北方的河
懷念逝去的苦難、喜悅和青春
生命密碼的優美螺旋
--紀念DNA雙螺旋結構發現68周年
引 言
新冠疫情改變了世界，也帶給人們一些新概念、新名詞，如“病毒”、“mRNA疫苗”、 “核酸”，等。是否感染新冠病毒，需要做核酸檢測；殺死體內的病毒，要靠疫苗，如mRNA疫苗。實際上，病毒和mRNA疫苗的本質都是核酸。核酸是生物化學名詞，英文是nucleic acid，因最初發現其主要存在於細胞核中而得名。自1869年瑞士科學家弗來德裏希·米歇爾（Friedrich Miescher）發現核酸[1]，普通百姓從沒有關注過核酸，甚至從來不知道什麽是核酸，直到今天因新冠疫情它突然出現在普通人的生活裏。人類是偉大的，經過150多年的努力，今天的人們早已知道不但病毒是核酸、有些疫苗是核酸，而且知道基因也是核酸，已經知道核酸是最重要的生命物質之一，任何生命體一定含有核酸，當代醫學和生命科學研究最多、最深入的物質也是核酸。人體細胞含有兩種核酸，即核糖核酸（Ribonucleic acid，RNA）和脫氧核糖核酸（Deoxyribonucleic acid，DNA）；脫氧核糖核酸即DNA是遺傳信息的載體，也就是基因。如果說核酸的發現開啟了認識生命的大門，那DNA雙螺旋結構的發現則打通了窺探生命奧秘的天窗。從核酸被發現那一天起，科學家們就一直推測它有可能承載生物的遺傳信息，是最重要的生物大分子之一，但直到1953年DNA的結構被闡明之前，這一推測從未得到證實。1953年4月25日，《自然》雜誌刊登了英國劍橋大學卡文迪什實驗室（Cavendish Laboratory）兩位年輕科學家弗朗西斯·克裏克（Francis Crick）和詹姆斯·沃森（James Watson）的論文《核酸的分子結構:脫氧核糖核酸的一種結構》[2]，為DNA作為遺傳信息載體提供了最初的基本證據，並提示了其工作原理，從而完成了人類曆史上迄今最偉大的一次科學發現。今年是DNA雙螺旋結構發現68周年，謹以此文紀念為這一發現作出貢獻的科學家們。
核酸的發現
1868年，在德國圖賓根大學(University of Tübingen)工作的瑞士年輕醫生弗來德裏希·米歇爾做了這樣一個實驗：他從外科手術的繃帶中收集了一些膿細胞，先分離細胞核，接著從細胞核中提取到一種以前從沒有發現過的、含磷量很高而且酸性很強的物質[3]。因為是在細胞核中發現，他最初將此物質稱為核素(nuclein)，後來改稱為核酸（nucleic acid）。在接下來的20年中，又有多人從多種細胞中分離到核酸，並且發現核酸有兩種，一種主要存在於細胞質中，叫核糖核酸，也叫RNA；另一種主要存在於細胞核中，叫脫氧核糖核酸，也叫DNA。不論RNA還是DNA，都由核糖、磷酸和四種堿基組成。進一步的研究證明，細胞質中的核酸的四種堿基分別是腺嘌呤（adenine, A）、鳥嘌呤（guanine, G）、胞嘧啶（cytimidine, C）和尿嘧啶（uracil, C），而細胞核中的核酸的四種堿基分別是腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶（thymidine, T）。四種堿基首先以糖苷鍵與核糖連接，生成核苷；核苷又以磷酸酯鍵與磷酸結合，生成核苷酸。到上世紀40年代末，已經知道RNA和DNA分別由多個核苷酸或脫氧核苷酸構成，但是如何構成尚不得知。而要破解核酸的功能，首先需要解析這些核苷酸是如何構成RNA或DNA的。
基因是什麽
19世紀中葉到20世紀初，遺傳學上的重要規律被相繼發現。1866年，奧地利傳教士、數學家及生物學家格萊戈爾·孟德爾（Gregor J. Mendel）發表了他用豌豆做實驗觀察到的結果，提出了豌豆遺傳的“分離規律”和“獨立組合規律”，提出了“顯性”、“隱性”生物性狀的概念，並首次提出這些性狀可能是由某種肉眼看不見的“遺傳因子”控製的[4]。孟德爾認為，控製生物性狀的遺傳因子具有顆粒性，它們在雜交過程中可以獨立分離，並且在後代中自由組合。那麽，這些顆粒性的遺傳因子是什麽？它們存在於細胞的什麽部位？就在遺傳學家們努力尋找這些遺傳因子的時候，細胞學研究的新發現給人們帶來了重要啟發。1880年到1900年的20年中，以德國科學家瓦爾塞耳·弗萊明（Walther Flemming）為代表的一批科學家，利用顯微觀察等手段，相繼闡明了細胞分裂過程中染色質凝固成染色體，染色體經過複製加倍，等量地分配到兩個子細胞中的詳細過程[5]。此後不久，德國動物學家塞奧多爾·博維裏（Theodor Boveri）和美國哥倫比亞大學遺傳學家瓦爾特·薩頓（Walter S. Sutton）研究證明，孟德爾所說的遺傳因子與細胞核染色體有著平行的關係[6,7]，因此染色體可能就是遺傳因子的載體。1909年，丹麥植物學家維爾海姆·約翰森（Wilhelm Johannsen）首次將這種可能存在於染色體上的顆粒性質的遺傳因子稱為基因（gene）[8]。
然而，基因的本質究竟是什麽，人們仍然一無所知；人們知道的是，細胞內廣泛存在的生物物質主要是碳水化合物、蛋白、脂肪和核酸，因此認為基因的本質應該是上述四種主要生命物質中的某一種。當時的科學家們傾向於認為蛋白質是遺傳物質，基因是以蛋白質的形式存在的，而認為核酸不大可能承擔起承載遺傳信息的任務。這樣的觀點主要基於下麵的考慮：蛋白質由二十種氨基酸組成，二十種氨基酸通過不同的排列組合可以形成數量巨大的不同結構，因此具有承載巨大遺傳信息量的能力；核酸隻由四種核苷酸構成，其所能形成的不同排列組合體似不足以擔當如此複雜多樣的生命遺傳信息載體的重任。
但與此同時，不斷有一些新的發現提示DNA確有可能是遺傳物質。上世紀30年代末40年代初，德國、美國科學家相繼發現，特定波長的紫外線能引起微生物的大量突變，而微生物體內對這特定波長紫外線吸收最強的物質是DNA [9,10]。幾乎與此同時，英國和美國的科學家完成了兩個著名的實驗，為DNA是遺傳物質提供了直接證據，即1928-1944年由英國細菌學家弗萊德裏克·格裏菲斯（Frederick Griffith）和加拿大裔美國醫生奧斯瓦爾德·艾佛裏(Oswald T. Avery)完成的肺炎雙球菌轉化實驗[11,12]，以及1951-1952年由美國細菌學家阿爾弗萊德·赫氏（Alfred D. Hershey）和美國遺傳學家瑪薩·查斯（Martha Chase）完成的噬菌體感染試驗[13,14]。這兩個著名實驗觀察到的是，DNA可以在親代與子代間傳遞，且這種傳遞與生物性狀的遺傳有關，而蛋白質不能。他們得出的結論是：DNA是遺傳物質，基因就是DNA。自此，對DNA如何攜帶遺傳信息即DNA結構的研究拉開大幕。
DNA雙螺旋結構的發現—號角吹響
上世紀四十年代末五十年代初，隨著DNA是遺傳物質被確認，一大批一直密切關注、跟蹤這一領域的科學家迅速將自己的研究轉入到DNA的結構上來。生命是複雜的，構成生命的生物大分子也是複雜的，因此要破解DNA是如何攜帶並遺傳生物信息，不是一件容易的事。但科學家知道，任何複雜的生物分子，其功能最終會在其結構中找到答案。於是從上世紀五十年代初開時，探索DNA的結構成了生命科學研究中最令人矚目的領域。
生物大分子的結構分為初級結構（也叫一級結構）和高級結構（包括二級結構、三級結構、甚至四級結構）。比如蛋白質分子，其一級結構是指構成蛋白質的氨基酸的組成和排列順序，二級結構是指在一級結構基礎上多肽鏈的折疊和盤旋規律，等等。對DNA分子而言，當時已知該大分子是由四種單核苷酸組成，但這些核苷酸是通過何種化學鍵，按怎樣的順序相互連接形成一級結構，然後有怎樣盤旋折疊形成二級結構，都屬未知，因此就成了上世紀四十年代末五十年代初眾多科學家急欲攻克的課題。
自有人類文明以來，人與自然的戰鬥從未停止，並越發激烈；十七世紀以後，一係列重大的科學發現徹底改變了人的生活，改變了人對自然的認識，改變了世界。在這三、四百年中，重大科學發現浩如煙海，對人類生產生活產生重大影響的也不計其數，其中尤其以艾薩克·牛頓（Issac Newton）的萬有引力定律（The law of gravity），阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）的相對論（The theory of relativity）,查爾斯·達爾文（Charles Darwin）的物種起源（The origin of species），以及瑪麗·居裏（Marie Curie）的物質的放射性（Radioactivity）等最為璀璨奪目。然而，作為遺傳物質的DNA的雙螺旋結構的發現，不論就其巨大的科學意義還是其對人類生產與生活的巨大影響，都理所當然地屬於人類有史以來最偉大的科學發現之一，如果“之一”二字暫時還不能去掉的話。一大批當時最優秀的科學家，在競爭中合作，在合作中競爭，將他們的科學精神與創造能力發揮到了極致，在DNA被確認為遺傳物質之後不到三年的時間內，就破解了這堪稱全世界甚至整個宇宙（基於目前人類對宇宙的認知水平）最重要的物質的結構，從而為人類認識生命的本質提供了科學密碼，也為人類健康及戰勝各種疾病開辟了一條寬廣的大道。
DNA雙螺旋結構的發現—鋪墊準備
上世紀四十年代末五十年代初脫氧核糖核酸作為遺傳物質的確認，立刻吸引了全世界眾多優秀科學家加入到DNA結構的研究隊伍中來，一場空前激烈的競爭，在悄無聲息中拉開了序幕。在這支龐大的研究隊伍中，有若幹個小組最為引人注目，他們也都為DNA空間結構的最終闡明作出了貢獻。這些研究小組及其科學家來自世界各地，但主要來自於歐洲和美國。
查加夫小組
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鄂文·查加夫（Erwin Chargaff），美國生物化學家，哥倫比亞大學教授，1905-2002 |
要闡明DNA的結構，首先需要解決的問題是知道DNA分子中四種核苷酸的比例，或者說四種堿基AGCT的比例。最早對這一問題作出重大發現的是美國哥倫比亞大學生物化學家鄂文·查加夫（Erwin Chargaff）。查加夫發現，在人體細胞的DNA分子中，嘌呤核苷酸的數目和嘧啶核苷酸的數目總是相等，或者說，人DNA分子中腺嘌呤和鳥嘌呤的數目總是與胞嘧啶和胸腺嘧啶的數目相等；進一步的研究則證明，同一物種DNA分子中腺嘌呤的數目總是與胸腺嘧啶的數目相等，而鳥嘌呤的數目總是與胞嘧啶的數目相等[15]。在今天看來，這一發現的重大意義不論怎樣強調都是不過分的，因為這為DNA是雙股螺旋而不是單股螺旋或三股螺旋，以及DNA攜帶的遺傳信息如何從親代傳到子代等重大問題提供了解釋。
查加夫1905年出生於奧地利維也納，1927年獲得維也納大學化學學士學位，1928年來美國，後就職於哥倫比亞大學，開時從事核酸特別是DNA的研究。他提出的DNA分子中堿基比例的規則為DNA雙螺旋結構的發現奠定了基礎，被稱為查加夫規則（Chargaff’s Rules）[16]。DNA結構的最終闡明完成於別的研究小組，即沃森-克裏克小組，他們的決定性論文發表於1953年4月。但值得注意的是，直到1952年春天，沃森和克裏克一直對DNA結構的幾個關鍵問題束手無策，研究無法向前推進。1952年5月，查加夫在劍橋大學與沃森和克裏克有一次非正式會麵，期間查加夫向二人簡要談及了自己的最新發現，即在DNA分子中，腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩爾數為1:1，鳥嘌呤和胞嘧啶的摩爾數也為1:1。多年後查加夫回憶，二人聽了他的話後沒什麽反應，表情平靜，因此查加夫斷定這兩個年輕人無非平常之輩，難有大的作為。但實際上，不論從多年後沃森和克裏克的回憶文章中，還是根據事情發展的邏輯，都能肯定：查加夫有意無意間透露出去的關於DNA分子中堿基比例的信息，為沃森和克裏克的衝刺道路掃開了一個重要障礙，因此他們當時平靜的外表下麵肯定是掩藏著劇烈跳動的心。
但就在完成了這一重要發現後不久，查加夫開時強烈質疑分子生物學研究，特別是基於細胞核和DNA的研究。他認為，僅靠實驗室研究人類永遠無法探知生命的奧秘，並且對細胞核和遺傳基因的研究是極其危險的，其危險性遠大於對原子核和核武器的研究。更有甚者，查加夫作為著名學術期刊《生物化學雜誌》（Journal of Biological Chemistry）的審稿人，竟然毫無理由地拒絕接收非常優秀的論文稿件，比如報告聚合酶鏈式反應（Polymerase Chain Reaction, PCR）的稿件，而這篇論文的作者因為論文中闡述的重大發現，不久獲得了諾貝爾獎。查加夫因此與世界各國的眾多同行關係緊張，據說他也因此錯過了諾貝爾獎。他關於DNA堿基比例的發現，被認為是應該獲得諾貝爾獎的，但沒有人推薦他，諾貝爾獎評獎委員會也有意遺漏。更有甚者，沃森和克裏克（還有威爾金斯）因發現DNA雙螺旋結構而於1962年獲得諾貝爾獎之後，查加夫致信全世界科學家宣布自己退出科學研究工作。查加夫2002年在紐約去世，享年97歲。
威爾金斯-富蘭克林小組
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莫裏斯·威爾金斯（Maurice Wilkins），英國物理學家，倫敦國王學院教授，1962年生理學或醫學諾貝爾獎獲得者，1916-2004 羅瑟琳·富蘭克林（Rosalind Franklin），英國生物物理學家，倫敦國王學院研究助理，1920-1958 |
與查加夫在哥倫比亞大學進行DNA化學組成研究相同步，另外一個小組正在倫敦國王學院（King’s College London）進行DNA結構研究，即莫裏斯·威爾金斯（Maurice H. Wilkins）和羅瑟琳·富蘭克林（Rosalind Franklin）小組。
上世紀二十年代開始，X-射線衍射技術逐漸成為研究生物大分子高級結構的有效手段。這項技術由英國物理學家勞倫斯·布拉格（Lawrence Bragg）創立，是通過對結晶的有機大分子的X-射線衍射影像進行處理分析從而得到分子中各原子之間距離和關係的數據，進而計算出分子的空間結構。該技術雖然是研究有機大分子空間結構的有效手段，但當時真正熟練掌握這種方法的人很少，因為這種技術涉及數學、物理學、化學和晶體學，需要在這些領域擁有紮實的基本功。在為數不多的能夠熟練使用這種技術的科學家中，有一位名叫莫裏斯·威爾金斯，還有一位是他的同事，即羅瑟琳·富蘭克林。
威爾金斯1916年出生於新西蘭，六歲時全家移居英國伯明翰。1935年威爾金斯進入劍橋大學聖約翰學院學習物理學，1938年獲得學士學位，然後進入伯明翰大學成為著名生物物理學家約翰·蘭德爾（John Landall）的博士研究生，於1940年取得博士學位，此後一直跟隨蘭德爾工作。在蘭德爾的建議與推動下，英國醫學研究委員會於1946年在倫敦國王學院物理係建立了生物物理學研究中心，旨在推動用物理學方法研究生命科學。倫敦國王學院聘請蘭德爾為物理學係主任兼生物物理學中心主任，蘭德爾隨之邀請威爾金斯加入研究中心並任主任助理。
威爾金斯在倫敦國王學院進行的DNA結構研究工作分為兩個階段，即1950-1951的第一階段和1951-1952的第二階段。在第一階段，威爾金斯使用的DNA來自德國波恩大學有機化學家魯道夫·賽納爾（Rudolf Signer），是從羊精子和小牛胸腺中所提取，其純度比之前他自己提取的有很大提高。威爾金斯發現，當濃度足夠高時，溶液中的DNA可以形成結晶，而結晶中的DNA分子會形成高度有序的矩陣排列，經X-射線照射可產生清晰且具有可讀性的衍射光譜。此時威爾金斯已充分意識到通過X-射線衍射解析DNA結構的幾個關鍵所在：高純度的DNA及DNA結晶化，更先進的X-射線衍射儀，高質量的DNA晶體X-射線衍射圖像，對圖像的分析和計算。高純度DNA可以從塞納爾處獲得，新的X-射線管和顯微照相機也已經訂購，但如何獲得高質量的衍射圖並對衍射圖進行正確計算和解析，威爾金斯仍然一籌莫展，研究工作也因此進展緩慢。恰在此時，在DNA雙螺旋結構發現中起到重要作用的一個人出現了，她就是羅瑟琳·富蘭克林；以富蘭克林的加入為開始，威爾金斯的研究工作進入第二階段，並很快取得關鍵突破。
富蘭克林1920年出生於英國，1941年劍橋大學畢業獲得自然科學學士學位，後繼續在劍橋大學攻讀物理化學（Physical Chemistry），1945年獲得博士學位。1946-1951年富蘭克林在法國國家科學研究院（the French National Centre for Scientific Research) 做博士後，從事X-射線結晶學研究，五年的訓練使其成為傑出的X-射線晶體學家。此時英國倫敦國王學院物理學係主任著名生物物理學家約翰·蘭德爾正在籌建生物物理研究中心，他知道富蘭克林在X-射線晶體學方麵的造詣，因此力邀其加入該中心，從事蛋白質空間結構研究。富蘭克林仰望蘭德爾的名聲以及倫敦國王學院的研究條件，並為蛋白質結構研究的廣闊前景所吸引，遂於1951初回到故鄉英國，進入倫敦國王學院生物物理學研究中心。此時，威爾金斯正全身心致力於用X-射線衍射方法揭示DNA結構的研究，但進展很慢，主要原因是他一直不能獲得高質量的DNA晶體X-射線衍射圖片，且對圖片的解析存在困難。他聽說有一位造詣極深的X-射線晶體學家即將到來，便竭力說服蘭德爾，請他讓富蘭克林加入自己的小組從事DNA研究。
富蘭克林是抱著對蛋白質研究的一腔熱情來到國王學院的，因此當蘭德爾建議她進入威爾金斯的DNA課題組時很是失望。蘭德爾告訴富蘭克林，蛋白質高級結構研究固然重要，但現在已經確認DNA才是遺傳物質，因此破解DNA的高級結構更重要；並且，威爾金斯已經完成了很多的基礎工作，這些工作越發顯示用X-射線衍射技術揭示DNA的空間結構大有希望。蘭德爾還特別強調，一批十分優秀的化學家正在全力攻克蛋白質結構，如雷納斯·鮑林，勞倫斯·布拉格，麥克斯·佩魯茲（Max Perutz）以及約翰·安德魯（John Andrew），富蘭克林與其去與這些已經名冠全球的大牌競爭，不如進入剛剛興起且沒有重量級競爭對手的DNA領域。富蘭克林被說服了，於1951年初加入了威爾金斯研究組。在今天來看，很難說蘭德爾當年對富蘭克林的勸告是對還是不對。當時蛋白質空間結構研究的幾個領軍人物，如上述的鮑林，佩魯茲和安德魯不久後都因對蛋白質結構的巨大貢獻而獲得了諾貝爾獎。如果富蘭克林當年進入這一領域與他們競爭，肯定困難重重，但也可能像他們一樣登上諾貝爾獎領獎台。何況，這位優秀的女科學家在為DNA空間結構的破解作出了重大貢獻之後，由於種種原因，她沒有分享到任何榮譽，甚至在很長時間內飽受非議。
富蘭克林加入威爾金斯課題組後，很快建起了一個高標準的X-射線衍射實驗室，並與威爾金斯的博士研究生雷蒙德·戈斯林（Raymond Gosling）開始具體工作。1951年11月初，富蘭克林拍攝了第一張DNA晶體X-射線衍射圖片（A型圖片，DNA含水量低）；11月中旬，她在國王學院的報告會上報告了對這張圖片解析得出的結論：DNA分子呈螺旋狀，磷酸和戊糖基團位於螺旋骨架的外側，而堿基位於骨架內側[17]。在今天看來，富蘭克林得出的這些結論為DNA雙螺旋結構的最後發現提供了至關重要的信息，或者說是打通了通往DNA雙螺旋結構的大門。但也就是從這時開始，她與威爾金斯之間的矛盾開始加深。
富蘭克林聰明能幹，業務能力強，為人正直，性格倔強。與之相反，威爾金斯少言寡語、性格靦腆。威爾金斯本來指望富蘭克林來後可以做自己的助手，但現在看來這位倔強的女子大有喧賓奪主之意，至少是想獨立門戶。在旁觀者看來，二人之間的矛盾有一部分是由於誤解，而這誤解與蘭德爾有關[17]。在富蘭克林看來，她受蘭德爾邀請加入生物物理研究中心是獨立受聘，所以應該獨立開展工作，盡管在形式上隸屬於威爾金斯的課題組；在威爾金斯看來，富蘭克林是他和蘭德爾請來給自己的課題提供幫助，是來給自己做助手的。就這樣，從1952年開始，兩人之間在工作上若即若離，少有合作。1952年5月，富蘭克林拍攝到了第二張質量更高的DNA晶體的X-射線衍射圖片（B型圖片，DNA含水量稍高），這進一步加強了之前對DNA分子擁有螺旋結構的認識，同時也獲得一些新的重要信息。這時富蘭克林開始撰寫和投稿論文，分別論述DNA在不同含水量情況下的結構；這些論文於1953年5月到9月陸續以富蘭克林和戈斯林的名義在《自然》和《紐約科學院年鑒》等著名學術期刊上發表[18-20]。與此同時，威爾金斯也在暗暗發力，他借助富蘭克林的DNA圖片，力爭從另外的角度對DNA結構研究有所突破。與富蘭克林兩耳不聞窗外事隻顧埋頭做實驗發論文不同，威爾金斯時刻關注有關領域的進展與動態，而這更讓他充滿危機感，越發不敢怠慢。他非常清楚，除了查加夫和富蘭克林，還有劍橋大學的兩個年輕人和遠在六千英裏之外的加州理工學院那位剛剛發表了蛋白質a-螺旋理論的結構學大佬，這些人都在對DNA結構虎視眈眈；他知道衝刺的時刻就要到了。
鮑林小組
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雷納斯·鮑林（Linus Pauling），美國化學家，加州理工學院教授，1954年諾貝爾化學獎獲得者，1962年諾貝爾和平獎獲得者，1901-1994 |
上世紀五十年代之前，人們普遍相信蛋白質是遺傳信息的攜帶者，基因是蛋白質，因此很多化學家和結構生物學家都致力於破解蛋白質的高級結構。這其中最有代表性的，是時任美國加州理工學院（California Institute of Technology, CIT）化學係教授的雷納斯·鮑林，其因發現蛋白質的a-螺旋和b-折疊結構於1954年獲得諾貝爾化學獎，後因聯合全球科學家反對核試驗、呼籲和平，於1962年獲得諾貝爾和平獎。
鮑林1901年出生於美國俄勒岡州，從小頑皮好動。臨近高中畢業，鮑林還差兩門課沒有修完。鮑林向校長申請利用最後一個暑假補修這兩門課，但遭到拒絕，因此鮑林未能獲得高中畢業文憑，也因此隻被俄勒岡農學院錄取。1962年鮑林第二次獲得諾貝爾獎後不久，收到高中母校的來信，告訴他學校決定授予他榮譽文憑，此時距他高中畢業已經四十五年了。
在俄勒岡農學院的四年裏，鮑林係統學習了化學有關的課程，1922年畢業獲得化學工程學士學位，隨即進入加州理工學院攻讀物理化學和數學物理學，1925年畢業獲得博士學位。在加州理工的三年裏鮑林發表了七篇研究論文，研究內容主要是礦物質的晶體結構。1926年鮑林獲得到歐洲訪問研究的獎學金，於是前往德國、丹麥和瑞士從事原子結構方麵的研究，這期間他的導師包括奈爾斯·玻爾（Niels Bohr，丹麥物理學家，原子模型和電子雲理論創立者，1922年諾貝爾物理學獎獲得者）和鄂文·薛定諤（Erwin Schrödinger，奧地利理論物理學家，量子物理學創始人，1933年諾貝爾物理學獎獲得者）。返回美國後，鮑林受聘於加州理工學院任理論化學助理教授，繼續量子化學研究。在這期間鮑林認識了加州大學伯克利分校（University of California, Berkeley）物理學係教授羅伯特·奧本海默（原子物理學家，美國第一顆原子彈的設計者；三次獲諾貝爾獎提名，但均因他的主要成就皆與原子彈有關而未能獲獎），並成了好朋友，二人經常相互訪問，討論量子化學、電子雲、化學鍵等問題。但接下來發生的事讓他們的友誼戛然而止：1934年的一天，奧本海默趁鮑林不在家時突然造訪，請求鮑林的妻子愛娃·海倫（Ava Helen）跟他私奔去墨西哥。海倫斷然拒絕，並將此事告訴了丈夫，鮑林從此跟奧本海默斷絕了關係。
鮑林從1920年開始化學鍵以及通過化學鍵解析分子結構的研究，這一研究從此貫穿他的一生。鮑林一生發表研究論文和出版專著共約1,200篇（部），這在科學史上是難以超越的。鮑林的研究成果不但表現在數量巨大，更表現在質量極高之上。鮑林1939年出版的專著《化學鍵的本質》至今被引用超過16,000次，該書至今仍是暢銷書；書中闡述的關於共價鍵、離子鍵的理論，多出於他自己的研究成果，且至今仍是大學化學教材上的重要章節。1920-1940的二十年，鮑林的研究主要集中於原子的結構、電子雲和化學鍵，1941-1951年的十年，鮑林的研究集中於用自己創立的化學鍵理論解析大分子的結構特別是高級結構，並發現了球蛋白和纖維蛋白的二級結構：a-螺旋（a-helix）和b-折疊（b-sheet）。1950-1952三年中，鮑林和同事羅伯特·考瑞連續在《美國科學院學報》（Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS）和《美國化學學會期刊》（Journal of The American Chemical Society，JACS）連續發表一係列重要論文，對蛋白質的二級結構做了全麵而深刻的論述[21-24]。從五十年代初開始，鮑林的研究開始向DNA的空間結構轉移，因為此時已有充分的證據表明DNA才是遺傳物質，而蛋白質不是。與威爾金斯及富蘭克林等人不同，鮑林對DNA空間結構的研究主要不是使用X-射線衍射技術，而是繼續依賴他的化學鍵理論。他知道在美國的另一邊哥倫比亞大學校園裏查加夫正在進行DNA結構的研究，並解析了DNA分子中堿基的比例，這當然非常重要；他也知道在倫敦的國王學院，有一個叫威爾金斯的和一個叫富蘭克林的人正在用X-射線衍射方法研究DNA的結構，似乎也取得了一些結果；他甚至知道在劍橋校園裏還有兩個年輕人也在窺探這個東西。鮑林對這些統統沒太在意，因為在他眼裏，這些在大分子結構領域的後來人還都太年輕—這不一定指年齡上，更多的是指學術成就上—因此是不足以跟自己競爭的。何況，他此時已經對DNA的二級結構基本心中有數了—它應該是由三股螺旋相互纏繞而成。
根據自己多年研究蛋白質結構的經驗，結合X-射線衍射得到信息數據，鮑林很快建立了DNA空間結構模型。根據此模型，完整且有功能的DNA由三條多核苷酸鏈組成，三條鏈相互之間依靠磷酸基團之間的氫鍵結合，沿著中軸線纏繞在一起形成三股螺旋；三股螺旋形成後，磷酸基團位於中軸的最中間，即螺旋的最裏層，其次是戊糖，而堿基則暴露於三股螺旋的最外側。1952年12月，鮑林完成了這個DNA三螺旋模型的論文初稿，但在投稿之前，他覺得應該先給兒子彼得·鮑林寄去一份，一方麵想讓兒子分享自己的最新成果，同時對這篇文稿還有一些細節需要思考和修改。彼得·鮑林（Peter Pauling）是鮑林的第二個兒子，生於1931年，此時正在劍橋大學卡文迪許實驗室跟著名生物化學家麥克斯·佩魯茲讀研究生。鮑林在給兒子寄去論文稿件的同時，還寫了一封信，在信裏鮑林特別強調不要把自己已經建立了DNA模型的事告訴此時也在劍橋的兩個人，即詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克裏克；鮑林雖然很自信自己一定會最先破解DNA結構，但多年的研究經驗告訴他，在一切還都沒有明朗之前，在同行之間保密的極其重要性。鮑林當時絕沒有想到，他的寶貝兒子在收到他的信的當天，就把信和論文手稿一塊給沃森和克裏克看了。鮑林一生兩次獲得諾貝爾獎，取得的成績和榮譽無數，但沒有摘取DNA結構這顆桂冠，是他的一大遺憾，特別是在已經非常接近了的情況下。鮑林於1994年在美國加州的家中去世，享年93
DNA雙螺旋結構的發現—最後衝刺
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弗朗西斯·克裏克（Francis Crick），英國分子生物學家，劍橋大學教授，1962年生理學或醫學諾貝爾獎獲得者，1916-2004 詹姆斯·沃森（James Watson），美國分子生物學家，冷泉港實驗室教授、主任，1962年生理學或醫學諾貝爾獎獲得者，1928- |
自然科學研究有一句名言，即“站在巨人的肩膀上”，意指重大發現需要積累。但不能否認的是，和任何事情一樣，科學研究也有運氣的成分。但不管怎樣，任何偉大的科學發現，都需要付出艱苦的努力，都需要持之以恒的堅持，都需要最後時刻的衝刺。DNA空間結構的研究，經過哥倫比亞大學查加夫小組、國王學院威爾金斯—富蘭克林小組和加州理工鮑林小組約兩年的鋪墊和積累，現在到了最後衝刺的時候了，隻是當時沒人能想到，第一個衝過終點線的，是名不見經傳的兩個年輕人。
1916年，在英國北安普敦的一個小村莊出生了一個男孩，父母給他起名弗朗西斯·克裏克（Francis Crick）。上小學時弗朗西斯經常去住在附近的叔叔家玩，在那裏叔叔教他吹玻璃、做化學實驗，這是他的最初的科學啟蒙。十四歲時，弗朗西斯獲得一個激勵自然科學興趣的獎學金，因而得以進入倫敦有名的米爾山中學（Mill Hill School），在那裏他得到了非常好的探求自然科學基礎知識的機會，特別是對數學、物理和化學。多年後弗朗西斯回憶說他在科學研究中取得成功受惠於小時候在米爾山中學受到的良好訓練。
1933年從米爾山高中畢業後，弗朗西斯進入倫敦大學學院（University College of London， UCL），1937年畢業獲得自然科學學士學位，然後繼續在UCL攻讀博士學位。在接下來的十年裏，弗朗西斯先後在倫敦大學學院，劍橋大學貢維爾-凱烏斯學院（Gonville & Caius College, Cambridge）工作，努力完成博士論文，但由於第二次世界大戰的嚴重幹擾，工作很不順利，研究方向也一再改變。這十年裏弗朗西斯從事的研究主要在物理學方麵，研究課題有高溫條件下水的粘度變化，磁性和聲學地雷的設計，等。1947年是弗朗西斯人生的低穀年，這一年他與結婚已經七年了的妻子露絲·克裏克（Ruth D. Crick）離了婚，工作也不順利，博士論文沒有進展，不得不又換專業、換地方，31歲時進入劍橋大學實驗動物學家郝諾·費爾（Honor Fell）實驗室，開始了他的生物學研究。弗朗西斯從物理轉入生物，跟他剛剛讀了著名量子物理學家鄂文·薛定諤 （Erwin R. J. Schrödinger）所著的《生命是什麽》（What is life）一書有關。在這部篇幅不長的著作中，薛定諤認為“基因”是生命最核心的秘密，找到基因、破解基因的化學和物理學本質將是未來生命科學研究的核心。經過兩年的基礎生物學訓練，弗朗西斯於1949轉入劍橋大學卡文迪許實驗室佩魯茲-肯德魯課題組，開始進行蛋白質高級結構研究，因為當時普遍認為蛋白質是最重要的生物大分子，基因就是蛋白質。也在這一年，弗朗西斯再婚，妻奧迪爾·斯碧德（Odile Speed）是一名畫家。此時弗朗西斯已經33歲了，在追求博士學位的道路上已經艱難地跋涉了12年，卻仍學無所成。但後來的事實證明，轉入卡文迪許實驗室是弗朗西斯一生的關鍵轉折，是他走向成功的重要一步。
自1949年進入卡文迪許實驗室，弗朗西斯一直跟佩魯茲做蛋白質結構研究，使用的方法是X-射線衍射。此時正是蛋白質高級結構研究最火熱的時期，其中最有代表性的人物就是鮑林、佩魯茲和肯德魯，因此這段時間內弗朗西斯親身見證了很多蛋白質研究的重大突破，如蛋白質二級結構a-螺旋和b-折疊的發現和鯨魚血紅蛋白高級結構的破解，等。弗朗西斯聽過鮑林關於蛋白質a-螺旋結構的報告，對他的螺旋模型印象深刻，也非常羨慕。但是，弗朗西斯自己還是沒有取得任何令人矚目的成績，也仍然沒有完成博士論文。這時，他讀到了美國細菌學家阿爾弗萊德·赫氏和遺傳學家瑪薩·查斯的關於細菌感染噬菌體的論文[13,14]，其中說“DNA可能攜帶遺傳信息，而蛋白質不能”，這使弗朗西斯感到震驚，開始暗暗關注DNA。他常常是手上做著蛋白質實驗，心裏卻想著DNA。他有時想，DNA會不會也像蛋白質一樣是一種螺旋結構？每想到這些他都會很激動，但他知道自己不年輕了，至今還沒有博士學位，研究方向一變再變，因此不好意思再跟導師佩魯茲提出想轉向DNA，他也知道佩魯茲肯定不會同意。在這種痛苦與糾結中，工作自然沒什麽大突破，但他對DNA的迷戀卻與日俱增。正在此時，一位來自美國的博士後加入了卡文迪許實驗室佩魯茲-德魯課題組，這個人的到來改變了弗朗西斯的命運，也開啟了分子生物學的新時代。他就是詹姆斯·沃森（James Watson）。
詹姆斯1928年出生於美國芝加哥，是父母唯一的孩子。受父親影響，少年詹姆斯熱衷於觀察鳥類，非常癡迷。1943年，15歲的詹姆斯被芝加哥大學錄取，學習鳥類學，1947年畢業獲得動物學學士學位。畢業前一年即1946年，詹姆斯讀了薛定諤的《生命是什麽》，被其中描寫的“基因”的神奇所吸引，遂決定放棄鳥類學而轉學遺傳學。詹姆斯於1947年進入印第安納大學讀研究生，師從薩爾瓦多·盧裏亞（Salvador E. Luria，美國微生物學家，因發現病毒的複製機製獲1969年度諾貝爾生理學或醫學獎），從事病毒複製機製的研究，並於1950年畢業，獲得博士學位，這一年詹姆斯22歲。這三年裏詹姆斯的研究工作主要是用噬菌體感染細菌，然後觀察噬菌體DNA如何在細菌細胞內複製[25-27]。工作完成的很出色，但詹姆斯覺得這仍與他的最終目的—解開基因和DNA的秘密—相差太遠。怎麽辦？在盧裏亞的建議和推薦下，詹姆斯於1950年9月前往丹麥哥本哈根大學（Copenhagen University）從事為期一年的博士後研究，這期間被導師帶去意大利那不勒斯參加生物大分子國際會議。詹姆斯本不想去意大利，但聽說倫敦國王學院的約翰·蘭德爾（John Randall）教授會在大會上做關於X-射線衍射和DNA結構方麵的報告，他還是去了，因為這段時間他的腦子一直被基因、DNA占據著。但蘭德爾並沒有來參加會議，而是讓他的助理莫裏斯·威爾金斯博士代替他參會並做報告。多年後詹姆斯回憶說，這次歐洲之行的最大收獲是聽了威爾金斯的報告。威爾金斯在報告中多次提到的一句話是“一旦知曉了DNA的結構，就可以更好地理解基因是如何工作的”，這給詹姆斯留下了深刻印象；在報告臨近結束時，威爾金斯用幻燈機播放了一張圖，這是一張DNA晶體的X-射線衍射圖[27]。詹姆斯相信，當時在場聽報告的人裏麵，應該沒人對這張圖產生特別的興趣，除了他自己。威爾金斯的報告和圖片讓詹姆斯更確信了自己一直以來的推測：基因可能具有規則的結構。既然用比較簡單的方法（指X-射線衍射）就能測得DNA的結構，為什麽自己不試一試呢？那麽現在最要緊的就是學會X-射線衍射技術以及如何解析圖片。於是，詹姆斯找到威爾金斯，跟他說想去國王學院加入他的課題組，做X-射線和DNA結構研究。但威爾金斯沒表現出什麽熱情，甚至有些冷淡。詹姆斯也想到了雷納斯·鮑林，這位加州理工的大拿是首屈一指的有機大分子結構學家，他剛剛破解了蛋白質的高級結構，現在正如日中天，學界普遍相信諾貝爾獎正在不遠處等著他，這樣看來以自己無名小輩的身份要進入他的課題組太難了。想來想去，詹姆斯決定去英國，到劍橋卡文迪許實驗室佩魯茲的課題組。他知道，佩魯茲正在用X-射線衍射技術破解鯨魚血紅蛋白和肌紅蛋白的結構，這裏應該也是學習這項技術的好地方[27]。於是，在征得了盧裏亞的同意和支持後，詹姆斯於1951年底來到劍橋，加入了佩魯茲-肯德魯課題組。
詹姆斯到劍橋大學卡文迪許實驗室佩魯茲課題組工作的第一天就知道自己來對了地方，因為他跟已經在這裏工作了兩年的弗朗西斯一見麵就有一種相見恨晚的感覺。他們很快就聊到了DNA，弗朗西斯發現終於有人也跟他一樣認可DNA的重要性，可以一塊深入討論DNA了；詹姆斯則覺得自己非常幸運，因為有了弗朗西斯，自己不必再花很多時間學習X-射線衍射技術了。但他們很快就清醒過來，因為他們來到這裏都是有早已確定了的課題的，都是研究蛋白質而不是DNA。於是他們暗自商定，在實驗室的工作時間內仍然做肌紅蛋白的有關試驗，對DNA的研究則在私下裏悄悄進行。
但是從哪裏開始呢？對此弗朗西斯早已胸有成竹。他認為，既然鮑林能用建模型的辦法揭開蛋白質的結構，那我們為什麽不能也用建模型來揭開DNA的結構呢？說幹就幹，但不能在實驗室裏進行，隻好在宿舍裏。他們從各處收集到一些細鐵棒、鐵皮、夾子，先用鐵皮做成不同形狀的幾何體，如五邊形的代表戊糖，六邊形的代表嘧啶，一個五邊形和一個六邊形相連代表嘌呤，那些粗細長短不等的細鐵棒則代表不同的共價鍵，等。他們首先假定DNA分子含有很多按規則直線排列的核苷酸，所有核苷酸之間的鍵都是一樣的。今天知道，弗朗西斯和詹姆森開始合作之初所假設的這兩點都是正確的，這為他們沿著這條路線快速推進奠定了基礎。據他們自己後來說，他們之所以一開始就能提出接近事實的假說，一是他們堅定地認為，宇宙間一切事物都應遵循“簡約”原則，即凡事能簡單則簡單，複雜的東西之所以複雜是因為沒有辦法簡單，因此DNA也一樣，在還沒有試嚐簡單的情況下就去試嚐複雜是沒有道理的。二是因為如果核苷酸不是以最簡單的方式直線連接和排列的話，就無法解釋他們從羅瑟琳·富蘭克林和莫裏斯·威爾金斯那裏看到的DNA的X-射線衍射圖片；他們在一年前（1951年）從莫裏斯那裏看到過一張羅瑟琳拍攝的DNA晶體的X-射線衍射照片，這張照片使他們相信DNA是以一種規則的重複性的結構而存在[28]。他們很快按照這些條件擺出了一個粗略的模型，但立刻意識到，他們必須首先解決的問題，是DNA分子中有幾條這樣的多核苷酸鏈。他們首先排除了一條鏈的可能性，因為X對-射線衍射圖片的計算顯示DNA螺旋的直徑略大於單條多核苷酸鏈。那麽，最大的可能性應該就是兩條鏈或者三條鏈，因為這都與螺旋直徑的估算值吻合；而四條或者更多條鏈既與螺旋直徑數據不符，也違背他們堅信的“萬物簡約”原則。於是，每天在實驗室完成肌紅蛋白的實驗後，詹姆斯和弗朗西斯回到宿舍即全力以赴擺弄他們的模型，試圖建起一個DNA分子雙股螺旋或三股螺旋的模型。
但事情是複雜的，不論兩條鏈還是三條鏈，要確定各個原子（碳、氫、氧、氮、磷）和基團（磷酸、戊糖、嘌呤、嘧啶）之間的空間關係並將它們合理地組裝，涉及到很多具體的物理學和化學知識，如原子半徑、電子軌道、共價鍵和氫鍵的剛性、鍵角，等。他們一邊查閱資料一邊討論，一邊組裝，但進展仍然緩慢，他們也不免有些心生倦意。
在悄無聲息中1953年新年來到了，他們的工作依然沒有突破；更糟糕的是，他們一直擔心的事情發生了。新年剛過的一天下午，彼得來到實驗室，他的表情顯示他有要事相告[28]。彼得帶來了一封信和一份手稿，是他父親剛剛寄來的。彼得的父親雷納斯·鮑林，就是那個遠在大西洋彼岸剛剛破解了蛋白質空間結構的著名人物。彼得是鮑林的第二個孩子，此時正在卡文迪許實驗室讀研究生，打算學成之後像他父親一樣在生物大分子結構領域有所建樹，這也是他父親的期望。彼得加入卡文迪許的時間不長，但跟詹姆斯和弗朗西斯一見如故，很快成了好朋友，三人經常一塊討論DNA，也經常一塊去飯館或酒吧。他父親在給他的信中告訴他自己剛剛建立了一個DNA空間結構的模型，他相信他的這個模型是正確的，這將是他破解蛋白質高級結構之後的又一重大成就，其意義甚至更大。他準備對手稿進行最後的修改之後就投給《美國科學院院報》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，PNAS）發表。他將手稿隨信一塊寄給了彼得，還附了一張DNA模型草圖。出於同行競爭的考慮，雷納斯在信中告訴兒子，先不要將此事告訴卡文迪許實驗室的兩個年輕人（指詹姆斯和弗朗西斯）。雷納斯盡管沒太把劍橋的這兩個名不見經傳的年輕人放在心上，但最近一年來他越來越明顯地感覺到來自他們的競爭—這兩個年輕人似乎並非等閑之輩。
彼得當然知道闡明DNA空間結構的重大意義，知道科學研究首創性的重要性，知道同行之間競爭的殘酷性，因此也清楚將父親的研究結果在其還沒有發表前就讓他的兩個朋友知道意味著什麽。但是，彼得還是在第一時間將信和手稿交給了詹姆斯和弗朗西斯。據多年後彼得自己所說，他之所以這樣做，是因為他的兩位好朋友對DNA的迷戀讓他感動，他一直希望能給他們一些什麽幫助，並且他覺得科學不應保密，而應該共享。
詹姆斯緊張地接過彼得遞過來的信和文稿，對文稿摘要和前言一掃而過，而迅速將注意力放在了結論上。雷納斯文稿的結論是：DNA由三股多核苷酸鏈構成，三股鏈相互纏繞構成螺旋，螺旋沿著中軸盤旋上升，戊糖和磷酸位於螺旋的內側，而堿基位於螺旋外側。詹姆斯又急切地返回到討論的部分，在這裏雷納斯詳細討論了DNA結構的有關具體數據，以及得出結論的詳細依據。讀到這裏詹姆斯已無心再讀下去了--一切都完了，遊戲結束了，他們輸給了加利福尼亞的那個老鬼頭，而劍橋也又一次輸給了加州理工。
當天晚上，詹姆斯和弗朗西斯來到附近的一家小酒館，點了酒菜，相對無言地喝起來，除了間或歎口氣，他們基本沒說什麽話，直到半夜各自回家，蒙頭便睡。
詹姆斯醒來時已經是第二天晚上了。他百無聊賴，甚至開始懷疑自己選擇DNA做研究對象是不是錯了。他呆呆地看著桌子上的DNA模型，直到昨天他和弗朗西斯還對它如此熱衷，但現在看起來卻顯得很醜陋，讓人討厭。有好幾次他都想一巴掌過去把它打碎，扔到垃圾桶裏……但是……，似乎有些不對勁……。
他盯著這個花費了自己和弗朗西斯大量心血但仍未完成的模型，腦子裏又出現了鮑林手稿上的草圖。三股螺旋……堿基向外……磷酸基團上的每個羥基都含有一個氫原子……。什麽……？磷酸基團沒有離子化？DNA分子不帶靜電荷？難道鮑林對大分子的酸堿性質進行了革命性的顛覆？如果那樣，其本身的意義甚至不小於發現DNA空間結構！這樣看來，鮑林也許搞錯了？詹姆斯突然打了一個冷顫，不自覺地從床上竄起來，奪門而出。
弗朗西斯的情形跟詹姆斯差不多，隻是比詹姆斯更傷心、更失落，因為鮑林捷足先登對他的打擊更大。他已經36歲了，仍未取得博士學位，事業上幾乎一事無成。為了DNA，他得罪了他的導師佩魯茲教授（佩魯茲知道弗朗西斯在偷偷研究DNA而根本沒把心思用在肌紅蛋白上），跟卡文迪許實驗室主任布拉格爵士鬧得不可開交（他曾指責布拉格剽竊他的學術思想，還曾當眾指出布拉格的一個理論是錯誤的，而布拉格那時已獲得諾貝爾獎，學術聲望正如日中天；他還曾因布拉格幾次提醒他不要總在公眾場合大聲喧嘩—弗朗西斯總是不斷地在走廊、咖啡廳等處將自己的新觀點、新理論向碰到的任何人高聲宣告—而與布拉格爭吵）。這一切都是因為DNA。可是，就在曙光已經出現，終點線已經依稀可見，他終於快要可以向那些看不起他的人證明自己的時候，又被別人超越了；他甚至覺得有些萬念俱滅。昨天晚上在小酒館喝了很多酒，回到家裏躺在床上想著這些往事，一直似睡非睡、似醒非醒、迷迷糊糊。就在這時，他被闖進來的詹姆斯從床上拖了起來。
“弗朗西斯，那老鬼可能搞錯了！”詹姆斯衝著他喊。
在接下來的幾分鍾裏，詹姆斯急切地向弗朗西斯敘述著鮑林DNA模型可能存在的問題，其中最關鍵的是磷酸基團沒有離子化，而這是違背基本化學常識的。
弗朗西斯坐在床上，表情木然；當他大致明白了他的搭檔在說什麽時，就請他把剛才說過的話再說一遍。
於是，詹姆斯放慢語氣，把他發現的鮑林模型可能存在的錯誤又說了一遍。
有那麽幾分鍾他們都沒說話，詹姆斯盯著弗朗西斯的臉，弗朗西斯則麵無表情一動不動地坐在那。
“快，去你那裏！”弗朗西斯突然起身，拉起詹姆斯就衝了出去。
在詹姆斯的宿舍裏，他們又快速地讀了一遍鮑林的手稿，然後又在他們自己的模型前擺弄了一陣。兩人幾乎同時抬起頭，相視著長長地噓了一口氣。現在他們倆已經一致相信：要麽是有機化學的酸堿理論錯了，要麽是鮑林的DNA模型錯了，而他們更相信是後者—酸堿理論作為化學的基本理論已經存在近百年了，已經經受了時間與實踐的檢驗。為了萬無一失，他們用最快的速度找到一本經典的化學著作，得到的信息讓他們鼓舞；為了更加萬無一失，他們又找到劍橋最有名的酸堿化學權威，的到的回答是一樣的：DNA是一種酸，其磷酸基團一定離子化！
遊戲沒有結束，一切還都有可能。他們顧不上感歎像鮑林這樣的大人物為什麽會犯如此低級的錯誤，必須要在老鬼頭發現自己的錯誤前解決問題，而像老鬼頭這樣的大人物隨時都能發現自己的錯誤，也隨時都能糾正錯誤。意識到這一點，詹姆斯和弗朗西斯不敢有片刻遲疑，一頭紮到模型裏麵，隨即又有了新的發現，即鮑林模型的錯誤，從反麵證明了幾個關鍵問題：DNA不是三條鏈；堿基應該位於螺旋內側而不是外側。如果不是三條鏈，那就是雙鏈；堿基如果不在螺旋的外側，那在外側的一定是磷酸。他們很快將這些推論落實在模型上，結果大有希望。但問題也隨之而來，到目前為止他們的模型還主要建立在推論上，缺乏直接的數據證據，何況，即使DNA確實是雙股螺旋，確實是堿基向內磷酸向外，但這螺旋的重複單位、物理學參數等都未知。再退一步，就連DNA是否真的以螺旋形式存在，也沒有堅實的數據證據。詹姆斯和弗朗西斯意識到，要捅破這最後一層窗戶紙，還有一個很大的坎需要跨過。
一月末，詹姆斯和弗朗西斯來國王學院參加一個討論會，見到了既是朋友也是競爭者的莫裏斯和羅瑟琳。在會後的交談中，詹姆斯提到了鮑林的模型以及其中的錯誤。羅瑟琳對此一點兒也不感興趣，竟自走開了；莫裏斯對此似乎也興趣不大，但他提到羅瑟琳不久前拍的一張含水量略高的DNA晶體的X-射線衍射照片（DNA結晶X-射線衍射照片，B型，羅瑟琳·富蘭克林拍攝於1952年5月，照片編號51），並隨手拿出來給兩位朋友看。十六年後詹姆斯在回憶他看到這幅照片時的情景，是這樣描述的：“見到照片的一刹那，我簡直是目瞪口呆……。照片中的排列比我以前看過的(指DNA結晶X-射線衍射照片A型，羅瑟琳·富蘭克林拍攝於1951年11月)都簡單得多；那些醒目的交叉形黑色反射線條充分說明這是一種螺旋結構”[28]。詹姆斯盡量掩飾自己的激動，假裝若無其事地從莫裏斯那裏借了這張圖片，便與弗朗西斯匆匆返回了劍橋。
接下來一個星期詹姆斯和弗朗西斯將自己關在屋子裏，埋頭分析、計算這張圖片，一些至關重要的數據相繼誕生，結論也越發明朗：DNA是螺旋結構；單核苷酸之間以磷酸二酯鍵相連形成多核苷酸鏈；兩條多核苷酸鏈通過堿基配對方式以氫鍵相連構成雙股螺旋；腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）配對，鳥嘌呤（G）與胞嘧啶（C）配對；螺旋每10.4-10.5個核苷酸重複一次，長度34埃（Ao）；螺旋直徑約23.7埃……。
再接下來的一個星期，他們把計算的結果落實在模型上，結果完美！
又接下來的一個星期，兩人開始撰寫論文，在寫的過程中他們開始意識到，DNA的這種雙股螺旋結構，為遺傳信息的複製及親代向子代的遺傳機製提供了完美的解釋。他們強忍內心的激動，快速完成了論文。論文很短，隻有一頁半，900多字加一個圖。3月的最後一個星期論文打印完畢，弗朗西斯的妻子奧迪爾重新畫了DNA模型草圖，論文宣告完成。論文的題目是：核酸的分子結構—脫氧核糖核酸的一種結構模型。論文署名為詹姆森·沃森和弗朗西斯·克裏克。論文的第一自然段是這樣的：“本文將討論脫氧核糖核酸（DNA）鹽的一種結構模型。與以往的模型相比，它具有一些新穎的特征，揭示了重要的生物學意義”[2]。4月2日，稿件送到了位於倫敦的《自然》雜誌編輯部；4月25日，論文在《自然》雜誌刊出。至此，有史以來人類最偉大科學發現之一誕生。
回望與紀念
DNA雙螺旋結構發現至今已經68年了，隨著時間的推移，當年曾經撲朔迷離的事情越發明朗，一些事情的是非曲直也更加清晰。在這裏讓我們再次回顧這一科學成就的有關人和事，為的是告慰和紀念那些不應被忘記的人，也讓後來人在探索科學的道路上多些經驗，少些教訓；多些欣慰，少些遺憾；多些敬畏，少些埋怨。
第一個讓我們滿懷敬意回望的，是羅瑟琳·富蘭克林。羅瑟琳出生於英國猶太家庭，父親是有名氣的銀行家。羅瑟琳從讀大學開始就表現出了對科學研究的濃厚興趣和極大熱情。自1945年取得劍橋大學物理化學博士學位開始，她的研究主要分為三個階段。第一階段是1946-1951年，這五年羅瑟琳在法國國家科學研究院用X-射線衍射法研究煤、炭和含碳物質的結構和性質，特別是上述物質在石墨化過程中碳原子的重排。這期間羅瑟琳發表研究論文15篇，其中1篇發表在《自然》上；這五年的工作也讓她嫻熟掌握了X-射線衍射技術。第二階段是1951-1953年，這兩年羅瑟琳在倫敦國王學院威爾金斯課題組工作，研究內容是用X-射線衍射技術解析DNA空間結構。羅瑟琳分別於1951年11月和1952年5月拍攝了A型和B型兩張DNA晶體X-射線衍射圖片，正是這兩張圖片為詹姆森和弗朗西斯最後攻克DNA空間結構提供了關鍵證據支持。這兩年羅瑟琳共發表DNA結構研究論文4篇，其中2篇發表在《自然》上。羅瑟琳的上述工作雖然沒有從根本上揭示DNA的空間結構，但從不同的角度論述了DNA結構的各個方麵，為謎底的最後解開奠定了基礎；現在世人已經公認她拍攝的兩張DNA晶體X-射線衍射圖為詹姆斯和弗朗西斯最終破解DNA結構提供了最關鍵的數據證據，沒有這兩張圖就沒有1953年DNA雙螺旋結構的發現。第三階段是1953-1958年，這五年羅瑟琳在倫敦大學伯克貝克學院（Birkbeck College, University of London）工作，主要研究煙草花葉病毒（Tobacco mosaic virus, TMV）和脊髓灰質炎病毒（Polio virus）的結構，兩者均為RNA病毒。這五年裏羅瑟琳共發表研究論文17篇，其中4篇發表在《自然》上。
羅瑟琳的一生花在科學研究上的時間隻有短短的12年，但卻發表了36篇質量極高的科學論文，其中7篇發表在頂級科學雜誌《自然》上。在今天，任何一名科研工作者如果能在《自然》雜誌上發表1篇經得起檢驗的論文，都足以享用一生，也都足以成頂級大學的教授。遺憾的是，羅瑟琳生前不但沒有得到她理應獲得的崇高榮譽，反而飽受世人種種的非議和排斥，甚至直到去世還隻是一名副研究員（Research Associate）。羅瑟琳工作踏實、吃苦耐勞，但生性倔強，不肯居人之下，特別是不肯向男權主義者低頭。她在國王學院工作期間，跟他的上司莫裏斯關係不好，導致他們之間不但沒有密切的合作，反而相互排斥；那段時間她也不願意跟其他的同行（包括詹姆斯和弗朗西斯）進行任何交流，不論是學術上還是其他方麵。這一方麵是性格使然，另一方麵也是出於對自己學術能力的堅定自信和對科學的敬畏和嚴謹—她極其不信任那些誇誇其談的所謂理論家。但久而久之，大家都把她看作異類，認為她古怪、不好相處。羅瑟琳自己對此並不在乎，每天隻顧埋頭於按自己的思路工作，按自己的思路解析DNA結構。後來的事實證明，如果她和莫裏斯能密切合作，或者能和詹姆斯、弗朗西斯等深入交流，那最先摘得DNA雙螺旋結構桂冠的很可能是她；如果她的同事們對她能多些理解和包容，多些友愛和支持，她也不至在生前與她理應獲得的榮譽絲毫無緣，至少不會遭受那些非議。
羅瑟琳於1958年因卵巢癌去世，當時隻有37歲，終身未嫁。
但上帝是公平的。羅瑟琳去世不久，特別是1962年詹姆斯、弗朗西斯和莫裏斯共同獲得諾貝爾獎之後，這位傑出女科學家的成就和貢獻開始為人們所了解和承認。世界各地的科學家，包括她在國王學院及劍橋大學的同行，都對她在DNA雙螺旋結構發現中做的出色工作給予了肯定。事實上，羅瑟琳1953-1958年在倫敦大學伯克貝克學院完成的煙草花葉病毒和脊髓灰質炎病毒工作也同樣可以載入科學史冊的。去世63年後的今天，世人早已將這位傑出女科學家應該得到的榮譽都歸還給了她。下麵僅是幾個例子。
--2000年，倫敦國王學院建羅瑟琳·富蘭克林-莫裏斯·威爾金斯大樓，紀念這兩位曾在這裏工作的傑出科學家；
--2001年，美國國家癌症研究所設立羅瑟琳·富蘭克林基金用於支持從事癌症研究的女科學家；
--2002年，荷蘭格羅寧根大學（University of Groningen）設立羅瑟琳·富蘭克林獎學金用以鼓勵女性科學家；
--2003年，英國皇家學會設立羅瑟琳·富蘭克林獎，用以獎勵在自然科學領域作出突出貢獻的科學家；
--2004年，位於芝加哥的芬奇健康科學大學（Finch University of Health Sciences）更名為羅瑟琳·富蘭克林醫科大學（Rosalind Franklin University of Medicine and Science），並以“生命的發現（Life in Discovery）”為校訓，用羅瑟琳1952年拍攝的DNA晶體X-射線衍射照片（即B型51號照片）為校徽圖案；
--2005年，詹姆斯捐贈的DNA雕刻在劍橋大學校園落成，上麵刻有“DNA雙螺旋模型的建立得到羅瑟琳·富蘭克林和莫裏斯·威爾金斯工作的支持”；
--2006年，羅瑟琳·富蘭克林學會在紐約成立，致力於發現、獎勵和促進女性在生命科學及相關領域研究的貢獻；
--2008年，哥倫比亞大學追授羅瑟琳·富蘭克林“為DNA結構的發現作出卓越貢獻”獎；
--2012年，羅瑟琳·富蘭克林大樓（Rosalind Franklin Building）在英國諾丁漢特倫特大學（Nottingham Trent University）校園落成；
--2014年，羅瑟琳·富蘭克林科學技術工程與數學小學（Rosalind Franklin STEM Elementary School）在美國華盛頓特區落成；
--2017年，羅瑟琳·富蘭克林墓被列入英國曆史遺產名錄，上麵刻有“以此墓紀念羅瑟琳·富蘭克林的一生及非凡成就；她的開創性工作奠定了現代分子生物學基礎”字樣；
--2018年，羅瑟琳·富蘭克林研究所在英國哈維爾科學與創新園區（Harwell Science and Innovation Campus）落成；
--2019年，英國樸茨茅斯大學（University of Portsmouth）宣布將其“詹姆斯·沃森大廳”更名為“羅瑟琳·富蘭克林大廳”；
--2020年，羅瑟琳·富蘭克林被泰晤士報評選如“百名女名人”名單。
我們要滿懷敬意回望的，還有勞倫斯·布拉格爵士。
布拉格1890年出生於澳大利亞，1906年16歲考入阿德萊德大學（University of Adelaide）學習數學，兩年取得學士學位，1908年進入劍橋大學學習物理學和化學，開始迷戀光學、晶體學，三年後21歲時畢業獲得物理學博士學位。1912年，布拉格在劍河邊漫步時突發靈感，認為：受X-射線照射時，由相互平行的原子矩陣製成的晶體不會衍射出以大多數角度撞擊其表麵時的X-射線束，因為與原子碰撞而偏轉的X-射線將脫離相位，相互抵消。但當X-射線束卡在晶體中原子矩陣之間的距離與X-射線波長相等時，偏轉的光束將處於相位，並在附近的膠片上生成標記。據此，布拉格創立了X-射線衍射與晶體中原子之間距離關係的方程式，即布拉格方程（Bragg Equation）。1915年，25歲的布拉格因其X-射線衍射理論及布拉格方程而獲得諾貝爾物理學獎，成為迄今為止最年輕的諾貝爾物理學獎獲得者。由於布拉格的開創性工作，用X-射線衍射方法探尋大分子有機物質空間結構開始興起。到上世紀50年代初一大批才華橫溢的科學家用此方法探討蛋白質和DNA空間結構時，布拉格正在劍橋大學擔任著名的卡文迪許實驗室（Cavendish Laboratory）主任。
為了紀念英國著名化學家和物理學家，化學元素氫發現人亨利·卡文迪許（Henry Cavendish），劍橋大學於1874年建立了卡文迪許實驗室，主要從事物理、化學和生物學研究。截至2019年，卡文迪許實驗室一共產生30位諾貝爾獎獲得者，他們取得的成就包括發現電子，發現中子，發現DNA雙螺旋結構等。1937年卡文迪許實驗室主任歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford，英國物理學家，原子核理論創始人，1908年諾貝爾物理學獎獲得者，1919-1937年任卡文迪許實驗室主任）去世，布拉格繼任，是卡文迪許實驗室第五任主任，至1954年。在布拉格任主任的16年裏，共有8位在此工作的物理、化學或生物學科學家在當時或以後獲得諾貝爾獎，其中包括詹姆斯和弗朗西斯因發現DNA結構獲1962年生理學或醫學獎及佩魯茲和肯德魯因發現血紅蛋白和肌紅蛋白高級結構獲1962年化學獎。但是，在布拉格領導這這個龐大的實驗室進行科學探索的過程中，有些年輕的科學家卻對他懷有偏見和抱怨，其中最有代表性的就是弗朗西斯·克裏克。
弗朗西斯1949年加入卡文迪許實驗室，到1953年DNA結構論文在《自然》上發表，他在這裏工作了四年。在這四年中，他與實驗室主任布拉格的矛盾與日俱增。
按理說，那時弗朗西斯還隻是個研究生，而布拉格早已名聞天下，他們之間會有什麽矛盾呢？這主要因兩件事引起。第一，弗朗西斯生性好動，說話嗓門大、語速快、頻率高，這些，都讓布拉格很不舒服。布拉格的辦公室在弗朗西斯所在實驗室的樓上，但布拉格經常被弗朗西斯的高聲說笑弄得不能安心工作。弗朗西斯還經常在公眾場所高聲喧嘩，如在走廊上、在餐廳裏、在咖啡室等。他總是把自己大腦裏突然產生的新想法、新理論急切地告訴他見到的每一個人，但往往一小時後又急忙找到這些人，告訴他們他剛才的理論不對，接著又宣告新的理論。這樣，布拉格對弗朗西斯產生了一種恐懼感，隻要什麽地方有弗朗西斯在，布拉格都盡量不去。但弗朗西斯每天在大樓裏到處跑，把腳步聲、高談闊論聲、爭吵聲帶到大樓的每個角落。為此布拉格曾委婉地批評過弗朗西斯，也跟弗朗西斯的導師麥克斯佩魯茲談過，但都不見效果。弗朗西斯過於誇誇其談而不願腳踏實地的性格也讓布拉格反感，特別是來了幾年之後都沒做出什麽成績，更讓布拉格覺得他不是可造之材。但是，除了這些原因，還有一件事進一步加深了二人的矛盾。1952年初，布拉格與佩魯茲共同完成了一篇關於鯨魚血紅蛋白分子結構的論文。在論文投稿前，按照慣例佩魯茲把文稿交給實驗室裏的人閱讀，征求意見。弗朗西斯讀過文稿後大發雷霆，說文中關於血紅蛋白分子形狀的論述，完全出自他九個月前的觀點，而這篇論文的署名卻沒有他，甚至致謝欄裏都沒有提起他。佩魯茲很吃驚，解釋說那部分內容是布拉格的思想，於是弗朗西斯迅速上樓衝進布拉格辦公室，讓布拉格作出解釋並道歉。布拉格感覺受到了侮辱，拒絕解釋，更拒絕道歉，並說他將認真考慮弗朗西斯是否適合繼續在卡文迪許實驗室工作。事情很快傳遍整個大樓，大家都很驚訝弗朗西斯的莽撞，也都不相信布拉格會抄襲別人的成果。第二天約翰·肯德魯來到實驗室，了解了事情的原委之後，上樓找到布拉格，說弗朗西斯所言恐怕不虛，因為半年多以前這個熱衷於向人兜售新思想的年輕人確實跟他（肯德魯）說過血紅蛋白的分子形狀，所說觀點與文稿中的內容驚人地相似。聽了肯德魯的解釋，布拉格開始冷靜下來，隨後承認他和弗朗西斯兩人各自獨立地產生了相同的想法。此事雖然平息了，但兩人之間的關係從此一直很尷尬，不過布拉格也再未提起解雇弗朗西斯。再後來詹姆斯和弗朗西斯在DNA研究工作取得成功，布拉格多次在各種場合對兩位年輕人讚譽有加，也曾婉轉地提到他當初對弗朗西斯有些偏見是不對的。這些，體現了一位偉大科學家的寬廣胸懷和高風亮節。
布拉格的寬廣胸懷也體現在他與詹姆斯的關係上。1968年，詹姆斯完成了《雙螺旋—發現DNA結構的個人經曆》一書的寫作，請布拉格作序。這本書自1968年在美國首次出版至今五十多年來，已經被翻譯成十幾種語言在世界各地暢銷，但此書也一直存在爭議。這本書雖然真實記錄了DNA發現的經過，對有關的重大事件做了詳細而生動的記述，但作者的寫作風格和語氣讓很多人難以接受。在他的筆下，除了他自己和弗朗西斯等少數幾個人，幾乎其他的所有人都顯得呆滯、迂腐、愚蠢。例如，關於他和布拉格的第一次見麵，詹姆斯在書中是這樣寫的：“……我從來沒有想到我會結識這個老古董。布拉格盡管名聲顯赫，但他的定律是在第一次世界大戰前創立的，因此我想，處於實際上退休的他不太會關心基因問題了……[28]。”一個剛出茅廬的小青年以這樣的口氣談論一位譽滿全球的大科學家，讓人愕然。但布拉格並不在意，閱讀了書稿之後同意作序。布拉格為此書寫的序言中有這樣一句話：“……書中所涉及到的人物必須以一種寬容的精神閱讀此書[28]。”這裏所說的“書中所涉及到的人物”當然包括布拉格自己。
布拉格是那個時代最偉大的科學家之一，這不但因為他的巨大科學成就，也因為他堅強的領導能力和寬廣的胸懷。勞倫斯·布拉格爵士1971年81歲時在倫敦去世，長眠於劍橋大學在劍橋校園裏為其建的墓地裏。
最後，讓我們再一次回望DNA雙螺旋結構發現的第一主角，詹姆斯·沃森。
詹姆斯生於1928年，是DNA故事所有直接當事人中唯一至今（2021年8月28日）仍健在者。在今天看來，詹姆斯無論從哪個意義上來說都屬於“神童”一類的人物：15歲上大學（芝加哥大學），22歲獲得博士學位（印第安納大學），25歲發現DNA雙螺旋結構，34歲獲得諾貝爾獎。盡管詹姆斯性格狂妄目中無人，但他善於與人交往，廣泛結交朋友，這讓人願意與他接近，喜歡與他共事。他的搭檔弗朗西斯在劍橋得罪很多人，包括布拉格和富蘭克林，但卻與詹姆斯關係非常好，甚至成了“鐵哥們”；莫裏斯性格內向，不擅長與人打交道，但卻與詹姆斯很合得來，富蘭克林拍攝的兩張DNA晶體X-射線衍射照片，詹姆斯就是從莫裏斯那裏得到的，這也是他們發現DNA雙螺旋結構的關鍵；富蘭克林性格更加孤僻，幾乎不與任何人交流，但與詹姆斯的關係還可以，特別是她離開國王學院以後，與詹姆斯的關係更親近了，1957年訪問美國期間，詹姆斯更是駕車帶著她遊覽了半個美國。詹姆斯所著的《雙螺旋—發現DNA結構的個人經曆》一書1968年出版時，羅瑟琳已經去世10年了，在這本書的後記中，詹姆斯這樣寫道：“……她在國王學院從事的X-射線的研究工作越來越被認為是傑出的，她區別出DNA的A型和B型結構本身就足以贏得聲譽……我和弗朗西斯都非常讚賞她正直和寬宏的品格……我們隻是在很多年以後才逐漸理解這位才女為得到科學界的承認所進行的抗爭……。”這些都說明詹姆斯雖然恃才傲物但心地善良，善於也願意理解他人，更能團結他人，這些都是他在DNA結構研究中能走在前麵的重要原因。
詹姆斯和弗朗西斯最後勝出的另一個重要原因，使他們對勝利的極度渴望和爭分奪秒的拚命精神。他們二人都因閱讀了薛定諤的《生命是什麽》而開始對DNA感興趣，從此便一發不可收拾，渴望有朝一日破解這個重大秘密。如果說弗朗西斯對此的渴望很大程度上是因為要擺脫同事和同行對他的不認可，那詹姆斯的理由則正好相反，他是想證明自己比別人聰明。閱讀詹姆斯的《雙螺旋—發現DNA結構的個人經曆》一書可以看見，全書自始至終充滿了一個年輕人傲視天下、舍我其誰的狂妄。當然，由於講述的是其親曆的曆史，也因為他本質上並無惡意，更因為此時他已經取得巨大成功，讀者都給予了寬厚的接納與承認。然而掩卷深思，這實際上也是他取得成功的一個重要原因：自信，不循規蹈矩，注重結果而不在乎過程。跟競爭者相比，他們進入此領域最晚，資曆也最淺，因此他們沒有時間去從頭學習掌握那些數學、化學、物理學知識，隻能采取功利主義的態度，什麽方法有用就用什麽，用到什麽就去學什麽。這樣的態度在經典科學方法層麵上也許值得商榷，但事實是，他們最終發現了DNA雙螺旋結構。
在本文的最後應該特別提到的是，詹姆斯·沃森不但是這一重大曆史事件唯一至今仍健在的人，也是眾多直接當事人中唯一訪問過中國的人，對中國及中國人民懷有友好情誼。詹姆斯第一次訪問中國是1981年，首先在北京參觀了中科院生物物理研究所，做了報告，接著訪問了上海、合肥、桂林和香港。此後於2006年、2008年、2009、2010年四次來中國，分別訪問了中科院生物物理研究所，上海生命科學研究院，蘇州等地。詹姆斯第六次來中國是2017年春天，以近90高齡訪問了深圳和成都，並參加了一係列重要學術活動。從第一次訪問中國到至今整整40年了，四十年來詹姆斯為中國的科學發展，為中美科學交流作出了巨大努力，也結出了累累碩果。四十年前第一次訪問中國後不久，他即邀請並資助四十名中國科學家赴美國冷泉港實驗室（Cold Spring Harbor Laboratory, 1968-2003年詹姆斯任該實驗室主任）開展合作研究同時幫助中國培養人才，這些人後來都成了中國生命科學研究的中堅力量；2008年訪問中國期間，主持了在蘇州的“冷泉港亞洲”落成儀式，這是美國冷泉港國家實驗室成立一百多年來首個也是惟一一個境外分支機構；類似的舉動在此後多年裏還有很多，如2017年幫助創建深圳國際生物穀，2020年支持成立深圳樂土沃森生命科學中心等。多年來詹姆斯多次給中國國家領導人江澤民、胡錦濤以及科技部長等寫信，提出對中國科學發展的建議，以及加強中美科學交流合作的倡議。詹姆斯還與我國著名生物化學家，牛胰島素人工合成的領軍人，中國科學院上海生物化學研究所前所長王應睞院士是老朋友。王應睞上世紀四十年代在劍橋大學取得博士學位，後多年在劍橋工作，在鯨魚血紅蛋白結構研究等方麵取得重要成果。1981年詹姆斯首次訪華時，在上海期間二人會晤並座談，回憶三十年前的歲月和友誼。
詹姆斯是中國人民的忠誠朋友，祝願偉大的詹姆斯·沃森長命百歲！
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祝虎年健康平安!
DNA攜帶所有的生理特征遺傳信息
但人的意識，性格，本能等來自哪裏呢？