第九讲 生命的旋梯——DNA结构

四核苷酸偶遇见，

一见莱文误终身。

这两句诗并不是来自某篇小说，也未在历史中记载。这只是对于20世纪上半叶生物学界研究遗传基因却一直错过了DNA这种状况的感叹。

因为莱文的“四核苷酸假说”，从一定程度上让人们认为核酸的分子结构过于简单，无法达到遗传物质所要求的多样性，所以，在三十多年时间里，科学家一直在蛋白质中寻求遗传的载体。艾弗

错过诺贝尔奖或多或少也与此有关。

把大家从“四核苷酸”的歧途上拉回来的，是奥地利的生物学家查加夫。他受到了艾弗里实验的影响，认为DNA才应该是遗传物质。反推过来，因为生物的复杂多样性，不同生物的DNA结构一定是

一样的。因此，他对莱文的"四核苷酸假说"产生了怀疑。

在1948年到1952年的4年时间内，他利用了比莱文时代更精确的纸色谱法，分离4种碱基，用紫外线吸收光谱做定量分析，经过多次反复实验，终于得出了不同于莱文的结果。

查加夫用酸液把DNA的分子结构打开，然后，用纸色谱法让四种核苷酸在纸上攀升，再作各种精密的测量。这就是我们之前介绍的“蜗牛赛跑大法”。在这里，一共有四只蜗牛，分别是四种核苷

。“ 阿门阿前一棵葡萄树，阿嫩阿嫩绿的刚发芽， 蜗牛背着那重重的壳呀， 一步一步地往上爬 ”。

查加夫发现，腺嘌呤A与胸腺嘧啶T数量相等，鸟嘌呤G与胞嘧啶C数量相等。比如，人体DNA分子中，

* 30.9%的腺嘌呤A

* 29.4%的胸腺嘧啶T

* 19.9%的鸟嘌呤G

* 19.8%的胞嘧啶C

A=T可以用Apple Tree苹果树来帮助记忆，G=C可以用Car Garage车库帮助记忆。

这个结果一出来，直接否定了“四核苷酸假说”。碱基的含量并不全等，核酸的分子结构并不单一。

查加夫还发现，不同物种或个体之间，四种碱基的比例是不一样的。同一种生物体的不同器官、不同组织的DNA，具有相同的碱基比例。

查加夫的发现为探索DNA分子结构提供了重要的线索和依据。

那么，DNA的分子结构是什么样的？

什么样的结构才能演化出地球上纷繁多样的生命？

遗传学的历史发展到此时，可谓“万事俱备只欠东风”了，该轮到我们的主角出场了。

1928年4月6日，詹姆斯·沃森出生在美国芝加哥市一个普通的中产阶级家庭。童年时期的沃森在父亲的影响下，对鸟类学抱有极大的兴趣，喜欢观察鸟类。后来，进入芝加哥大学学动物学，准

将来当一个鸟类学家。

1951年5月，在意大利那不勒斯举行的一个学术会议上，他听到了英国晶体学家威尔金斯的学术报告，采用X-射线晶体衍射技术来研究DNA结构。沃森被深深吸引，决定研究DNA的分子结构。

这位性格跳脱的博士生，和平时常见的科学家不同。他曾经在晚年的一次采访中回忆说，当时有两件事可以让他有成功感：找到DNA的分子结构，或者是找到一个女朋友——当前流行的“凡尔赛体

，早就被沃森玩过了。

1952年，他来到了英国的卡文迪许实验室，一边找DNA的分子结构，一边找女朋友。

沃森去英国虽然没有寻找到人生伴侣，却找到了重要的科学伙伴克里克。

克里克是一位物理学家，拥有扎实的物理学背景。克里克在三十而立的时候，决定转向生物学的研究。

或许是命中注定吧，他的爷爷曾经是一位业余博物学家，还和达尔文有过交往。

克里克在卡文迪许实验室遇到了来自美国的小伙子沃森。沃森24岁，克里克36岁，正好差了一轮。两位不同背景、不同国度、不同性格的科学家，在一起合作探讨，撞出了绚烂的灵感火花。

当时，DNA结构研究有几个主要竞争者。美国化学大师鲍林，查加夫，以及英国国王学院的威尔金斯和富兰克林。

* 鲍林曾经发现了蛋白质的螺旋结构，对生物大分子的结构非常熟悉。

* 查加夫发现了DNA碱基的对应关系，实验和理论都出类拔萃。

* 威尔金斯和富兰克林是X-射线晶体衍射技术上的大行家。

这三个竞争对手都已经在这个方面做了大量的研究，有着丰富的经验和成果，照理应该捷足先登了，却不料花落“沃”家。

威尔金斯是克里克的好友，他向沃森和克里克分享了同事富兰克林在一年前拍下的DNA的X射线衍射照片。

这张照片明确地显示了DNA的结构应该是对称的三维结构。实际上，富兰克林已经在未发表的论文中猜测这是一个螺旋结构。

富兰克林拍摄的X射线DNA衍射照片

沃森和克里克认为DNA分子结构是由两条方向相反的DNA单链构成、内部存在碱基配对的双螺旋分子。A与T配对，G与C配对。

这个模型暗示着，碱基对的组合和次序就是密码，不同的组合和次序形成了不同的基因和生命的多样性。

1953年4月25日，沃森和克里克的论文《核酸的分子结构——DNA的一种可能结构》在《自然》杂志发表，详细阐述了DNA双螺旋结构的意义和应用，即DNA依据碱基配对完成复制，从而解释了生命

续的稳定性之谜。

正文篇幅不足一页纸，却开启分子生物学的新时代。那年，沃森25岁。

1962年，沃森、克里克和威尔金斯分享了诺贝尔生理学或医学奖。

大家别小看这个旋转楼梯。一个细胞中的DNA旋梯伸展开来，有2米长。人体大约有37.2万亿个细胞，所有这些细胞的DNA连起来有多长75万亿米!

这到底有多长？

我们来看地球到太阳多远，1.49千亿米。

简单换算一下，你身体里的所有DNA螺旋接起来，可以到太阳125个来回！你是不是没想到自己身上居然也有天文距离这样的尺度？

沃森和克里克的成功具有天时、地利、人和。

他们开始研究的时候，DNA已经被重视，DNA代替蛋白质成为遗传物质的风向正在慢慢形成。查加夫已经发表了碱基的等量关系。这是天时。

卡文迪许实验室有X射线晶体衍射的雄厚背景，而且，沃森和克里克近水楼台先得月，看到了富兰克林拍摄的照片，这是地利。鲍林和查加夫就是输在这条起跑线上，他们没有看到如此清晰的照片。

在性格上，沃森和克里克可说是两种类型。沃森不拘小节、为人随便，但是，他的笔记本却出奇地整洁有条理，上面还标有各种不同颜色的线条——这一点上，有当年法拉第的隔世真传。而克里克则衣着整洁时髦，骨子里透着一股贵族气息。尽管沃森和克里克是差别很大的一对，但这并不妨碍他们之间的默契。他们在办公室互相争论，在外出度假时闲聊，不停地探讨DNA的结构，灵感

溅，一步步接近答案。他俩正像DNA链中的互补碱基一样。这就是人和。而相反地，威尔金斯和富兰克林这两位同事却相处得不是很好。

从某种角度来看，沃森和克里克又有逆天的运气。他们没有做实验，没有拍摄到清晰的X-射线晶体衍射照片，而是利用别人已提供的线索，在最快的时间内求得了正确答案。这一点和大多数成

的生物学家不同。小布拉格曾戏称沃森和克里克是“站在巨人的脚趾上”——因为赶时间，来不及站到肩膀上！

沃森和克里克能够登上成功的旋梯，凭借的是一种难得的集大成的能力、天才的想象力和绝世的运气。

“DNA和RNA至少已经存在了几十亿年，双螺旋始终在积极活动，但人类却是地球上第一个注意到它们存在的生物”。而真正第一个说“看呐，这是个双螺旋”的人，是沃森和克里克。

从某种意义来说，沃森和克里克发现双螺旋的DNA结构，其重要性不亚于神话中的普罗米修斯给人类带来火种、燧人氏发现钻木取火。

我们现在评价：“火是一切发现中最伟大的发现，是人类与地球上其他生物区分的重要标志，它使人类能够生存于不同的气候中，造出众多的食物并迫使自然力为人们工作。”

未来或许会说：“DNA是一切发现中最伟大的发现，是人类与星际其他生命区分的重要标志，它使人类能够摆脱被动的遗传变异，主动地参与并掌控生命的创造、生存和演化。”