论蛋白质合成”的论文，发表在该学会的论文集《Symposumof the Society for Experimental Biology》第十二卷第138页。这篇论文被评价为“遗传学领域最有启发性、思想最解放的论著之一”。在这篇论文中，克里克正式提出遗传信息流的传递方向是DNA→RNA→蛋白质，后来被学者们称为“中心法则”。

中心法则在具体细节上经过完善后，在遗传信息流传递方向上又有补充和发展。1970年，巴尔的摩和梯明在致癌的RNA病毒中，发现一种酶，能以RNA为模板合成DNA。他们称这种酶为依赖RNA的DNA多聚酶，现在一般称为逆转录酶。这就是说，遗传信息流也可以反过来，从RNA→DNA。这是一项重要的发现。巴尔的摩和梯明于1975年荣获诺贝尔奖。

巴尔的摩1938年3月7日生于美国纽约，在中学时代就对生物学有浓厚兴趣。1960年毕业于宾夕法尼亚州斯沃思莫大学，1964年获洛克菲勒大学哲学博士学位。梯明1934年12月10日生于美国费城。1955年毕业于宾州斯沃思莫大学，1959年获加州理工学院哲学博士学位。巴尔的摩与梯明发现了逆转录酶，还发现了逆转录病毒的复制机理。逆转录病毒是RNA病毒，病毒的RNA逆转录出DNA，再整合到寄主细胞的染色体中，使寄主细胞发生癌变，这一成果也使癌症研究进入了一个新阶段。

对于逆转录酶的发现，巴尔的摩的华裔夫人黄诗厚也作出了重大贡献。当巴尔的摩在麻省理工学院进行癌症研究时，寻找逆转录酶遇到困难。当时正好从事病毒学研究的黄诗厚博士发现在某些RNA病毒的蛋白质外壳中带有“转录酶”——RNA多聚酶。这个发现给了巴尔的摩极大的启示，他也果然在RNA肿瘤病毒的蛋白质外壳中找到了逆转录酶。

根据中心法则，DNA中的信息转录到RNA分子中后，要再进一步转译成蛋白质，才能表达为酶的活性。

1981年，切赫等人在四膜虫发现自催化剪切的tRNA。1983年阿尔特曼领导的一个研究小组发现大肠杆菌的核糖核酸P的催化活性取决于RNA而不是蛋白质。这意味着RNA可以不通过蛋白质而直接表现出本身的某种遗传信息，而这种信息并不以核苷酸三联体来编码。这是对中心法则的又一次补充和发展。切赫和阿尔特曼荣获1989年的诺贝尔化学奖。

“中心法则”示意图

DNA本身是否也具有酶活性呢？1994年，乔依斯等人发现一个人工合成的DNA分子具有一种特殊的磷酸二酯酶活性。此后，国外又有多例报道人工合成的DNA序列具有各种不同的酶活性。1995年，我国学者王身立等人发现，从多种生物中提取的DNA均具有酯酶活性，能催化乙酸萘酯水解为萘酚和乙酸。这种较弱的酯酶活性并不需要特定序列的DNA编码，而是非特异性DNA的一般性质。王身立推测，在生命起源时，RNA和蛋白质都还未出现，原始海洋营养汤中的DNA可能利用本身的酯酶活性水解萘酯等物质以获得能量。随着生命的进化，酶活性更强的蛋白质出现了，在生命世界中DNA作为酶的作用则为蛋白质所取代。但DNA分子本身的酯酶活性仍作为一种“分子化石”的遗迹，一直保存到今天。

光阴给我们经验，读书给我们知识。

——奥斯特洛夫斯基