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科學家也有小心眼,諾獎得主沃森發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的精彩故事

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編者按:剛剛?cè)ナ赖恼材匪埂の稚↗ames D. Watson)是美國著名分子生物學家,DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的共同發(fā)現(xiàn)者之一。他與克里克、威爾金斯因這一劃時代的發(fā)現(xiàn),于1962年共同獲得諾貝爾生理學或醫(yī)學獎,研究奠定了現(xiàn)代分子遺傳學的基礎(chǔ)。晚年,沃森因多次發(fā)表“不同種族智商存在差異”等言論而引發(fā)巨大爭議,遭到學界廣泛批評并被撤銷多項榮譽。本文回顧了他與克里克、威爾金斯及富蘭克林之間既競爭又合作的科學歷程,重現(xiàn)那段揭開生命奧秘的歷史時刻。這個故事百聽不厭。


沃森 圖源網(wǎng)絡(luò)


沃森,克里克和他們的雙螺旋DNA模型

一、乏味的分子

二十世紀初,遺傳學家們認識到染色體是基因的載體之后,又很快確定了染色體的化學成分。原來,染色體主要是由蛋白質(zhì)和DNA兩種大分子組成的。那么,基因到底是蛋白質(zhì)還是DNA呢?

說起來,蛋白質(zhì)和核酸的特點有點像外向性格與內(nèi)向性格的區(qū)別。蛋白質(zhì)的多樣性和重要性顯而易見。早在18世紀,生化學家們就發(fā)現(xiàn)了蛋清里的白蛋白、血清蛋白、纖維蛋白和小麥面筋蛋白。到1920-30年間,又認識到負責食物消化降解作用的各種酶其實也是蛋白質(zhì)。最后,他們還發(fā)現(xiàn),調(diào)節(jié)身體許多功能的激素和信息分子還是蛋白質(zhì),比如胰島素就是一種激素??傊?,蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能直接反映了生命活動。如果決定生物性狀的是基因,那基因非蛋白質(zhì)莫屬!

而DNA呢,遠看單調(diào)乏味,近觀又神秘莫測。首先,DNA的分子組成實在是太簡單了,那么長,但翻來覆去就只有四種核苷酸,細胞生長期間呈松散的長絲狀,細胞分裂時凝聚成長條,除此之外似乎別無動靜。因此,二十世紀初,大多數(shù)科學家都相信蛋白質(zhì)才是遺傳物質(zhì),而核酸的功能大概只是維持染色體或者細胞核的結(jié)構(gòu)而已,令人興趣索然。一直到了1940年代,英國生物學家格里菲思(Frederick Griffith,1877 - 1941)和埃弗里(Oswald Theodore Avery,1877 - 1955)的開創(chuàng)性的工作,才終于為DNA是遺傳物質(zhì)提供了強有力的證據(jù)。

那么,DNA是如何傳遞遺傳信息的呢?回答這個問題,需要知道DNA的結(jié)構(gòu)。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)過程充滿戲劇性,既展現(xiàn)了科學家們的天賦、勤奮和激情,也暴露出人性的弱點,以及社會文化中的各種不公平現(xiàn)象。這個故事百聽不厭。

二、51號照片

1951年

一月,羅莎琳德·富蘭克林(Rosalind Franklin,1920 - 1958)萬般不情愿地回到倫敦,開始了在國王學院的新工作:用X光衍射技術(shù)研究DNA結(jié)構(gòu)。

富蘭克林于1920年出生在倫敦的一個富裕家庭,父親埃利斯是家族銀行的總裁。富蘭克林的家族,屬于所謂的“歸化”猶太人:家族內(nèi)保留猶太習俗,不與他族通婚,對外則完全融入英國社會,連姓氏都英語化了。到二十世紀初,他們已在英國扎根150多年,影響遍及銀行、出版、政界和慈善事業(yè)。富蘭克林的舅爺塞繆爾(Herbert Louis Samuel,1870 - 1963)是第一位進入英國內(nèi)閣的猶太人。富蘭克林從小接受貴族精英教育。1938年,她考進了劍橋大學的紐納姆女子學院,三年后拿到“名譽學位”, 因為當時的劍橋還拒絕授予女生正式的學士學位。


羅莎琳德·富蘭克林 (Rosalind Franklin,1920 - 1958)

這時候二戰(zhàn)已經(jīng)打起來了,勞力短缺,婦女因此有機會進入各種非傳統(tǒng)的行業(yè),尤其是與軍工有關(guān)的。富蘭克林本來就不愿意像母親那樣,早早結(jié)婚生子做賢妻良母,她抓住這個難得的歷史契機,先在著名化學家諾里什(Ronald Norrish,1897 - 1978;1967年諾貝爾化學獎)實驗室做小分子聚合實驗,一年后接受英國煤炭應(yīng)用協(xié)會的資助,轉(zhuǎn)而研究煤炭的多孔性結(jié)構(gòu),課題是“為什么有的煤炭更容易被水或氣體滲入”。富蘭克林給出了完滿的答案,于1945年獲得了劍橋大學的物理化學博士學位。防毒面具里含有活性炭,如何改善防毒面具的效果非常重要,她的工作為此提供了理論依據(jù),算是間接地支持了英國二戰(zhàn)。

在這幾年時間內(nèi),富蘭克林還結(jié)識了從巴黎流亡到倫敦的女科學家,居里夫人的學生威爾(Adrienne Weill,1903 - 1979)。1946年,經(jīng)威爾牽線搭橋,富蘭克林應(yīng)邀去巴黎,在法國國家中央化學實驗室工作了三年,跟隨實驗室主任梅林(Jacques Mering,1904 - 1973),用X光晶體衍射技術(shù)發(fā)現(xiàn)了什么樣的碳結(jié)構(gòu)“可石墨化”,什么樣的“不可石墨化”,從而成為該領(lǐng)域的國際權(quán)威。這三年也是富蘭克林一生中最快樂的時期。除了工作有成,她還非常熱愛巴黎,喜歡自己的法國同事們。不幸的是,她也愛上了梅林,但最終認識到這場感情不會有結(jié)果。于是,她戀戀不舍但很堅決地離開了巴黎。

本來談好的,是去國王學院做蛋白結(jié)構(gòu),但就在臨行前,富蘭克林收到了實驗室主任蘭德爾(John Randall)的一封信。信中說,經(jīng)過仔細斟酌,決定請她研究某種生物纖維的結(jié)構(gòu),還說:

這就意味著,就X光的實驗工作而言,屆時將只有你自己和戈斯林,再加海勒女士暫時幫一點忙,她是研究生,雪拉古斯來的。

但此時在國王學院做生物纖維的X光實驗工作的,明明還有威爾金斯(Maurice Wilkins,1916 - 2004),蘭德爾當年的學生、如今的副手和朋友,而雷蒙·戈斯林(Raymond Gosling,1926 - 2015)是威爾金斯的學生。

威爾金斯出生于新西蘭,在英國長大。他從劍橋大學圣約翰學院畢業(yè)后,去了伯明翰大學,成為蘭德爾的研究生,于1940年獲得物理學博士學位。二戰(zhàn)期間,威爾金斯參加了美國曼哈頓計劃;戰(zhàn)后回到英國,受薛定諤《生命是什么?》一書的影響,決定應(yīng)用物理的知識和方法研究生物問題。蘭德爾從英國醫(yī)學研究委員會(簡寫MRC)申請到資金后,在國王學院建立了生物物理實驗室。威爾金斯受聘當助手,負責具體課題的設(shè)計和進展。在1950年五月的一個學術(shù)會議上,瑞典科學家西格納(Rudolf Signer,1903 - 1990)問大家要不要他從小牛胸腺里提純的DNA。在場的聽眾了,只有威爾金斯接受了這個免費禮物。這一舉動改變了國王學院的研究重心。


威爾金斯與他設(shè)計的專門用于研究X射線衍射的相機

威爾金斯用DNA做實驗已經(jīng)有幾年了,但效果不佳。西格納樣品的質(zhì)量出乎意料的好,可以拉成長長的絲線;如果再用X光衍射成像,就可以根據(jù)圖像來計算和推測DNA的結(jié)構(gòu)了。說起來容易,但具體的實驗條件全靠自己摸索,試來試去,威爾金斯和戈斯林發(fā)現(xiàn),把纖維完美伸展開的最佳“儀器”竟然是回形針。威爾金斯手穩(wěn),這一步就由他負責。因為相機里的空氣會影響成像,戈斯林又發(fā)明了用氫氣排空氣。當他把氫氣吹入水中調(diào)節(jié)濃度時,意外發(fā)現(xiàn),DNA纖維吸收足夠水氣后形成了晶體!在紀念DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)六十周年時,戈斯林依然記得那個奇妙的瞬間:

我立馬知道,我剛剛所做的,是使這些纖維變成了晶體狀態(tài)。那么,如果DNA是基因材料的話,我就是第一個讓基因結(jié)晶的人!

威爾金斯為這些技術(shù)上的突破興奮不已,立即要求蘭德爾購買更新的X光儀器,并給自己再配備一個有X光衍射技術(shù)的助手。這就是蘭德爾聘來富蘭克林的起因。因此,威爾金斯理所當然地把富蘭克林當成自己的助手;但因為蘭德爾那封信,富蘭克林卻以為這個課題是她的。這個誤會使兩人從一見面就吵架,最后弄得水火不容。

戰(zhàn)后的倫敦依然滿目瘡痍,跟巴黎不可同日而語;國王學院既不是牛津劍橋,新同事們又全是普通人家出身,除了一起討論科研,沒有任何共同語言。富蘭克林本來回英國心情就不好,偏偏闖進了這么一個與自己格格不入的環(huán)境,在同事眼里,就成了一個動輒發(fā)怒,不合群的女人。她也漸漸地把工作和個人生活完全分開,在兩個世界里做客。偶爾,同事會碰上她脫掉工作服,穿上晚禮服,被專車接走。彼此的距離感無法形容。

1951年春天,威爾金斯在意大利那不勒斯的一個學術(shù)會議上,首次展示了他與戈斯林做的DNA晶體X光衍射圖像,并根據(jù)圖像以及前人的工作,推測DNA具有螺旋結(jié)構(gòu)。在座的其他人有什么反響不知道,但詹姆斯·沃森(James Watson,1928 - )像被磁鐵吸引住了一般。

沃森出生在芝加哥,15歲進芝加哥大學,17歲時在學校圖書館讀到《生命是什么?》。書里有薛定諤對基因結(jié)構(gòu)的推測。沃森回憶說,“我是從他的書中第一次了解到,細胞中的分子肯定是通過某種形式的編碼傳遞遺傳信息的?!彼麑虍a(chǎn)生了濃厚的興趣,為此去了印第安納大學讀博士。他的導(dǎo)師是微生物學家盧里亞(Salvador Luria,1912 - 1991)。其實薛定諤寫《生命是什么?》,又是受了物理學家德爾布呂克(Max Ludwig Henning Delbrück,1906 - 1981)的啟發(fā)。德爾布呂克推測說,基因的功能是由具體的化學分子來實現(xiàn)的。

德爾布呂克自己轉(zhuǎn)行當了生物學家,并開始用噬菌體做遺傳學實驗。噬菌體是專門感染細菌的病毒,沒有復(fù)雜的細胞結(jié)構(gòu),只有蛋白質(zhì)和核酸兩種成分。這在他德爾布呂克眼里,簡直就是“赤裸裸”的基因嘛!他選擇噬菌體當實驗?zāi)P?,并不是因為喜愛它,而是為了把問題簡單到不能更簡單的地步。德爾布呂克還跟盧里亞和細菌遺傳學家赫爾希(Alfred Day Hershey,1908 - 1997)一起成立了“噬菌體討論群”。因為埃弗里的實驗,這個群里的人,都把寶押在核酸上,沃森當然也不例外。后來,德爾布呂克,盧里亞和赫爾希三人分享了1969年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

但盧里亞覺得,要真正解開基因的秘密,還得先搞清核酸的化學結(jié)構(gòu)。他自己對化學一竅不通,就把剛來的沃森送到哥本哈根的一個生物化學實驗室去做博士后。沃森也不懂化學,對導(dǎo)師的課題毫無興趣,寧愿跑到別的實驗室繼續(xù)做噬菌體實驗。1951年,他陪導(dǎo)師去那不勒斯動物所了了幾個月。百無聊賴中,正好趕上這個生物大分子結(jié)構(gòu)會議。威爾金斯參加這個會議也是偶然,因為蘭德爾接受了邀請,臨時又來不了。沃森本來擔心基因的結(jié)構(gòu)不規(guī)則,不好研究,現(xiàn)在知道DNA不但可以結(jié)晶,并且還可以拍出這么規(guī)則的圖像,那搞清其結(jié)構(gòu)不就是早晚的事嗎!而有了結(jié)構(gòu),也許就能解釋基因是如何遺傳的了。在沃森心里,沒有比這更重要的課題了!

沃森立即決定改學晶體衍射技術(shù),琢磨再三,選中了劍橋大學,那里有布拉格(William L. Bragg,1890 - 1971)主持的卡文迪許實驗室。早在 1915年,布拉格就與父親老布拉格(William H. Bragg,1862 - 1942)一起獲得了諾貝爾物理獎。卡文迪許實驗室是世界上數(shù)一數(shù)二的研究生物大分子結(jié)構(gòu)的地方,但當時只做蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。在盧里亞的幫助下,沃森進了肯德魯(John Kendrew,1917 - 1997)和佩魯茨(Max Perutz,1914 - 2002)的實驗室,研究肌紅蛋白。肯德魯和佩魯茨于1962年共享了諾貝爾化學獎。

進實驗室的第一天,沃森就認識了弗朗西斯·克里克(Francis Crick,1916 - 2004)。兩人一見如故。如果說沃森是少年得志的話,克里克就是“大器晚不成”,當時都35歲了,還在念博士??死锟顺錾谟⒏裉m北漢普頓市,畢業(yè)于倫敦大學物理系。正在讀博士學位時,趕上了二戰(zhàn);戰(zhàn)后,還是因為讀了《生命是什么?》一書,轉(zhuǎn)入了生物學領(lǐng)域。認識沃森時,他在跟佩魯茨一起做血紅蛋白。

克里克是那種聰明藏不住的人,他求知欲強,知識淵博又有悟性,不管是誰的課題,他都要插嘴,先指出問題,再指點江山。同事們對他敬畏有加;但大老板布拉格簡直要被他煩死了!因為克里克跟他也要爭個對錯,而且居然公開說卡文迪許整個研究方向就有問題。克里克還是個大嗓門,笑聲朗朗,有他在,整棟樓就別想找到一個清凈的角落!布拉格就盼著他趕緊拿學位走人,偏偏克里克眼高手低,理論太多,手下卻不出活,老也完不成學位。

沃森和克里克一拍即合。沃森對化學無知,對X光衍射技術(shù)更摸不到門,需要克里克的知識和大腦;而沃森有明確的目標,終于使克里克(相對而言)專心下來。兩人除了各自不得不做的實驗,就是在一起討論基因、核酸,核酸、基因。去得最多的地方是劍橋的“老鷹酒吧”。另外,克里克本來諱于與威爾金斯的朋友關(guān)系,并不碰DNA結(jié)構(gòu),只是經(jīng)常督促威爾金斯,提供必要的幫助;威爾金斯當然非常信任克里克,不時跟他分享和討論自己的進度和遇到的問題,包括抱怨富蘭克林帶來的麻煩和委屈。殊不知,因為沃森這匹黑馬的出現(xiàn),一切即將變質(zhì)。

倫敦那邊,富蘭克林跟威爾金斯針尖麥芒;劍橋這邊,沃森和克里克相見恨晚。在“人和”上,國王學院已經(jīng)處于下風。但這還不是這兩對兒之間的最大區(qū)別。富蘭克林和威爾金斯是實驗科學家。他們的研究方法是不斷地改進技術(shù)和儀器,以獲得高質(zhì)量的光譜圖像,然后把圖像的形狀和深淺度轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù),再通過復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析,得出答案。這叫“讓數(shù)據(jù)說話”,是富蘭克林的信條。

沃森和克里克的研究手段,涉及到另一個關(guān)鍵人物,那就是遠在美國加州理工學院的大化學家萊納斯·鮑林(Linus Pauling,1901 - 1994)。早在二十世紀前半葉,鮑林和其他化學家就已經(jīng)闡明了分子結(jié)構(gòu)的基本原理,化學鍵形成的規(guī)律。原則上,根據(jù)生物大分子的組成,以及大分子與溶液中的水分子和各種離子之間的相互作用原理,就可以推導(dǎo)出它們的結(jié)構(gòu)。這叫“建立模型”,簡稱建模。就在1951年春天,鮑林首次演示了他推測出來的蛋白質(zhì)二維結(jié)構(gòu)的α螺旋模型(鮑林獲得了于1954年的諾貝爾化學獎)。這就是為什么沃森和克里克有信心,用同樣的基本原理構(gòu)建DNA模型。鮑林的《化學鍵的本質(zhì)》一書簡直是他倆的“圣經(jīng)”,實驗室里只有一本,兩人經(jīng)常搶,到圣誕節(jié)時,克里克索性又買了一本送給沃森。


作者陳紅譯作《小獵犬號航海記》,原著作者達爾文

建模的一大挑戰(zhàn)是,遵守化學鍵基本原理的模型很可能不止一個,但哪一個是對的,仍然要靠實驗驗證;反過來說,如果先參照一些實驗數(shù)據(jù),就能減少可能性,省時省力。另一方面,“用數(shù)據(jù)說話”,或者類似的“有圖有真相”,其實并不簡單。如果實驗者完全不知道自己在找什么,數(shù)據(jù)也會默默無語。胡克看見了細胞,但不等于就明白了細胞的意義;更糟糕的是,還可能想岔了,想聽什么就能聽到什么,想找什么真相,就能看到什么真相。哈索科克在精子里看到“小人”就是這種情況??死锟水斎话堰@些問題都反復(fù)掂量過,他建模的一個原則,恰恰是要用盡量少的數(shù)據(jù),以避免被太多太雜亂甚至錯誤的數(shù)據(jù)引入歧途。

理想的情形應(yīng)該是他們四人積極合作、互補長短、共享成果,但生活并不理想……

經(jīng)過大半年的工作,富蘭克林和戈斯林發(fā)現(xiàn),西格納的DNA其實有兩種形態(tài),短粗的A型和細長的B型,A型增加水分后,就會變成B型。蘭德爾為了息事寧人,趁機讓富蘭克林負責A型,威爾金斯負責B型,但西格納的DNA都歸富蘭克林。

富蘭克林對同一物質(zhì)有不同形態(tài)的情形很有經(jīng)驗,并深感興趣。她此前科研的重要成果,就是發(fā)現(xiàn)了碳的結(jié)構(gòu)可以分成“可石墨化”與“不可石墨化”兩種,機緣巧合,現(xiàn)在又發(fā)現(xiàn)DNA也有兩種結(jié)構(gòu)!11月,她在國王學院的內(nèi)部會議上報告了A型的X光衍射圖。沃森從威爾金斯那里打聽到消息后,專門跑到國王學院去聽了富蘭克林的講座。

沃森從不做筆記,本來對X光衍射技術(shù)的了解就是蜻蜓點水,還聽著聽著就走神兒,胡思亂想富蘭克林如果摘了眼鏡、變個發(fā)型該是什么樣子?回到劍橋后,克里克根據(jù)沃森提供的似是而非的信息,一周后就做出了一個DNA結(jié)構(gòu)模型:三條鏈的螺旋,磷酸在內(nèi),堿基在外。兩人越看越滿意,馬上邀請威爾金斯過來參觀。威爾金斯、富蘭克林和戈林斯趕到劍橋,克里克先得意洋洋地演講了一大段化學理論,然后才慢騰騰地把模型拿出來。富蘭克林聽克里克啰嗦,火氣早就上來了,才瞟了一眼模型,就說不可能:水去哪兒了?!原來,沃森沒聽懂富蘭克林報告中所用的專業(yè)術(shù)語,模型里的水分子少了十倍?!澳P汀闭褂[黯然收場,國王學院幾人轉(zhuǎn)身回倫敦,一狀告到蘭德爾那里。蘭德爾向布拉格重申“君子協(xié)議”,卡文迪許實驗室只做蛋白不碰核酸。布拉格滿口答應(yīng)下來,這下子對克里克簡直忍無可忍了。他責令克里克立即放棄建模,并把拆下來的模塊打包送給威爾金斯。沃森也夾起尾巴,回實驗室繼續(xù)學X光衍射技術(shù)。

1952年

年初,富蘭克林與葛斯林一起,開始對A型DNA的衍射圖像進行數(shù)據(jù)處理和分析。威爾金斯沒有了珍貴的西格納DNA,一籌莫展,既做不出A型DNA,也做不出B型DNA??死锟嗽趯嶒炇依飷灹藳]幾天,又開始大聲嚷嚷了,因為他突然悟到,蛋白質(zhì)的α螺旋還可以接著繞,成為超螺旋,或稱”卷曲螺旋“(coiled coil)!沃森則開始搞煙草病毒的結(jié)構(gòu)研究,因為煙草病毒里也有核酸,只不過是RNA,而不是DNA,算是”曲線救國“吧!

國王學院這邊,富蘭克林鼓起勇氣向伯貝克學院的貝爾納(John Bernal,1901 -1971)打聽,能否加入他的實驗室。貝納爾很爽快地答應(yīng)了。貝爾納也非常有名。他是老布拉格的學生,也是用X光衍射技術(shù)研究生物大分子的先驅(qū)。富蘭克林開始找機會向蘭德爾攤牌。

二月,富蘭克林向資助機關(guān)提供了一份進展報告,里面提到,水分增加后,DNA分子會從晶體變成準晶體,成為“一種螺旋結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)一定非常緊密),每個螺旋單元可能包含2、3或 4個同軸核酸鏈,磷酸基團靠近外面”。換句話說,B型DNA是螺旋結(jié)構(gòu)。

春天將至,沃森和克里克開始緊張起來。因為鮑林應(yīng)皇家學會的邀請,五月份要來英國講演蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。他們擔心鮑林會去國王學院,看到那里的DNA衍射圖像,然后一舉解出DNA的結(jié)構(gòu)。 萬萬沒有料到的是,因為公開反對冷戰(zhàn),鮑林上了美國政府的黑名單,沒拿到護照。沃森和克里克又松了一口氣。

五月,富蘭克林外出開會時,戈斯林完成了一張B型DNA的衍射圖像,照片背面的編號是”51“。他倆把照片放到一邊,繼續(xù)A型的研究。



51號照片。這張歷史上“最漂亮的”X光衍射照片,是博士生雷蒙德·戈斯林在富蘭克林指導(dǎo)下完成的。

富蘭克林外出時,沃森和克里克在劍橋與從哥倫比亞大學來訪的查戈夫(Erwin Chargaff,1905 - 2002)討論了堿基比例問題。查戈夫分析過各種生物細胞里提取的DNA,發(fā)現(xiàn)DNA的四個堿基,A和T所占的比例總是一樣多,G與C占的比例總是一樣多。大家討論半天,仍然想不出個所以然,查戈夫冷眼旁觀,沃森不修邊幅、衣冠不整;克里克居然連哪個堿基對應(yīng)哪個結(jié)構(gòu)都搞亂了,還嘴硬,說翻翻課本就知道了唄!查戈夫心說,原來是“兩個找螺旋的推銷員??!”

富蘭克林在A型的圖像里觀察到了一些不規(guī)則的細節(jié),推測A型其實不是螺旋。偶遇克里克時提到這個想法,克里克立馬簡單粗暴地打斷說,那是不可能的!螺旋結(jié)構(gòu)里出現(xiàn)不規(guī)則細節(jié),很容易有其它解釋。那居高臨下的口氣,簡直讓富蘭克林厭惡。

七月份左右,蘭德爾痛快地答應(yīng)了富蘭克林換實驗室的請求,并把離開時間定在1953年一月一日。一年多來繃得緊緊的神經(jīng),總算可以松弛了!大概也是因為這個原因,富蘭克林很有心情地提起筆,寫了一個”訃告”,宣布DNA螺旋的死亡。她這是成心要再氣一氣威爾金斯?!庇嚫妗彪m然是戲謔的口氣,“追悼會”還真如期舉行,會議室里放滿了衍射圖像的數(shù)據(jù)分析,那些A型DNA非螺旋結(jié)構(gòu)的證據(jù)。走之前剩下的時間,就是和戈斯林一起,把這些工作寫成三篇論文發(fā)表;并把其中的精華部分,放進給MRC的年度報告里。



我們懷著極大的遺憾宣布,DNA螺旋(晶體)已于1952年7月18日星期五去世:大劑量的Besselised注射療程無濟于事,久病不治而亡。追悼會將于下周一或周二舉行。我們希望威爾金斯博士會發(fā)表講話,紀念已故的螺旋。簽名:富蘭克林,戈斯林

威爾金斯的對策是忍辱負重,等待。富蘭克林不許他新雇來的科學家做模型,他就建議她去做膠原蛋白;他也不讓自己的學生去富蘭克林那里討回西格納的DNA。反正等不了幾天了,富蘭克林一走,一切不就可以重新開始了!除此之外,他還是三天兩頭地往劍橋跑,沃森和克里克足不出戶,卻對國王學院的動態(tài)了如指掌。

就好像沃森和克里克的運氣還不夠好似的。他們不希望鮑林來英國,他就沒來成;沒過幾個月,鮑林反而把兒子皮特送到劍橋來讀研究生。皮特別的能耐有限,給沃森和克里克通風報信,真是樂此不疲。年前收到了老爹宣稱已經(jīng)破解DNA結(jié)構(gòu)的家信,趕緊送去給那兩人看。這正是沃森與克里克天天做的噩夢?。乎U林已經(jīng)破解了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),絕不會放過核酸的!

1953年

一月28號,鮑林給布拉格和皮特各寄去一份他的DNA論文。皮特趕緊跑進實驗室,還沒說完話,沃森就把論文搶了過去,但立即如釋重負,因為鮑林的模型也是三條鏈相繞的螺旋。更不可思議的是,大化學家還鬧了個大笑話,為了使三條鏈不相互排斥,把核酸的帶電部分都用氫原子中和了。核酸不酸了!

但論文即將發(fā)表,肯定就會有人公開指出這個錯誤,鮑林受到刺激后,不把正確結(jié)構(gòu)解出來,是不會罷休的。沃森算了算,他們只有六個星期的領(lǐng)先時間了。他央求布拉格允許他和克里克立即重啟DNA建模工作。不為別的,卡文迪許實驗室總不能再次被鮑林搶先了吧?!鮑林首先發(fā)現(xiàn)α螺旋結(jié)構(gòu)帶來的羞辱仍然隱隱作痛,國王學院那邊又毫無生氣,布拉格別無選擇,也只能靠這兩個“推銷員”了。

1月30號,沃森拿著鮑林的論文去了國王學院。富蘭克林因為生病,推遲了離職的時間。沃森看見她的實驗室門半掩著,推門就進去了。富蘭克林正在專心工作,嚇了一跳,抬頭狠狠地瞪了他一眼。沃森趕緊說鮑林的模型是錯的,但富蘭克林一點不奇怪。她早就知道模型不靠譜,根據(jù)她的數(shù)據(jù),連螺旋結(jié)構(gòu)也不是鐵板釘釘?shù)哪?,三條鏈也好,幾條鏈也罷。沃森忍不住回嘴說,如果你能學哪怕一點點理論,就知道你看見的非螺旋特征其實是螺旋材料結(jié)晶時的微小變形!他說完掉頭就跑,因為看見富蘭克林好像要沖過來似的。

威爾金斯正好趕上這個尾聲,覺得沃森終于能同病相憐,體會到自己的悲慘處境了,于是又滔滔不絕地抱怨了一通。他并不知道沃森和克里克又開始做模型了,聊得高興,就把51號照片拿了出來。因為富蘭克林要離開,戈斯林又回到威爾金斯這里,當然也把他和富蘭克林一起做的數(shù)據(jù)都交給了威爾金斯。沃森說他“看到照片那一瞬間,我的下巴都合不攏了,脈搏一下子就沖上去了”。而且,一年多的理論學習和實際工作沒有白費,僅憑一眼,他就記住了關(guān)鍵的尺度,角度和空間大小,外加從威爾金斯那里打聽到的一些數(shù)據(jù)。

1月31號,布拉格正式同意他們重新開始建模;并批準購買制作各種需要的金屬模板。

2月4號,沃森正式開始組裝模型。雖然三條鏈仍然是一種可能性,沃森決定試一下雙鏈。克里克在后面指揮,讓沃森把磷酸放在外面,把堿基放入雙鏈之間。他還邀請威爾金斯到劍橋來共進午餐。

2月8日,威爾金斯應(yīng)邀而至,沃森和克里克說,他們想要重新建模,行嗎?威爾金斯能說什么呢?當然只好勉強答應(yīng)了。

佩魯茨是MRC委員會的成員。幾天后,應(yīng)克里克的要求,他將1952年底的MRC報告給了沃森和克里克。國王學院和卡文迪許實驗室都屬于MRC,這份報告不是機密,但按照不成文的規(guī)矩,佩魯茨至少應(yīng)該讓蘭德爾知道。在富蘭克林那部分,她用了一個晶體領(lǐng)域的專業(yè)詞匯,點明DNA對稱性的特點:翻轉(zhuǎn)180度之后,看起來還是一樣。就這么一個詞,克里克如醍醐灌頂,立即豁然開朗:DNA不僅是雙鏈,而且是反向雙鏈,就像一上一下的電動扶梯!

剩下的就是把堿基放入雙鏈之間的空檔里了。這一步很像玩拼圖游戲,因為只有四種堿基,按理說應(yīng)該很容易,但不管沃森怎么擺,就是放不好,不是太大,就是太小。正好鮑林實驗室來的物理化學家多諾霍(Jerry Donohue,1920 - 1985)與沃森共用一個辦公室。他看了一眼沃森的堿基模板,說結(jié)構(gòu)錯了。怎么可能呢,我這可是按照教科書的圖案制作的啊?因為教科書就是錯的!果然,按照多諾霍的指點修改模板后,沃森立即看出A配T,G配C,大小正合適,DNA拼圖天衣無縫。



染色體在細胞核里,由DNA雙螺旋長鏈和蛋白質(zhì)構(gòu)成;DNA是遺傳物質(zhì)的載體。放大部分顯示堿基配對的結(jié)構(gòu):A配T,G配C,大小正合適,DNA拼圖天衣無縫。

2月28號中午,克里克沖進老鷹酒吧,大聲宣布:我們發(fā)現(xiàn)了生命的秘密!



3月7號,克里克收到威爾金斯來信,告知富蘭克林下周離開,咱們終于可以齊心協(xié)力一起干了!克里克邊讀邊看剛剛完工的模型。

在布拉格與蘭德爾的介入下,《自然》于1953年4月25日同時發(fā)表三篇論文,沃森與克里克,威爾金斯和他的合作者,最后一篇是富蘭克林和戈斯林,關(guān)于B型DNA的。沃森與克里克在文中含糊其辭地提到他們受了威爾金斯與富蘭克林等人的啟發(fā),但并未詳細說明到底是什么樣的“啟發(fā)”,也沒有致謝。答謝中倒是提到了多諾霍關(guān)于核苷酸結(jié)構(gòu)的幫助。富蘭克林在此前已經(jīng)寫好的論文草稿中加了一句話,說自己的數(shù)據(jù)與沃森和克里克的模型相符。 她不知道,其實是沃森和克里克的模型與自己的數(shù)據(jù)相符。

斯人已去

富蘭克林在貝爾納實驗室負責煙草病毒結(jié)構(gòu)的研究。不久,剛剛拿到博士學位的克魯格(Aaron Klug,1928 - 2016)加入了她的團隊,開始了兩人的長期合作。在他們的共同成就的基礎(chǔ)上,克魯格于1982年獲得了諾貝爾化學獎。事過境遷,富蘭克林拋棄成見,不僅經(jīng)常請教克里克,還與克里克夫婦一起去西班牙旅游過;她和沃森也有了共同語言:煙草病毒;沃森還幫她在美國找過資助。1956年富蘭克林旅美時開始患病,診斷為卵巢癌,1958年春在倫敦去世。

1962年,沃森,克里克和威爾金斯獲得了諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。



2003年,詹姆斯·沃森在哈佛講座,紀念DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)50年,并很開心地在他的不朽論文復(fù)印件上簽名留念。

三、后記

這不是一個完美的故事。跟許多科學史上的重大發(fā)現(xiàn)一樣,DNA結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)不僅僅是沃森和克里克個人天才的發(fā)揮,而是許多科學家共同努力的結(jié)晶。多諾霍就曾調(diào)侃說,如果不是他碰巧與沃森和克里克在同一個辦公室的話,他倆還趴在那里拼湊模型呢!更何況沒有威爾金斯、富蘭克林和戈斯林,他倆哪里去找51號照片。另一方面,沃森有那么強烈的緊迫感,恰恰也說明,即使沒有他倆,DNA結(jié)構(gòu)也很快就會水落石出了。沃森和克里克當然是一流的科學家,但在這個故事里,“天時地利人和”起了決定性的作用。

1968年,沃森完成了自傳《雙螺旋》,從個人角度回顧了這一發(fā)現(xiàn)過程。在克里克、威爾金斯和幾乎所有健在的當事人的強烈反對下,哈佛出版社也反悔了,雖然沃森當時就在哈佛當教授。沃森只好另外找了一家出版社。但《雙螺旋》大獲成功,成了當年的最暢銷書,影響至今。這本書寫得非常好,既把科學問題解釋得清清楚楚,又把科學家的個性和小心眼寫得活靈活現(xiàn),再加上事件本身的重要性和戲劇性,可以極大地滿足讀者的求知欲和獵奇心理。但最大的影響其實在作者的意料之外。

沃森在書中把富蘭克林描述成穿著沒有品位、敏感易怒、既無知又不肯合作的死板女強人,但更多人讀出來的,卻是她對發(fā)現(xiàn)雙螺旋結(jié)構(gòu)的不可磨滅的貢獻,先被他人利用再被如此貶低的荒誕,以及英年早逝的悲劇。富蘭克林反而出名了,不僅成為任何關(guān)于雙螺旋故事必不可少的主角(包括本書),而且也激起了社會對科學界丑陋傳統(tǒng)的批評,科學界的自我反思,尤其是對女科學家的偏見和排擠。

從旁人的角度看,當年最窩囊的是威爾金斯;那段經(jīng)歷已成歷史了,最窩囊的還是他,難怪他的自傳都題為《雙螺旋中的第三者》(The Third Man of the Double Helix)。但威爾金斯至少還獲得了諾貝爾獎;自始至終都在干活的戈斯林,卻只是一個歷史的注腳,雖然最基本的技術(shù)發(fā)明,最關(guān)鍵的幾張X光圖像,包括51號照片,還都是他親手做出來的呢!克里克本來覺得這種絮絮叨叨的坦白性文體太沒品味,威脅要跟沃森一刀兩斷,但后來發(fā)現(xiàn),在讀者眼里,自己的形象還挺光彩照人,就又回心轉(zhuǎn)意了。

但DNA反向雙螺旋結(jié)構(gòu)實在是太完美太奇妙了!薛定諤問生命是什么?原來,生命是一本用DNA密碼寫成的天書!在孟德爾發(fā)現(xiàn)遺傳”因子“90年之后,隨著雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn),生命科學研究進入了黃金時代。

~the end~

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