命运的螺旋---克里克和沃森

1953年2月28日，在英国剑桥一家名叫Eagle的酒廊里，弗朗西斯·克里克一进来就兴奋地嚷道，他和詹姆斯·沃森已经“找到生命的秘密”了。在场的人都知道他在说什么。因为在过去两年里，两人不分昼夜设法寻找DNA结构的秘密。这一天早上，他们终于解开了谜团，也结束了当时生物科学界对这项研究的角逐战。他们搭建的DNA双螺旋结构模型充分显示了DNA是如何完成传递细胞遗传信息的使命的。
　　
　　也许沃森和克里克不一定是最聪明的科学家，也不一定最有经验。在当时的科学界，默默无闻的他们没有最好的设备，甚至不具备很多生物化学知识。但是，他们伟大的发现改变了后半世纪自然科学和医学的发展，揭晓了分子生物学中最基本的奥秘。
　　沃森最初的理想是成为一名博物学者，他后来转向遗传学发展的主要原因是在芝加哥大学上三年级时读了著名的量子物理学创始人薛定谔写的《生命是什么》一书，决心要解决这一问题。

　　1951年春，沃森在意大利那不勒斯召开的一次会议上听到了伦敦国王大学莫里斯·威尔金斯教授的报告，他在会上展示了一张表明DNA是有规则的晶体结构的X射线衍射图片。他想，一定有什么简单的方法能测定这种结构。一旦DNA的结构被揭晓，就能更好的理解基因是怎样发挥作用的。沃森意识到需要尽快地掌握X射线衍射技术并期望能与威尔金斯一起做DNA工作，但却一直未曾有这样的机会。后来，已经获得博士学位的沃森设法在剑桥大学的卡文迪什实验室谋取到了一个职位，参加一个由从事蛋白质三维结构研究的物理学家和化学家组成的小组工作。当时卡文迪什实验室主任布拉格爵士是X射线晶体学奠基人之一。

　　沃森和克里克的初次见面也在这里。同威尔金斯一样，克里克也是后来转向生物学研究的物理学家，但实际上他并没有立刻投入DNA的世界。二战爆发时，他同其他科学家一样参加了战争，已经开始攻读博士学位的工作被迫中断。直到他与沃森见面时，35岁的他仍是一位博士生，在从事血红蛋白X射线衍射的研究工作。

　　尽管他们都在做着蛋白质晶体结构的研究工作，但两人都对“基因到底是什么”有兴趣。他们深信一旦解读了DNA的结构，对搞清真相将很有帮助。沃森在《双螺旋》一书中这样写道，“现在克里克在实验室老想同我讨论基因问题；他也不想再把有关DNA的问题束之高阁了。要是他一周仅仅花费几个小时考虑DNA，并帮助解决一两个非常重要的问题，我想也不会有人介意的。”

　　显然，他们非常的投机。克里克在《疯狂的追逐》一书中是这样阐述原因的，“吉姆(克里克对沃森的昵称)和我一拍即合，一部分原因是我们的兴趣惊人的相似，另外，我想，我们的身上都自然地流露出年轻人特有的傲慢、鲁莽和草率。”此外，两人都喜欢大声讲话，无论是沿着河边散步、吃饭，还是在Eagle酒廊聊天，一口气能说好几个小时。更重要的是，两人意志坚定，一旦他们下定了决心要解决DNA的结构问题就不会放手，直到他们找到了答案或是别人捷足先登为止。

　　他们最钦佩的人是当时世界首席化学家鲍林，他在化学键研究上颇有成就。事实上，在沃森到卡文迪什的前几个月，鲍林就因先提出了角蛋白的α螺旋模型，而使卡文迪什在建立蛋白质结构的角逐中陷入了窘境。在沃森借助X射线晶体仪诠释分子水平的活动时，鲍林则更多的依靠自己对原子间结合方式的深刻理解，搭建蛋白质的三维模型并不断地进行改良。

　　卡文迪什实验室固执的走另外一条路，结果证明是失败的。克里克和沃森担心这种失败可能还会再次发生。因为鲍林当然会意识到DNA结构将是他下一个最大的挑战。一旦他投入全部精力，肯定会有所收获。沃森写道，“在我到达后的几天之内，我们就知道要干些什么：模仿鲍林并且以其之矛攻其之盾。”要这么做，就需要有DNA的X射线图。由于卡文迪什的结晶学家只对蛋白质有兴趣，因此他们不得不到伦敦国王大学去，那里的主要研究领域才是DNA。

　　幸运的是，克里克与威尔金斯的私交还不错。然而，威尔金斯与他一起做DNA项目的同事罗莎琳德·富兰克林关系却非常不好。富兰克林是世界上最优秀的结晶学家之一。她深信实验数据才是科学研究中第一位的。她认为鲍林用铁皮玩具似的模型解决蛋白质分子结构问题可能只是运气好。她清楚地认识到要建立DNA结构的惟一办法是使用纯晶体学手段。尽管名义上她与威尔金斯还是合作者，但两人已经不说话了。为了解她的研究近况，威尔金斯后来组织了一次研讨会并邀请了沃森参加。

　　回去之后，沃森向克里克简要讲述了他所听到的信息。由于过于自信，他没做任何笔记。在《双螺旋》中他写道，“如果我对一个课题感兴趣的话，常常会回忆起我所需要的东西。但这一次，因为我不太懂晶体学的行话，我们陷入了麻烦。”特别是他记不清富兰克林测量的DNA样品中水的精确含量。他告诉克里克的很可能是错的。两人就这样带着这一关键性的错误信息开始了充满激情的工作。“也许一星期不断地摆弄分子模型是很必要的，这使我们确信自己找到了正确的答案。很显然，鲍林不是世界上能真正洞察出生物分子结构的惟一一个人。”沃森写道。
　　
　　几星期后，克里克和沃森已相当肯定他们的结论：DNA是有三条链的螺旋结构。他们邀请威尔金斯来看模型。出乎他们意料的是，富兰克林也来了。很快，沃森记忆错误的后果就显露出来了。DNA分子中水的含量几乎是他假定的十倍。而这对于克里克和沃森充满自信的结构来说是不可能。

　　他们的错误致使布拉格禁止他们继续从事DNA研究。懊恼之余的沃森和克里克把模型的装配架给了威尔金斯和富兰克林，并劝说他们制作模型。他们想，如果他们不能有所发现，希望威尔金斯和富兰克林能够继续。但是，威尔金斯和富兰克林的看法已定，认为建模型不是解决DNA结构的方法。因此，他们从未使用过这些元件。

　沃森极不情愿地转向了烟草花叶病毒结构的研究，克里克则继续以前的血红蛋白研究。即使这样，也阻止不了他们谈论DNA的问题。尽管这次的失败使他们很沮丧，但并没使他们气馁。
　　
　　与此同时，国王大学也在推进他们对DNA的研究工作。富兰克林一直在为完善她的X射线图像而努力工作。1952年5月，她得到了最为重要的一个X射线衍射图片，但直到她去世也没能认识到这一点。她和她的研究生通过增加实验仪器的湿度，发现DNA能呈现出两种构型。当湿度足够大时，分子将会伸展、变薄，产生的图片比以往任何图片都更加清晰。她把这种DNA叫做B型DNA。这也引起了威尔金斯的兴趣；这些照片使他更加坚信DNA分子是螺旋结构。但是富兰克林却仍然认为没有证据证明她照片中的DNA是螺旋结构。

　　1952年整个夏秋，沃森和克里克都在谈论有关DNA的一些毫无关联的结论并试图将它们结合到一起。其中一个就是生化学家埃尔文·查迦夫在早些年做出的一个发现。他通过分析很多不同有机体的DNA，发现4种DNA碱基的总比例因物种不同而变化，但腺嘌呤的数量总是同胸腺嘧啶相等，鸟嘌呤与胞嘧啶相等。

　　但研究的进展依然缓慢。“有几次散步时又谈到了DNA，我们的热情又高涨起来。一回到办公室，我们竟又忍不住地摆弄起模型来。但是克里克几乎立刻发现，曾经引起我们一线希望的那种推论其实仍旧无济于事……我独自常常坚持工作半小时或更长的时间，但没有克里克喋喋不休的议论和鼓励，我显然是不能解决DNA的三维结构问题的。”沃森写道。

　　1952年12月，他们得到了一个坏消息。鲍林在给剑桥读研究生的儿子彼得的信中表明他很快要发表一篇关于DNA结构的论文。一个月后，彼得收到了父亲的论文并告诉了沃森和克里克。“没等克里克提出想看看那个副本，我就抢先从彼得的外衣口袋里把它抽了出来，急切地翻阅起来。”沃森写道。
　　
　　鲍林提出的模型是一个以糖和磷酸骨架为中心的三条链的螺旋结构。沃森几乎立即意识到这是毫无意义的。他写到，“很快就觉察到他的模型有点不对头，可又指不出错在哪里。我又仔细地把示意图研究了一番，才恍然大悟。原来鲍林模型里的磷酸基团没有离子化……从某种意义上来说，鲍林的核酸根本就不是一种酸。”

　　但是，DNA当然是一种酸。鲍林，这个世界上最伟大的化学家居然犯了一个常识性的错误。与此同时，沃森和克里克也比以前更紧张了。论文预定在3月发表。到那时，一旦他觉察出自己的错误，是不会轻易罢休的。等他回过头来再全力研究DNA结构时，他们至多只能争取到六个多星期的时间。沃森也想到要提醒一下威尔金斯。他去了国王大学。在闲谈中，威尔金斯拿出了一张富兰克林称为“B型”DNA的照片副本。沃森在《双螺旋》写道，“我一看照片，立刻目瞪口呆，心跳也加快了。无疑，这种图像比以前得到的图像要简单得多。而且，只有螺旋结构才会呈现在照片上是那种醒目的交叉形的黑色反射线条。”在回剑桥的火车上，沃森想在双螺旋结构和三条链结构中作出选择。后来他决定要作一个双链模型。

　　其实，使沃森和克里克感到兴奋的不只是富兰克林图片的清晰。每34埃就重复一次的图谱特征使他们领悟到分子间结合角度的重要信息。更有意义的是，图像表明连接到骨架上的碱基是一个挨一个整齐地堆积起来的。但同时也冒出了新的问题，糖—磷酸骨架是在内部还是外部呢?沃森认为应把骨架放在中心，但克里克认为两种可能都应该考虑。沃森花了几天时间尝试，结果发现似乎没有什么理由能站得住脚。他写道，“当我拆毁了一个使人讨厌的以骨架为中心的分子模型时，我断定花几天时间制作一个骨架在外部的模型并不会有什么害处。”

　　1953年2月8日，克里克夫妇邀请威尔金斯和沃森到家里吃午饭。克里克和沃森了解到国王大学已经准备好了一份关于DNA研究的报告并从威尔金斯那里拿到了副本。这份报告里面有许多重要的线索，其中包括DNA的结构具有特殊的对称性。这就意味着DNA分子是由反向的两条链组成。但面临的问题仍然是如何将碱基有机的结合在一起。沃森坚持用“同类碱基配对”的原则。可是，碱基在大小形状上的不同不是使模型的碱基间产生缺口就是形成的骨架变形。更糟的是，当沃森把他的看法说给暂在卡文迪什工作的一位美国结晶学家杰里·多纳休时，遭到了他的反对并指出沃森所参考的教科书中的碱基化学形式是不正确的，结果证明他的说法是正确的。

　　一星期后，沃森告诉卡文迪什机械车间他们要做新模型了。但他已经急不可待了。前一天，他用了一下午时间从硬纸板上剪切碱基零件。第二天便开始用它们再次“同类配对”。“突然，我发现一个由两个氢键维系的腺嘌呤—胸腺嘧啶对竟然和一个至少由两个氢键维系的鸟嘌呤—胞嘧啶对有着相同的形状”，沃森写道。如果碱基以这种方式结合，骨架就不会凹突不平了。而且，这样的排列能够很好的解释查迦夫的发现。A总是和T配对，自然它们的数量就相等，这对G和C也同样适用。
　　
　　“更令人兴奋的是，这种双螺旋结构还提出了一种DNA复制机制，腺嘌呤总是与胸腺嘧啶配对，鸟嘌呤总是与胞嘧啶配对。这说明两条相互缠绕的链上碱基序列是彼此互补的。只要确定其中一条链的碱基序列，另一条链的碱基序列也就自然确定了。因此，一条链怎样作为模板合成另一条具有互补碱基序列的链，也就不难设想了。”于是，他马上询问了多纳休对于这些碱基对的看法，这回没有得到反对意见。接着，他又迫不及待地告诉克里克说他们已经掌握了全部的答案。尽管还剩下一些细节问题需要解决，但沃森担心会重演以前的惨败。“当克里克飞快地跑进Eagle酒廊，用所有在场吃午饭的人都能听得见的声音宣布我们已发现了生命的奥秘时，我感到多少有点不大舒服。”他写道。

　　但是，无疑他们已经成功了。威尔金斯和富兰克林在随后几天内将得到通知。全世界的人们也将通过1953年4月25日刊登在《自然》杂志上的一页文字获知DNA双螺旋结构的秘密。

　　回头想一想，沃森和克里克的发现如此简单易懂，像鲍林、威尔金斯、富兰克林或是别的什么人完全也有可能提出。但是我们之所以记得他们的理由，用克里克自己的话说，“我想，吉姆和我最值得称赞的是我们选对了问题并坚持不懈地为之奋斗。为了找到黄金，我们一路跌跌撞撞，总是犯错误，这是真的，但事实是我们仍在一直寻找黄金。”