附清華演講直播預告

3月30日，沃森將在清華大學做題為「科學、文化和人生」的報告，掃圖中二維碼觀看直播

撰文 | 郭曉強（深圳大學第一附屬醫院生物化學博士）

責編 | 陳曉雪

1928年，在遺傳學發展史上註定是不平凡的一年，這一年發生了兩件至關重要的事件。

1928年，英國細菌學家格里菲斯（Frederick Griffith）以肺炎球菌為材料完成了一項以他名字命名的著名實驗。肺炎球菌有兩種形式，致病的光滑型和非致病的粗糙型；光滑型菌加熱後，其致病性消失。格里菲斯發現，將加熱的光滑型死菌和粗糙型活菌混合，致病性產生了，原因在於出現了光滑型活菌。肺炎球菌起死回生固然不可能，粗糙型活菌從光滑型死菌獲得某種未知成分而轉變為光滑型活菌可能是存在的，格里菲斯將這一過程稱為細菌轉化，而實現這一轉化過程的成分為「轉化因子」。1944年，美國細菌學家艾弗里（Oswald Avery）進一步證明所謂的轉化因子本質是DNA，揭開了分子遺傳學革命的序幕。

與遺傳學和DNA均有淵源、且發生在1928年的另一件大事是詹姆斯·沃森（James Watson）的誕生。1928年4月6日，沃森出生在美國伊利諾伊州芝加哥市一個普通的中產階級家庭。當時沒人能夠想到，這個男嬰未來揭開DNA結構之謎，進而改變了遺傳學乃至整個生命科學的面貌。

童年時期的沃森並未顯示出明顯過人之處，和大多數學生一樣按部就班完成學業。在父親的感召下，沃森對鳥類學抱有極大的興趣，因此進入芝加哥大學學的是動物學。1946年，就在沃森憧憬畢業後的工作時，他接觸到了一本改變無數科學家職業軌跡的傳奇著作——物理學家薛定諤的《生命是什麼》。一方面受薛定諤的影響，另一方面受美國遺傳學家穆勒（Hermann Joseph Muller）的激勵（穆勒獨享1946年的諾貝爾生理學或醫學獎），沃森決定從事遺傳學研究。從此，這個世界少了一位可能偉大的動物學家，卻多了一位極其偉大的遺傳學家。

此時的沃森，可以說充滿了夢想和雄心。他首先惡補了穆勒在遺傳學方面的奠基性工作，並在1947年從芝加哥大學畢業後考入穆勒所在的印第安納大學，打算沿著穆勒的腳步登頂科學巔峰。沃森的研究生導師並不是穆勒，而是魯里亞（Salvador Luria），後者於1969年分享了諾貝爾生理學或醫學獎，他看出了沃森獨特的眼光和遠大的報負。研究生期間，沃森不但熟悉了經典遺傳學理論，而且對興起不久的病毒遺傳學也有了充分認識，還開始關注DNA。沃森雖然已初步意識到DNA的重要性，但是對如何開展研究卻毫無頭緒。一年後，一項重大突破給沃森帶來啟發。1951年5月，在義大利那不勒斯舉行的學術會議上，英國晶體學家威爾金斯（Maurice Wilkins）展示了採用X-射線晶體衍射技術研究DNA結構的最新進展，沃森被這些結果所深深吸引，意識到自己已找到解開DNA之謎的鑰匙，那就是晶體衍射技術。

隨後，沃森毅然決定投身於一件事。雖然他平生做了無數的事，但這件事是最重要的，如果要在重要前面加一個限定詞，那就是承前啟後、繼往開來、具有里程碑的意義。是的，他在對的時間，對的地點，與對的人合作做了一件正確的事。

所謂對的時間，就是早一點太早，晚一點太遲。1951年，威爾金斯的突破促使他所在的國王學院啟動DNA結構研究計劃，當時最好的晶體學家之一——富蘭克林（Rosalind Franklin）也在國王學院。富蘭克林是解開DNA結構不可缺少的關鍵人物。1951年，沃森在關鍵的時間節點及時加入到DNA結構研究行列，並來到劍橋大學。時間晚的話他將錯失良機，因為當時已有幾個團隊也正在開展DNA研究。這次會議把沃森和威爾金斯緊密地聯繫在一起，儘管威爾金斯拒絕了沃森提出的合作提議，但他們卻建立起真摯的友誼，為後來及時交流打下良好基礎。

所謂對的地點，就是指卡文迪許實驗室。卡文迪許實驗室曾是物理學研究聖地，誕生過多位諾貝爾獎獲得者，在二十世紀五十年代開始轉型生物學研究。卡文迪許實驗室轉型也是有其歷史淵源的。時任實驗室主任小布拉格（William Lawrence Bragg），在1915年因闡明X-射線衍射測定晶體結構的原理而分享諾貝爾物理學獎，他當時只有25歲，是自然科學領域最年輕的諾獎獲獎者。這項技術應用於生物學研究再自然不過，一個生物大分子結構研究中心也因此成立。二戰後英國資金有限，國王學院負責DNA結構，而卡文迪許實驗室專註蛋白質結構。擁有多種研究背景的卡文迪許實驗室接納了沃森，而年少成名的小布拉格更是對沃森這位後起之秀器重有加，1953年解析DNA雙螺旋結構的論文能夠快速發表也得益於小布拉格的大力舉薦。

所謂對的人，就是DNA這場大戲中另一位關鍵人物克里克（Francis Crick）。有傳言說，沃森去劍橋的動力是尋找人生伴侶，其真實性我們未做考究，但沃森找到了重要的科學伴侶卻是鐵定事實。克里克是一位物理學家，擁有紮實的物理學背景，儘管早期並無太多出彩的工作，但與沃森的相識與合作激發了心底的小宇宙，決定一起揭開DNA結構之謎。

當時，DNA結構研究有幾個主要競爭者。美國鮑林（Linus Pauling）和查戈夫（Erwin Chargaff），英國國王學院富蘭克林和威爾金斯，前兩個單打獨鬥，後兩個如同水火不容，唯獨沃森和克里克合作甚歡，上天自然也要眷顧他們這對搭檔了。在天時、地利與人和都齊備的情況下，沃森和克里克在解開DNA結構之謎的學術競賽中取得了最終勝利。

不過，他們前期的研究可以說是困難重重、步履維艱。儘管沃森與克里克立志解出DNA結構，但缺乏資助，只能通過大腦冥思苦想，藉助搭建模型的方式各種試錯，頗有「為伊消得人憔悴」的精神。1953年初，重大轉機出現，沃森第一時間獲得富蘭克林最新採集到的DNA清晰X-射線衍射圖，經解析確定DNA是一種雙螺旋分子（維爾金斯曾認為是單螺旋，鮑林曾認為是三螺旋）。接下來他們又邁出更關鍵的一步。單純雙鏈結構無法把DNA與遺傳功能直接相連，沃森想到了鹼基。查戈夫通過實驗得出DNA鹼基存在A與T含量相等，G與C含量相等的規律，但並未對此給出合理解釋。沃森提出鹼基配對原理圓滿解決了這一事實，而遺傳信息正是通過配對原理實現世代傳遞。至此，DNA結構基本框架搭建完成。1953年4月25日，論文在英國《自然》雜誌發表，正文篇幅不足一頁紙，卻開啟分子生物學的新時代。那年，沃森25歲。

沃森探索DNA結構受物理學家薛定諤影響，而合作夥伴克里克是物理學出身，由此來看，物理思維對DNA結構問題的解決具有重要影響。按照物理學及物理化學的觀點，成對電子最穩定（DNA雙鏈與鹼基配對）；根據泡利不相容原理，成對電子方向必須相反（DNA兩條鏈方向相反）；物理學定律大多符合右手定則，而DNA也為右手雙螺旋。在這些原理基礎上並結合實驗數據，沃森和克里克最終提出DNA雙螺旋的結構：DNA是一種由兩條方向相反的DNA單鏈構成、內部存在鹼基配對（A與T，G與C）的右手（right）雙螺旋分子。

許多人認為，沃森和克里克的成功具有太多「偶然」因素，但他們對DNA結構的執迷精神、敏銳的信息捕捉能力和深邃的科學洞察力，最終把一系列的「偶然」變成了必然。如果說沃森和克里克在實驗方面存在欠缺的話，那麼模型構建（形象易懂）和邏輯推理（精細嚴密）則是他們最大優勢，他們的DNA雙螺旋模型在結構基礎上提出賦予DNA作為遺傳分子的特徵（鹼基配對才是DNA的靈魂和核心），不久他們又在《自然》上撰文詳細闡述DNA雙螺旋結構的意義和應用，即DNA依據鹼基配對完成複製，從而解釋了生命延續的穩定性之謎。1962年，沃森、克里克和威爾金斯分享了諾貝爾生理學或醫學獎。

DNA雙螺旋模型的提出是二十世紀科學界最大突破之一，沃森也憑藉這一貢獻當仁不讓地成為最偉大的科學家之一。其實，在DNA結構闡明方面，沃森的貢獻可能更突出一些，因此一般稱為沃森-克里克模型（按照字母排序應該相反）。總之，DNA雙螺旋結構將生命科學研究從宏觀水平過渡到分子層面，推動了隨後半個多世紀生命科學的迅猛發展，時至今日仍是生命科學研究的基礎。一定程度上，今天許多生命研究者都在繼承著沃森的衣缽。

如果要用一句話概括沃森與DNA結構，那就是：因為對（pair），所以對（right）。

製版編輯：鄧志英丨

本頁刊發內容未經書面許可禁止轉載及使用

公眾號、報刊等轉載請聯繫授權

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！