导读

今年是“DNA双螺旋结构”发现的七十周年。1953年4月25日，两个年轻人在知名期刊《自然》（Nature）上发表了一页纸的论文，揭示了DNA双螺旋结构，一时间引起了广泛的关注。此后，生物学研究正式迈入了分子时代，掀开了一个个划时代的变革，并对药物生产、作物品种改良、疾病的治疗等方面均产生了重大影响。

今天，我们有幸邀请到冷泉港亚洲CEO季茂业博士。季博士曾在美国冷泉港实验室工作，与诺奖得主詹姆斯·沃森交集颇多。2008年，季博士与沃森在苏州成立了冷泉港亚洲，这也是冷泉港实验室在海外的唯一分支。如今，它已经成为中国乃至东亚各国分子生物学家交流和学习的中心。

今天，我们就双螺旋结构的发现以及它带来的影响访谈季博士。

01 如何证明核酸是遗传物质？

叶水送：早在1869年，科学家就发现了DNA分子。但直到上世纪三十至四十年代，科学界才认定“核酸是生命的遗传物质”。您能简单讲述一下DNA双螺旋结构发现的历程吗？

季茂业：生命跟所有其他物质有个不一样的特征，那就是“代代相传”。

生物学家、化学家、物理学家都会问这个问题：是什么物质来支撑这个性状？最终科学家发现组成生命的大分子有四种，第一种是蛋白质，蛋白质可以分解成二十个不同的氨基酸；第二种是脂类，就是脂肪；第三种是糖，能够提供能量的糖；第四种就是核酸。哪一种物质来支撑代代相传，从分子的复杂层面来看，大家普遍认为蛋白质更有可能成为遗传物质。

但到1940年，越来越多的实验证实核酸可能才是遗传物质。其中最有名的一次实验是纽约洛克菲勒大学艾弗里（Oswald Avery）的一个实验，他发现一个肺炎球菌（Pneumococcus）的核酸物质中融入毒性以后，进入到另一个没有毒性的肺炎球菌中可以使这个肺炎球菌变成有毒性的。这个实验非常有力地暗示了“DNA是遗传物质”。

最终证明了“核酸是遗传物质”的实验则是玛莎·蔡斯（Matha Chase）实验。这个实验是在冷泉港做的，在生化史里面非常有名，实验的要点是通过同位素来标记病毒。病毒的结构是一个蛋白质壳包裹着核酸，玛莎·蔡斯实验非常巧妙地用不同的同位素标记了外蛋白壳和里面的核酸。这个实验也最终证明了“核酸是遗传物质而不是蛋白质”。

02 沃森对DNA感兴趣的缘起

叶水送：为什么当时沃森选择去欧洲从事DNA结构的研究？

季茂业：二十世纪五十年代，信息传播比较滞后，研究成果发表一般都要到半年之后才能被人知道。沃森（Watson）当时经常去冷泉港，因为地理之便，他很早就知道遗传物质是DNA。所以他当时认为，只要知道核酸的分子结构，基因的结构问题就会水落石出。博士毕业之后，沃森目的明确地表示要去研究“DNA的分子结构”，所以，他就从美国去了欧洲。

当时要研究分子结构要用到一个技术——X光衍射技术。X衍射技术的原理用光照射高度提纯的DNA或者蛋白以后，它会反射形成感光，胶片上可以得到显影。通过显影的图像就可以反推分子结构是什么样的。

当时欧洲的X光衍射技术做的很好，尤其是剑桥大学的卡文迪许实验室（Cavendish Laboratory），实验室的主任劳伦斯·布拉格因为这项技术获得了诺贝尔奖。当时欧洲很多研究机构用这项技术来研究生物大分子、蛋白质等，特别是英国剑桥大学。

劳伦斯·布拉格

在美国，当时没有什么实验室做这方面的工作。所以，沃森一毕业之后就到欧洲去了。他走了“弯路”，先到了哥本哈根，后来发现那里不是他要去的地方，待了半年之后就去剑桥了。

叶水送：沃森从一开始就对DNA的结构非常感兴趣吗？

季茂业：沃森对DNA分子结构感兴趣的原因在于他已经知道核酸才是遗传物质。所以他在美国博士毕业之后就决定要去了解清楚DNA的分子结构。把DNA的分子结构了解清楚之后，基因的结构就会非常简单、清楚了。

沃森绘画DNA双螺旋结构草图

其实对科学家来说，最重要的不是资金、技术等问题，而是问一个所谓的“重要问题”。沃森他们当时问的问题就是，如何解决这个问题（发现DNA的结构）？实际上，当时技术已经成熟了，往下走几步就能解决DNA结构问题。但是当时知道问这个问题的人其实并不多。

03 沃森和克里克的贡献

叶水送：在DNA双螺旋结构上，詹姆斯·沃森、弗朗西斯·克里克以及罗莎琳德·富兰克林等人的贡献分别是什么？

季茂业：作为学遗传分子生物学的后辈，沃森、克里克、罗莎琳德·富兰克林、莫里斯·威尔金斯、艾弗雷，包括莱纳斯·鲍林这些人，全是我们的科学前辈。他们做的贡献我觉得都是非常重要的。但是对于当时的事件我也有我自己的判断。这些判断有沃森给我的信息、也有我自己专业上的判断。我认为针对DNA双螺旋这一个提法，有点把DNA分子过于简单化了。双螺旋这个问题至少有三个重要的点。

从左到右：克里克、沃森、威尔金斯

富兰克林

第一点，DNA是双螺旋，这是它的化学结构，突破学意义上的形状——双螺旋；

第二点，实际上它不仅仅是双螺旋，它是肩负着代代相传遗传物质、遗传信息载体的功能。而其他所有的生物大分子、生物物质都不具有代代相传这一功能。所以，DNA是一个信息载体。

除了双螺旋的外形，信息编码也很重要。信息编码里面有A、T、G、C配对，双链信息互补，知道了一条链的信息之后，第二条链自然而然就很清楚；

第三点，A、T、G、C的配对从几何学上来说不会影响整个外观。当时，只有沃森和克里克把这三点完全清楚地说出来了。

而且更重要的是，DNA是一个遗传物质，它肩负着代代相传的功能，肩负着如何把A、T、G、C排列组合的信息密码复制出来并传到下一代的功能。就这点来说，沃森作为一名生物学家自然而然会想到这些问题。但如果只是把DNA当作一个化学结构，那并没有真正的解决整个问题，里边的信息编码更重要。

我再说一些细节，沃森他们在1953年2月就已经知道双螺旋结构了，但是并没有完成整个工作。

直到2月28日早上10点左右，沃森在他自己的公寓里用硬纸板剪出模型，把A、T、G、C化学结构拼出来了。他发现A、T配对和G、C配对的形状是一模一样的，不会使这个双螺旋的形状一边鼓出来或者凹进去。那个时候他就发现了碱基配对原理。

十点之后克里克就来了，沃森就给克里克看，“我发现了这个原理”！当时克里克非常兴奋。到那一刻为止，双螺旋结构才算完成。他们两个有一段很有名的历史，那天克里克到剑桥的老鹰酒吧吃饭的时候，高声宣布：“我发现了生命的秘密”！

04 与双螺旋失之交臂

季茂业：还有一个细节，这篇文章（1953年的论文）的署名是沃森在前、克里克在后。而且这个模型在科学界也称为是“沃森-克里克模型”。为什么沃森的名字在前，克里克的名字在后？原因在于克里克做的工作是看到罗莎琳德·富兰克林那张照片之后，推断DNA双螺旋结构，而沃森做的工作则是发现碱基配对，事实上碱基配对更重要。

而罗莎琳德·富兰克林和加州理工学院的莱纳斯·鲍林，他们只把DNA当成化学问题。沃森他们看了鲍林发的文章以后，发现鲍林提出“DNA是三螺旋”，他们立马就觉得这是错的。因为对他们来说，DNA里边信息如何拷贝、复制，如何开合有度，这个问题是非常重要的。如果他们提出的结构没法开合有度，使基因密码拷贝复制的话，那肯定是错的。

鲍林提出三螺旋就非常好地说明了“DNA是生命科学里具有非常独特功能的分子”，如果没有生物学家参与的话，光靠物理学家和化学家需要摸索很长时间。因为他们不会去考虑这么一个遗传信息排列组合、开合有度、随时要进行拷贝复制的功能。沃森也跟我说过，罗莎琳德·富兰克林是一个纯粹的化学家、物理学家，她的学术风格非常严谨，非常拒绝去臆测数据，她要让数据“说话”，数据没“说话”的时候，她不会去猜测这是什么东西。我觉得这是沃森、克里克跟富兰克林最大的区别。

沃森、克里克他们知道要“带着答案去找问题”。沃森很早就知道DNA是遗传物质，但直到2月28日上午，沃森单独完成了A、T、G、C的拼图，且没有破坏双螺旋外观和整体性，他们才完成了DNA结构研究的工作。

叶水送：我们再来聊一聊富兰克林的贡献，她在1951年1月做出了DNA X射线衍射图。也有研究者说，当时她已经知道DNA是双螺旋。但她是一个化学家，这是不是意味着她对DNA结构的意义并不是特别了解？

季茂业：威尔金斯和沃森、克里克他们共享了1962年的诺贝尔奖，关于那张照片（51号照片）和那些历史的细节，主要是威尔金斯和富兰克林是同事，他们之间有很大的矛盾。沃森到伦敦去的时候，是威尔金斯给沃森看的这张照片。

51号照片

在2010年从苏州飞到北京的飞机上，沃森亲口跟我透露了一个细节，他说“51号照片”放在富兰克林的抽屉里面“至少有八个月”！沃森跟我说，他觉得非常“amazing”，这么重要的一个照片竟然在富兰克林的抽屉里面八个月没有任何动静，也没有任何后续的工作。

如果沃森跟我说的是真的，那凭借这一点我可以推断说，富兰克林至少当时没有意识到这张照片的重要性，或者她认为这张照片还不够完美。富兰克林发表的文章是在1953年沃森他们发表文章的“催促”下，才和威尔金斯他们在那一期杂志上发表了文章，之前富兰克林一直都没有动静，富兰克林研究小组当时放弃了DNA作为螺旋的问题。

05 双螺旋发现者身份有争议吗？

叶水送：您跟沃森交流非常密切，不知道他跟您谈到当年的这段往事是怎么说的？

季茂业：现在网络上，无论在中国也好西方也好，形成了一种为富兰克林“鸣冤叫屈”的声音。但是我觉得这没有真正地就事论事，我认为可能需要对DNA、化学、生物学有一个非常深厚的专业背景才能深刻地理解这个问题。很多人为富兰克林叫冤是觉得，上世纪五十年代的社会环境下，女性处于弱势地位，我非常能体会理解。

但事实上，沃森和克里克当时也是属于弱势群体，可能国内很多人对这一点不理解，他们认为美国人到英国、欧洲去，就是非常傲慢的态度，事实上根本不是这么回事。沃森的家庭背景并不是大富大贵的那种，他本人也不是出身名校，到英国去，他某种程度上是要“夹着尾巴做人”的。沃森到英国去的时候穷得叮当响，是靠美国自然科学基金委给他提供了几个月的奖学金，他才能留在英国卡文迪许实验室，和克里克“混”过几个月。

当时在社会医学意义和科学层面上来说，他需要“夹着尾巴做人”。在实验室里，他们两个经常被实验室的主任威廉·劳伦斯·布拉格训斥，克里克在二战结束后从物理学转到生物学做血红蛋白研究，也没有任何的成果。之前研究流体的粘稠度和流动力学也都无疾而终。

一个是三十六岁的老年博士生，一个年轻、边缘的乡下穷小子，他们两个在卡文迪许实验室里也是被安排在走廊最末端的一个房间里，他们完全是弱势群体。其实我觉得，现在有些社会人士会加一些自己的理解和臆测，好像沃森和克里克“欺负”了富兰克林一样。实际上，克里克跟富兰克林的关系一直很好，即使4月25日那篇文章发布之后，他们关系依然很好。沃森跟富兰克林的关系在后来也改善了，他们也能很客气地相处。如果富兰克林认为两个小伙子非常不厚道地“偷”了她的东西，那么这几个人绝对不会保持这么友好的关系。

06 DNA 双螺旋发现的意义

叶水送：您能评价一下这个结构的发现，以及对后面生命科学的发展有哪些贡献吗？比如基因工程、基因组学和基因编辑方面。

季茂业：我觉得DNA双螺旋这个重大发现，在历史上可以被称为“defining moment”（转折点），生物学从此成为了信息科学。

另外，就像克里克说的，他们发现了“生命的秘密”。我认为DNA双螺旋的发现使人类对生命本质的理解升华到了一个前所未有的高度。我们的生命原来是由“语言”（基因语言）来编码的，我觉得非常奇妙，至少我们这个星球上的所有生命，从病毒到细菌、植物、动物，甚至万物之灵——人，全是由同一种“语言”编写的。地球上的生物完全高度统一起来了。我们是同一种“语言”写出来的不同的作品。

达尔文的进化论在当时限于动物界或者植物界，范围没有那么广。双螺旋发现的意义就在于，我们人类对生命的理解从此不一样了。我们上升到了哲学高度，所有生命都是由同一种“语言”来写的，之前我在接受一个采访的时候我说过一句话，我们人在某种程度上可以规划成是行走的“字符串”，有三十亿个密码。你、我，世界上所有的人，都是由DNA序列来编成的。

所以，生命已经可以上升到一个抽象的程度，这就是双螺旋发现的重大意义。在技术层面、医学层面、法医层面、社会学习层面，双螺旋对我们人类当代社会的影响是非常深刻的，甚至是对美学、艺术，都在持续发挥影响。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

团队/作者：深究科学

审核：陶宁 中科院生物物理所 副研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 深究科学