1953年2月28日
揭开生命的奥秘——DNA双螺旋结构
你之所以来到这个世上，是父母赋予了你生命，没有父母也就没有你，而你的父母之所以来到这个世上，是因为他们的父母，如此这般地让时光倒流，向回推演开去，你赖以降生的人数将不断地增加。20代以前，祖先的人数将增加到10万多人，再向后倒推5代，数目陡然增加到3亿多人，及至倒推到古罗马时期，即64代，你的祖先人数将是1064，这个数字远远地超过当时同时生存人数的总和，仔细揣摩不难理解，之所以“远远地超过”，是因为辈分推及久远，这些人并不同时活在世上。无论如何，这个数字表明，全世界都是“一家人”。
你也会不难理解，为什么平均来说，每个人的基因大约有99.9%都是相似的，这些相似性决定着我们都属于人类，都有相似的体型、身高、音色、行为举止和面目特征。仅有千分之一的差异，决定着人与人的不同。究竟如何造成这些不同？究竟是什么因素主宰着生命的遗传和变异？遗传和变异如何操纵着每个人的生命进程？又是什么样的强大力量在操纵着遗传和变异的机制？操纵这种机制的主角又是什么？近百年来，不少人在探讨这些生命的奥秘，却长时间不得其解。
揭示生命的奥秘，是一个长达一百多年的艰难而曲折的过程，参与人也非常多，其中主要的人物和事件有这么几例。1869年瑞士生物学家、内科医生约翰·弗莱德里奇·米希尔（图1）首先通过显微镜从粘着脓血的绷带上发现了一种从未见过的化合物，这种物质是从细胞核中得到的，又具有酸性，因此给它起名叫“核酸”。23年后，他在给叔叔的一封信中说，这种分子很可能就是“隐藏在遗传背后的原动力”。这本是个很了不起的发现，然而在当时，由于观点太超前，没有引起人们的重视。事后证明，这一发现找到了开启生命奥秘的第一把钥匙。一个半世纪以来，因为对核酸的研究获得诺贝尔奖的科学巨子就有38位之多，揭示生命的本源就是从破译核酸的奥秘开始的。
图1
认识到核酸的重要性只是“事后诸葛亮”，揭示生命奥秘的早期却犹如“瞎子摸象”般，没能一下子找到要领。在那时，人们的关注点过多地放在了蛋白质上，并没有把核酸放在眼里。直到30多年之后，即1902年，才确定细胞核内的染色体是由核酸及蛋白质组成的。然而就是到了此时，人们仍然没弄清楚在核酸和蛋白质这两种成分中，到底是哪一种携带了遗传信息。当时人们更倾向于蛋白质，一个原因是那时人们对蛋白质的研究更充分，而对核酸却所知甚少；另一个原因似乎更充分，蛋白质由20种氨基酸组成，较为复杂，而核酸的组成要简单得多，总觉得对于承载生命的延续与多样性的重任来说，它显得有些“不够格”。
直到1910年，人们才认识到，核酸并不像想象的那么简单。德国生理学家柯塞尔（A.Kosel）（图2）和他的学生一起，发现核酸是一个生物大分子，它的平均相对分子质量可达11万到几百万以上。他们从核酸的水解物中分离出了几种含氮的化合物，并给它们起了几个怪名字，这就是腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶，此外还含有核糖和磷酸等物质，后来又发现核酸有两种，即脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。正是这种复杂的结构，决定了核酸具有特殊的性质。到了此时，人们才找到了发现生命奥秘的正途，但这只是掀起了面纱，真正揭开生命的秘密，还有很长的路要走。
图2
蕴藏生命秘密的核酸就存在于人体的每一个细胞里，当把每个细胞看作一个单独的生命时，执掌这个生命大权的就是核酸。它负责细胞的分裂、增殖、吸收养分、再生和死亡等生命过程。只有每个细胞都正常运转，才能维持人的生命。在生命延续中，核酸也在遗传着生命的信息。后来的研究证明，人体内有3万～4万个基因，这些基因就由DNA所携带。人的遗传信息也是通过DNA传递的。然而，究竟为什么核酸具有如此重大的作用？究竟是以什么样的神奇力量使DNA荷载如此多的信息呢？揭示这一秘密的人是英国分子生物学家、生物物理学家和神经系统科学家弗朗西斯·克里克以及与他合作的詹姆斯·沃森，图3中左侧是克里克，右侧是沃森。
图3
在谈及克里克和沃森的发现之前，还有两个人必须提及，这两个人在这一重大发现的重要关头上给出了关键性的启示。一个是奥地利裔美籍生物学家埃文·查伽夫（图4），他测定出DNA中的4种碱基成分，其中腺嘌呤和胸腺嘧啶数量相等，而鸟嘌呤和胞嘧啶数量相等，这一发现使克里克和沃森产生了关键的“成对”思想。
图4
另一个关键人物是毕业于剑桥大学的英国物理化学家罗萨林·弗兰克林（图5）。她在剑桥大学国王学院参与了DNA的研究。在那时，对于女性科学家的歧视处处存在，但她的研究却卓有成效。1951年11月，弗兰克林成功地拍摄到了DNA晶体的X射线衍射照片（图6）。从她1953年2月的日记可以看出，此时她已经看出了DNA具有双螺旋结构，而且她还确认，这个生物分子具有两种形式，在它的链外有磷酸根团。应该说，这个成果距离DNA双螺旋结构的发现仅差一步之遥。可惜的是，她的工作在剑桥没得到足够的重视。
图5
图6
1953年3月17日，当弗兰克林准备把这一发现整理成论文发表时才发现，克里克和沃森破解DNA结构的消息已经出现在《新闻简报》上。更令她没有想到是，她的同事威尔金斯未经她的许可，把她所拍摄的照片拿给克里克看，而克里克和沃森再次未经许可，使用了她的这幅照片，而在他们的成果中，只字未提这件事。在科技界，人们给予了弗兰克林很高的评价，对她没有共享诺贝尔奖也有过激烈的争议。1962年，当克里克、沃森和威尔金斯共同获得诺贝尔奖时，弗兰克林却因为长期接触放射性物质罹患乳腺癌而过早地去世了。
事情的经过是这样，1953年的2月，克里克来到剑桥。那时他和沃森正在苦苦思索着DNA的分子结构，对在单个分子水平的结构上，究竟是如何承载复杂的生命遗传密码的，一直没有找到答案。在剑桥，威尔金斯私下里给克里克看了弗兰克林所拍摄的DNA分子的X线衍射照片，克里克立刻被这张精美的照片惊呆了，它激起了克里克的灵感，脑子里闪现出来“螺旋”的念头。
大自然从来不是笔直的，大到星系、星团，小到螺壳、藤蔓，都是奇妙的螺旋形，螺旋不仅是自然界最普遍的运动形式，也是最基本的结构样式，这种形式几乎随时可见。克里克和沃森猜想，是否DNA分子也会呈现螺旋形结构呢？于是，他们试着用DNA的磷酸基摆出两对螺旋形的外层骨架，再在双螺旋骨架上配装上4个碱基成分，使腺嘌呤与胸腺嘧啶配对、鸟嘌呤与胞嘧啶配对，由此形成双螺旋的内层结构。就这样，他们一连忙活了几天，终于在1953年2月28日，成功地用铁皮和铁丝搭起一个双螺旋结构的DNA大分子模型，如图7所示。他们不仅确定了DNA的双螺旋结构，还通过分析得出了螺旋参数。这篇论文于1953年4月25日在《自然》杂志上发表。论文不足两页，文字不足1千，但在随后50年的生命科学发展中，人们真正地感受到了这一发现的分量。应该说，这一发现不是偶然的，它的根苗始于一百多年前，在揭示生命奥秘的百年征途中，积淀着众多科学大师智慧的集体成果。
图7
DNA双螺旋结构揭示了基因复制的功能。由于腺嘌呤总是与胸腺嘧啶配对，鸟嘌呤总是与胞嘧啶配对，这两条链的碱基顺序彼此互补，只要确定了其中一条链的碱基顺序，即可以此为模板，再经合成复制出另一条链，由此，人们认识到了遗传信息构成和传递的途径。生命的奥秘从分子的层次上得到了清晰的解释，生命的“奥秘之门”从此被打开。
克里克是一位著名的分子生物理论研究者，在以后的研究中，他进一步揭示了遗传信息的核心法则，即信息从脱氧核酸DNA传递给核氧核酸RNA，再从RNA传递给蛋白质，最后形成具有遗传作用的功能分子。在此过程中，生命不断完成信息的转录和翻译过程，形成持有3万～4万具有遗传效能的功能分子。这种复制机制就是生命物质生生不息、千姿百态的原因，也是最核心的生命运动规律的物质基础。
由于DNA双螺旋结构的发现，使生物学研究不再只关注生命的表面现象，而是在有了统一理论的基础之上，注重生命的本质、生命的发生与发展规律的研究；生物学也不再只是研究孤立的生命结构和组织，而是关注生命的整体、注重生物结构的研究，如分子体系的同一性、结构层次的有序性、新陈代谢、生长、发育，生殖、遗传、进化、变异的总体机制。DNA双螺旋结构的发现，成为现代生物学发展的重要里程碑。图8为DNA的双螺旋结构。
图8
由于DNA的双螺旋结构被揭开，使遗传学的研究深入到了分子层次。在这以后的半个多世纪里，分子遗传学、分子免疫学、细胞生物学等新学科如雨后春笋般地涌现，一个又一个的生命奥秘从分子的角度得到了的阐释，DNA重组技术更为生物工程学的发展开辟了广阔的前景。可以毫不夸张地说，是DNA造就了分子生物学，造就了基因工程，而基因工程又改变了我们的生活。它不仅影响到了医药、健康、能源、食品和环境，更影响到了整个人类社会的发展，改变了人们对生命的认识，更改变了人类生活的轨迹。
关键词：DNA双螺旋结构，核糖核酸，脱氧核糖核酸，弗朗西斯·克里克，詹姆斯·沃森，埃文·查伽夫，罗萨林·弗兰克林，DNA double helix structure，ribonucleic acid，disoxyribonucleic acid，Francis Crick，James Watson，Erwin Chargaff，Rosalind Franklin
图1：http://en.wikipedia.org/wiki/Nucleic_acid
图2：http://en.wikipedia.org/wiki/Albrecht_Kossel
图3：http://www.bbc.co.uk/history/historic_figures/crick_and_watson.shtml
图4：http://derstandard.at/2000011543621/Erwin-Chargaff-Zauberlehrling-der-Doppelhelix
图5：http://www.thenewstribe.com/wp-content/uploads/2013/07/Rosalind-Franklin1.jpg
图6：http://io9.com/5761388/the-unsung-hero-who-discovered-the-double-helix
图7：http://scarc.library.oregonstate.edu/coll/pauling/dna/pictures/picture-dnamodel-large.html