世界科星成功路

在揭示了遺傳學的三大規(guī)律之后，我們又認識到?jīng)Q定遺傳的物質(zhì)是核酸，但是核酸是一種化學物質(zhì)，它怎么就能決定生物遺傳過程呢?揭開這個遺傳學之謎的是沃森、克利克、加莫夫和莫諾等人，這個揭迷過程是曲折和富有啟發(fā)性的。現(xiàn)在，就讓我們踏入這些世界級“科星”的科研征途，看看他們曾經(jīng)是如何學習和研究的吧。

1953年4月5日出版的英國《自然》雜志，同時刊登了兩篇論文:一篇是沃森和克利克的關(guān)于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu);一篇是維爾金斯和富蘭克林(女，1920—1958年)關(guān)于DNA結(jié)晶的X衍射研究。在這四位科學家中，富蘭克林因癌癥于1958年逝世，其余三人在論文發(fā)表后的第九年，即1962年榮獲了諾貝爾生理學或醫(yī)學諾。諾貝爾獎委員會的正式評語是:“表彰他們發(fā)現(xiàn)了核酸的分子結(jié)構(gòu)和它在生命信息傳遞中的價值?！边@是因為，到了1962年，DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)及其在遺傳上的意義已為更多的科學事實所證實。例如，DNA的復制和轉(zhuǎn)錄、遺傳密碼的破譯和蛋白質(zhì)合成機理的發(fā)現(xiàn)，都與該模型密切相關(guān)。

值得注意的是:第一，被稱為分子生物學基石的這個DNA模型的創(chuàng)建者都是年輕人，沃森當年僅25歲，克利克也不過37歲，為DNA模型提供決定性實驗資料的維爾金斯也是37歲;第二，為生物學做出劃時代貢獻的這三位學者中，竟有兩人——克利克和維爾金斯是物理學家。

名家名著哺育

自20世紀30年代起，就出現(xiàn)了一股物理學家研究生物學的熱潮。著名物理學家、量子論的先驅(qū)者玻爾(1882—1962年)在1932年作了題為《生命是什么》的講演，試圖以物理學家的眼光來回答生物學的中心問題。他認為，研究生物學的問題，可能導致發(fā)現(xiàn)物理學和化學中的新定律。

玻爾的思想深深地影響了他的學生德爾布呂克(1969年獲諾貝爾生理學或醫(yī)學獎)。德爾布呂克于20世紀30年代就舍棄了理論物理學，轉(zhuǎn)而專門研究遺傳學，企圖實現(xiàn)他的老師提出的，在生物學中發(fā)現(xiàn)物理學和化學中的新定律。

另一位著名的物理學家薛定諤(1887—1961年)于1945年出版了題為《生命是什么》的專著，更系統(tǒng)地闡述了玻爾和德爾布呂克的觀點。這本書影響了一批物理學家，其中就有維爾金斯和克利克，他們也像德爾布呂克一樣告別了物理學，轉(zhuǎn)而投身于生物學研究，并做出了杰出的貢獻。該書也影響了一批生物學家，引導他們?nèi)パ芯炕虻谋举|(zhì)，其中就有沃森。

年輕的維爾金斯讀《生命是什么》時，被該書所論述的關(guān)于控制生命過程的高分子結(jié)構(gòu)的觀念所吸引。他意識到，研究生命物質(zhì)看來要比研究固體物理學更有前途。最終，他投身到對DNA的X衍射研究。

年輕的克利克讀到《生命是什么》時，對書中提到的對生物學研究，可能導致物理學和化學中新定律發(fā)現(xiàn)的前景，產(chǎn)生了極大的興趣。后來，他也轉(zhuǎn)到對DNA的X衍射研究。

沃森在大學念書時就饒有興趣地研讀過《生命是什么》，他后來回憶說:“這本書使我發(fā)現(xiàn)了基因的秘密?！?/p>

攻克基因之謎

基因，即遺傳物質(zhì)的化學本質(zhì)是什么?這是當時遺傳學沒有解決的關(guān)鍵問題。長期以來，人們推測遺傳物質(zhì)是蛋白質(zhì)，但沒有實驗證據(jù)。

DNA雖然早在1924年就被證明是染色體的組成成分，但作為遺傳物質(zhì)，始終受到人們的懷疑。當時人們簡單認為，DNA只不過由4種核苷酸構(gòu)成的重復體，是一種單調(diào)而均勻的生物大分子，與淀粉類的聚合物一樣，起不到儲存遺傳信息的作用。

1944年出現(xiàn)了突破性的發(fā)現(xiàn)，美國的艾弗斯等發(fā)表了DNA可能是遺傳物質(zhì)的論文。他們用肺炎雙球菌做實驗，把光滑型(S型)細菌提取液的純化DNA加到粗糙型(R型)雙球菌的培養(yǎng)物中，就能使R型轉(zhuǎn)化為S型，也就是說，DNA是遺傳物質(zhì)。

沃森早期跟隨盧里亞(1969年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎獲得者)用噬菌體的遺傳研究時，就知道了艾弗里等這一結(jié)果。所以，他一直就重視DNA在遺傳上的功能。后來，他又接受了盧里亞一個很重要的觀點:要知道基因的功能，必須先要知道基因是什么和基因的結(jié)構(gòu)。

1951年10月，沃森來到英國劍橋大學的生物物理學研究室，與克利克搞合作研究。1952年，美國噬菌體研究小組(以德爾布呂克和盧里亞為首)中的赫西爾(獲1969年度諾貝爾生理學或醫(yī)學獎)等，開始了一項利用放射性同位素進行的噬菌體試驗。根據(jù)該試驗，他們明確指出，噬菌體的遺傳物質(zhì)必然是DNA。

這一結(jié)果，對沃森和克利克探討的DNA分子結(jié)構(gòu)模型，無疑是一個推動力。

多種研究方法

研究DNA分子結(jié)構(gòu)主要有兩條途徑或方法:X衍射法和模型法。

X衍射法:就是通過X射線對DNA結(jié)晶的衍射(繞射)取得照片，根據(jù)照片上的圖像經(jīng)計算和演繹推理，推出DNA的三維(空間)結(jié)構(gòu)。維爾金斯采用的是這一方法。

模型方法:實質(zhì)上是以概念對考察的對象做出本質(zhì)的概括，因此，模型是科學的抽象。然而，組成模型的概念又可借助實物直觀化，所以模型又可以是現(xiàn)實的事物，沃森和克利克用的就是模型法。我們現(xiàn)在熟悉的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，就是他們當時在自己的辦公室里，利用別人廢棄不用的蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)模型的材料(鐵皮、硬紙板、鐵絲)創(chuàng)建出來的。這種現(xiàn)實的模型，表達了DNA各組成部分的相互關(guān)系。

廣泛搜集素材

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的模型，是在吸收了前人的大量研究成果的基礎(chǔ)上才建立起來的。對于沃森和克利克建立的這個“最終成品”來說，前人的成果又可分為“原料”和“半成品”兩類。

首先談“原料”。早在20世紀30年代，人們就已清楚，DNA是由4塊磚頭(4種堿基)“砌成”的。這4種堿基，就是兩種嘌呤(腺嘌呤A、鳥嘌呤G)和兩種嘧啶(胞嘧啶C、胸腺嘧啶T)。由于有4種堿基，可形成4種單核苷酸。一個單核苷酸與另一單核苷酸的磷酸基用化學鍵連接，構(gòu)成“糖—磷酸基骨架”。

再看“半成品”。

第一個半成品是相異堿基配對。維爾金斯等所作的DNA的X衍射圖表明，每個DNA可由2條、3條或4條“糖—磷酸基骨架”組成，但接下來有如下兩個問題:一是這些不同的骨架怎樣結(jié)合在一起的?當時只能說有如下幾種結(jié)合可能——兩個相同堿基之間(如G和G、T和T等)結(jié)合，兩個相似堿基之間(如A和G等)結(jié)合，兩個相異堿基之間(如A和C等)結(jié)合。換句話說，可能結(jié)合方式有同配和異配之分。二是這些骨架間的堿基是如何結(jié)合的?當時只能說有兩種可能，即通過吸引力大的化學共價鍵或通過吸引力小的氫鍵結(jié)合。

1952年6月，克利克會見了劍橋大學的一位對生物學頗感興趣的青年數(shù)學家，他就是格里費思。沃森和克利克當時傾向于相同堿基間的結(jié)合，但由于不熟悉數(shù)學計算，沒有把握，克利克就請格里費思代勞。計算結(jié)果按格里費思的理解，堿基配對應(yīng)在相異堿基間，而且這種結(jié)合是通過吸引力小的氫鍵實現(xiàn)的?？死寺牭竭@一結(jié)果后就解除了困惑，使他馬上想到了堿基互補成對結(jié)合的可能性，這種可能性能很好解釋DNA的復制問題。

但沃森長期固執(zhí)地堅持相同堿基間配對，而不接受相異堿基間配對的觀點(事實上，的確也還存在著一些不利于相異堿基配對的問題)。所以，幾乎直到成功前的最后一刻鐘，他才接受相異堿基配對，即異配的原則。

第二個“半成品”是1∶1的堿基比。堿基間的數(shù)量關(guān)系在試驗結(jié)果中又如何呢?奧地利血統(tǒng)的美國生物化學家查爾加夫，于1950年對此就發(fā)表過論文，但沃森和克利克竟然不知道已經(jīng)公開發(fā)表的、對他們至關(guān)重要的這一數(shù)據(jù)。1952年6月，查爾加夫訪問沃森和克利克實驗室。克利克在回憶這次訪問時有這樣一段話:“我們說，我們間的談話，從他(查爾加夫)那里得到的蛋白質(zhì)信息較多，但未得到有關(guān)核酸的任何信息。這時，查爾加夫略帶氣憤地說:‘當然有啦!這就是1∶1?！覀兘又鴨?‘1∶1指的是什么?’他說:‘這一切都公開發(fā)表了?！斎?，我從未讀過這篇文章，也就不可能知道了。……接下去他還講了些什么，我都已經(jīng)忘了，因為當時我必須立刻去查閱這篇文章?！?/p>

在這篇文章中，克利克清楚地讀到了結(jié)論:“在迄今檢查過的所有DNA分子中，總的嘌呤和總的嘧啶克分子比值、腺嘌呤和胸腺嘧啶克分子比值以及鳥嘌呤和胞嘧啶克分子比值，都與1.0相當接近?！弊x到這里，使克里克格外興奮:啊，格里費思的理論推算的堿基配對情況，恰好與查爾加夫的實驗結(jié)果完全一樣，理論與實踐得到了吻合。

克利克認識到，這種相異堿基間的配對極為重要。因為這不僅解決了DNA分子為什么能結(jié)合在一起的問題，還解決了DNA分子的復制問題，起了一箭雙雕的作用。

第三個“半成品”是螺旋結(jié)構(gòu)。以單核苷酸為原料構(gòu)成的DNA分子，到底是什么形狀?沃森和克利克曾經(jīng)設(shè)想，它是呈直線排列的多核苷酸鏈。1951年，他們看到鮑林(美國著名化學家，因?qū)Ψ肿榆壍览碚摵突瘜W鍵性質(zhì)研究的突出貢獻而獲得1954年度諾貝爾獎)發(fā)表的關(guān)于多肽的螺旋結(jié)構(gòu)論文，受到了很大啟發(fā)。他們決定放棄DNA呈直線排列的推斷，而把它也看作呈螺旋結(jié)構(gòu)，因為這樣可以保持生物大分子的化學穩(wěn)定性。但他們也意識到，解決DNA的螺旋結(jié)構(gòu)問題，要比解決蛋白質(zhì)的螺旋結(jié)構(gòu)問題復雜得多，因為DNA分子的直徑比1條多核苷酸鏈的直徑大，所以該分子可能是由幾條纏繞在一起的多核苷酸鏈構(gòu)成的。

臨產(chǎn)前的陣痛

DNA分子螺旋結(jié)構(gòu)究竟由幾條多核苷酸鏈組成?當時，支持與反對由1條、2條、3條或4條組成的都有。關(guān)于1條螺旋鏈的設(shè)想，很早就被沃森和克利克排除了，但奇怪的是，后來證明是正確的雙螺旋設(shè)想，很快也被沃森克利克和維爾金斯排除了。沃森和克利克主張DNA分子有3條螺旋鏈，維爾金斯主張有1條螺旋鏈。

在3股螺旋建立后，沃森和克利克一度高興萬分，認為正確的DNA分子結(jié)構(gòu)模型已經(jīng)找到，興沖沖地向倫敦大學帝國學院的DNA衍射小組“報喜”。第二天，維爾金斯和富蘭克林從帝國學院來到劍橋，立即發(fā)現(xiàn)沃森和克利克對實驗數(shù)據(jù)理解錯了，他們的3股螺旋也就隨之被否定了。

這次挫折，反映了沃森和克利克在化學和X衍射學方面的基礎(chǔ)不夠。沃森在回憶錄中承認，直到1952年11月中旬，他才學了足夠的結(jié)晶學知識，才能聽懂富蘭克林講課中的大部分內(nèi)容?？死嗽谶@方面的修養(yǎng)，比沃森也高明不了多少。

至于化學，沃森一直存在畏懼心理。在大學學習生物學時，他最感興趣的是鳥類，盡量避免選修那些看來哪怕是中等難度的化學和物理學課程。在碩士生期間，他希望不必學習化學就能解決基因問題。在博士生期間，培養(yǎng)單位的生化學家希望他學有機化學，但當他用一只煤氣燈去加熱苯引起爆炸后，化學就與他無緣了，因為辭退一名對化學無知的博士生，總比冒一次爆炸的危險要安全得多。

3股螺旋模型被否定后，沃森和克里克的情緒一度低落。沃森繼續(xù)研究他的煙草斑葉病毒，克利克繼續(xù)研究他的蛋白質(zhì)，雖然他們對DNA分子結(jié)構(gòu)模型的建立仍有極大的興趣，并與有關(guān)人士仍保持著緊密的聯(lián)系。

不久，他們從同一辦公室工作的鮑林的兒子那里獲悉，鮑林在大洋彼岸也在建造DNA模型。這個信息促使他們必須加快建造模型的步伐，因為他們深刻認識到，鮑林是研究生物大分子的行家，是與他們競爭的強大對手，切不可懈怠!

他們緊張工作一段時間后，沃森建立起一個雙螺旋模型:糖—磷酸基骨架在外，堿基在內(nèi)。表面看來，這似乎非常接近成功的模型了，但在堿基配對上卻錯誤地堅持同配原則，即A和A、T和T、G和G、C和C配對。盡管克利克那時已經(jīng)從格里費思和查爾加夫那里了解到了堿基異配的證據(jù)，但未能說服沃森。沃森對他這個幻想中的兩條完全相同的多核苷酸鏈模型顯得信心十足和得意洋洋。

但是，沃森這個幻想中的成功，又由于他的化學知識不足而破滅了。因為嘧啶類堿基僅有嘧啶六員環(huán)，而嘌呤類堿基是由嘧啶六員環(huán)和咪唑五員環(huán)組成的。在同配情況下就有寬有窄，從而破壞了結(jié)構(gòu)的規(guī)則性原則。DNA分子結(jié)構(gòu)符合規(guī)則性原則，是通過X衍射方法早已證明了的。沃森的同配模型雖也可滿足查爾加夫提出的1∶1的堿基比，但只是偶然的巧合。

于是，沃森寄予愿望的這個DNA模型，只存在24小時就被否定了。

最后的沖刺

1953年2月6日，富蘭克林攝取了一張含水量比以往更大的DNA結(jié)晶X衍射圖。這張照片本來比以往所有的X衍射圖提供更多的信息，可是維爾金斯看了無動于衷，隨即遞給來訪的沃森。整天都在思考DNA分子結(jié)構(gòu)模型的沃森立刻悟到，這張圖提供的信息足以否定他現(xiàn)在所偏愛的3股螺旋模型(沃森的雙股螺旋同配模型被否定后，又回到了3股螺旋模型的老路)，又足以支持雙螺旋模型，但維爾金斯和富蘭克林面對這張照片，仍排除了DNA雙螺旋的可能性。

沃森在回憶中寫到:“帝國學院小組(指維爾金斯和富蘭克林)否定DNA雙螺旋的理由不是十分可靠的，他們所能容許模型的數(shù)據(jù)可能是錯的，因這取決于樣品的含水量。因此，我已決定要建立雙螺旋模型，克利克一定會同意，因他知道生物對象成雙的重要性，盡管他是一位物理學家。”

在雙螺旋問題解決后，沃森和克利克面臨的最后一個難關(guān)是堿基如何配對。按照概率論，4種堿基無非有16種可能的配對。當時，由于有了查爾加夫的堿基比，有了格里費思的計算，有了X衍射資料，本可排除其中大部分的可能配對，應(yīng)該說，找到正確的配對規(guī)則并非難事?？死松钚臘NA復制應(yīng)是互補的，可是在堿基配對的氫鍵問題上尚未擺脫困境，所以未能著手建立雙螺旋互補模型。沃森則始終不愿考慮堿基互補配對，而是堅持相同堿基配對(同配)。

1953年2月19日，當沃森為同配模型的“成功”又一次興奮時，與沃森和克利克同一辦公室工作的美國結(jié)晶學家——多諾休向他指出，他采用的鳥嘌呤和胸腺嘧啶的互變異構(gòu)體搞錯了。沃森堅持自己正確，并援引戴維森著的頗有聲譽的《核酸的生物化學》一書的觀點為自己辯護，多諾休說，該書的取型不對。沃森又拿出當時其他化學教科書來辯護，多諾休又坦率地指出，那些書上列舉的烯醇型，在有機化學上都是罕見型，正確的應(yīng)為酮型。

多諾休是鮑林的老同事，在美國加州理工學院研究有機小分子的晶體結(jié)構(gòu)多年。近半年來，他們在同一辦公室工作，沃森從未聽到過他對自己沒有把握的問題表過態(tài)，所以，他就采納了多諾休的意見，堿基配對時，氫原子移到了酮型位置。可是問題發(fā)生了:采用酮型建立同配模型時，要使兩螺旋符合結(jié)晶學實驗3．4埃(1埃=10^－10米)的重復螺距，相鄰堿基間的旋轉(zhuǎn)角必須為18度。這個角度，克利克的實驗已證明是絕對不可能的!這時，沃森才放棄他堅持的堿基同配規(guī)則，進入最后沖刺的階段。

第二天，沃森來到辦公室，清出桌面后擺弄他的DNA模型。這時，多諾休和克利克也來了。沃森仍在以各種堿基配對的可能性來回地移動堿基，看什么樣的堿基配對才能完滿解釋已有的實驗事實。在移動中，他突然覺察到:兩條多核苷酸鏈，如果通過氫鍵使腺嘌呤和胸嘌呤配對、鳥嘌呤和胞嘧啶配對，即互補堿基配對，不但對實驗結(jié)果符合得出乎意料，而且還暗示這種互補堿基的雙螺旋結(jié)構(gòu)的復制方式更令人滿意。克利克在回憶這個豁然開朗的時刻說:“我記得很清楚，多諾休和沃森靠近黑板，我靠近寫字臺，我們忽然想到:‘好了，或許我們可用這樣的堿基配對說明1∶1，我們能用形成氫鍵的方式把堿基擺在一起?！?/p>

于是，科學史上的一項偉大發(fā)現(xiàn)——DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，就完成了其最后沖刺的階段。

獨占鰲頭的勝者

在向DNA分子結(jié)構(gòu)進軍的競爭者中，有好多世界頂級的著名科學家。據(jù)科學史家事后的分析，鮑林、富蘭克林、維爾金斯都可能提出雙螺旋模型。

1954年，鮑林本來準備參加在英國舉行的一個學術(shù)會議，并安排了對維爾金斯的訪問，可是美國政府拒絕發(fā)給鮑林護照，所有他沒有走成，也就失去了看到帝國學院X衍射的照片的機會。在科學史家奧爾比看來，如果鮑林看到了富蘭克林的X衍射片子，“無疑再用他手邊的材料，會建造DNA分子結(jié)構(gòu)的正確模型?！蔽稚涂死艘渤诌@一觀點。

富蘭克林在不知道沃森和克利克模型的情況下，于1953年3月17日寫了一篇論文(有打印件可查)。據(jù)她的同事克盧格的研究，富蘭克林的研究非常接近正確的DNA分子結(jié)構(gòu)模型。維爾金斯證實:“富蘭克林筆記上的記錄(3月17日打印件的前身)，肯定先于沃森和克利克的DNA模型?！?/p>

維爾金斯離正確的DNA模型也不遠。1951年，他已認識到DNA分子的螺旋性，后來又計算過其螺距和直徑。由于他假定DNA分子為單螺旋，所以建立模型的步伐不快。根據(jù)X衍射圖的反復分析，他已認識到那是一個糖—磷酸骨架在外而堿基在內(nèi)的分子。奧爾比認為:“許多人相信，給以足夠時間，維爾金斯會提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。”

這些競爭者，或是結(jié)構(gòu)化學的巨匠，或是X衍射的專家，在這些專業(yè)的知識和技術(shù)上，遠遠超過沃森和克利克，也沒有像沃森和克利克犯那樣多的錯誤，但競爭結(jié)果，獲勝的卻是犯錯誤最多的、既不是結(jié)構(gòu)化學家也不是X衍射學家的沃森和克利克。

他們在強手如林的競爭中之所以成為優(yōu)勝者，一是他們具有敏銳的科學判斷力，能迅速地抓住遺傳物質(zhì)——DNA分子結(jié)構(gòu)模型這一關(guān)鍵課題;二是具有高超的綜合分析能力，善于取百家之長，把當時的生化學派、結(jié)構(gòu)學派和信息學派的研究成果匯合在一起，以解遺傳之謎;三是具有突出的勤于思考、不恥下問、勤于實踐和不怕失敗的科學品德。直接向他們指出錯誤的有:維爾金斯、富蘭克林、格里費思、查爾加夫、多諾休，還有間接向他們提供幫助的鮑林父子。

這兩位年輕人做出如此重大的科學發(fā)現(xiàn)，真可謂“涓涓細流，匯成大海;博采眾長，自成一派”。