DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)者
——莫里斯·威爾金斯

張 建 （江蘇省黃橋中學(xué) 江蘇泰興 225411）

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)科學(xué)史上最偉大的成就之一，可以與達(dá)爾文的進(jìn)化論和愛因斯坦的相對(duì)論相媲美。大家提到DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)時(shí)很自然想到沃森和克里克創(chuàng)造的DNA雙螺旋模型。但他們精妙的模型是基于其他科學(xué)家的生化研究和X射線晶體研究而提出的。這其中就有英國倫敦國王學(xué)院的著名生物物理學(xué)家——莫里斯·威爾金斯。

圖1 莫里斯·威爾金斯

他與羅薩琳·富蘭克林的DNA晶體X衍射照片對(duì)沃森—克里克提出雙螺旋模型提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。盡管如此，由于威爾金斯與富蘭克林之間的私人誤會(huì)受到許多人的誤解，以致一直沒有受到世人應(yīng)有的尊敬。

1 漫漫求學(xué)與科學(xué)研究之路

1.1 漫漫求學(xué)路 1916年12月15日，威爾金斯出生于新西蘭。身為校醫(yī)的父親對(duì)科學(xué)摯愛的精神在童年的威爾金斯心中埋下了科學(xué)研究的種子。6歲的威爾金斯隨父親來到英格蘭，自此開始了自己的求學(xué)之路[1］。威爾金斯進(jìn)入愛德華國王學(xué)校學(xué)習(xí)。在校期間，由于學(xué)習(xí)刻苦，成績一直名列前茅。父親的工作使他掌握了大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)的技術(shù)和技巧，特別在顯微鏡制備方面。隨后，威爾金斯進(jìn)入圣約翰學(xué)院學(xué)習(xí)物理學(xué)。在此期間，有幸遇到了他的導(dǎo)師，著名原子物理學(xué)家科克羅夫特。1938年，威爾金斯從圣約翰學(xué)院獲得物理學(xué)學(xué)位，隨后進(jìn)入伯明翰大學(xué)物理系，成為著名固體物理學(xué)家約翰·蘭德爾博士的研究助手，并攻讀博士學(xué)位。1940年，威爾金斯憑借磷光理論和磷原子中被俘電子的穩(wěn)定性機(jī)理的研究而獲得博士學(xué)位。

1.2 坎坷科研路 此時(shí)，第二次世界大戰(zhàn)正在慘烈地進(jìn)行。1943年，威爾金斯跟隨奧利芬特研究小組來到美國，加入了奧本海默領(lǐng)導(dǎo)的曼哈頓計(jì)劃。在此，他收獲了科學(xué)知識(shí)共享及科學(xué)與應(yīng)用的緊密結(jié)合而帶來的快樂。但是，后來原子彈巨大的殺傷力使威爾金斯感到深深的內(nèi)疚，以致成為戰(zhàn)后反核運(yùn)動(dòng)的主力成員之一。

戰(zhàn)后，威爾金斯偶讀到著名理論物理學(xué)家薛定諤的《生命是什么》，被書中復(fù)雜生物大分子的結(jié)構(gòu)概念所吸引。后來，威爾金斯將研究方向轉(zhuǎn)向生物學(xué)。在蘇格蘭圣安德魯大學(xué)成為一名物理學(xué)講師，并加入自己的博士生導(dǎo)師約翰·蘭德爾博士的生物物理學(xué)研究小組。不久，跟隨蘭德爾博士將實(shí)驗(yàn)室遷到國王學(xué)院，并在這里建立了生物物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室。在蘭德爾的建議下，威爾金斯使用紫外顯微技術(shù)研究細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當(dāng)他興奮地看到細(xì)胞中遺傳物質(zhì)的載體染色體時(shí)，意識(shí)到用顯微鏡對(duì)細(xì)胞進(jìn)行整體研究，無法揭示生命的本質(zhì)。于是，威爾金斯將生物大分子分離出來，再對(duì)分子結(jié)構(gòu)展開深入研究。所以，威爾金斯開始將X射線衍射技術(shù)應(yīng)用于生物大分子結(jié)構(gòu)的研究。但是未經(jīng)X射線衍射技術(shù)系統(tǒng)培訓(xùn)的威爾金斯在后續(xù)研究中受到一定程度的限制。

2 關(guān)于DNA結(jié)構(gòu)的研究

2.1 揭開DNA分子結(jié)構(gòu)研究的序幕 分子生物學(xué)研究者從3個(gè)方面探討生命的本質(zhì)，并形成3個(gè)學(xué)派：結(jié)構(gòu)學(xué)派、信息學(xué)派和生化遺傳學(xué)派[2］。作為結(jié)構(gòu)學(xué)派的主陣地英國國王學(xué)院，以其先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器為手段展開了生物大分子結(jié)構(gòu)研究。在此間，威爾金斯選擇了DNA分子結(jié)構(gòu)研究。1950年，在倫敦法拉第學(xué)會(huì)上，威爾金斯收到了瑞士化學(xué)家席格納分發(fā)給參會(huì)人員的自制牛胸腺高度聚合DNA樣品。威爾金斯研究發(fā)現(xiàn)，DNA纖維可以作為X射線衍射分析的極佳材料。于是，將其交給了比較擅長X光衍射的國王學(xué)院畢業(yè)生戈斯林。果然，不久一張令人興奮的DNA晶體X衍射照片問世（圖2），從照片上的完美斑點(diǎn)可以看出DNA纖維為一種晶體結(jié)構(gòu)，并且排列較有規(guī)律。實(shí)驗(yàn)成功的一個(gè)重要原因是DNA纖維的潮濕環(huán)境。這得益于之前蛋白質(zhì)晶體研究中保持潮濕環(huán)境狀態(tài)，所得結(jié)果較為理想[3］。這點(diǎn)對(duì)后來富蘭克林的成功提供了重要參照。但是，威爾金斯根據(jù)X射線衍射錯(cuò)誤地得出DNA是單股螺旋。再加上實(shí)驗(yàn)室缺乏相關(guān)研究專家，所以一段時(shí)間內(nèi)對(duì)DNA的結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展幾乎處于停滯狀態(tài)。盡管如此，這些引起了后來許多科學(xué)家的極大興趣。這其中就包括沃森和克里克。

圖 2 DNA晶體X衍射照片[3］

2.2 奠基和豐富DNA分子結(jié)構(gòu)研究 在意大利那不勒斯的一個(gè)學(xué)術(shù)會(huì)議上，威爾金斯展示了X射線衍射技術(shù)應(yīng)用于DNA結(jié)構(gòu)方面的研究成果，并公布了一系列衍射照片。這被臺(tái)下的沃森所關(guān)注，他敏銳地感到這項(xiàng)研究的重要性，并表示出與威爾金斯合作研究的愿望。可遺憾的是威爾金斯并沒有同意。事實(shí)證明這對(duì)威爾金斯來說是一個(gè)很大的遺憾。倘若他們能有效合作，憑借兩者的學(xué)識(shí)優(yōu)勢(shì)，DNA結(jié)構(gòu)發(fā)展的歷程可能會(huì)改寫，甚至?xí)霈F(xiàn)沃森——威爾金斯模型。對(duì)DNA結(jié)構(gòu)研究充滿熱情的沃森在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室遇到了威爾金斯的朋友博士生克里克。克里克對(duì)DNA結(jié)構(gòu)的研究同樣充滿向往。通過與威爾金斯的交流與討論，克里克系統(tǒng)了解了DNA結(jié)構(gòu)，也正是兩人的朋友關(guān)系為后來沃森和克里克獲得DNA結(jié)構(gòu)照片提供了條件。沃森和克里克的互補(bǔ)、相互批評(píng)及相互激勵(lì)的通力合作成為后來成功的基礎(chǔ)。相比之下，威爾金斯并不很強(qiáng)的合作意識(shí)遺憾地使他的DNA結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展緩慢。在威爾金斯到美國進(jìn)行學(xué)術(shù)交流期間，一名X射線晶體學(xué)研究專家羅薩琳·富蘭克林被蘭德爾邀請(qǐng)至國王學(xué)院，并改進(jìn)了威爾金斯的實(shí)驗(yàn)儀器，使DNA的研究有了很大的進(jìn)展。但是，威爾金斯與富蘭克林的研究獨(dú)立而競爭地進(jìn)行，并沒有產(chǎn)生有效的合作。威爾金斯與X射線晶體衍射專家斯陶克建立了威爾金斯研究小組，富蘭克林和戈斯林在威爾金斯的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上展開對(duì)DNA的研究。威爾金斯研究小組研究了不同來源的DNA,發(fā)現(xiàn)了衍射圖像的相似性，得出了DNA結(jié)構(gòu)的普遍性。但所獲得的DNA衍射圖片并不理想。此時(shí)的富蘭克林與戈斯林在DNA衍射方面研究進(jìn)展比較順利。在沃森對(duì)國王學(xué)院的一次訪問中，威爾金斯出于學(xué)術(shù)交流的目的將富蘭克林的完美X射線衍射提供給了沃森。這使很多人感覺威爾金斯很不道德。倘若威爾金斯與富蘭克林以聯(lián)合發(fā)表的方式將資料給予沃森會(huì)更規(guī)范。這一點(diǎn)威爾金斯做得有點(diǎn)欠妥。當(dāng)然這次分享加速了DNA研究發(fā)展的進(jìn)程。其實(shí)，威爾金斯與富蘭克林之間的關(guān)系還是比較融洽的。但是，沃森的自傳著作《雙螺旋》中對(duì)人物的描述有點(diǎn)失真，具有很強(qiáng)的誤導(dǎo)性，特別是對(duì)富蘭克林的描述尤其苛刻。這使得人們把矛頭指向了威爾金斯。我們必須明白一點(diǎn)，DNA結(jié)構(gòu)的闡明是許多科學(xué)家作出重要貢獻(xiàn)的結(jié)果，他們都應(yīng)受到應(yīng)得的榮譽(yù)。遺憾的是富蘭克林由于疾病于1958年逝世而無緣分享這些榮譽(yù)。但是她的X衍射成果對(duì)DNA結(jié)構(gòu)的闡明作出了巨大的貢獻(xiàn)。

沃森和克里克從鮑林的三螺旋模型中獲得靈感，并參考了富蘭克林的DNA X衍射照片中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以及在對(duì)查格夫規(guī)則（A-T，G-C）進(jìn)行了合理解釋的基礎(chǔ)上，提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。盡管雙螺旋DNA模型有不可否認(rèn)的優(yōu)點(diǎn)，但是，當(dāng)時(shí)文獻(xiàn)中所用的X射線數(shù)據(jù)不足以嚴(yán)格地檢驗(yàn)假設(shè)的結(jié)構(gòu)。對(duì)此，威爾金斯與他的同事提供了可供引用的關(guān)于小牛胸腺DNA的X射線數(shù)據(jù)。這給DNA雙螺旋模型給予了堅(jiān)定的支持。對(duì)此，沃森和克里克提出在論文里署上威爾金斯的名字，但是遭到威爾金斯的拒絕。他認(rèn)為，作為一名物理學(xué)家用X射線分析DNA結(jié)構(gòu)并得到一定的數(shù)據(jù)是理所當(dāng)然的[4］。于是1953年4月25日Nature雜志上發(fā)表了只署名了沃森和克里克的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的經(jīng)典論文。

盡管如此，仍然不能忘卻威爾金斯在DNA雙螺旋模型的實(shí)驗(yàn)建構(gòu)中作出的巨大貢獻(xiàn)。是他第1個(gè)得出較為清晰的DNA的X射線衍射照片，從而揭開DNA分子結(jié)構(gòu)研究的序幕；是他為DNA結(jié)構(gòu)提供了更為充分的實(shí)驗(yàn)圖片和數(shù)據(jù)以證明沃森和克里克模型的正確性；是他研究了DNA B型結(jié)構(gòu)以外的A型和C型，并將有關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)表在Nature上，使DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)更為可信；是他對(duì)不同來源DNA展開了研究，得出了DNA都是有相似結(jié)構(gòu)的研究成果。所以，威爾金斯與沃森、克里克共享了1962年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。國王學(xué)院院長里克·特雷納說，威爾金斯是“20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家之一”。這樣的榮譽(yù)與認(rèn)可是實(shí)至名歸的。