233｜双螺旋：DNA的结构是什么样的？

因为发现DNA双螺旋结构，威尔金斯、沃森和克里克分享了1962年的诺贝尔医学奖。

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遗传信息究竟藏在哪里？古希腊的希波克拉底提出，它们被保存在微小颗粒之中。此后的两千多年时间里，这个问题的答案范围逐渐缩小，经过了细胞核、染色体、核酸等几个阶段。

直到二十世纪中期，英国物理学家威尔金斯在DNA分子结构方面做出了重要突破。似乎只需要临门一脚，科学家就能触及遗传学的终极秘密。今天我们就来聊聊这段精彩曲折的故事。

富兰克林的结晶与X线经验

昨天我们讲到，威尔金斯拍摄了模糊的X线衍射照片，这已经达到了他能力的极限，毕竟他对于这项技术并不熟练。

而威尔金斯的上级也意识到了这一点，聘请了一位优秀的女科学家罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Elsie Franklin, 1920-1958）跟威尔金斯一起研究。

富兰克林出生于一个富裕的英国家庭，父亲是银行家，叔叔是英国内政大臣。富兰克林从小就受到了很好的教育。

1938年，富兰克林在剑桥大学成为了维尔夫人的弟子。维尔夫人是居里夫人的学生，在金属研究方面造诣很深，而X线衍射技术是研究金属结构的重要技术。因此，富兰克林在维尔夫人的亲自教导下，熟练掌握了这项技术。

二战期间，富兰克林又对煤炭进行了大量研究。这让她在结晶方面成为了当之无愧的专家。

正因为她是结晶和X线衍射两个领域的一流专家，使得富兰克林成为研究DNA分子结构的合适人选。

合作中的分歧

就这样，威尔金斯的上级邀请富兰克林回到英国，与威尔金斯合作，但是两人的合作相当不愉快。

从威尔金斯的角度看，他参与过曼哈顿计划，在DNA结构方面也取得了重要进展。而且当时的女性在科学界没有得到应有的尊重，因此威尔金斯以为，富兰克林只不过是他的助手而已。

而从富兰克林的视角看，自己是完全能独当一面的一流专家，能力比威尔金斯有过之而无不及，两个人应该是平等的合作关系。而且她性格相当独立，接受不了别人的指手画脚。

于是，两人虽然在同一家机构，从事同一领域的研究，但关系很差，根本谈不上合作。

恒定湿度与清晰照片

在这种情况下，富兰克林还是取得了极为杰出的成果。

之前讲到，威尔金斯X线衍射照片十分模糊，他认为是DNA纯度不够。

而富兰克林却意识到问题的关键其实是湿度，她认为DNA分子在干燥和潮湿两种状态下会形成两种不同的晶体。如果在拍摄过程中环境湿度发生了改变，DNA分子的晶体结构也会随之变化，所以照片才会变得模糊。

因此富兰克林设计了保持恒定湿度的装置，然后拍出了相当清晰的X线衍射照片。

看到如此重要的进展，威尔金斯提出与富兰克林合作，但富兰克林一口回绝，俩人的关系彻底变成了敌对状态。

骨架与碱基的线索

之后，富兰克林对DNA分子进行了定量测定，还发现它是由不止一个链条构成的。而且她还指出，DNA的分子结构，外侧是由磷酸构成骨架，四种碱基则存在于骨架的内部。

除此以外，富兰克林还指出，DNA的四种碱基当中，两种嘌呤之间可以互相替换，两种嘧啶之间也可以替换，但嘧啶和嘌呤之间不能替换。

有了这些发现，可以说，富兰克林已经做好了所有的准备，只需要一点灵感就能得到最终的答案。

沃森的学习与研究方向

然而，另外两个人捷足先登了，他们是詹姆斯·沃森（James Dewey Watson, 1928- 2012)和弗朗西斯·克里克（Francis Harry Compton Crick, 1916-2004）。

沃森出生于美国，15岁时就靠奖学金进入芝加哥大学，之后在印第安纳大学攻读博士学位。他遇到了两位优秀的老师卢里亚和德尔布吕克。

这两位老师通过研究细菌得出结论，进化确实是随机发生的，从而印证了达尔文的正确性，他们因此双双获得了1969年的诺贝尔医学奖。

受到这两位老师的影响，沃森知道了艾弗里的成就，了解到DNA是基因的载体。这让沃森下定决心，通过分子来推测遗传学的秘密，但对于具体怎么做，沃森毫无头绪。

威尔金斯演讲带来的启发

1951年，沃森在一场学术会议上听到了威尔金斯的报告。威尔金斯演讲水平很差，其他听众几乎睡着了，但只有沃森听出了这次演讲的巨大价值，他越发觉得DNA值得研究。

特别是在演讲结束的时候，威尔金斯展示了自己拍摄的照片，而这张照片解答了沃森长久以来的困惑。

如果DNA能够承载遗传信息，那么载体的分子结构一定会呈现出某种规律。因为如果载体结构不稳定、没有规律，那生物后代的性状自然也毫无规律可言，生物学不存在了。

而沃森从威尔金斯的照片得出了准确的判断，DNA结构一定存在规律性。为什么威尔金斯自己没发现呢？因为他毕竟是个物理学家，虽然拍出了照片，但并不了解它对遗传学的价值有多大。

沃森与克里克合作

接下来，沃森专门去伦敦工作，距离威尔金斯的工作地点只有80公里远。虽然他此时对X线衍射技术并不了解，但他已经意识到这正是自己需要的东西。然后，他在此时遇到了克里克。

克里克堪称家学渊源，他爷爷和达尔文是好朋友，从小他家里就有浓厚的科学氛围，因此克里克从小投身物理学。只不过他和威尔金斯一样，在二战之后从物理学转行进行跨界研究。

研究DNA结构需要生物学和物理学相结合。生物学家沃森深知物理学的重要，物理学家克里克又对生物很感兴趣，两个志同道合的人就这样在1951年一拍即合。此时沃森23岁，克里克35岁。

三条链模型的尝试

然后，这对好朋友努力和威尔金斯保持联系，威尔金斯也对他俩相当照顾，经常邀请他们参加学术活动。比如沃森受到威尔金斯的邀请，参加了一场只有15个人的学术活动，还听了富兰克林的演讲。

富兰克林的演讲水平也很低，听众也都昏昏欲睡，而依然是沃森发现了演讲内容的重大意义，他专注得甚至忘了写笔记。

第二天，他就和克里克仔细讨论了富兰克林的发现，并认为X线衍射照片确实可以证明DNA分子存在核酸链条。

他俩按照这个思路搭建了模型，模型里的DNA分子有三个链条，很快就被证明是行不通的，研究似乎陷入了僵局。

但很快他俩就得到了新的灵感，在一次聊天中，威尔金斯告诉沃森一个天大的秘密。

照片如何到了沃森手里

原来，富兰克林一直在进行技术改进，并在1952年时拍摄出了一张相当清晰的DNA照片。她本人也认为，这是她最完美的作品，这显然是极为重要的科研成果，不可能分享给别人看。

但和她关系敌对的威尔金斯违背了科学界的基本原则，在富兰克林不知情的情况下，把这张照片展示给了沃森。

沃森在看到这张照片的一瞬间，就根据照片的内容判断出，DNA分子的结构是螺旋状的，而且只有两条。他们之前设计的模型有三个链条，数量错了。

更重要的是，通过这张照片，可以计算出DNA分子中核酸的含量。也就是说，这张照片提供了两大重要信息：DNA分子的形状与核酸的含量。发现DNA分子结构已经近在咫尺。

外部尺寸与研究报告

此时，沃森和克里克已经知道，DNA分子骨架在外侧、碱基在内侧，而且是两条螺旋状的结构。

现在他们还差一个关键数据，DNA分子骨架的外部尺寸是多大？很快，他们也知道了这个问题的答案，因为早就有人测量出了结果，而这个人依然是罗莎琳德·富兰克林。

科学家进行研究也有相关机构监管经费和成果，所以科学家也要定期汇报。1952年，威尔金斯和富兰克林曾经交过一份报告，其中就包括DNA分子的相关数据。而不可思议的是，委员会居然把这份报告转给了沃森和克里克。

查伽夫法则补上关键线索

现在只剩最后一个难点了，两个螺旋链条中间有碱基排列，它们排列的规律是什么呢？

幸运再次降临了，同样是1952年，我们之前讲到的查伽夫到剑桥进行学术访问，亲口向沃森和克里克讲解了查伽夫法则。这让沃森克和克里克意识到，有些嘌呤和嘧啶的含量总是保持一致，一定是有意义的。

双螺旋模型的三点结论

当所有的信息汇聚到一起时，沃森和克里克终于得出了结论，他俩共同提出了DNA分子结构的模型：

• 第一，DNA分子由两个链条组成，这两个链条形成了双螺旋结构。
• 第二，脱氧核糖和磷酸排列在双螺旋的外侧，形成DNA分子的骨架，而碱基在内侧。
• 第三，两个链条上的碱基之间相互连接，形成碱基对。而且碱基配对有一定的规律：腺嘌呤一定和胸腺嘧啶配对，鸟嘌呤一定和胞嘧啶配对。这种对应关系被称为碱基互补配对原则。

诺贝尔奖与富兰克林的贡献

经过了两千多年的不懈努力，遗传学家终于发现了遗传信息的秘密，自然界缤纷复杂的生物们，保存并传递它们基因的分子结构竟如此简洁、优雅。

这个结果迅速得到了科学界的认可，1962年，威尔金斯、沃森和克里克分享了诺贝尔医学奖。

罗莎琳德·富兰克林为什么没能获得诺奖？因为在这个诺奖颁发之前的4年，富兰克林已经因癌症去世了。

客观地说，在发现DNA双螺旋结构的过程里，富兰克林的贡献毫无疑问是最大的。然而在发表论文时，沃森和克里克只是提到，受到了威尔金斯和富兰克林的启发，没有详细说明更没有致谢。

这个世界欠富兰克林一个诺奖和一声道歉。

总结

罗莎琳德·富兰克林在结晶和X线衍射技术两方面达到了世界一流水平，她的研究成果为阐明DNA分子结构做好了一切准备。

沃森和克里克在威尔金斯的帮助下，了解了富兰克林的研究成果，并从查伽夫那里知道了查伽夫法则。在这些知识的基础上，沃森和克里克发现了DNA的双螺旋结构，并因此和威尔金斯分享了1962年诺贝尔医学奖。

思考题

今天不留思考题，给你分享一个后续的故事。沃森在21世纪大肆宣扬种族主义，因此受到了巨大争议。他所在的科研机构把他驱逐出去，并宣布剥夺了他的很多荣誉头衔。

好啦，今天的内容就到这里，明天见！