《寻找生命的逻辑》基因·分子遗传学的诞生·双螺旋

寻找生命的逻辑

——生物学观念的发展

·方舟子·

第二编 基因

第二章 分子遗传学的诞生

三、双螺旋

在DNA被确认为遗传物质之后，生物学家们不得不面临着一个难题：DNA显然不可能是传统认为的四核苷酸聚合体结构，那么DNA应该有什么样的结构，才能担当遗传的重任？它必须能够能够携带遗传信息，能够自我复制传递遗传信息，能够让遗传信息得到表达以控制细胞活动，并且能够突变并保留突变，这四点，缺一不可，如何建构一个DNA分子模型解释这一切？

当时主要有三个实验室差不多同时在研究DNA分子模型。第一个实验室是伦敦国王学院的威尔金斯（Maurice Wilkins, 1916-2004）、弗兰克林（Rosalind Franklin, 1920-1958）实验室。他们用X射线衍射法研究DNA的晶体结构。当X射线照射到生物大分子的晶体时，晶格中的原子或分子会使射线发生偏转，根据得到的衍射图象，可以推测分子大致的结构和形状。第二个实验室是加州理工学院的大化学家鲍林（Linus Pauling, 1901-1994）实验室。在此之前，鲍林已发现了蛋白质的α-螺旋结构。第三个则是个非正式的研究小组，事实上他们可说是不务正业。23岁的年轻的遗传学家沃森（James D. Watson, 1928-2025）于1951年从美国到剑桥大学做博士后时，虽然其真实意图是要研究DNA分子结构，挂着的课题项目却是研究烟草花叶病毒。比他年长12岁的克里克（Francis Crick, 1916-2004）当时正在做博士论文，论文题目是“多肽和蛋白质：X射线研究”。沃森说服与他分享同一个办公室的克里克一起研究DNA分子模型，他需要克里克在X射线晶体衍射学方面的知识。他们从1951年10月开始拼凑模型，几经尝试，终于在1953年3月获得了正确的模型。关于这三个实验室如何明争暗斗、互相竞争的故事，由于沃森一本风靡全球的自传《双螺旋》而广为人知。就象一切的自传，在史实方面未必完全可靠，这也已有多部著作做了更为客观的描述，在这里不必细述这个发现过程的种种细节。值得探讨的一个问题是：为什么沃森和克里克既不象威尔金斯和弗兰克林那样拥有第一手的实验资料，又不象鲍林那样有建构分子模型的丰富经验（他们两个人都是第一次建构分子模型），却能在这场竞赛中获胜？

这些人中，除了沃森，都不是遗传学家，鲍林和弗兰克林是化学家，而威尔金斯和克里克则是属于一大批在第二次世界大战之后改行从事生物学研究的物理学家。第二次世界大战在某种意义上说，是一场科技战争，尤其是像英国这种人力和物力资源都缺乏的岛国，更倚重科技的进步来改变战争的进程。大批的物理学家、数学家被征召为军方服务，破译密码，研制雷达、声纳、计算机、核武器。克里克1937年从伦敦大学学院物理系本科毕业后，又开始攻读物理博士学位，但是1939年战争爆发，他被迫中断学业，为英国海军部工作，研制磁性水雷和感音水雷。威尔金斯比克里克晚一年获得物理学士学位（剑桥大学），但在1940年读完了物理学博士（伯明翰大学），其论文与雷达有关，在战争期间他参与研制雷达，1943年又到美国伯克利参与曼哈顿计划研制原子弹。战争结束后，这些曾经为战争的胜利立下汗马功劳的物理学家的出路成了问题。许多人必须改行。其中不少年轻的物理学家，在大物理学家波尔和薛定锷（Erwin Schrodinger, 1887-1961）的激励下，投身到生物学的研究。此时的物理学界，在经历了相对论和量子力学两场革命后，进入了所谓“常规科学”时期，似乎已没有重大问题可解决，满足不了雄心勃勃的年轻物理学家的求知欲。而生物学相对来说还是一块未开垦的神秘领域，特别是生物的遗传，在当时还是一个谜。波尔和薛定锷都认为通过研究生命现象有可能发现新的物理定律，向物理学家们发出了号召。克里克和威尔金斯后来都强调薛定锷在1944年出版的《生命是什么？》（What is Life?）一书对他们的影响，使他们从事生物物理研究——用物理方法研究生命现象。克里克先是研究细胞中磁性颗粒的运动，在听说剑桥大学卡文迪许实验室新成立了一个研究组用X射线衍射法测定蛋白质的结构后，便要求转到那里做博士论文。差不多同时，威尔金斯也在1950年到伦敦国王学院用X射线衍射法测定DNA的晶体结构。威尔金斯虽然最早研究DNA的晶体结构，当时却对DNA究竟在细胞中干什么一无所知，在1951年才觉得DNA可能参与了核蛋白所控制的遗传。弗兰克林也不了解DNA在生物细胞中的重要性。鲍林研究DNA分子，则纯属偶然，他在1951年11月《美国化学学会杂志》上看到一篇核酸结构的论文，觉得荒唐可笑，为了反驳这篇论文，才着手建立DNA分子模型。他是把DNA分子当作化合物，而不是遗传物质来研究的。这两个研究小组完全根据晶体衍射图建构模型，鲍林甚至根据的是30年代拍摄的模糊不清的衍射照片。不理解DNA的生物学功能，单纯根据晶体衍射图，有太多的可能性供选择，是很难得出正确的模型的。

沃森在1951年到剑桥的之前，曾经加入噬菌体小组，做过用同位素标记追踪噬菌体DNA的实验，坚信DNA就是遗传物质。据他的回忆，他到剑桥后发现克里克也是“知道DNA比蛋白质更为重要的人”。但是按克里克本人的说法，他当时对DNA所知不多，并不觉得它在遗传上比蛋白质更重要，只是认为DNA做为与核蛋白结合的物质，值得研究。对一名研究生来说，确定一种未知分子的结构，就是一个值得一试的课题。在确信了DNA是遗传物质之后，还必须理解遗传物质需要什么样的性质才能发挥基因的功能。象克里克和威尔金斯，沃森后来也强调《生命是什么？》一书对他的重要影响，甚至说他在芝加哥大学读本科时读了这本书之后，就立志要破解基因的奥秘。如果这是真的，我们就很难明白，为什么沃森向印第安那大学申请研究生时，申请的是鸟类学。由于印第安那大学动物系没有鸟类学专业，在系主任的建议下，沃森才改而从事遗传学研究。当时大遗传学家缪勒恰好正在印第安那大学任教授，沃森不仅上过缪勒关于“突变和基因”的课（得了A分），而且考虑过要当他的研究生。但觉得缪勒研究的果蝇在遗传学上已过了辉煌时期，才改拜研究噬菌体遗传的卢瑞亚为师。但是，缪勒关于遗传物质必须具有自催化、异催化和突变三重性的观念，想必对沃森有深刻的影响。正是因为沃森和克里克坚信DNA是遗传物质，并且理解遗传物质应该有什么样的特性，才能根据如此少的数据，做出如此重大的发现。

他们根据的数据，仅有三条：第一条是当时已广为人知的，即DNA由六种小分子组成：脱氧核糖，磷酸和四种碱基（A，G，T，C），由这些小分子组成了四种核苷酸，这四种核苷酸组成了DNA。第二条证据是最新的，弗兰克林得到的衍射照片表明，DNA是由两条长链组成的双螺旋，宽度为20埃。第三条证据是最为关键的。美国生物化学家查加夫（Erwin Chargaff, 1905-2002）是听说了艾弗里的转化实验结果后就认定DNA是遗传物质的少数人之一，也是最热衷的一个，他甚至因此就放弃其他工作专心测定DNA的分子组成，发现DNA中的四种碱基的含量并不是传统认为的等量的，即“四核苷酸聚合体”结构是错误的。虽然在不同物种中四种碱基的含量不同，但是A和T的含量总是相等，G和C的含量也相等。

查加夫早在1950年就已发布了这个重要结果，但奇怪的是，研究DNA分子结构的这三个实验室都将它忽略了。甚至在查加夫1951年春天亲访剑桥，与沃森和克里克见面后，沃森和克里克对他的结果也不加重视。在沃森和克里克终于意识到查加夫比值的重要性，并请剑桥的青年数学家约翰·格里菲斯（细菌转化现象的发现者的外甥）计算出A吸引T，G吸引C，A+T的宽度与G+C的宽度相等之后，很快就拼凑出了DNA分子的正确模型。