自我复制的实现：DNA双螺旋

你好，我是王立铭，欢迎来到生命科学50讲。今天我们继续讨论DNA分子，看看DNA分子在技术层面是怎么完成复制的。

上一讲，你知道了生命在自我复制的时候，采用了一种很科幻的方式——降维打击。但是话说回来，我们知道自我复制在逻辑上是这样实现，不代表我们就知道它技术上是怎么进行的。

这个技术问题直到1953年才开始得到解决。

那一年，两位生物学家——詹姆斯·沃森（James Dewey Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Harry Compton Crick），提出了DNA的双螺旋模型，DNA复制的具体过程才开始慢慢浮现。

这一讲，我就带你来看看这到底是怎么回事。

DNA双螺旋结构的发现

双螺旋是个什么样子呢？简单来说，我们可以把DNA 看成一条一维线性的长链分子。长链上每一节链条都是ATCG四种碱基分子之一。

这四种碱基分子大小和化学性质不一样，所以彼此之间会形成非常特殊的配对关系：A总是会和T配对，C和G总是配对。

这样你可以想象，如果两条DNA分子上面的碱基顺序，恰好能够一一配对，那么这两条长链就能平行地结合在一起，样子就有点像我们常见的梯子，梯子两条边就是两条长长的DNA分子，梯子的每一级台阶，那就是A和T，C和G这样的配对。

在生命体内，这样一把长梯子很柔软，会自己拧成一个右手螺旋。现在，你可以跟我一起试试，伸出你的右手，四指握成拳，大拇指向上伸。这时候，大拇指指向的就是DNA双螺旋的前进方向，你四根手指指的，那就是DNA双螺旋拧的方向。

这就是DNA双螺旋大致的样子，你可以看看下面这个DNA双螺旋的示意图。

不得不说，DNA双螺旋结构的发现，是现代科学发展的重要里程碑。很多时候，它都会被当成现代科学，甚至是整个人类智慧的标志，出现在图书馆、科技馆、产业园，甚至是科学新闻里面。

你可能会有一点不理解。DNA双螺旋结构的发现有那么重要吗？既然DNA存储信息的方式可以看成是一维线性的，那不就是说，不管DNA分子到底怎么扭曲，怎么形成双螺旋，都不会影响它上面携带的信息吗？区区一个DNA双螺旋结构有什么了不起的呢？

其实，DNA双螺旋的价值还真的就这么大，人们对它的膜拜是有充分理由的。在这里，我稍微插几句科学史：

在20世纪上半叶，特别是三四十年代的时候，实际上已经有充足的科学证据证明DNA分子就是真正的遗传物质了。但是必须得说，那个时候至少在科学共同体内部，对于这个结论的接受度非常低。

原因就在于当时的生物学家很难想象，一个由ATCG这4种碱基分子串起来的长链，到底是怎么执行存储遗传信息，完成自我复制功能的。

直到五十年代，英国人罗莎琳·富兰克林（Rosalind Elsie Franklin）通过x射线衍射的方法，揭示了DNA分子的三维结构，沃森和克里克在此基础上提出了双螺旋模型。这个时候大家才恍然大悟，原来自我复制的秘密就在这里。

也许你还没有恍然大悟，没关系，我来多解释几句。

刚才我说了，双螺旋结构的核心，就是两条DNA链，根据A和T配对，C和G配对的原则，首尾相连对在一起，然后拧成一个麻花。

这样一来，一条链上如果出现A，和它相对的那条链上必然是T。以此类推，一条链上如果是C，另外一条链上也必然是G。

这样看的话，两条DNA链，虽然碱基的具体组成截然不同，但是它们所能携带和编码的信息是完全一致的。因为你看到一条链是AAA，你就知道另一条链只能是TTT，在信息层面上可以实现完全的替换。

换句话说，DNA双链，本质上是信息完全一致的两个拷贝。

DNA的半保留复制

这样一来自我复制实现起来就非常容易了。既然碱基之间是完美配对的，那我们完全可以想象，在DNA分子需要完成复制的时候，两条链可以从中分开，一分为二。

然后，每一条DNA链都可以继续根据碱基配对的原则，结合上一堆新的碱基分子，重新形成两条完全一样的DNA双螺旋。

打个比方：如果原本的DNA双螺旋是AAA对TTT，在自我复制的时候，AAA链和TTT链就能解开双螺旋彼此分离。

• AAA链上可以再按照碱基配对原则，结合上去三个T；
• TTT链上，也可以结合上去三个A。

这样一来，原来的一个双螺旋就变成了两个完全一样的双螺旋。生物遗传信息的自我复制就完成了。

在这个过程中，每一条老的DNA链，都会用来指导一条新的DNA链的合成，每一条新形成的DNA双螺旋，里面都有一条老的链和一条新的链。这个过程有个很形象的名字，叫半保留复制。

DNA双螺旋结构一揭晓，沃森和克里克就马上推测出了这个过程，推测出DNA分子作为遗传信息的载体，就是这样完成自我复制的。而这一点，才是DNA双螺旋结构被大家看成是现代科学发展的智力巅峰的根本原因。

我再插个八卦。今天说到DNA双螺旋，可能很多人都听说过沃森和克里克的名字，甚至有时候，双螺旋会被直接叫做沃森-克里克螺旋。但实际上，从DNA双螺旋被发现开始，到今天半个多世纪时间，到底是谁最先发现了DNA双螺旋，始终存在不少争议。

比如，我刚才说到，真正利用x射线衍射技术，获得DNA结构图谱的人，实际上是女科学家富兰克林。而且还有证据显示，沃森和克里克看到的那张DNA结构图，是富兰克林获得的，但是他们看图这件事，没有得到富兰克林本人的允许。

罗莎琳·富兰克林（Rosalind Elsie Franklin）

换句话说，沃森和克里克提出双螺旋模型，实际上或多或少有一点偷窃富兰克林工作成果的嫌疑。而且更可惜的是，DNA双螺旋结构虽然获得了诺贝尔奖，但是富兰克林本人却因为卵巢癌，在颁奖的五年之前就英年早逝了。

所以很多人都猜测，如果富兰克林能活得足够长，最终，是谁站在诺贝尔奖的领奖台上就不一定了。

当然了，在生命本质的科学探讨上，究竟谁发现了DNA双螺旋，其实无关紧要。重要的是，这个双螺旋结构提示了生命自我复制的秘密，更重要的是，这个秘密居然能被人类智慧和科学研究逐步揭示。这一点值得我们每个人骄傲。

好，现在你知道了DNA在技术上是怎么实现自我复制的了。双螺旋结构让DNA通过半保留复制的方式，实现自我复制。

说到这里，我想给你提一个挠头的问题：DNA是怎么解开螺旋，完成半保留复制的呢？

之所以说这个问题很挠头，是因为DNA分子在化学性质上是一个很稳定，很有惰性的分子，不容易和其它的物质发生反应。

这个属性其实也不奇怪，甚至应该说是非常合理的。

作为生物遗传信息的记录载体，DNA越稳定，记录的信息也就越精确，越持久。它要是总能随便和环境中的物质发生反应，这样的东西是没法作为遗传信息的稳定载体的。

但是相反，既然DNA如此稳定，你就不能指望它自己能随随便便解开螺旋，完成遗传信息自我复制的整个过程。

也就是说，要实现DNA复制，必须有帮手帮助它解开螺旋，完成配对，形成两个新的双螺旋。

这些帮手是谁呢？特别是在生命起源的时候，在DNA刚开始执行遗传信息载体的使命的时候，谁来帮助它完成复制呢？这是一个特别有意思的问题，下一讲，我就会回答它。我们下讲见。

DNA双螺旋结构一揭晓，科学家们马上就推测出DNA分子是怎样完成自我复制的。这一点，才是DNA双螺旋结构被看成现代科学智力巅峰的原因。