摘自：DNA 结构的发现解释了生命如何“知道”该做什么

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当《大众科学》杂志编辑华莱士·克劳德报道 1962 年为表彰 DNA 发现而颁发的诺贝尔奖时，获奖者之一詹姆斯·沃森告诉克劳德：“这一发现并非一个研究所的技术人员的成果，而是四个头脑的成果。”但诺贝尔基金会只授予三位发现 DNA 结构的科学家奖项：詹姆斯·沃森、弗朗西斯·克里克和莫里斯·威尔金斯。

自 1869 年以来，科学家们就已经知道 DNA，但直到 1953 年，它的结构才为人所知。了解它的形状将有助于解释这种产生生命的分子是如何工作的。正是罗莎琳德·富兰克林与伦敦国王学院的莫里斯·威尔金斯合作，捕捉到了沃森和克里克后来解码并在诺贝尔获奖论文中描述的分子的第一张 X 射线图像。沃森在 1963 年 5 月的《大众科学》采访中告诉克劳德，富兰克林“应该分享”诺贝尔奖。

在 DNA 发现传说中，正是 1952 年 5 月拍摄的 51 号照片揭示了 DNA 螺旋结构的诸多信息。四十年后，获奖作家兼传记作家布伦达·马多克斯在《罗莎琳德·富兰克林：DNA 的黑暗女士》中详细介绍了富兰克林对 DNA 研究的惊人贡献。美国剧作家安娜·齐格勒创作了《51 号照片》，该剧于 2015 年在伦敦西区首次演出，记录了富兰克林诺贝尔奖案件暴露的性别偏见。

自 1895 年起，瑞典化学家阿尔弗雷德·诺贝尔（Alfred Nobel）将他的大部分财产立为年度奖项，颁发给物理学、化学、医学、文学和和平奖（1968 年新增经济学奖），迄今已评选出 975 位诺贝尔奖得主，其中只有 58 位是女性。无需获得诺贝尔奖，就能看出这些数据不合情理。就富兰克林而言，诺贝尔基金会表示他们不再追授其死后奖项（富兰克林于 1958 年去世）。DNA 双螺旋结构破译已近七十年，诺贝尔基金会将四位科学家的成果授予三位科学家也已六十年。这些数据仍然不合情理。

“DNA——它发出生命的信号” （华莱士·克劳德，1963 年 5 月）

三位男士因解决拼图问题而获得诺贝尔奖：组装出让你成为现在的样子并让你保持活力的分子碎片

去年 12 月，一位美国生物学家和两位英国物理学家因十年前的一项发现获得了诺贝尔奖的正式认可——这一发现引发了生物学领域的连锁反应。

他们确定了一种分子的结构，从而解答了科学家们一个多世纪以来一直在探索的问题：

• 心肌如何“知道”如何跳动？
• 脑细胞如何“知道”如何发挥其思考和感觉的作用？
• 身体细胞如何“知道”如何生长、繁殖、愈合伤口、抵抗疾病？
• 传染性细菌如何“知道”会引起什么疾病？
• 自然界大多数生物都是从单个受精卵细胞进化而来的，它们是如何“知道”如何变成植物、动物和人类的呢？
• 如果一个这样的细胞要繁殖并形成一个人，它怎么“知道”如何产生潜在的爱因斯坦或玛丽莲梦露呢？

基因是由什么构成的

听起来，对于一个分子，人们的期望很高——即使它有着令人瞠目结舌的名字，如脱氧核糖核酸（人们更熟悉的名字是 DNA）。但 DNA 是基因的组成部分，这是科学事实。DNA 分子提供指导所有生物（少数病毒除外）生命过程的基本指令。DNA 分子包含化学代码中的信息——生命代码。

DNA 结构的发现被称为“一场革命，其潜在意义远大于原子弹或氢弹。”诺贝尔基金会主席阿恩·蒂塞利乌斯教授曾说，DNA 结构的发现“将带来操纵生命、制造新疾病、控制思想、影响遗传的方法——甚至可能朝着某些期望的方向发展。”

我在哈佛大学的实验室里向诺贝尔奖三位得主中的美国人詹姆斯·沃森博士询问了这些猜测。几周后，他才飞往斯德哥尔摩，与剑桥大学的弗朗西斯·克里克博士和伦敦国王学院的莫里斯·威尔金斯博士一同领奖。

这位 34 岁的诺贝尔曼在 25 岁时就在英国完成了获奖研究（他 15 岁进入大学，在那之前，广播时代，他曾是智力竞赛节目的主持人），拒绝支持对 DNA 研究未来的更大胆的预测。他说：“忙于研究的科学家一般会提前预测一小时到两年，不会更多。”

他承认，发现 DNA 结构与发现原子结构并最终制造出原子弹一样重要，并补充道：“它将对医学产生深远而缓慢的影响。医生将不再做傻事。我们对 DNA 的了解虽然不能治愈疾病，但它能给你提供一种新方法——告诉你如何看待疾病。”

沃森博士继续解释了他和他的同事在 1953 年于英国进行的那些充满灵感的脑力劳动期间发现了什么，以及他们是如何发现这些的。

他说，这一发现并非一个研究所的技术人员的杰作，而是四个人的智慧结晶：他和克里克做了理论工作，解读了威尔金斯拍摄的神秘 X 射线衍射照片。威尔金斯的合作者是英国女科学家罗莎琳德·富兰克林博士。她于 1958 年去世。沃森博士说，她“本应分享”诺贝尔奖。

拾起线索

DNA 并非新发现的物质。早在 1869 年，DNA 就被分离出来。到 1944 年，遗传学家确信 DNA 就是基因的物质——染色体中遗传信息的位置。然后他们开始问：“DNA 是如何工作的？”这就是沃森和他的诺贝尔奖获得者们所回答的问题。

他们知道 DNA 是人类已知的最复杂的“巨型分子”之一。人们认为 DNA 具有由重复的原子组组成的长链状结构，侧链以规则的间隔伸出。

DNA 分子的形状非常重要。在细胞中，许多较大的分子像机器零件一样协同工作，它们的机械性能与化学活性一样重要。然而，即使是电子显微镜也只能看到一些最大的巨型分子，而 DNA 只是一条线，没有细节。

“观察”分子的一种方法是利用化学处理方法将它们分解，将大分子分解成小分子。就 DNA 而言，其碎片（六种亚分子单位）已被识别。现在需要弄清楚拼图是如何拼在一起的。

另一种方法是使用 X 射线，但方式比较特殊。一种名为 X 射线衍射的技术让物理学家能够以特殊的方式观察某些分子（即形成晶体的分子）的内部。

从细胞中提取并纯化的 DNA 是一种果冻状物质。你可能会认为它与晶体没有太大相似之处。但当它像太妃糖一样被拉伸并在适当的张力下干燥时，它会形成具有复杂晶体结构的纤维。

诺贝尔奖获得者之一威尔金斯博士是一位物理学家，他曾在美国参与曼哈顿计划。二战结束后，他回到英国，对生物问题产生了兴趣，并成为一名生物物理学家。1950 年代初，他完善了一种制作 DNA 纤维 X 射线衍射照片的方法。

此类照片是通过向样本发射非常窄的 X 射线束来拍摄的。部分 X 射线因与原子相互作用而弯曲。新出现的 X 射线波相互干扰，形成一种记录在胶片上的图案。

X 射线衍射照片不会显示它们所代表的分子轮廓。它们处于“倒易空间”中——照片上的小距离代表分子中的大空间，反之亦然。必须通过数学分析来解释这些照片；分子越复杂，解释起来就越困难。

克里克博士和沃森博士开始研究解读 DNA X 射线衍射照片的方法。他们在剑桥大学相识，沃森在印第安纳大学获得博士学位几年后就去剑桥大学做研究。

逆向思考

克里克曾提出一种理论，用于预测各种分子模型的 X 射线图像会是什么样子。也就是说，这些图像很难解释，因此他们不得不逆向而行：设计一个模型，然后用数学方法确定其 X 射线衍射当量应该是多少。然后将预测结果与 X 射线照片上的实际距离和角度进行比较。

两位实验者与威尔金斯分享了这样的想法：扭曲的螺旋分子结构可能符合 X 射线数据（人们发现，这种扭曲也存在于细胞产生的其他分子中）。他们建立了一个由杆、夹子和金属片切口组成的模型（代表拼图游戏的各种已知部分），并对其进行了数学评估。

第一个模型没有得到证实，他们暂时放弃了这个问题，转而进行其他研究。几个月后，即 1953 年 2 月，他们了解到加州理工学院诺贝尔化学奖得主 Linus Pauling 提出的 DNA 结构。从他们之前的工作中，他们知道 Pauling 肯定是错的。这促使他们尝试另一种模型，并结合有关 DNA 某些亚基的确切形状的新信息。

一个月后，他们得到了一个与 X 射线数据非常吻合的模型。从这个模型中，他们得出了意义深远的“沃森-克里克假说”，该假说解释了 DNA 分子在细胞中是如何发挥作用的。该假说已在众多实验室通过巧妙的实验进行了验证，并在分子生物学的新世界中被奉为真理。

生命的钥匙

DNA分子呈现双螺旋结构，形状大致像一个扭曲的梯子。

梯子的两条腿是相同的，但横档却不同，这是分子存储信息能力的关键。组成横档的四个不同亚基的顺序就是生命的密码。

亚基在横档之间的连接方式是 DNA 传递信息能力的关键。每个横档实际上由两个单元组成，但单元的配对遵循一定的规则；分子可以“解开”，每一半都可作为重建缺失一半的模板，从而产生两个与原始分子相同的新分子。

沃森-克里克假说使人们对“生命的分子基础”有了新的认识：在细胞中——实际上是一个微型化学工厂——DNA分子包含指令，告诉工厂的分子机器要制造什么新分子。产品分子反过来决定细胞的功能，无论是血细胞、神经细胞、精子细胞，还是（如果不是多细胞生物的一部分）可能是有害细菌。

这样，DNA分子中存储的信息决定了整个细胞群，比如构成人类的细胞——头发和眼睛的颜色、基本能力、内在敏感性或对疾病的抵抗力。

给男人编程

单个 DNA 分子的长度约为 10,000 个亚单位（即梯子上有那么多横档），而指定人类所需的指令列表长度约为 100 亿个 DNA 单位。如果将包含该信息的 DNA 分子首尾相连，它们将形成一条 10 英尺长的链，但厚度只有一千二百万分之一英寸。实际上，这些链捆绑在每个细胞核中称为染色体的微观物体中，这些物体拥有遗传机制。

这些规范必须代代相传。这发生在细胞分裂期间，即染色体分裂时。在细胞分裂前，染色体中的 DNA 分子已解开并被细胞机制复制。

细胞中的DNA控制功能不仅对健康生命很重要，而且对疾病也很重要。例如，病毒通过干扰正常的指令流并替换新的指令来接管细胞并将其变成病毒工厂。遗传性疾病是由于DNA分子复制过程中编码指令中出现了“错误”。这种变化还会将正常细胞转变为癌细胞，癌细胞“忘记”了它们通常的角色并“学习”了新功能。

这些事实解释了为什么 DNA 让生物学家如此兴奋。如果能找到一种方法将人造化学信息传送到细胞中并改变 DNA 分子存储的指令，那么几乎一切皆有可能。

但这不太可能在今年或明年实现。首先必须破译密码。这是目前大多数 DNA 研究的重点。

另一个尚未解决的问题，或许更加神秘，是细胞如何“决定”使用存储在其 DNA 档案中的特定指令。这一前沿领域的发现将解释细胞如何对外界刺激作出反应——以及单个受精细胞如何选择性地繁殖以产生构成人类的许多不同类型的特化细胞。

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