纪念DNA之父：生命的密码在“梯子”上

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    诺贝尔生物和医学奖获得者、“DNA之父”英国科学家弗朗西斯·克里克7月28日在美国加州圣地亚哥的一家医院去世，享年88岁。 

　　 1953年，他与同在剑桥大学工作的詹姆斯·沃森一起在《自然》杂志上发表论文指出，生物遗传分子DNA的结构为双螺旋，这一发现揭开了生物遗传的秘密。 

DNA发现的历史 打生命之门的钥匙 

　　1962年的诺贝尔医学生物学奖授予了沃森和克里克建立的DNA模型，能获得如此高的荣誉，说明它的作用是巨大的，影响是深远的。 

　　他们的模型，引发了一门称为“分子生物学”的新科学的诞生；它为破译生物的遗传密码提供了依据，导致遗传工程学的出现。用人工的方法将生物体内的DNA分离出来，重新组合搭配，再放回生物体内，创造新的品种，成为本世纪下半叶最活跃的领域。例如我国科学家实验成功的杂交水稻，抗棉铃虫棉花等等，都是DNA重组的产物；目前国际上正热门的克隆技术，也是DNA的绝妙之作。1954年4月DNA双螺旋提出后，整个生物学界呈现出少有的五彩缤纷的景象，被认为是20世纪以来生物科学中最伟大的成果，是生物学史上一个新纪元，为生物科学，农业科学，医学的发展开辟了新天地。把DNA结构模型称为打开生命之门钥匙，是一点也不夸张的。 

　　沃森和克里克的成功使生物学界苦苦寻求数十年的答案，在朝夕之间即被解决了。初涉DNA的沃森和克里克，何以在一年多的时间内就解决了这个难题呢？ 

　　事实上，在他们涉足DNA之前，有的研究小组与成功仅差一步之遥。沃森和克里克后来居上，摘取了DNA结构的桂冠。这是因为他们有快速洞察事物的本领，高超的组合能力和善于借鉴他人成果发展自己工作的特点。 

　　今天，沃森和克里克的名字已经永远和DNA双螺旋的发现联系在了一起。 

他们登上了双螺旋梯子 

　　当达尔文还在进行环球航行的时候，他就一直在考虑，各种各样有规律的生物究竟是怎样产生的？一个细胞是怎么容纳一切所必需的信息，而发育成为一株特定的花，或一只蝴蝶，一个婴儿的呢？格雷戈尔·孟德尔对各种豌豆进行了许多年的培育，研究了它们的生长发育，终于发现有一种东西对豌豆的形态、大小、颜色等产生着影响，而且他还发现，不管这东西是什么，它总是以相同的方式、按照一定的规律影响着豌豆的生长。虽然当时没有一个人把孟德尔以及他的研究放在眼里，但在孟德尔去世后许多年，越来越多的科学家证实了孟德尔的观察结果，并证实了决定生物性状的遗传信息正是来源于细胞本身。 

　　早在1869年，瑞士科学家米歇尔就发现了一种从细胞核中提取出来的白色粉末——核酸（当时取名为核素），后来人们逐渐对它有了更多的了解，于是给它起了一个更新更复杂的名字，叫脱氧核糖核酸，简称DNA。DNA是一个很大的分子，它是经过某种复杂神秘的方式形成的。后来又经过大约80年的时间，科学家们通过许多科学实验证明，DNA是遗传物质的基础，也就是说，DNA分子是携带遗传信息的物质。 

　　假如你要建造一幢房子，或一幢办公大楼，就必须准备好一个计划或一份设计图纸，上面规定了施工过程的每一个细节。但是这种计划如果要和造一个人，哪怕一只鼠所需要的计划相比，实在是太简单了。因为要造一个人，你就得为一千亿个细胞以及包括产生新细胞新生命所必需的一切东西订出详详细细的计划来。堆放这么多的计划图纸可得要好大一个地方啊。而所有这些复杂事情，DNA似乎都能办到。在细胞核深处的一个小小的分子里面，居然存放得下所有这些图纸。如此多样复杂的生命完全由DNA控制着。如果没有DNA的组织，就根本不会有我们所认识的这个世界。但是，这种有规律而又多种多样的新生命的产生决不是一次成功的，而是需要每天成百上千万次不断变化才完成的。那么生命究竟是怎样产生的呢？如此之多的信息又是怎么贮藏在这小小的细胞核里的呢？ DNA又是如何为整个生命传递信息的呢？它的结构又是怎样的呢？ 

　　全世界各国实验室里的人们都在研究这个问题。在英国，最早是在伦敦金氏学院工作的英国著名生物学家威尔金斯和他的助手罗莎林德·富兰克林，他们利用X射线衍射技术来研究DNA的结构。在美国，著名的化学家莱纳斯·鲍林也开始了对DNA的研究。在剑桥大学的卡文迪许实验室里，英国人弗郎西斯·克里克和美国人詹姆斯·沃森也着手进行对奇异的DNA结构的探索。 

　　沃森是美国芝加哥人，生于1928年，1947年在芝加哥大学动物系毕业并获理学学士学位。后来，他到印地安纳大学，进了以微生物学研究而闻名世界的“噬菌体小组”，研究“X射线对噬菌体增殖的影响”。不久，他又到哥本哈根海尔曼实验室学习生物化学。在此阶段，他对遗传学发生了浓厚的兴趣。1951年，沃森参加了在意大利举行的生物大分子结构学术会议。会上，他听到了威尔金斯关于DNA衍射图片分析的报告，并看到他所放映的一张关于DNA纤维的X射线衍射的幻灯片。沃森开始意识到，要解开生物遗传变异之谜，应该对基因的结构有充分的了解，这样才可能知道基因是怎样工作的，从而找到生物遗传机制的答案。他说：“进一步实验将表明一切基因都是由DNA组成，”而“阐明DNA的化学结构在了解基因如何复制上将是重要的一步。”他的这个观点得到导师劳瑞亚的支持，后经其介绍，沃森得到“全国小儿麻痹基金会”的支持，在1952年进入英国剑桥大学卡文迪许实验室工作，并在肯德鲁指导下，进行蛋白质和多肽结构的分析研究。这时他遇到了一位志同道合的同事——克里克。 

　　克里克生于1916年，是英国比安普顿人。1938年，毕业于伦敦大学，学习物理和数学。战争期间，克里克从事武器方面的研究。战后，他舍弃物理学而对生物学发生浓厚的兴趣，主要原因是，他在1946年读了著名理论物理学家薛定谔写的《生命是什么》一书。这本书非常清楚地提出了一个信念，即基因是活细胞的关键部分，以及要懂得什么是生命，必须知道基因是如何发挥作用的。克里克深受此书的影响，决心从事基因分子结构研究。1949年，克里克进入卡文迪许实验室，在佩鲁茨的指导下研究蛋白质和多肽方面的问题。1952年，当他正在考虑基因结构与蛋白质结构之间的关系的时候，遇到了沃森，共同的事业把他们两人自然地结合到一起。 

　　1951年，著名化学家鲍林根据结构化学的规律，成功地建立了蛋白质的a螺旋模型。这个实验给了沃森和克里克有益的启示。他俩在前人研究的基础上，应用X射线衍射方法着手建立DNA分子结构模型。 

　　根据当时的材料，他们有充足的理由否定了DNA分子的单链和四链的螺旋结构。但他们需要根据有力的事实作出是双链还是三链的判断。 

　　他们很快建立起了一个三链结构的模型，并自信这个模型的螺旋结构的参数都是符合DNA的X射线材料所反映的事实的。欣喜之余，他们立即向皇家学院X射线衍射小组报告了DNA模型的建立。第二天，以威尔金斯为首的一批科学家对模型进行了验证和核实，发现他们对实验数据理解错了，由此否定了他们建立的第一个三链模型。 

　　以后，他们暂时停止了直接建立DNA模型的研究工作。沃森从事烟草花叶病毒的研究，目的是搞清楚烟草花叶病毒的感染力的有效成分RNA，这也许会对DNA结构提供有效的线索。克里克仍从事蛋白质的研究工作。不久，他们得知鲍林在美国制作了一个三链螺旋的DNA结构模型。沃森和克里克马上感到那个三链螺旋结构在某些方面并不完全正确。他们就一起着手对这个问题进行了研究。不久，他们终于找到了这位著名化学家在自己的结构模型里所犯的错误。 

　　由此，他俩得到了鼓舞，虽然第一个模型失败了，他们的工作还是处于领先的地位。他们又以满腔的热情、坚强的毅力重新从事模型的建立工作。 

　　威尔金斯和富兰克林在模型的建立工作上给了沃森和克里克很大的帮助，甚至他们之间的意见分歧也都是十分有益的。要是没有这两个人在X光摄片方面做了大量的工作，沃森和克里克是无论如何也不可能创造出DNA模型的。 

　　不久，富兰克林拍摄了一张DNA纤维B型照片，这张片子给了沃森和克里克最盼望的东西。当沃森看到这张片子时激动得话也说不出来了，他的心怦怦直跳，因为从这张片子上完全可以断定DNA的结构是一个螺旋体。所不清楚的只有一个问题，这个螺旋体到底是只有一个螺旋呢，还是像鲍林所做的那种三螺旋体？这个问题在沃森的脑子里翻来复去。 

　　剑桥是一个交通拥挤的城市，要想开着汽车进城是很困难的，所以几乎每个人都骑自行车。沃森和克里克当时也都买不起汽车。当沃森骑着自行车回到学校，进后门的时候，他已打定了主意要亲自制作一个双链模型。沃森想，在自然界，一切最主要的事物如机体内部的各种器官，甚至细胞内的染色体都是成双成对的，估计DNA分子也是一种双链结构，这种想法克里克也一定会同意的。 

　　第二天是星期六，沃森一大早就匆匆赶到实验室。当克里克来到实验室时，他发现沃森的情绪非常激动。沃森立即把自己的想法告诉了他。开始克里克觉得这位老朋友是在同他开玩笑，但是当他认真听完沃森的解释之后，便也和沃森一样兴奋起来。他们立即投入了工作。他们把富兰克林那张绝妙的X光照片作为向导，动手制作模型。 

　　整整一个星期，两个人的注意力全部集中在DNA上，甚至连看电影的时候沃森也总是想着那神秘莫测的分子结构。这个分子结构里有糖和磷酸盐，先是糖，后是磷酸盐，像链一样。其次是四种碱基——这是四种名字非常复杂的化学物质，被分别简称为A、G、C、T。现在发生了一个问题，这四种碱基的形状都彼此不同，这就使得制作模型的工作变得相当困难。于是，他们便去请机械厂加工一些A、G、C、T的金属模型。由于机械厂没有立即答复，于是他们两人便想尽办法用纸和铁丝制作模型。 

　　他们第一次在纸上画的图样没有画好。虽然他们时时在惦记着美国的鲍林在同他们竞赛，可是他们几次动手却以失败告终。除了到街对面的伊尔酒店去吃点东西以外，他们始终在实验室以及克里克的小屋子里工作着。但是，看来在机械厂把加工的金属模型送来以前，用铁丝把模型做起来是没有希望了。 

　　最后还是机械厂加工的模型解决了问题。模型一到，沃森只花了1个小时就把原子按照X光照片上所示的格式和科学规律排好了位置。螺旋体是向右旋转的，它有着向相反方向延伸的糖和磷酸盐双链。 

　　我们不妨想象一下，许多现代化的建筑为了节省空间都有一个螺旋形的楼梯。楼梯的支撑就是糖和磷酸盐形成的链——糖—磷酸盐—糖—磷酸盐—糖—磷酸盐……好像一节一节的链一样。然后给它配上碱基，好像给楼梯装上梯级一样。在制作模型的过程中，沃森和克里克发现，他们无法把碱基放到模型中他们任意选择的位置上，这些碱基不得不用一种特殊的方式连在一起。 

　　每一个梯级必须由两个碱基组成。问题在于有一部分的“半梯级”是长的，而另外一部分“半梯级”是短的。如果把这两个“长”的半梯级连接起来，那么做出来的梯级就太宽，不适合这个楼梯扶手的两个链之间的空间。在另一头，如果把两个“短”的连接在一起，其结果是梯级又太狭窄，同样无法布满两个扶手之间的空间。可是天然形成的结构从来总是十分合理而完善的。沃森和克里克发现，设计其实也很简单，不管哪个链上的一个“短”碱基总是和另一个链上的“长”碱基连接，那样，每一个梯级之间的长度和宽度都彼此完全相等了。所以A（“长”的）必须和T（“短”的）连接，G（“长”的）必须和C（“短”的）连接，这样便能做成一个结构很牢固很平衡的螺旋体。 

　　他俩意识到只能由一个人来自如地调整模型。当沃森把一切都调整完毕，让开身子请克里克过来进行检查时，一连15分钟克里克没有发现一点毛病。但是好几次，当沃森看到他脸上那怀疑的表情，心不禁怦怦直跳起来。但每一次，克里克的脸上终于又露出满意的神情，接着朝下看去。 

　　当劳伦斯·布拉格爵士看到这个模型时，激动得和克里克、沃森毫无两样。后来威尔金斯来看了以后也非常高兴。威尔金斯和富兰克林回到实验室以后，把这个模型和他们拍摄的X光照片进行比较，结果发现X光照片和模型完全符合。 

　　不久，这四位科学家便打算公布他们的发现了。没等到消息正式发表，鲍林已经得悉剑桥大学这两位科学家取得了成功。这位著名的化学家听说这个问题终于解决，感到由衷的高兴。他立即表示接受双螺旋的观点，并承认自己的结构是错误的。鲍林的行动同样表明了这位科学家是位了不起的人。 

　　1953年4月25日，由四位科学家共同撰写的一篇仅仅只有900字的重要文章，发表在《自然》杂志上。文章的第一句是这样说的：“关于脱氧核糖核酸盐类（DNA）的结构，我们想提出一个建议。”他们就用这样谦虚的方式向世界宣布了他们已经揭开了生命的最大秘密之一。 

　　1962年，沃森、克里克及威尔金斯由于成功地建立了DNA双螺旋结构模型而同获诺贝尔奖金。而英国著名女科学家富兰克林却没有得到这样的荣誉。然而人们在1953年4月25日的《自然》杂志上却看到了富兰克林的一篇对DNA双螺旋模型热情洋溢的支持性文章。她高尚的科学道德受到后人的赞扬。 

　　如果我们给这个DNA双螺旋结构的“楼梯”的“梯级”都标上不同的颜色，能够有助于我们理解，这四种不同颜色的“梯级”的不同次序的排列或许就是一切生物之所以有如此惊人差异的原因。 

　　在一个DNA很长的分子里，大概有1万个“梯级”。在一个人体细胞里的46个染色体内或许有46万个排列不同的“梯级”，而一个人体的细胞总数大约为一千亿个以上。这些“梯级”排列顺序的不同，决定了生物之间惊人的差异，就好像千歌万曲也仅仅是只用了8个或12个音符谱成，而英语里千千万万个单词也只不过由26个字母组成是一样的道理。 

　　所以我们完全有根据说，在DNA螺旋体内，四种“梯级”不同的排列方式使一株花、一只蝴蝶或一个婴儿产生了他们各自所有的一切复杂部分。也正由于这四种“梯级”不同的排列方式，决定了全世界50多亿人口中找不到两个完全一模一样的人。 

　　然而DNA并不只是传递信息而已，这种模型的令人惊异之处还在于它能够精确地自我模拟，科学家们都管它叫“自我复制”。沃森和克里克接着证明了自我复制首先是DNA螺旋体自我松开，然后是两个链散开来。现在对于科学家来说，一个很大的考验就是能否制造DNA，如果做到了这一点，一切问题便迎刃而解了。说不定有一天，我们能够利用人体细胞里的DNA来“培育”出一只新的手、一条新的腿或一个新的胃，用于医学上的移植呢！ 

　　沃森和克里克发现了DNA分子模型，加深了人们对生命本质的认识，同时也标志着在遗传物质的认识史上出现了一个新阶段。生物史学家艾伦是这样评论他们的成就的：“沃森、克里克的功绩在于将信息、结构与生物化学揉在一起研究遗传的问题。这个认识对于获得遗传的精细结构，直到每个键角和不同原子及原子群之间的距离都是本质的。” 

　　在生物学史上，一般把1953年沃森、克里克建成的DNA分子双螺旋结构模型看作为分子生物学的开端。科学发展的实践也证明，他们这一创造性的发现大大地促进了生物科学在分子水平上的研究，使生物学的面貌焕然一新。这个模型也成为20世纪生物科学的最重要发现。 


沃森与克里克：互补的一对 

　　DNA结构的发现是科学史上最传奇性的“章节”之一。关于这段历史的科普书已数不胜数，而创造历史的两位主角的自传，无疑是其中最不容错过的。 

　　所有的科学家传记都不会像明星传记那样吸引公众的眼球，但DNA双螺旋发现者之一沃森的自传《双螺旋》却是个例外。初读此书，我就像读侦探小说那样将它一口气读完了，可见情节之吸引人。其中没有枯燥乏味的公式，没有艰深难懂的推理，有的只是戏剧化的情节和人物：克里克(双螺旋发现过程中的另一主角)因其滔滔不绝的大嗓门而遭人嫌；鲍林、查伽夫等精英科学家轮番登场，他们全都在为DNA而暗中较劲；还有一个孤傲的独身女科学家富兰克林，她似乎是这个团体中的另类；此外，还有各类轻松的晚会、异国情调的旅游和美貌女郎的出现作为陪衬。科学发现原来是如此轻松愉悦，科学家也不是只会在实验室里摆弄仪器、在大街上走路一不小心就会撞到电线杆上的“老古董”。相反，他们也像我们这些芸芸众生一样，怕苦怕累且笨手笨脚。沃森公开坦承，在芝加哥大学念书时，他尽力不去选修任何有点难度的化学或物理学课程。而当用一只煤气灯直接加热苯以后，他从此便远离了化学，因为比起再来一次爆炸，驱逐一名无知的博士要安全得多。借学术会议之名而享受豪华旅游的经历使沃森悟出一个与科学有关的真理，即科学家的生活不仅在智力活动方面丰富多彩，而且在社交活动方面也可能趣味盎然。 

　　尽管科学高深莫测，但科学家毕竟也是人，这样的描述也许有助于公众理解科学家“人性的”一面，但我更欣赏克里克的这一补充：在这里，“人”这个词偏重于描述人的动物属性，而不是诸如数学研究这类人类特有的行为。此语出自克里克的自传《狂热的追求》。想当初，他俩以掷硬币的方式决定两人的排名顺序，但如今沃森自传的知名度却要远远超过克里克。有很多次，热情的崇拜者告诉克里克，他们是如此喜欢他的书——当然，那是指沃森的《双螺旋》。对此，聪明的克里克只能缄口不言。读完沃森再来读克里克，我不得不承认，克里克的书更能给人带来智力上的愉悦感。对照着这两个读本，我们也许大致能发现这两位幸运天才的成功奥秘。 

　　沃森和克里克的成功凭借的是一种稀缺的想像力，而不是艰苦的实验数据收集，这决不是投机取巧。对此，别人只能望尘莫及。 

　　首先，他们都信心十足地看好DNA。这就是说，在研究前景还不十分明朗的情况下，他们却凭着某些关键的线索(如艾弗里的细菌转化实验)而认准DNA必定会是一个业绩骄人的绩优股，不少优秀科学家却因缺乏这一战略眼光而与此失之交臂(如德尔布吕克)；其次，他们是一对最佳搭档，沃森熟悉噬菌体方面的实验，他的博士论文即与此有关，而克里克则精通数学、物理学这些被沃森视之为有点难度的学科，他俩的合作是生物学与物理学互补的最佳典范。相形之下，威尔金斯与富兰克林虽然是当时DNA结构研究的公认权威，许多张x射线衍射图片即出自于他们之手，但他俩的合作却相当糟糕；第三，他们善于模仿前人的成功经验。诺贝尔奖获得者鲍林成功地用模型方法提出蛋白质的α螺旋理论，而双螺旋模型的建立正是成功地借用了这一方法，所谓模型是指用纸板、木块、金属等原料做出来的想像中的分子三维结构，被富兰克林视之为如同小孩子的搭积木游戏；最后，他们还有天赋的好运，其实这与其说是一种好运，还不如说是一种高超的想像力。因为关于DNA的x射线衍射图片只能提供一半的信息，另一半则来自于研究者的想象。正如克里克说：“随着时间的推移，我和吉姆(指沃森)对他们(指威尔金斯与富兰克林)进展之缓慢和缺乏想像力的方法越来越不耐烦。这种想像力包括假设DNA为螺旋构造，在蛋白质的螺旋构造已被确认之后，不少人认为，假设DNA还是螺旋构造，除了说明头脑简单之外，别无其他意思。但沃森凭着生物学家的直觉，坚信生物体偏爱螺旋形。克里克则从物理学角度出发认为，规则的螺旋会大大减少自由变量的数目，这将使结构变得易解。此外，就是对双链的设定。因为图片信息无法提供链条的数目，鲍林和威尔金斯(包括沃森和克里克)最初都在三链模型上栽过跟头，是沃森的生物学直觉再次帮了他们，因为成双配对正是生物界的基本现象。 


　　我们看到，整个发现过程，就如同一个猜谜游戏，沃森和克里克利用别人已提供的线索，在最快的时间内求得了正确答案。所以，他们的工作更多地不是在实验室或图书馆完成的，而是在办公室(他们后来有了一间专用办公室，以免影响别人)、聚餐以及湖面泛舟时以闲聊的方式一步步接近答案的。难怪布拉格在为《双螺旋》写序时戏称他俩是“站在巨人的脚趾上”，用该书译者的话来说，他们连爬上巨人肩膀上的功夫都没花，此言妙极。写到这里，我不由得想起了沃森在剑桥的导师佩鲁茨对沃森的评价，大意是，我们羡慕他们的不劳而获，其实是混淆了艰苦的工作与艰苦的思维之间的关系。用经济学家的话来说，商品的价值不是由花费的劳动，而是由它在市场上的稀缺程度所决定的，所谓物以稀为贵。事实就是这样，沃森和克里克的成功凭借的是一种稀缺的想像力，而不是艰苦的实验数据收集，这决不是投机取巧。对此，别人只能望尘莫及。 


DNA之父声称发现“灵魂细胞” 科学再次挑战宗教 

　　DNA双螺旋结构的发现者之一、1962年诺贝尔医学奖获得者佛朗西斯·克里克2003年3月在医学杂志《自然神经学》上发表论文，称他和他的研究小组通过大量实验已经发现了人类的“灵魂细胞”，克里克称，人的灵魂或意识根本不是先天就有的，而是由人体大脑中的一小组神经元细胞产生和控制的。 

　　多年来，克里克做了数不清的实验，包括用各种仪器研究大脑受伤的病人、动物，并进行各种心理学研究等，获得了大量富有价值的一手研究数据。最新的科学研究指出，克里克实验得出的大量研究数据完全可以证明他的学说。克里克在医学杂志上写道∶“这是我们第一次在哲学、心理学和神经学等领域将神经细胞和意识产生完美地联系在一起。研究显示，人类意识仅仅只由大脑中一小组神经元细胞来表达，说得更精确一点，这组神经元细胞位于大脑皮层后部到前沿的一小块地区。” 

　　佛朗西斯·克里克的发现，不仅将生命和灵魂的奥秘只归结于一些简单的分子，同时也是对宗教“灵魂不朽论”的强烈挑战。如果克里克的学说被证明是正确的，那将意味着科学对宗教再次取得了一个巨大胜利。因为很多年来，科学一直都无力于解释人出生后到底是怎样获得自我意识的，而一些宗教学说则将其归结为人类具有“永恒的灵魂”，肉体只不过是灵魂居住的场所。