α螺旋

生命科学史上的划时代突破——纪念DNA双螺旋结构发现50周年

在20世纪乃至整个生命科学发展史上，没有什么工作比沃森()和克里克(F.H.

)于1953年提出的DNA分子双螺旋结构模型，更具有决定意义。然而，人们对DNA

分子的清楚认识，却经过了近百年艰难曲折的研究历程。

DNA的早期发现

1869年，年仅25岁的瑞士生物化学家米歇尔(er)在德国杜宾根大学做博士论

文时，从外科绷带上的脓细胞中，提取出一种含磷的酸性大分子物质，取名为“核素”(nuclein)。

不久，米歇尔和阿特曼(n)正式提出“核酸”(nucleicacid)这个名词。

1879年，德国生物化学家科塞尔(l)设想，集中在细胞核内的核酸，在细胞分裂或

卵子受精和发育过程中，很可能起着关键作用。1885—1901年，他和他的学生美国生物化学

家列文()和琼斯()等人，先后发现了核酸中常见的四种碱基：腺嘌呤

(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)。1911—1934年，列文和琼斯等对核酸的化学结

构作了进一步的系统研究，证明核酸中含有五碳的核糖和脱氧核糖。据此，核酸被分为脱氧

核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)两大类；核酸是由许多核苷酸组成的大分子；每个核苷酸由

碱基(嘌呤或嘧啶)、核糖(或脱氧核糖)和磷酸组成。但由于受当时化学分析水平的限制，列

文轻率地提出了错误的“四核苷酸假说”，认为核酸是由含四种碱基、且含量相等的四种核苷

酸，呈线性排列构成的简单重复的多聚体。由于列文是当时的学术权威，该假说阻碍并推迟

了人们对核酸结构和功能的正确认识。

在此期间，对核酸在细胞中的分布的研究也不断进展。1924年，德国化学家孚尔根(R.

Feulgen)，用他发明的一种DNA特异性染料处理细胞切片，初步证明DNA主要存在于细胞核

中。到1940年代初，瑞典生物化学家卡斯佩生(son)等进一步发现，DNA分子主要

存在于染色体上，RNA分子主要存在于细胞质里；在每种生物的细胞中，DNA分子的含量相当

恒定，而染色体上的蛋白质和RNA的含量却可以不同；卵细胞和精子里的DNA含量，只有体

细胞里的一半。

这些发现表明，DNA分子与孟德尔()的“遗传因子”、摩尔根()所研

究的“基因”，一定存在着某种必然的联系。

生化遗传学家的开拓性研究

从20世纪初到1940年代，试图通过遗传与代谢关系的研究阐明基因与性状关系的实验，一

直在不断进行。1896年，美国细胞学家威尔森()就曾指出：“遗传是同一代谢

类型在连续世代中的重现。”1902年，英国医生加罗德()率先报道人苯丙酮尿

症是一种遗传病。他在英国遗传学家贝特森(n)的帮助下，通过家谱分析，证明了

这种病是受孟德尔遗传因子决定的。1908年他又指出，苯丙酮尿症患者可能是隐性遗传因子

的纯合体，体内某种酶的形成受到了影响。由此他提出“孟德尔遗传因子很可能以某种方式，

通过影响和调节代谢途径中某特定步骤中酶的产生，从而决定性状”的设想。在当时能把基

因和酶联系起来，无疑是超前的见解。但加罗德的见解像孟德尔的开创性研究一样，也被同

时代的人忽视了。

尽管加罗德的观点在当时并没引起重视，但遗传的生物化学基础已不再是模糊的问题了。1936

年，美国遗传学家比德尔()和法国胚胎学家埃夫鲁西(si)通过果蝇眼

基移植实验，对复眼各种色素突变型之间关系的研究，发表了把基因和酶联系起来的第一篇

论文。1941年，比德尔又和美国生物化学家塔特姆()合作，创造了一种研究基

因控制代谢的新方法。他们用Ｘ射线从链孢霉中诱发出大量的营养缺陷型突变体，并对不同

的突变体进行筛选、鉴定和杂交实验。他们不仅发现每一种营养缺陷在杂交实验中都呈现孟

德尔式的分离，而且生物化学分析还表明，合成主要代谢物质诸如维生素、氨基酸和构成核

酸的基本成分的酶促反应，都是由可鉴别的基因控制的。比德尔和塔特姆由此提出“一个基

因一个酶”的假说：生物体内的每一步化学反应都需一种酶来催化，而酶的产生受基因控制。

他们的研究证实了30多年前加罗德的设想，开创了生化遗传学研究的新领域。

与此同时，通过一系列著名的实验，基因的化学本质也逐渐被揭示出来。1928年，英国医生

格里菲斯(th)进行了肺炎双球菌感染小鼠的实验研究。他将活的R品系(无毒)细菌

菌株和加热杀死的同种S品系(有毒)菌株同时注射到小鼠体内，发现某些R品系菌株会转变

成S品系菌株。受当时分析纯化技术限制，他没有分离出这种“转化因子”。1944年，美国

科学家埃弗里()等从加热杀死的S品系细菌提取液中，分离出高纯度的“转化因

子”，并鉴定出它是DNA。将这种“转化因子”注入R品系细菌体内，能够使其转化成S品系

细菌。如果事先用DNA酶将S品系细菌的DNA分解，则不可能发生这种转化。这个重要发现，

首次用实验证明遗传物质就是DNA。9年后因双螺旋结构模型声名大振的沃森赞叹道：“埃弗

里的实验，使我们闻到了DNA是基础遗传物质的气息。”

由于“四核苷酸假说”的强大影响，当时大多数学者认为，只有由20种氨基酸组成的蛋白质

最有可能包含着遗传信息；蛋白质有各种各样的形式和功能，次级结构也花样繁多，因而在

其复杂性背后可能隐藏着遗传特性。在1952年初，几乎所有重要的遗传学学者都持这一种观

点。他们认为埃弗里提取的转化因子纯度不高，正是其中不到0.02%的蛋白质“杂质”起了

遗传作用。

1948年，美国生物化学家查伽夫(lf)读到埃弗里的论文后，却大受启迪。他认为

如果不同的生物种类是由于DNA的不同，则DNA的结构必定十分复杂，否则难以适应生物界

的多样性，因此对“四核苷酸假说”产生怀疑。1949—1952年，他采用纸层析法分离碱基，

再用紫外吸收光谱作定量分析，发现DNA的碱基成分随生物种类的不同而有很大差异，而A

和T、G和C的分子数总相等。这意味着DNA分子中四种脱氧核苷酸的排列顺序可能蕴藏着大

量的信息，彻底推翻了统治学术界30年之久的“四核苷酸假说”，为双螺旋结构中起重要作

用的碱基配对原则奠定了实验基础。

1952年，美国生物化学家赫尔希(y)和他的学生蔡斯()，通过T-噬菌

体侵染大肠杆菌实验，发表了20世纪生物学最著名的判别实验结果。该实验表明，正是包含

在蛋白质外壳内的噬菌体DNA进入细菌细胞内，才使噬菌体得以传代，说明遗传物质是DNA，

而非蛋白质，彻底扫除了对DNA是遗传物质的怀疑，催生了几个月后双螺旋结构模型的提出。

物理学家与化学家的重要贡献

生物化学家们用实验方法探求基因的化学本质的时候，以丹麦物理学家玻尔()、德国

物理学家德尔布吕克(ück)、奥地利物理学家薛定谔(?觟dinger)为代表的

一大批著名物理学家，持着20世纪物理学及化学辉煌成就的新观点，不失时机地步入遗传学

研究领域，引发了一场生物学革命的大风暴。

首先把目光投向生物学的是玻尔。1932年，他发表了著名的演说《光和生命》，呼吁通过发

展新概念和运用新方法进行研究，以使生物学上升到新的认识水平。受导师玻尔思想的影响，

德尔布吕克转向对基因本质的研究。1935年，他在论文中明确提出，作为聚合物的基因的分

子模型必须是一种特殊的形式，而不仅仅是类似小单位构成的长链；基因的稳定性基于某种

复杂分子的结构稳定性。他还认为，基因突变是基因分子中的电子在辐射激发下发生跃迁的

结果。此后，德尔布吕克选择噬菌体作为实验材料，与美国遗传学家卢里亚()

和赫尔希等一起，共同创立了闻名世界的“噬菌体学派”，奠定了分子遗传学发展的基础。

在德尔布吕克论文的影响下，薛定谔于1945年出版了“唤起生物学革命的小册子”——《生

命是什么》。在此书中，薛定谔根据量子论的证据，提出了基因的“非周期性晶体”模型；指

出基因分子实际上是“遗传密码的携带体”。这些论述不仅首次从微观层次来表述基因的结构，

也首次论述了基因的本质是携带遗传信息的单元，遗传的过程本质上是遗传信息的传递。薛

定谔的观点在学术界产生了巨大反响，吸引了一大批富有创造力的物理学家、化学家和数学

家，云集到对遗传的分子基础和基因的自我复制这两个当时生物学的中心问题旗帜下。一个

生物学研究的新纪元即将开始。

当时，一项解开DNA结构之谜的关键性发展，是由英国结构化学家布拉格父子(

和)1912年就提出并逐渐发展起来的Ｘ射线晶体衍射技术。1920—1930年代末，

老布拉格的学生阿斯特伯里(y)和贝尔纳()，首先用此方法分析了

头发、羊毛的结构，进而对烟草花叶病毒和核酸的结构进行分析，结果表明蛋白质和核酸都

是有一定折叠卷曲的长纤维，并于1945年测出了嘌呤和嘧啶之间的间距为0.34纳米，碱基

垂直于DNA分子的长轴。1930年代末到1950年代，奥地利出生的晶体学家佩鲁茨(M.F.

Perutz)和英国化学家肯德鲁(w)，在小布拉格领导的剑桥大学卡文迪什实验室，

分别对马血红蛋白和鲸肌红蛋白进行晶体结构研究。他们创立了把重原子引入蛋白质分子的

分析方法，并应用计算机处理衍射资料，提高了分析精确度和速度。这些工作为双螺旋结构

的建立提供了直接的实验基础。

至此，一切重要的条件都已齐备，需要有人做出一项决定性实验，找到合理的结构模型来阐

述DNA的遗传作用。遗传学的研究，正处在重大突破的前夜。

三个实验室的一场激烈竞争

到了1950年代初期，有三个实验室为了一个共同的目标，展开了一场争分夺秒的激烈竞争。

第一个是美国加州理工学院的著名化学家鲍林(g)实验室。1950年，鲍林等利

用Ｘ射线晶体衍射技术研究蛋白质结构，提出蛋白质是长链分子，并发现了α螺旋结构。对

蛋白质研究的成功，大大激励了他们把该技术用于DNA分子结构的研究。1952年底，鲍林等

人根据阿斯特伯里的研究照片，明确提出DNA分子并非单链结构，而可能是双链或三链的螺

旋体。由于他们缺乏足够的资料，所用的Ｘ射线照片图像尚不够清晰，便得出了在DNA中，

磷酸-脱氧核糖骨架位于螺旋体内部、碱基在外侧的错误认识。当时，鲍林的注意力集中在蛋

白质结构研究上，根本没想到DNA需要他全力以赴去研究，而且他还自负地认为，其他人未

必是他竞争的对手。当他最终为寻找一种合理的结果继续研究DNA时，一切都晚了，成功与

他擦肩而过。

第二个实验室在英国皇家学院，由新西兰物理学家威尔金斯(s)和英国女物理学家

弗兰克林(in)领导，两人都专长Ｘ射线结晶学研究。1950年，威尔金斯开始选择

DNA纤维作为研究材料，弗兰克林于翌年加盟。他们于1952年设法制成了高度定向的DNA结

晶纤维，并由弗兰克林拍摄出了非常清晰的Ｘ射线衍射照片。通过对这张照片的细致分析，

他们推算出DNA分子是双链同轴排列的螺旋结构，磷酸根基团和脱氧核糖在螺旋外侧，碱基

在螺旋内侧；并定量测定了DNA螺旋体的直径和螺距。到1953年3月17日，DNA分子的结

构问题已经差不多被弗兰克林所攻克。然而，他们却未能及时地将分析资料转变为一个合理

的结构模型。作为物理学家，他们也未能真正理解DNA分子结构的重大生物学意义。再加上

两人的关系一开始就磕磕碰碰，并发展到高度紧张，很难进行合作。结果，让沃森和克里克

领先了。

早在1946年，当沃森还是美国芝加哥大学的学生时，就被《生命是什么》吸引，对遗传学产

生了兴趣。1947年，他到印地安那大学研究Ｘ射线对噬菌体增殖的影响。导师卢里亚对DNA

分子可能是遗传物质的预感，以及稍后与德尔布吕克的第一次相见，都进一步影响了沃森，

使他产生了要了解DNA如何发挥作用，就必须研究其分子结构的想法。1951年秋，经卢里亚

引荐，沃森进入卡文迪什实验室，在肯德鲁的指导下对植物病毒中提取的核酸分子结构进行

研究。在那里，沃森与比他早两年进入卡文迪什实验室、跟随佩鲁茨作血红蛋白结构研究的

克里克相遇。克里克是一位不仅了解Ｘ射线结晶学，而且对DNA分子的结构与生物学功能也

很感兴趣的物理学家。这两个年轻人的结识，开始了现代生物学最激动人心、最卓有成效的

合作。

沃森和克里克决定共同研究DNA分子结构，并确定了提出一个结构模型的目标。这个模型不

仅要能解释Ｘ射线衍射分析的资料，还必须能阐明DNA的自我复制和控制蛋白质合成的机理。

从1951年秋到1953年春，他们先后提出了三种结构模型。

1951年底，他们根据Ｘ射线衍射照片和键距计算资料，提出了一个三链螺旋模型。由于他们

所研究的Ｘ射线照片的质量太差，这个模型经威尔金斯和弗兰克林等人验证和核实，发现对

实验资料的处理有明显错误，第一次模型建立宣告失败。小布拉格将克里克调回蛋白质课题

组，沃森被调回去做烟草花叶病毒晶体衍射，但两人并没就此罢休，继续偷偷研究DNA，尤

其是沃森热衷于DNA“简直到了疯狂的地步”。

正当两人一筹莫展的时候，有三件事对他们的思路产生了重要影响。第一件事是他们与剑桥

大学年轻的数学家格里菲斯(h)的偶遇。格里菲斯也对一些生物学问题比较感兴趣，

便答应帮他们计算DNA分子中碱基之间的吸引力。格里菲斯不久便告诉他们，理论计算表明

碱基之间的结合力是A吸引T，G吸引C。这使克里克看到了碱基互补配对的可能性。第二件

事是查伽夫1952年6月到剑桥大学访问时，肯德鲁介绍他与沃森和克里克进行了一次非常重

要的会面。当他们谈到核酸研究工作的进展时，查伽夫略微迟疑了一下，回答道：“一句话说

完，就是1:1。”克里克立即意识到，格里菲斯和查伽夫所说的碱基配对是完全一样的；不同

类型的碱基配对，可能就是DNA分子结构的基础。第三件事则是鲍林对蛋白质α螺旋结构的

研究，为研究生物大分子提供了一个独特的物理方法，即先根据理论上的考虑建立模型，再

用Ｘ射线衍射结果对模型进行检验。两人深受启示，先后建立了一大堆有关嘌呤碱基和嘧啶

碱基的模型，以确定什么样的维度和排列才既符合氢键的理论要求，又符合查伽夫碱基配对

规则的经验要求。

1953年2月初，两人看到了鲍林关于DNA的论文手稿，使他们大吃一惊的是，鲍林的模型与

他们那个三链结构很相似。他们清楚地意识到，待鲍林觉察出自己的错误再回过头来全力研

究DNA，至少需六周时间。

由于鲍林的论文，使他们终于得到指示重返DNA研究，第二次模型建立又雄心勃勃地开始。

当时，可供考虑的方案已经缩小到是双链还是三链、碱基是排列在内侧还是外侧。几天后，

当沃森又一次访问威尔金斯的实验室，向他讲述了鲍林的错误，介绍自己关于DNA螺旋的想

法后，他看到了弗兰克林拍摄的高度清晰的DNAＸ射线衍射照片。富兰克林已经发现，DNA

存在两种形式，一种处于缩合干燥状态，另一种处于扩张湿润状态。鲍林使用的阿斯特贝里

的照片，是两种形式的混合；而富兰克林的新照片则清晰得多，而且纯粹是扩张的形式。正

是这张照片及反映出的几个主要参数，为沃森和克里克提供了非常关键的信息。

于是，沃森和克里克又重新设计了一个双链螺旋模型。但这个模型基于相同碱基配对，当即

受到同一实验室的美国化学家多诺休(e)的质疑。多诺休建议他们将模型的构型由

烯醇型改为酮型。这一合理的主张，使他们茅塞顿开。一直困扰他们的碱基配对问题，终于

得到了解决。克里克在回忆录中写道：“太妙了！我们可以用这种特异的碱基配对方式，来说

明查伽夫的1:1的碱基比例。就在那一刻(1953年2月20日)，我们三个人都明白了，排列

在DNA分子结构内侧的碱基是靠氢键来形成A-T、G-C两种碱基对的。”

在这种双螺旋结构中，A与T配对，G与C配对，两条相互缠绕的链上碱基顺序彼此互补，结

合在一起，就能形成符合Ｘ射线衍射资料的螺旋。这样一来，查伽夫规律也就成了DNA双螺

旋结构的必然结果。该模型还反映出，只要确定了一条链的碱基顺序，另一条链的碱基顺序

也就确定了。因此，基于该模型又提出了一种DNA复制的机制。这个模型经过逐项精确的检

查，得到布拉格、威尔金斯和弗兰克林以及鲍林等学者的一致肯定，DNA分子的双螺旋结构

模型便成功建立了。

从1951年11月到1953年4月，经过短短18个月紧张而有序的合作，一篇具有划时代意义

的重要文献“核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的结构”，于1953年4月25日在英国《自然》

周刊发表了。在这篇不到千字的论文中，沃森和克里克第一次从分子水平上，阐明了DNA分

子的双螺旋结构和碱基互补配对的原则。称赞和喝彩从世界各地飞来，两位年轻人充满了喜

悦。他们两人，一人是资历尚浅的博士后研究者，另一人是年龄偏大的研究生。然而，正是

他们的亲密合作和锲而不舍的追求，才谱写出了生命科学史上的壮丽篇章。

DNA分子双螺旋结构模型的建立，为人们进一步探求遗传物质的自我复制和控制蛋白质合成

功能，奠定了坚实的基础，标志着人类对遗传和变异现象的研究进入到分子水平，也由此开

创了分子生物学时代。

命运的旋梯——DNA双螺旋结构发现记

1953年2月28日，弗朗西斯·克里克（FrancisCrick）冲进英国剑桥大学校园内的老鹰酒

吧（Eaglepub），大声向酒客们宣布：他和詹姆斯·沃森（JamesWatson）“已经发现了生命

的秘密”！这一场景是沃森的回忆，克里克的说法和他并不一致。不过，具体情况究竟如何并

不要紧，重要的是事实——他们确实发现了“生命的秘密”！

多年以来，全世界的科学家都在积极研究脱氧核糖核酸（DNA）的分子结构。1953年2月28

日这一天，克里克和沃森终于成功地找到了答案，他们建立了DNA分子结构的三维模型。他

们坚信，这样的分子结构可以充分说明DNA是如何扮演遗传密码（geneticcode）载体角色

的，因此也可以证明DNA的确是承担生物遗传使命、主导生物发育和进化的关键分子。

令人感慨的是，沃森和克里克当时并不是DNA分子结构研究领域中最优秀的科学家（尽管他

们很聪明），他们在该领域涉猎也并非最深的——实际上，他们先前在该领域的研究成果几乎

是一片空白。他们没有最先进的实验设备，他们甚至对生物化学了解不多。

尽管他们在当时激烈的研究竞争中胜出的机会非常渺茫，但他们最终成功了。半个世纪以来，

他们的发现大大改变了科学、医药和现代生活的面貌，他们的发现对一切事物的全盘影响尚

未完全显示出来。两位名不见经传的科学家怀着渺茫的希望，揭开了分子生物学（molecular

biology）最根本的谜团。这一传奇故事告诉我们：破解大自然的奥妙并不是只需要聪明的脑

瓜和经过严格的科学训练，还需要灵活通达的想法、百折不挠的韧性以及相当的运气。

沃森在他的回忆录《双螺旋》（TheDoubleHelix）中不经意地揭示了这一道理。这本回忆录

在1968年首次出版发行时引起轰动，成为当年的畅销书。尽管沃森在回忆录中用傲慢刻薄的

文字描述了研究过程中的人和事，引起了很多争议，但他揭示的道理却放之四海皆准。

沃森于1928年4月6日出生在美国芝加哥，从小就对鸟类非常感兴趣，曾经立志要当一名动

物学家。16岁那年，沃森进入芝加哥大学，就读于动物学系。他之所以能在16岁时就上大

学，是因为当时芝加哥大学有吸纳优等生提早入学的办学方案，让优秀的高中生能提早进入

学术殿堂。在芝加哥大学读书期间，沃森读到了大名鼎鼎的物理学家、量子物理学创始人薛

定谔（ErwinSchrodinger）写的一本科普读物《生命是什么？》（WhatIsLife？）。这本书

改变了沃森的一生。

在这本书中，薛定谔提出了一个重要的观点，即生命的基本特征就是能够储存和传递信息—

—也就是说，遗传密码能够代代相传。薛定谔认为，遗传密码必须是由分子来“书写”的，

因为只有这样才能将复杂而紧凑的信息装进小小的细胞中。

年轻的沃森被薛定谔的理论打动了，他决定从研究鸟类转向研究遗传学。1947年，19岁的沃

森从芝加哥大学毕业，进入印第安纳大学研究病毒。病毒是地球上最简单的生命形式，因此

人们可以非常容易地从病毒体内找到遗传密码。

当时，英国卫生部的科学家弗雷德·格雷夫斯（FredGriffith）和美国纽约洛克菲勒学院

（RockefellerInstitute，洛克菲勒大学的前身）的科学家奥斯瓦尔德·阿弗雷（OswaldAvery）

先后对肺炎球菌做了一系列非常出色的实验，充分证明薛定谔所说的“遗传密码”是由DNA

承载的。生物学家将“承载遗传信息的最小单位”（smallestunitofgeneticinformation）

称为“基因”（gene），不过当时没有人知道“基因”到底什么样，年轻气盛的沃森因此下决

心要把答案找出来。

1950年，沃森从印第安纳大学毕业，获得博士学位。导师希望他能接受一些严格的生物化学

训练，因此将他送往丹麦首都哥本哈根，跟随著名的生物化学家赫尔曼·卡尔卡（Herman

Kalckar）做博士后研究。然而这段博士后研究很快就结束了，沃森在他的回忆录《双螺旋》

中刻薄地写道：“赫尔曼没有给我半点启发。”沃森认为更糟糕的是，卡尔卡的研究对他理解

基因的结构不能产生立竿见影的效果。

不过，正是在这一段研究过程中，沃森有了不小的收获。1951年春，沃森来到意大利那布勒

斯参加学术会议，碰巧听了英国伦敦国王学院（King’sCollege）维尔金斯（MauriceWilkins）

教授的一场演讲，受到了极大的启发。

维尔金斯在演讲中谈到，他采用X射线衍射技术来分析DNA的分子结构。所谓X射线衍射技

术，就是当X射线照射到任何晶体上时，晶体颗粒都会将X射线反射回来，在摄影底片上形

成复杂的纹路，通过分析这些纹路，人们可以了解晶体的分子结构。由于某些生物分子（如

DNA）也是晶体，因此X射线衍射技术在理论上也可以用来分析生物分子的结构。不过在实际

操作中，用衍射技术探测DNA的结构是极其困难的。维尔金斯获得的图片表明，DNA的结构

是有规则的晶体结构，遗传密码是以某种方式附着在这个结构上的。如果能够确切地描述这

种结构，人们将能够更好地理解基因如何工作。

听罢维尔金斯的演讲，沃森大喜过望。很多科学家赞赏维尔金斯的研究思路，但不少科学家

并不接受他的理论，沃森对维尔金斯的理论则深信不疑。他认识到，自己应该好好学习一下

X射线衍射技术。沃森本想跟随维尔金斯从事研究工作，却从来没有机会提出申请，于是他

设法转到英国剑桥大学卡文迪什（Cavendish）实验室去。

1951年秋天，23岁的沃森来到英国剑桥大学，师从布拉格爵士（SirWilliamLawrenceBragg）。

布拉格和他的父亲威廉爵士（SirWilliam）在1912年到1914年间发展了晶体—X射线衍射

技术，在沃森到来时，布拉格爵士正领导两个实验室积极进行蛋白质晶体X射线衍射研究。

沃森正是在卡文迪什实验室初次见到了35岁的克里克。像维尔金斯一样，克里克也是从物理

学研究领域转向生物学研究的。像维尔金斯和沃森一样，克里克也深受薛定谔《生命是什么？》

一书的触动。不过克里克一开始并不是研究DNA的，第二次世界大战期间他曾在军中服役，

因为某些过失而退伍，战后则进入卡文迪什实验室攻读博士学位，课题是用X射线衍射技术

研究血色素（血液中携带铁离子的蛋白质）。沃森在这里做的课题则是用X射线衍射技术研究

肌血球素（一种蛋白质）的分子结构。

尽管沃森和克里克手头都有正式的研究课题，但两人对探索基因的奥秘有极大的热忱，他们

认为，弄清楚DNA的结构有助于了解基因，因此决定展开合作。沃森在回忆录《双螺旋》中

写道：“有我在实验室里成天念叨着基因，弗朗西斯再也不可能不去想DNA的事情了。如果他

愿意每周花几个小时的时间陪我思考DNA，帮我解决一个极其热门的大难题，其他人也不用

觉得奇怪。”

事实证明，这两人真是绝代双骄，双方合作得好极了。克里克在他的回忆录《狂热的追求》

（WhatMadPursuit）中写道：“吉姆和我一拍即合，立即开工。我认为，这部分是因为我们

的兴趣惊人地相似，部分是因为我们年轻气盛，对别人那些稀里糊涂的想法决不苟且忍让。”

克里克的确年轻气盛，他在卡文迪什实验室不止一次地抨击导师们的馊主意，给自己惹了不

少麻烦。

沃森和克里克经常在一起高谈阔论，在康河（riverCam）岸边的小路上，在克里克的客厅里，

在老鹰酒吧，在实验室，他们通常一谈就是几个小时。实验室的同事们都快被他们滔滔不绝

的高谈阔论逼疯了，最后沃森和克里克不得不搬进一间单独的办公室，再也不用去烦别人了。

最重要的是，这两人都像好斗的公牛一样坚定执着，一旦选定研究目标，不弄个水落石出决

不肯善罢甘休——或者，除非有人抢先弄明白了DNA的结构。

被沃森和克里克视为最大的竞争对手的，是美国科学家林纳斯·保林（LinusPauling）。对

于现在的年轻读者来说，他们知道的保林只是一个反战积极分子，一个几近疯狂地鼓吹服用

维生素C的怪人（保林认为维生素C是预防感冒和癌症的灵丹妙药）。然而在20世纪中叶，

保林是当时世界上最优秀的物理化学家（1954年获诺贝尔化学奖，1964年获诺贝尔和平奖，

是全世界极少有的两次获诺贝尔奖的学者之一，而在两个方面获奖的仅有他一个人，被誉为

“生物化学之父”）。在沃森来到剑桥的几个月前，保林在研究角质素（形成毛发和指甲的蛋

白质）分子结构的竞争中击败了卡文迪什实验室。

保林在研究分子结构的过程中也采用了晶体—X射线衍射技术，但他主要依靠的是自己在物

理化学方面精深的学识，根据图谱和原子之间可能的结合方式亲手搭建分子模型。卡文迪什

实验室的科学家主要依靠X射线衍射技术，他们不得不经常向化学系的同事们咨询原子的结

合情况，因此在与保林的竞争中几乎必然处于毫无希望的劣势。

保林的成功使卡文迪什实验室备感羞辱。布拉格爵士可能会说，被保林击败“是我科学生涯

中最大的失误”。克里克和沃森明白，相同的遭遇完全有可能再次发生。保林当然知道，研究

DNA结构是下一个大的挑战，一旦他将自己聪明的头脑转向这个问题，他是有可能攻克难关

的。沃森在回忆录中写道：“我来剑桥几天后，就和弗朗西斯达成了共识：我们应该模仿保林

的做法，以其人之道还治其人之身。”

为此，沃森和克里克必须尽快用X射线衍射技术研究DNA。不过，他们只能求助于剑桥大学

以外的科研机构了，卡文迪什实验室专注于研究蛋白质，伦敦的国王学院才是研究DNA的重

镇。

与美国科学家积极展开竞争是很好的，但猎取英国科学家的科研成果就不太好了。幸运的是，

克里克与国王学院的维尔金斯关系很好——正是维尔金斯的衍射图谱开启了沃森的思路。不

幸的是，维尔金斯和自己的同事——成就非凡可浑身长刺的罗莎林德·弗兰克林（Rosalind

Franklin）关系糟透了。当时，弗兰克林年仅31岁，但她已是世界上最有资质的X射线衍射

图谱专家。弗兰克林曾经在法国巴黎一个声名显赫的实验室工作过，最近才回到英国，在国

王学院从事研究工作。

弗兰克林深深地相信，实验数据才是最重要的。在她看来，保林依靠搭建精巧的模型获得成

功不过是运气罢了。她坚持认为，了解DNA结构的最好办法是首先获得高质量的X射线衍射

图谱，然后对图谱进行分析。沃森在回忆录中总结了弗兰克林的想法：“只有像保林这样的天

才建立的模型才能够既像10岁娃娃一样玩耍，同时又能找到正确答案。”

维尔金斯做了一件错事，他公开宣布，弗兰克林的衍射图谱表明DNA结构是螺旋状的。弗兰

克林气坏了，她认为维尔金斯根本没有资格来谈什么DNA—X射线衍射，因为她相信只有自己

才是国王学院里对这一专题惟一有发言权的人物。

维尔金斯和弗兰克林虽然同在一个实验室，但他们几乎不会交谈。为了弄清楚弗兰克林到底

在做什么，维尔金斯不得不参加她于1951年11月主办的一个研讨会，因此他邀请沃森一同

前往。克里克对DNA研究的兴趣众所周知，由于担心会引起别人的警惕，他没有参加那次研

讨会。

维尔金斯事先警告过沃森，说弗兰克林很难相处。从沃森个人的角度来说，像其他的年轻小

伙子一样，他当时对女人也充满了热望。不过，沃森喜欢的是“小宝贝”（popsies），即年轻、

漂亮但没脑子的女人，像弗兰克林这样强悍又独立的女性只会让他感到头疼。沃森在回忆录

中用尖酸刻薄的语言描绘了弗兰克林：

“在个人品位的选择上，她并不强调自己的女性气质。尽管个性很强悍，她并非没有一点迷

人之处。如果她的穿着不那么刺眼，也许她能迷倒一大片人。可她不是这样。她从来不抹口

红，这使她又黑又直的长发显得单调。尽管已经是31岁的人了，她打扮起来跟英国的高中女

生没什么两样。”

沃森在回忆录中直呼弗兰克林的小名“罗希”（Rosy），而弗兰克林非常痛恨别人这样称呼她。

正因为如此，像孩子般顽皮的竞争对手偏要这样称呼她。沃森在回忆录中这样评价弗兰克林

的工作情况：“很显然，罗希最好是离开国王学院，或者摆正自己的位置。离开当然是最受人

欢迎的选择，因为她个性好斗，这会使维尔金斯很难坐稳自己的领导位置，很难不受干扰地

进行DNA研究工作。”

不过在当年的情况下，沃森和维尔金斯都被“罗希”的实验数据勾住了魂魄，沃森一旦从弗

兰克林那里探听到什么新消息，就会尽快转告克里克。尽管沃森有点傲慢自负，但在聆听弗

兰克林的讲座时，他不会不做笔记的。他在回忆录中写道：“如果一个专题吸引了我，通常我

会尽可能地收集资料的。不过这一次我们遇到麻烦了，我对结晶学的术语一知半解。”最大的

麻烦是：当弗兰克林展示DNA衍射图谱时，沃森把DNA晶体的含水量记错了，并且错得离谱。

后来，沃森带回了这错得离谱的数据，跟克里克一道干劲十足地研究起来。

生物化学早就揭示DNA是由4种有机分子（碱基）组成的，即腺嘌呤（A）、胞嘧啶(C)、胸腺

嘧啶（T）和鸟嘌呤（G），这4种分子附着在以核糖和磷酸组成的“骨架”上。当时的问题是：

这4种分子是以什么方式附着在“骨架”上的？

沃森回忆道：“也许我们有必要花上一个星期的时间反复琢磨DNA的分子模型，只有这样才能

确保我们能够找出正确答案。如此一来，世人就会清楚地看到，并不是只有保林一个人才能

弄清楚生物分子是如何建构的。”

几个星期后，克里克和沃森相信他们已经成功了，他们认为DNA分子是三螺旋结构（triple

helix）。克里克和沃森邀请维尔金斯前来观赏他们制作的模型，然而令他们吃惊的是，弗兰

克林也跟来了。没看多久，大家就明白是沃森的记忆出错了——他所记录的单个DNA分子的

含水量竟然是正常含水量的10倍！。克里克和沃森信心十足地搭建起来的分子模型根本不能

成立！

沃森和克里克的失败立即导致了两个后果。首先，布拉格爵士对克里克的卤莽无礼忍无可忍

了，他下令禁止沃森和克里克在一起鼓捣DNA。其次，早就对克里克尤其是沃森心存怀疑的

弗兰克林回过神来，加强了戒备。通过这一次事件，弗兰克林确信沃森是一个信口开河、胡

说八道的白痴。

沃森和克里克懊丧不已，他们把制作模型的工具和零件全交给了维尔金斯和弗兰克林，并极

力怂恿这两个人去折腾。沃森和克里克也许野心太大，但他们对了解DNA分子结构的热情是

无可厚非的。既然自己不能成功找出答案，何不让维尔金斯和弗兰克林来一试身手呢？然而

卡文迪什实验室里这两个笨蛋的惨败，使得维尔金斯和弗兰克林坚定了以往的想法，即搭建

模型绝不是探索DNA分子结构的正途，所以他们从来就没用过沃森和克里克送来的工具与零

件。

沃森无可奈何又依依不舍地转向烟草花叶病毒分子结构的研究，克里克则重操旧业，研究血

色素，然而没有哪个实验室的负责人能阻止他们私下里讨论DNA。尽管第一次惨败使他们感

到沮丧，但他们并不会因此丧失探索的勇气，因为他们毕竟寂寂无名，个人名望并不会有什

么损失。同时，在他们看来，既然错误的结论是不完整的数据和愚蠢的错误造成的，那么下

一次他们就更应该取得准确的数据，并且谨慎小心。另外，他们决不能放弃，因为保林已经

开始做DNA分子结构的研究了。

保林先后写信给维尔金斯和他的顶头上司，索取国王学院的X射线衍射图谱，但遭到了对方

的拒绝。不过，保林定于1952年5月赴伦敦参加英国皇家协会（RoyalSociety）的学术会

议，要当面拒绝他的要求就不那么容易了。让沃森和克里克感到庆幸的是，保林在纽约机场

登机时被美国政府扣住了护照，因为美国政府认为保林具有“危险的左翼政治观点”。尽管保

林的行程被耽搁了，沃森和克里克还是知道，保林的研究计划不会就此停止的。

在此期间，国王学院的科学家们正积极推进DNA的研究，弗兰克林不断完善她的X射线衍射

图谱。1952年5月，她终于获取了一张极其重要的图谱。可是很遗憾，直到去世，弗兰克林

都没有认识到这张图谱的重要性。通过增大实验室设备的湿度，弗兰克林和研究生罗蒙德·高

斯林（RaymondGosling）发现DNA分子可以有两种存在形式。在充分受潮后，DNA分子会延

展变细，这时获取的衍射图谱比以往任何的图谱都要清晰。弗兰克林将它称为DNA分子的B

结构（BformofDNA）。

弗兰克林的图谱激起了维尔金斯极大的兴趣，使他坚定地认为DNA的分子结构是螺旋状的，

维尔金斯于是提出了与弗兰克林深入合作的要求。弗兰克林此时却认为她的图谱完全不能证

明DNA分子结构是螺旋状的，因此对维尔金斯大发雷霆。

作家布伦达·麦道克斯（BrendaMaddox）在她2002年出版的关于弗兰克林的传记《不为人

知的DNA分子结构发现者》（TheDarkLadyofDNA）中不无同情地写道：“她气炸了肺。罗

莎林德有充分的理由生气。她在国王学院不受重用，她非凡的成就都是在完全的孤立中取得

的。现在，一个比她职位高但能力比她差的同事竟然想要侵入她的研究领域，破坏她研究工

作的纯洁性！”

弗兰克林与维尔金斯的争吵传开了，终于惊动了实验室的主任兰戴尔（Randall），他宣布，

维尔金斯从今往后可以参与DNA分子B结构研究小组的工作，而弗兰克林也有充分的权利参

与A结构研究小组的工作。兰戴尔这样做，其实等于在无意中送给沃森和克里克极其重要的

研究信息。

在1952年的整个夏秋季节中，沃森和克里克不断讨论着DNA的分子结构，企图抢先解开这个

未解之谜。他们获得的一个信息是：多年以前，奥地利流亡科学家查哥夫（ErwinChargaff）

发现，尽管生物体的种类不同，单个细胞中所含的4种碱基的数量不一样，但是腺嘌呤（A）

的量总是等于胸腺嘧啶（T）的量，鸟嘌呤（G）的量总是等于胞嘧啶(C)的量。查哥夫于1952

年访问过剑桥大学，他对沃森和克里克贫乏的基础化学知识深感吃惊，而且他对这两个人毫

不在意的态度感到愤怒。

沃森和克里克的研究进展得很缓慢。沃森在回忆录中写道：“好几次我们边散步边讨论，猛然

会热情高涨，急匆匆地赶回实验室搭建模型，然而弗朗西斯很快就会发现刚才带给我们希望

的推论完全没有道理。有时我会单独工作，一干就是好几个小时，然而如果没有弗朗西斯的

鼓励和安慰，很显然我是无法想象DNA分子的三维结构的。”

1952年12月，沃森和克里克得到了坏消息：保林写信给他在剑桥大学读研究生的儿子彼德，

称自己不久后将发表一篇关于DNA分子结构的论文。看来沃森和克里克会在这场科研竞赛中

落败了。

1953年1月28日，彼德怀揣着父亲的论文走进沃森和克里克的办公室，请他们看一看父亲

的大作。沃森回忆道：“弗朗西斯还没来得及问彼德要手稿，我就冲上去将手稿从彼德的外套

口袋里抢了出来，展卷细读。”老资格的保林在论文中提出，DNA的分子由三部分组成，中心

部分是核糖与磷酸组成的“骨架”。沃森看到这里，就知道保林肯定弄错了。他在回忆录中写

道：“我认真地看了保林的图解好一阵子，这才知道保林肯定弄错了。然后我又发现保林模型

中的磷酸不是离子化的，模型中的核酸则根本不是酸。”

DNA理所当然是一种酸（脱氧核糖核酸）。真没想到世界上最伟大的化学家竟然在基础化学方

面犯了一个大错误！这是一个令人难以想象的大洋相！沃森和克里克大大松了一口气，他们

来到老鹰酒吧，举杯庆祝保林的错误。

不过，他们比以往更紧张了。保林的论文计划在当年3月发表，一旦发表，人们肯定会发现

它的错误，而保林则会加倍努力工作，挽回自己的声誉。对于沃森和克里克来说，他们最多

只有6个星期的时间了，他们必须在这段时间里找到正确答案。

沃森知道，他必须及时向维尔金斯和弗兰克林通报保林的失误。1月30日，星期五，沃森从

剑桥赶往伦敦。由于维尔金斯碰巧不在实验室，沃森只得去拜访弗兰克林。按照沃森的说法，

接下来发生的事情值得大书特书了，因为正是这些事情导致了双螺旋结构的发现。

沃森回忆录中的章节显示了弗兰克林有多可怕，同时也表现出沃森在故意刺激弗兰克林时那

种顽童般的兴奋。沃森知道，弗兰克林并不认为DNA分子是螺旋结构，因为她觉得实验数据

并没有证明这一点，然而沃森偏要挑起一场DNA分子是螺旋结构的争论。沃森写道：“罗希按

捺不住满腔怒火，她的嗓门越来越高。她大声对我说，如果我能停止胡说八道，好好看一看

她的X射线衍射图谱，我就会知道自己的结论有多么愚蠢。”

“我决定彻底将她激怒，”沃森写道，“于是我毫不犹豫地对她说，她在解释衍射图谱的意义

方面也许并不里手，如果她肯多学一点理论，也许她会明白自己的反螺旋理论是根本站不住

脚的。”弗兰克林果然被彻底激怒了。“突然，罗希从实验室的长桌对面向我冲来，我担心她

在盛怒之下可能狠揍我一顿，因此抓起保林的手稿就朝门口跑去。我逃生的路被维尔金斯挡

住了，他正找我呢，刚好从门外探进头来。”弗兰克林顺手将这两个人关在门外。“走在路上，

我对维尔金斯说，他意外的到来救了我一命。维尔金斯则说，类似的情况很容易发生，几个

月前罗希曾对他动过粗呢。”

沃森和维尔金斯一致认为，罗希是无法令人容忍的——他们仿佛根本没有意识到正是沃森激

怒了弗兰克林。沃森在回忆录中写道：“现在，我再也不用想象维尔金斯在过去的两年中面对

的是什么样的情感地狱了。”

在交谈中，维尔金斯显然将沃森当作同一个实验室里的同事，而不是一个熟人，他向沃森全

盘托出了弗兰克林的DNA分子B结构衍射图谱。编号为51的那张图谱是最清晰的，沃森回忆

道：“我一看到那张图谱，不禁瞠目结舌，血流加速。图谱中的纹路比以往任何一张都要清晰。

更重要的是，图片中最显眼的交叉状的黑色纹路只可能是螺旋结构形成的。”

DNA分子只可能是螺旋结构。在乘火车回剑桥的途中，沃森得出了结论，以核糖—磷酸为骨

架的双螺旋结构比三螺旋结构更合理。“当我骑车回到校园，翻越实验室的后门，我决定要搭

建一个双链模型。弗朗西斯肯定会同意我的想法的。尽管他是一名物理学家，但他知道重要

的生物部件总是成双成对地出现的。”

让沃森感到兴奋的不只是弗兰克林清晰的衍射图谱，还有那些纹路每隔34埃（1埃等于一百

亿分之一米）重复一次的规律——这是极其重要的数据，使得沃森和克里克能够计算出DNA

分子螺旋的角度。更妙的是，弗兰克林的衍射图谱证明：附着在“骨架”上的碱基是一个个

整齐地堆放在一起的。

但是碱基是在两个“骨架”的内侧还是外侧呢？碱基位于内侧看起来更为合理，因为只有这

样碱基承载的遗传密码才比较容易传递。沃森研究了好几天，一直找不到一个合适的化学方

法来证明这一点。最后，他不管三七二十一，按照自己的想法开始搭建模型了。沃森在回忆

录中写道：“我把那个极其令人憎恶的、‘骨架’在中间的分子模型拆掉了。我想，再花几天

时间搭建一个‘骨架’位于外侧的模型不会有什么损害吧。”不过这样做，必须考虑两个“骨

架”上对应的碱基究竟是如何联系在一起的。沃森当时没想这么多了，他又动手起来。

1953年2月8日，克里克邀请维尔金斯和沃森共进午餐，席间他们讨论了几件重要事情。首

先，邀请维尔金斯加入搭建模型的行列。其次，也是最重要的一点，维尔金斯告诉克里克和

沃森，国王学院的科学家正准备向研究项目的赞助方——医药研究委员会提交一份有关DNA

分子结构研究的报告。由于这份报告并不是什么机密文件，沃森和克里克很快拿到了这份报

告。报告提供了一些非常重要的研究线索，如指出DNA分子结构很特别，是两条链朝向相反

的对称结构。

报告没有说明两条链上的碱基是如何联系在一起的，沃森只得自己动手，拿碱基一个一个地

配对。一开始，他用一条链上的碱基去配另一条链上的相同的碱基，即A配A，T配T，C配

C，G配G。从碱基的化学性质上来看，这样做似乎有道理，可是这样装配起来的分子模型非

常难看，碱基对有大有小，参差不齐，有些对应的碱基甚至无法连接在一起。沃森拿着这个

模型去咨询在卡文迪什实验室做访问学者的美国晶体衍射专家杰瑞·唐纳休（JerryDonohue），

唐纳休告诉他，一个碱基可以和不同的碱基搭配，沃森的搭配方式是生搬硬套教科书，而教

科书偏偏说错了。

沃森和克里克又钻研了一个星期，这才知道唐纳休是对的。卡文迪什实验室这时已经没有足

够的模具了，急不可耐的沃森于是自己动手剪纸板。1953年2月27日，沃森用了一个下午

的时间剪出了一大堆简陋的碱基模具，然后出门看电影去了。

2月28日，沃森开始用纸板模具搭建DNA分子模型。一开始，他又重复了老套路，用相同的

碱基配对。这时，沃森的灵感来了。沃森在回忆录中写道：“我突然意识到，A和T用两个氢

键结合在一起，C和G用两个氢键结合在一起，这时两组碱基的体积是一样大小的。”碱基只

有如此配对，DNA分子的“骨架”才不会变得奇形怪状。如果A必须和T配对，那么A和T

的数量应该是一样，C和G也是这样。查哥夫不是早就说过腺嘌呤（A）的量总是等于胸腺嘧

啶（T）的量，鸟嘌呤（G）的量总是等于胞嘧啶(C)的量吗？

沃森写道：“更令我感到兴奋的是，这样的双螺旋结构可以说明DNA复制的程序。A与T配对，

C与G配对，这说明两条链上的碱基序列是互补的，只要知道一条链上的碱基序列，就很容

易弄清楚另一条链上的碱基序列。从理论上来说，这使人很容易想象一条单链在另一条互补

链的形成过程中可以如何充当模板的角色，确定互补链上的碱基序列。”

沃森再次向唐纳休咨询，唐纳休认可了沃森的想法。大约40分钟后，克里克也来了，他也认

为沃森的想法有道理。现在，只剩下一些细节问题要解决了。沃森担心1951年的那次愚蠢的

错误会再次重演，变得有点神经过敏了。他在回忆录中写道：“当我和弗朗西斯走进老鹰酒吧

去吃午饭，弗朗西斯用在座所有人都能听见的声音大声嚷嚷说，我们发现生命的秘密了。闻

听此言，我感到一阵反胃。”

可是，他们真的成功了。沃森和克里克几天后才将这一消息告诉维尔金斯和弗兰克林，但他

们从来没有对弗兰克林说，她的衍射图谱起了关键性的作用。1953年4月25日，英国《自

然》杂志登载了沃森和克里克的论文《核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型》，

DNA的双螺旋结构从此举世皆知。论文以这段著名的句子为开头：“我们将向大家介绍脱氧核

糖核酸的分子结构，这个奇特的结构在生物学上有着极其重要的意义。”这篇仅仅一页的小论

文将生物科学研究的视野一下子从细胞水平推向了分子水平。回想起来，沃森和克里克的重

大发现来得实在太容易又太惊险了。保林、维尔金斯、弗兰克林或别人都有可能在那一段时

间里取得成功，然而我们今天纪念的却是沃森和克里克。克里克在他的回忆录中恰当地总结

了原因：

“我认为，吉姆和我应该得到的最大赞誉是：我们选对了研究方向，并且持之以恒地钻研。

没错，我们的确是在一片混乱中找到金子的，但最根本的事实是：我们一直在挖金子。”

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知识改变命运

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沁园春·雪

北国风光，千里冰封，万里雪飘。

望长城内外，?惟余莽莽；?大河上下，?顿失滔滔。

山舞银蛇，原驰蜡象，欲与天公试比高。

须晴日，看红装素裹，?分外妖娆。

江山如此多娇，引无数英雄竞折腰。

惜秦皇汉武，?略输文采；?唐宗宋祖，?稍逊风骚。

一代天骄，?成吉思汗，?只识弯弓射大雕。

俱往矣，?数风流人物，还看今朝。克

高者未必贤，下者未必愚克