赵德坤　秦小康

[摘要]DNA双螺旋结构的发现是20世纪生命科学领域内最伟大的发现之一。在DNA双螺旋结构的发现史中，Watson、Crick、Wilkins与Franklin四位伟大的科学家所做出的重要贡献都应被铭记。对于DNA

双螺旋

结构的发现史，现行的中学生物教材主要介绍的是Watson和Crick建构分子模型的过程，而对在这个过程中Franklin的重要作用和贡献介绍不够。建议生物教师在实际教学中对这一有争议的过程做出实事求是的介绍，客观分析Franklin在这场竞争中主客观方面的劣势；在赞叹Watson和Crick所取得的巨大成就的同时，客观冷静地审视这一在现在的科研大环境下几乎不可能再次复制的成功。更为重要的是，客观冷静地分析DNA双螺旋结构的发现在新的研究范式和学科发展趋势下给生命科学研究本身和生命科学研究者的启示，从而扬长避短，充分利用外部环境中的各种有利条件，并在充分发挥自身主观能动性的基础上，把科研工作不断推向前进。

[关键词]DNA双螺旋结构；X射线衍射；生物学功能；学科交叉与合作

[中图分类号]G633.91[文献标识码]A[文章编号]16746058

（2018）05007903

1953年4月25日，《Nature》杂志发表了美国生物学家Watson和英国物理学家Crick的题为《核酸的分子结构：脱氧核糖核酸的结构》的论文，Watson和Crick在文中提出了DNA双螺旋结构模型（Watson和Crick，1953）。DNA双螺旋结构的发现被认为是20世纪生命科学领域内最伟大的发现之一。鉴于Watson和Crick在DNA双螺旋结构模型建立中的重要贡献，这一模型又称为“Watson-Crick模型”。Watson和Crick因为发现了核酸的分子结构及其在生物中信息传递的重要性而与英国物理学家Wilkins共同分享了1962年的诺贝尔生理学或医学奖。但Watson和Crick在论文中既无建立该结构的实验数据，也未明确提及建立该结构模型的数据来源，而且《Nature》杂志发表有关DNA结构的三篇论文的顺序为：Watson和Crick建立DNA双螺旋结构模型的文章在前，Wilkins和Franklin支持这一模型的X射线衍射分析实验数据文章（Franklin和Gosling，1953；Wilkins等，1953）在后。这让人觉得后两篇文章仅仅只是为DNA双螺旋结构模型提供支持。而Watson和Crick在他们的诺贝尔奖获奖演说中也都没有提到Franklin的工作，而Wilkins的演说中尽管提到了Franklin，但是却很少（Elkin，2003）。另外，在Watson的自传体小说《双螺旋》中，对Franklin也有许多不实之词，如说“罗西（即Franklin）没有直接给我们她的数据”（Watson，1968；1996）。实际上，尽管Watson和Crick没有直接从Franklin处得到数据，但他们却通过Wilkins和Crick的导师得到了Franklin关于DNA结构研究的详细数据，并利用这些数据最后建立了DNA的分子结构模型（Elkin，2003）。Franklin在DNA双螺旋结构建立中的贡献是在她去世后，她的同事Klug整理她的工作笔记时才发现的（Klug，1968；1974）。概括地说，Franklin在DNA双螺旋结构建立中的贡献，包括发现DNA存在有两种含水量不同的状态、改进DNA样品的制备方法和X射线衍射技术及拍摄到非常清晰的B型DNA的X射线衍射照片。她独立得出了A型DNA和B型DNA都是由两条反向平行的多核苷酸链构成的双螺旋结构。该螺旋模型中脱氧核糖、磷酸以及疏水碱基的位置，以及螺旋参数都与Watson和Crick提出的模型相同（Elkin，2003；Klug，1968；1974）。但非常遗憾的是，尽管她已经意识到DNA分子中的碱基是采用酮式构型，而非烯醇式构型互补配对，且她也完全知晓Chargaff关于DNA分子中碱基定量关系的结果，但她过分注重DNA的物理构型，而没有注意到“碱基互补配对”这一揭示遗传奥秘的关键问题，从而与人类历史上的这一重大发现失之交臂，这不得不说是非常令人遗憾的。

Watson和Crick在建立DNA双螺旋结构模型时，在多大程度上受到Franklin的实验数据的启发呢？当时，Watson和Crick都在英国剑桥大学的卡文迪许实验室从事利用X射线解析蛋白质的工作，而DNA结构的解析则是在英国伦敦大学的国王学院进行的。1951年1月，Franklin受医学研究委员会生物物理小组主任Randall爵士的邀请，到伦敦国王学院进行DNA结构的研究。恰好同年9月，Watson来到英国剑桥的卡文迪许实验室从事博士后研究。在这里，他遇到了正在攻读博士学位的Crick，他们都对DNA结构的研究感兴趣，共同的兴趣爱好促使他们决定合作来进行DNA结构的解析。同年底，他们根据Wilkins同年5月在生物大分子结构国际学术会议上展示的DNAX射线衍射数据和Franklin同年11月21日在伦敦国王学院内部召开的核酸结构内部学术讨论会上展示的实验数据构建了DNA的三股螺旋模型。理所当然的，这个模型受到了国王学院的晶体学家的反对和批评，这也使得Watson和Crick被卡文迪许实验室主任要求中止对DNA结构的研究。1953年1月30日，Watson访问伦敦国王学院，Wilkins给Watson展示了Franklin拍摄的极其清晰的B型DNA的X射线衍射照片，即著名的“照片51号”，并详细地解释了实验结果。Crick还从他的导师那儿拿到了Franklin在1952年11月撰写的关于DNA结构研究的工作报告，然后他们利用这些实验数据开始建立DNA的结构模型。1953年2月28日，Watson和Crick宣布他们发现了DNA的双股螺旋模型（Elkin，2003）。对于Franklin的贡献和功绩，三位因为DNA结构研究的诺贝尔奖得主也都表示了充分的认同。1954年，Crick和Watson发表的《基于X射线衍射数据建构DNA双螺旋模型》文章中亲自承认：如果没有关于DNA结构解析的数据，他们是不可能推导出DNA结构的（Crick和Watson，1954）；Watson在其关于DNA双螺旋结构发现的自传体小说《双螺旋》中，对这一过程也有更为详细的描述（Watson，1968；1996）。尽管在该书中对Franklin有许多不实之词，而且也未直接指明他们数据的具体来源，但在客观上也让读者间接了解了X射线衍射数据在双螺旋结构模型建立中的作用。Wilkins在其自传《雙螺旋的第三人》中也亲自承认：如果诺贝尔奖只授予一个人的话，Franklin是唯一人选（Wilkins，2005）。

为什么Franklin没能够最早发现DNA双螺旋结构模型呢？除了上面提到的Franklin作为化学家，没有注意到“碱基配对”这一揭开遗传奥秘的关键性问题外，还与当时的社会大环境有关。当时的英国社会对于女性科学家都普遍不够尊重。她在国王学院工作时，大学的俱乐部甚至不接受女教师在内进餐。另外，Wilkins和Franklin由于对她们之间的工作隶属关系不明确，也生出了许多矛盾与冲突。Wilkins认为Franklin是一位高级技工，是来协助他工作的。而Franklin认为她可以独立开展工作。另外，Franklin和Wilkins有着几乎完全不同的性格。Franklin敏感而又热情，坚定自信而又有一些咄咄逼人；而Wilkins则显得委婉甚至有些过分的腼腆。这些性格上的差异也是他们之间冲突不断的原因之一。Wilkins甚至还直接把Franklin拍攝的能清楚显示出双螺旋结构的B型DNA照片拿给Watson过目，而这一切极有可能是在Franklin并不知情的情况下发生的（Elkin，2003）。但客观地说，他们之间的冲突，双方都有责任。甚至医学研究委员会主任Randall爵士也应该受到批评，因为是他在没有告知Wilkins的情况下，就给Franklin写信并且分配给她DNA结构研究工作的。他也没有提醒Franklin，Wilkins在DNA结构研究上一直都有兴趣（Elkin，2003）。另外，当时X射线衍射技术尚不足以清晰地显示生物大分子较为复杂的三维构象，Watson和Crick受Pauling提出蛋白质α-螺旋结构时采用的构建分子模型的方法的启发，将实验检验和模型调整有机结合起来，直到最后建立正确的模型。而Franklin则认为利用X射线衍射技术才是解决DNA分子结构的正确途径，因此没有同时尝试结构化学研究上行之有效的建模方法（Watson，1968；1996）。但事实证明，构建分子模型的方法在DNA双螺旋结构的建立过程中也起到了至关重要的作用。

六十多年前，科学规范以及科研活动和科技文献发表中的一些基本道德规范和准则还未完全建立，女性科学家也未得到应有的尊重，地位较低。现在看来，Watson和Crick在没有得到Franklin允许的情况下就使用她未发表的数据，Wilkins和Crick的导师在未得到Franklin许可的情况下，就将她未发表的实验数据和结果告诉竞争对手，以及他们在发表论文及诺贝尔奖获奖演说中都未明确地对Franklin表达谢意等行为，是不符合科学规范，甚至是不道德的。而现在都强调在科研活动及科技文献发表中，道德是基础。尽管这一争论事件已经过去了六十多年，但这一发现过程仍然对我们今天的生命科学研究极具现实意义。它给我们的启示至少有以下三点。

首先，实验是检验理论正确的唯一标准。Watson和Crick建立DNA结构模型时，螺旋的股数、碱基在螺旋中的位置等，都是来自实验数据，并根据实验的结果不断修正的。事实上，当时美国加州理工大学的知名量子化学家Pauling也在尝试构建DNA分子结构模型。Pauling本身在生物大分子结构尤其是蛋白质结构解析方面经验丰富，他本人也通过构建分子模型的方法提出了蛋白质α-螺旋结构。而且Watson和Crick在建构DNA双螺旋结构时也是采用这种方法。因此，当Pauling转而尝试构建DNA分子结构时，对他而言应该是轻车熟路的，他似乎应该是那个距离成功最近的人。但由于种种原因，他无法得到有关DNA结构的最新数据，所以他只能使用以前拍摄的不同DNA构型混杂在一起的极不清楚的老照片和一些旧数据，对此他的失败也就无法避免。现在生命科学已经进入到生物信息学时代，同时诞生了计算生物学，出现了一批不用在实验室里直接做实验而每天坐在计算机终端前的生物科学工作者。但即使这样，实验永远是生命科学研究的根本。一方面，作为生物信息学和计算生物学研究对象的核酸与蛋白质序列都来自实验；另一方面，基于对核酸与蛋白质序列分析所建立的理论和假设需要通过实验来验证和检验。如果忽略了实验，则生命科学的发展终将难以为继。尤其是现在，生命科学实验由于实验周期长，影响因素多，结果的不确定性大，因此有人已经开始“知难而退”。甚至Watson在其自传体小说《双螺旋》中也披露，他认为晶体学研究非常枯燥。他甚至觉得没能结晶肌球蛋白是一种解脱，因为如果他成功了，他的导师可能就会让他拍摄X射线衍射照片（Watson，1968；1996）。因此，我们应该把更多的鼓励给予那些还奋斗在实验一线的生命科学科技工作者。

其次，生命科学的多学科融合交叉过程中，不同学科背景的学者相互之间能很好地进行沟通与协作非常重要。在科学发展的过程中，新理论的突破、新学科的产生及新技术的出现，常常出现在现代学科的边缘或交叉点上；同时，随着学科交叉研究的发展，新兴交叉学科的产生以及各种新的理论体系和研究方法的创建与不断完善，使得科学本身向着更深的层次和更高的水平发展（朱大保和孙悦，1997）。“DNA双螺旋结构”这一对生命科学发展具有重要里程碑意义的重大发现正是学科交叉与合作的典范。Crick具有很好的直觉，他的物理学背景可以帮助Watson很好地理解X射线晶体衍射结果；而Watson可以帮助Crick理解生物学的内容。他俩通力合作，彼此发挥各自所长，又能够虚心地倾听对方意见，并且虚心向其他科学家请教。而Wilkins和Franklin由于关系不好而不能很好地合作，并产生了严重的内耗。尽管他们都是晶体结构解析专家，拥有双螺旋结构最直接的X射线衍射数据，但由于彼此不和而将大好机会让给了他人。

最后，当采用其他学科的技术与方法研究生物学问题，运用其他学科的思维和方法来回答生命科学的本质问题时，必须要密切联系生物学功能。Franklin和Wilkins由于不是生物学家，因此她们关注更多的是对X射线衍射结果做出很好的解释，却忽略了“DNA作为遗传物质如何进行精确复制”这一重要的生物学性质。因此，她们与人类历史上的这一重大发现失之交臂也就不难理解了。如果没有结合生物功能进行研究，则研究工作只能停留在对生命现象的一般解释和说明上，而无法在更深的层次和水平（如阐明起源、成因、动力，以及生物体与内外环境的关系等方面）得到明晰的结论，对生命现象也只能停留在观察和描述上，而不能深入到对生命现象的本质和规律的认识。

总之，DNA双螺旋结构模型的建立在生命科学史上具有划时代的意义，Watson、Crick、Wilkins和Franklin四位伟大的科学家都为此做出了重要的贡献，他们都应该被我们铭记。但现行的中学生物教材对DNA结构发现历史的介绍，着眼于Watson和Crick建构分子模型的过程，而对在这个过程中Franklin的重要作用和贡献介绍不够（《普通高中课程标准实验教科书·生物2》）。因此，我们建议生物一线教师在实际的教学中对这一有争议的过程做出实事求是的介绍。同时，我们在为Franklin感到遗憾的同时，也应该客观地分析她在這场竞争中主客观方面的劣势；在赞叹Watson和Crick所取得的巨大成就的同时，也应该客观冷静地审视这一在现在的科研大环境下几乎不可能再次复制的成功。更为重要的是，在当前随着生物信息学和计算生物学的出现，生命科学的研究范式已从传统的通过实验形成理论，转变为先从理论推测出发，然后再回到实验去检验理论假设；并且基础科学研究中不同学科间的交叉已经成为科学发展的一个重要趋势，而在现代生命科学领域的研究中体现得尤为突出（朱大保和孙悦，1997）。因此，我们更应该客观冷静地分析这一事件在新的研究范式和学科发展趋势下给生命科学研究本身和生命科学研究者的启示，这样才能够扬长避短，充分利用外部环境中的各种有利条件，并在充分发挥自身主观能动性的基础上，把自己的科研工作不断地推向前进。

[参考文献]

[1]Crick H F C， Watson J D. The Complementary Structure of Deoxyribonucleic Acid[J]. Proc. Roy. Soc.， A， 1954（223）： 80-96.

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[10]课程教材研究所.普通高中课程标准实验教科书·生物2[M].北京：人民教育出版社，2007.

[11]朱大保，孙悦.生命科学中的学科交叉研究[J].中国科学基金，1997，11（2）：146-148.

致谢：感谢四川大学生命科学学院张年辉副教授在资料收集及论文写作中的指导与帮助。

（责任编辑黄春香）