趙德坤　秦小康

[摘要]DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)生命科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)史中，Watson、Crick、Wilkins與Franklin四位偉大的科學(xué)家所做出的重要貢獻都應(yīng)被銘記。對于DNA

雙螺旋

結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)史，現(xiàn)行的中學(xué)生物教材主要介紹的是Watson和Crick建構(gòu)分子模型的過程，而對在這個過程中Franklin的重要作用和貢獻介紹不夠。建議生物教師在實際教學(xué)中對這一有爭議的過程做出實事求是的介紹，客觀分析Franklin在這場競爭中主客觀方面的劣勢；在贊嘆Watson和Crick所取得的巨大成就的同時，客觀冷靜地審視這一在現(xiàn)在的科研大環(huán)境下幾乎不可能再次復(fù)制的成功。更為重要的是，客觀冷靜地分析DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)在新的研究范式和學(xué)科發(fā)展趨勢下給生命科學(xué)研究本身和生命科學(xué)研究者的啟示，從而揚長避短，充分利用外部環(huán)境中的各種有利條件，并在充分發(fā)揮自身主觀能動性的基礎(chǔ)上，把科研工作不斷推向前進。

[關(guān)鍵詞]DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)；X射線衍射；生物學(xué)功能；學(xué)科交叉與合作

[中圖分類號]G633.91[文獻標(biāo)識碼]A[文章編號]16746058

（2018）05007903

1953年4月25日，《Nature》雜志發(fā)表了美國生物學(xué)家Watson和英國物理學(xué)家Crick的題為《核酸的分子結(jié)構(gòu)：脫氧核糖核酸的結(jié)構(gòu)》的論文，Watson和Crick在文中提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型（Watson和Crick，1953）。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是20世紀(jì)生命科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。鑒于Watson和Crick在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型建立中的重要貢獻，這一模型又稱為“Watson-Crick模型”。Watson和Crick因為發(fā)現(xiàn)了核酸的分子結(jié)構(gòu)及其在生物中信息傳遞的重要性而與英國物理學(xué)家Wilkins共同分享了1962年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。但Watson和Crick在論文中既無建立該結(jié)構(gòu)的實驗數(shù)據(jù)，也未明確提及建立該結(jié)構(gòu)模型的數(shù)據(jù)來源，而且《Nature》雜志發(fā)表有關(guān)DNA結(jié)構(gòu)的三篇論文的順序為：Watson和Crick建立DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的文章在前，Wilkins和Franklin支持這一模型的X射線衍射分析實驗數(shù)據(jù)文章（Franklin和Gosling，1953；Wilkins等，1953）在后。這讓人覺得后兩篇文章僅僅只是為DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型提供支持。而Watson和Crick在他們的諾貝爾獎獲獎演說中也都沒有提到Franklin的工作，而Wilkins的演說中盡管提到了Franklin，但是卻很少（Elkin，2003）。另外，在Watson的自傳體小說《雙螺旋》中，對Franklin也有許多不實之詞，如說“羅西（即Franklin）沒有直接給我們她的數(shù)據(jù)”（Watson，1968；1996）。實際上，盡管Watson和Crick沒有直接從Franklin處得到數(shù)據(jù)，但他們卻通過Wilkins和Crick的導(dǎo)師得到了Franklin關(guān)于DNA結(jié)構(gòu)研究的詳細(xì)數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)最后建立了DNA的分子結(jié)構(gòu)模型（Elkin，2003）。Franklin在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)建立中的貢獻是在她去世后，她的同事Klug整理她的工作筆記時才發(fā)現(xiàn)的（Klug，1968；1974）。概括地說，F(xiàn)ranklin在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)建立中的貢獻，包括發(fā)現(xiàn)DNA存在有兩種含水量不同的狀態(tài)、改進DNA樣品的制備方法和X射線衍射技術(shù)及拍攝到非常清晰的B型DNA的X射線衍射照片。她獨立得出了A型DNA和B型DNA都是由兩條反向平行的多核苷酸鏈構(gòu)成的雙螺旋結(jié)構(gòu)。該螺旋模型中脫氧核糖、磷酸以及疏水堿基的位置，以及螺旋參數(shù)都與Watson和Crick提出的模型相同（Elkin，2003；Klug，1968；1974）。但非常遺憾的是，盡管她已經(jīng)意識到DNA分子中的堿基是采用酮式構(gòu)型，而非烯醇式構(gòu)型互補配對，且她也完全知曉Chargaff關(guān)于DNA分子中堿基定量關(guān)系的結(jié)果，但她過分注重DNA的物理構(gòu)型，而沒有注意到“堿基互補配對”這一揭示遺傳奧秘的關(guān)鍵問題，從而與人類歷史上的這一重大發(fā)現(xiàn)失之交臂，這不得不說是非常令人遺憾的。

Watson和Crick在建立DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型時，在多大程度上受到Franklin的實驗數(shù)據(jù)的啟發(fā)呢？當(dāng)時，Watson和Crick都在英國劍橋大學(xué)的卡文迪許實驗室從事利用X射線解析蛋白質(zhì)的工作，而DNA結(jié)構(gòu)的解析則是在英國倫敦大學(xué)的國王學(xué)院進行的。1951年1月，F(xiàn)ranklin受醫(yī)學(xué)研究委員會生物物理小組主任Randall爵士的邀請，到倫敦國王學(xué)院進行DNA結(jié)構(gòu)的研究。恰好同年9月，Watson來到英國劍橋的卡文迪許實驗室從事博士后研究。在這里，他遇到了正在攻讀博士學(xué)位的Crick，他們都對DNA結(jié)構(gòu)的研究感興趣，共同的興趣愛好促使他們決定合作來進行DNA結(jié)構(gòu)的解析。同年底，他們根據(jù)Wilkins同年5月在生物大分子結(jié)構(gòu)國際學(xué)術(shù)會議上展示的DNAX射線衍射數(shù)據(jù)和Franklin同年11月21日在倫敦國王學(xué)院內(nèi)部召開的核酸結(jié)構(gòu)內(nèi)部學(xué)術(shù)討論會上展示的實驗數(shù)據(jù)構(gòu)建了DNA的三股螺旋模型。理所當(dāng)然的，這個模型受到了國王學(xué)院的晶體學(xué)家的反對和批評，這也使得Watson和Crick被卡文迪許實驗室主任要求中止對DNA結(jié)構(gòu)的研究。1953年1月30日，Watson訪問倫敦國王學(xué)院，Wilkins給Watson展示了Franklin拍攝的極其清晰的B型DNA的X射線衍射照片，即著名的“照片51號”，并詳細(xì)地解釋了實驗結(jié)果。Crick還從他的導(dǎo)師那兒拿到了Franklin在1952年11月撰寫的關(guān)于DNA結(jié)構(gòu)研究的工作報告，然后他們利用這些實驗數(shù)據(jù)開始建立DNA的結(jié)構(gòu)模型。1953年2月28日，Watson和Crick宣布他們發(fā)現(xiàn)了DNA的雙股螺旋模型（Elkin，2003）。對于Franklin的貢獻和功績，三位因為DNA結(jié)構(gòu)研究的諾貝爾獎得主也都表示了充分的認(rèn)同。1954年，Crick和Watson發(fā)表的《基于X射線衍射數(shù)據(jù)建構(gòu)DNA雙螺旋模型》文章中親自承認(rèn)：如果沒有關(guān)于DNA結(jié)構(gòu)解析的數(shù)據(jù)，他們是不可能推導(dǎo)出DNA結(jié)構(gòu)的（Crick和Watson，1954）；Watson在其關(guān)于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)的自傳體小說《雙螺旋》中，對這一過程也有更為詳細(xì)的描述（Watson，1968；1996）。盡管在該書中對Franklin有許多不實之詞，而且也未直接指明他們數(shù)據(jù)的具體來源，但在客觀上也讓讀者間接了解了X射線衍射數(shù)據(jù)在雙螺旋結(jié)構(gòu)模型建立中的作用。Wilkins在其自傳《雙螺旋的第三人》中也親自承認(rèn)：如果諾貝爾獎只授予一個人的話，F(xiàn)ranklin是唯一人選（Wilkins，2005）。

為什么Franklin沒能夠最早發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型呢？除了上面提到的Franklin作為化學(xué)家，沒有注意到“堿基配對”這一揭開遺傳奧秘的關(guān)鍵性問題外，還與當(dāng)時的社會大環(huán)境有關(guān)。當(dāng)時的英國社會對于女性科學(xué)家都普遍不夠尊重。她在國王學(xué)院工作時，大學(xué)的俱樂部甚至不接受女教師在內(nèi)進餐。另外，Wilkins和Franklin由于對她們之間的工作隸屬關(guān)系不明確，也生出了許多矛盾與沖突。Wilkins認(rèn)為Franklin是一位高級技工，是來協(xié)助他工作的。而Franklin認(rèn)為她可以獨立開展工作。另外，F(xiàn)ranklin和Wilkins有著幾乎完全不同的性格。Franklin敏感而又熱情，堅定自信而又有一些咄咄逼人；而Wilkins則顯得委婉甚至有些過分的靦腆。這些性格上的差異也是他們之間沖突不斷的原因之一。Wilkins甚至還直接把Franklin拍攝的能清楚顯示出雙螺旋結(jié)構(gòu)的B型DNA照片拿給Watson過目，而這一切極有可能是在Franklin并不知情的情況下發(fā)生的（Elkin，2003）。但客觀地說，他們之間的沖突，雙方都有責(zé)任。甚至醫(yī)學(xué)研究委員會主任Randall爵士也應(yīng)該受到批評，因為是他在沒有告知Wilkins的情況下，就給Franklin寫信并且分配給她DNA結(jié)構(gòu)研究工作的。他也沒有提醒Franklin，Wilkins在DNA結(jié)構(gòu)研究上一直都有興趣（Elkin，2003）。另外，當(dāng)時X射線衍射技術(shù)尚不足以清晰地顯示生物大分子較為復(fù)雜的三維構(gòu)象，Watson和Crick受Pauling提出蛋白質(zhì)α-螺旋結(jié)構(gòu)時采用的構(gòu)建分子模型的方法的啟發(fā)，將實驗檢驗和模型調(diào)整有機結(jié)合起來，直到最后建立正確的模型。而Franklin則認(rèn)為利用X射線衍射技術(shù)才是解決DNA分子結(jié)構(gòu)的正確途徑，因此沒有同時嘗試結(jié)構(gòu)化學(xué)研究上行之有效的建模方法（Watson，1968；1996）。但事實證明，構(gòu)建分子模型的方法在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的建立過程中也起到了至關(guān)重要的作用。

六十多年前，科學(xué)規(guī)范以及科研活動和科技文獻發(fā)表中的一些基本道德規(guī)范和準(zhǔn)則還未完全建立，女性科學(xué)家也未得到應(yīng)有的尊重，地位較低?，F(xiàn)在看來，Watson和Crick在沒有得到Franklin允許的情況下就使用她未發(fā)表的數(shù)據(jù)，Wilkins和Crick的導(dǎo)師在未得到Franklin許可的情況下，就將她未發(fā)表的實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果告訴競爭對手，以及他們在發(fā)表論文及諾貝爾獎獲獎演說中都未明確地對Franklin表達(dá)謝意等行為，是不符合科學(xué)規(guī)范，甚至是不道德的。而現(xiàn)在都強調(diào)在科研活動及科技文獻發(fā)表中，道德是基礎(chǔ)。盡管這一爭論事件已經(jīng)過去了六十多年，但這一發(fā)現(xiàn)過程仍然對我們今天的生命科學(xué)研究極具現(xiàn)實意義。它給我們的啟示至少有以下三點。

首先，實驗是檢驗理論正確的唯一標(biāo)準(zhǔn)。Watson和Crick建立DNA結(jié)構(gòu)模型時，螺旋的股數(shù)、堿基在螺旋中的位置等，都是來自實驗數(shù)據(jù)，并根據(jù)實驗的結(jié)果不斷修正的。事實上，當(dāng)時美國加州理工大學(xué)的知名量子化學(xué)家Pauling也在嘗試構(gòu)建DNA分子結(jié)構(gòu)模型。Pauling本身在生物大分子結(jié)構(gòu)尤其是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析方面經(jīng)驗豐富，他本人也通過構(gòu)建分子模型的方法提出了蛋白質(zhì)α-螺旋結(jié)構(gòu)。而且Watson和Crick在建構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)時也是采用這種方法。因此，當(dāng)Pauling轉(zhuǎn)而嘗試構(gòu)建DNA分子結(jié)構(gòu)時，對他而言應(yīng)該是輕車熟路的，他似乎應(yīng)該是那個距離成功最近的人。但由于種種原因，他無法得到有關(guān)DNA結(jié)構(gòu)的最新數(shù)據(jù)，所以他只能使用以前拍攝的不同DNA構(gòu)型混雜在一起的極不清楚的老照片和一些舊數(shù)據(jù)，對此他的失敗也就無法避免?，F(xiàn)在生命科學(xué)已經(jīng)進入到生物信息學(xué)時代，同時誕生了計算生物學(xué)，出現(xiàn)了一批不用在實驗室里直接做實驗而每天坐在計算機終端前的生物科學(xué)工作者。但即使這樣，實驗永遠(yuǎn)是生命科學(xué)研究的根本。一方面，作為生物信息學(xué)和計算生物學(xué)研究對象的核酸與蛋白質(zhì)序列都來自實驗；另一方面，基于對核酸與蛋白質(zhì)序列分析所建立的理論和假設(shè)需要通過實驗來驗證和檢驗。如果忽略了實驗，則生命科學(xué)的發(fā)展終將難以為繼。尤其是現(xiàn)在，生命科學(xué)實驗由于實驗周期長，影響因素多，結(jié)果的不確定性大，因此有人已經(jīng)開始“知難而退”。甚至Watson在其自傳體小說《雙螺旋》中也披露，他認(rèn)為晶體學(xué)研究非?？菰铩Ｋ踔劣X得沒能結(jié)晶肌球蛋白是一種解脫，因為如果他成功了，他的導(dǎo)師可能就會讓他拍攝X射線衍射照片（Watson，1968；1996）。因此，我們應(yīng)該把更多的鼓勵給予那些還奮斗在實驗一線的生命科學(xué)科技工作者。

其次，生命科學(xué)的多學(xué)科融合交叉過程中，不同學(xué)科背景的學(xué)者相互之間能很好地進行溝通與協(xié)作非常重要。在科學(xué)發(fā)展的過程中，新理論的突破、新學(xué)科的產(chǎn)生及新技術(shù)的出現(xiàn)，常常出現(xiàn)在現(xiàn)代學(xué)科的邊緣或交叉點上；同時，隨著學(xué)科交叉研究的發(fā)展，新興交叉學(xué)科的產(chǎn)生以及各種新的理論體系和研究方法的創(chuàng)建與不斷完善，使得科學(xué)本身向著更深的層次和更高的水平發(fā)展（朱大保和孫悅，1997）?！癉NA雙螺旋結(jié)構(gòu)”這一對生命科學(xué)發(fā)展具有重要里程碑意義的重大發(fā)現(xiàn)正是學(xué)科交叉與合作的典范。Crick具有很好的直覺，他的物理學(xué)背景可以幫助Watson很好地理解X射線晶體衍射結(jié)果；而Watson可以幫助Crick理解生物學(xué)的內(nèi)容。他倆通力合作，彼此發(fā)揮各自所長，又能夠虛心地傾聽對方意見，并且虛心向其他科學(xué)家請教。而Wilkins和Franklin由于關(guān)系不好而不能很好地合作，并產(chǎn)生了嚴(yán)重的內(nèi)耗。盡管他們都是晶體結(jié)構(gòu)解析專家，擁有雙螺旋結(jié)構(gòu)最直接的X射線衍射數(shù)據(jù)，但由于彼此不和而將大好機會讓給了他人。

最后，當(dāng)采用其他學(xué)科的技術(shù)與方法研究生物學(xué)問題，運用其他學(xué)科的思維和方法來回答生命科學(xué)的本質(zhì)問題時，必須要密切聯(lián)系生物學(xué)功能。Franklin和Wilkins由于不是生物學(xué)家，因此她們關(guān)注更多的是對X射線衍射結(jié)果做出很好的解釋，卻忽略了“DNA作為遺傳物質(zhì)如何進行精確復(fù)制”這一重要的生物學(xué)性質(zhì)。因此，她們與人類歷史上的這一重大發(fā)現(xiàn)失之交臂也就不難理解了。如果沒有結(jié)合生物功能進行研究，則研究工作只能停留在對生命現(xiàn)象的一般解釋和說明上，而無法在更深的層次和水平（如闡明起源、成因、動力，以及生物體與內(nèi)外環(huán)境的關(guān)系等方面）得到明晰的結(jié)論，對生命現(xiàn)象也只能停留在觀察和描述上，而不能深入到對生命現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律的認(rèn)識。

總之，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立在生命科學(xué)史上具有劃時代的意義，Watson、Crick、Wilkins和Franklin四位偉大的科學(xué)家都為此做出了重要的貢獻，他們都應(yīng)該被我們銘記。但現(xiàn)行的中學(xué)生物教材對DNA結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)歷史的介紹，著眼于Watson和Crick建構(gòu)分子模型的過程，而對在這個過程中Franklin的重要作用和貢獻介紹不夠（《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·生物2》）。因此，我們建議生物一線教師在實際的教學(xué)中對這一有爭議的過程做出實事求是的介紹。同時，我們在為Franklin感到遺憾的同時，也應(yīng)該客觀地分析她在這場競爭中主客觀方面的劣勢；在贊嘆Watson和Crick所取得的巨大成就的同時，也應(yīng)該客觀冷靜地審視這一在現(xiàn)在的科研大環(huán)境下幾乎不可能再次復(fù)制的成功。更為重要的是，在當(dāng)前隨著生物信息學(xué)和計算生物學(xué)的出現(xiàn)，生命科學(xué)的研究范式已從傳統(tǒng)的通過實驗形成理論，轉(zhuǎn)變?yōu)橄葟睦碚撏茰y出發(fā)，然后再回到實驗去檢驗理論假設(shè)；并且基礎(chǔ)科學(xué)研究中不同學(xué)科間的交叉已經(jīng)成為科學(xué)發(fā)展的一個重要趨勢，而在現(xiàn)代生命科學(xué)領(lǐng)域的研究中體現(xiàn)得尤為突出（朱大保和孫悅，1997）。因此，我們更應(yīng)該客觀冷靜地分析這一事件在新的研究范式和學(xué)科發(fā)展趨勢下給生命科學(xué)研究本身和生命科學(xué)研究者的啟示，這樣才能夠揚長避短，充分利用外部環(huán)境中的各種有利條件，并在充分發(fā)揮自身主觀能動性的基礎(chǔ)上，把自己的科研工作不斷地推向前進。

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致謝：感謝四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張年輝副教授在資料收集及論文寫作中的指導(dǎo)與幫助。

（責(zé)任編輯黃春香）