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1、DNA结构揭秘：跨学科探索擦出的火花

◎杨芊羽

日前，在孟德尔诞辰200年之际，清华大学科学博物馆举办了“从豌豆到人类基因组计划”线上展览，其中，脱氧核糖核酸（DNA）结构的发现史是展览的一个重要部分。

60年前的一个冬日，斯德哥尔摩音乐厅人头攒动，三位年轻的科学家被授予了诺贝尔生理学或医学奖，他们分别是美国的詹姆斯·沃森和英国的弗朗西斯·克里克、莫里斯·威尔金斯。他们共同分享了发现DNA双螺旋结构的成果，为“核酸分子结构及其对生物中信息传递的意义”作出了贡献。如今DNA双螺旋结构的三维模型图已经遍布于中学、大学的生物教材，成为基础教育的常识。

其实早在1869年，瑞士生化学家米歇尔便发现了核酸的存在，但当时人们的研究重心放在了蛋白质上，对核酸缺乏关注。主流生物学家到20世纪40年代仍认为蛋白质是研究基因的首要对象，直到1944年，艾弗里、麦克伦德和麦卡蒂发表了关于“转化因子”的重要论文，首次用实验证明了这种转化因子是DNA，才揭开了DNA是遗传物质的序幕。同年，薛定谔《生命是什么？》一书问世，提出生命研究的关键问题在于信息的传递。

但在沃森和克里克1953年的DNA双螺旋结构论文问世之前，科学家虽然已经承认DNA是遗传物质，却并不清楚DNA的具体结构以及它是如何传递遗传信息的。

1951年，沃森在剑桥大学卡文迪许实验室邂逅了他人生最志同道合的合作伙伴——同样认为DNA比蛋白质重要的克里克。两人一拍即合，并决定借鉴当时已经因发现了蛋白质α螺旋结构而小有成就的结构化学家莱纳斯·鲍林的研究方法，即制作分子模型，并由此探索原子间的关系，解决DNA结构的问题。

为了更高效、更精准地解密DNA分子结构，沃森和克里克还需要浏览尽量精确的X射线衍射资料，这能避免他们走很多弯路。当年伦敦国王学院的威尔金斯作为前期“垄断”英国DNA研究的人，也是X射线衍射照片的持有者。他认同了克里克关于DNA结构是螺旋状的观点，并同意给沃森和克里克共享照片。

后沃森又在卡文迪许实验室学习了X射线衍射技术和结晶学，以期与伦敦国王学院由威尔金斯和富兰克林组成的研究小组一起证实DNA的螺旋结构。沃森和克里克提出的第一个模型是三核苷酸链模型，然而却被富兰克林的定量测量结果全盘否定。卡文迪许实验室以糖和核酸作为中心的DNA分子模型构建一度陷入低迷。克里克的博士导师布拉格教授甚至勒令二人放弃DNA结构的研究。因此，克里克将他研究DNA结构用的夹具寄给了伦敦国王学院的威尔金斯，并希望他能继续DNA分子结构事业。威尔金斯称这一举动为“加快科学研究进程的合作精神的绝佳范例”。

虽然表面上卡文迪许实验室暂停了DNA研究工作，但沃森还在通过研究烟草花叶病毒中的核酸成分为DNA研究寻找灵感，并学会了用X射线照相机拍摄烟草花叶病毒显示螺旋结构的照片。

在沃森和克里克提出并不成功的“三核苷酸链模型”后15个月，鲍林也提出了与之类似的“三螺旋模型”，但被沃森敏锐地察觉到其不合理性：这一模型的磷酸集团没有离子化，或者说鲍林的模型中的核酸根本不能构成一种“酸”。这一发现让一直醉心于DNA分子结构研究的处在合作关系中的卡文迪许实验室和伦敦国王学院研究小组松了一口气，但同时在鲍林的竞争压力下，他们也加快了研究步伐。

DNA分子结构研究的转折点是著名的“51号照片”的问世。这是一张B型DNA的X射线衍射照片，由富兰克林拍摄，送给威尔金斯使用。这张照片证实了DNA的螺旋结构。沃森根据这张B型结构图，在双螺旋和三螺旋两个方向中毅然选择了双螺旋。于是1953年，沃森和克里克开始制作DNA双螺旋模型。沃森是噬菌体遗传学方面的专家，而克里克擅长物理学和数学；两人在不同科学的交叉结合下协同攻关，妥善解决了DNA分子碱基配对和氢键结合的谜题，提出了著名的DNA分子碱基互补配对原则。

伦敦国王学院的威尔金斯和富兰克林很快也发现他们的X射线数据可以为双螺旋结构提供强有力的证据。经过整理，沃森和克里克的论文于1953年在《自然》杂志上发表，DNA分子结构终于尘埃落定。

沃森、克里克和威尔金斯被授予了1962年的诺贝尔生理学或医学奖，本应共享这一成果的富兰克林因病逝世而无缘奖项，但其为DNA分子结构研究所作的贡献也当被永远铭记。这些科学家并非都来自生化领域，但都运用自己的专长推动了DNA双螺旋结构模型的诞生。可以说，DNA分子结构是物理、化学、生物、数学多学科一起擦出的智慧火花。

来源： 科技日报

2、求沃森和克里克(双螺旋结构发现者)的资料

求沃森和克里克(双螺旋结构发现者)的资料

沃森Watson, James Dewey美国生物学家克里克Crick, Francis Harry Compton英国生物物理学家20世纪50年代初，英国科学家威尔金斯等用X射线衍射技术对DNA结构潜心研究了3年，意识到DNA是一种螺旋结构。女物理学家富兰克林在1951年底拍到了一张十分清晰的DNA的X射线衍射照片。

1952年，美国化学家鲍林发表了关于DNA三链模型的研究报告，这种模型被称为α螺旋。

沃森与威尔金斯、富兰克林等讨论了鲍林的模型。威尔金斯出示了富兰克林在一年前拍下的DNAX射线衍射照片，沃森看出了DNA的内部是一种螺旋形的结构，他立即产生了一种新概念：DNA不是三链结构而应该是双链结构。他们继续循着这个思路深入探讨，极力将有关这方面的研究成果集中起来。根据各方面对DNA研究的信息和自己的研究和分析，沃森和克里克得出一个共识：DNA是一种双链螺旋结构。

这真是一个激动人心的发现！沃森和克里克立即行动，马上在实验室中联手开始搭建DNA双螺旋模型。从1953年2月22日起开始奋战，他们夜以继日，废寝忘食，终于在3月7日，将他们想像中的美丽无比的DNA模型搭建成功了。沃森、克里克的这个模型正确地反映出DNA的分子结构。

此后，遗传学的历史和生物学的历史都从细胞阶段进入了分子阶段。由于沃森、克里克和威尔金斯在DNA分子研究方面的卓越贡献，他们分享1962年的诺贝尔生理医学奖。詹姆斯·沃森沃森（出生于1928年）美国生物学家.20世纪40年代末和50年代初，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应该有什么样的结构，才能担当遗传的重任？它必须能够携带遗传信息，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4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几乎同时在研究DNA分子模型。第一个实验室是伦敦国王学院的威尔金斯、弗兰克林实验室，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，根据得到的衍射图像，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莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）实验室。在此之前，鲍林已发现了蛋白质的a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，由于沃森一本风靡全球的自传《双螺旋》而广为人知。

值得探讨的一个问题是：为什么沃森和克里克既不像威尔金斯和弗兰克林那样拥有第一手的实验资料，又不像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，而是物理学家或化学家。威尔金斯虽然在1950年最早研究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月的《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年到剑桥之前，曾经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，并未觉得它在遗传上比蛋白质更重要，只是认为DNA作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。像克里克和威尔金斯，沃森后来也强调薛定谔的《生命是什么？》一书对他的重要影响，他甚至说他在芝加哥大学时读了这本书之后，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，沃森才转而从事遗传学研究。当时大遗传学家赫尔曼·缪勒（Hermann Muller）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（分数得A），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萨尔瓦多·卢里亚（Salvador Luria）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6种小分子组成：脱氧核糖，磷酸和4种碱基（A、G、T、C），由这些小分子组成了4种核苷酸，这4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。美国生物化学家埃尔文·查戈夫（Erwin Chargaff）测定DNA的分子组成，发现DNA中的4种碱基的含量并不是传统认为的等量的，虽然在不同物种中4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（John Gri。

沃森和克里克在谁的帮助下

1952年，美国化学家鲍林发表了关于DNA三链模型的研究报告，这种模型被称为α螺旋。沃森与威尔金斯、富兰克林等讨论了鲍林的模型。

威尔金斯出示了富兰克林在一年前拍下的DNAX射线衍射照片，沃森看出了DNA的内部是一种螺旋形的结构，他立即产生了一种新概念：DNA不是三链结构而应该是双链结构。

他们继续循着这个思路深入探讨，极力将有关这方面的研究成果集中起来。根据各方面对DNA研究的信息和自己的研究和分析，沃森和克里克得出一个共识：DNA是一种双链螺旋结构。这真是一个激动人心的发现！沃森和克里克立即行动，马上在实验室中联手开始搭建DNA双螺旋模型。从1953年2月22日起开始奋战，他们夜以继日，废寝忘食，终于在3月7日，将他们想像中的美丽无比的DNA模型搭建成功了。

沃森和克里克揭示了DNA分子的___结构，从而在科学界获得了较高的荣誉．

詹姆斯．杜威．沃森，美国生物学家，由于提出DNA的双螺旋结构而获得一九六二年诺贝尔生理学或医学奖，被称谓DNA之父；克里克于1916年6月8日出生在英国的北汉普顿．1951年，克里克与沃森在卡文迪什实验室相识．两人在...

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