开启人类自我认知新纪元

本文转自：科技日报

开启人类自我认知新纪元

——写在DNA双螺旋结构发现七十周年之际

◎王渝生

再过几天就是DNA双螺旋模型发现70周年。70年前，1953年2月28日，25岁的美国生物学博士沃森和正在攻读物理学博士学位的37岁英国学者克里克跨界合作，优势互补，在伦敦卡文迪许实验室里用铁板、铁棍和铁丝搭建了一个既像旋梯又像麻花的奇特而美妙的模型，那就是生物遗传基因脱氧核糖核酸（DNA）分子结构的双螺旋模型。

20世纪有四大科学模型：宇宙大爆炸模型，全球地质构造板块模型、物质结构夸克模型、遗传基因分子结构双螺旋模型。

20世纪还有三大科学工程，即曼哈顿原子弹工程、阿波罗登月工程，以及从DNA双螺旋发展起来的“生命登月”工程——人类基因组计划。前两者都是美国独自完成的，后者有了中国科学家的身影。

20世纪是遗传学发展最迅速、变化最激烈的一个时期。1900年孟德尔揭示的生物遗传规律被重新发现；2000年人类基因组全序列工作草图宣告完成、人类第一次拥有了自己的基因图谱。这一头一尾两件大事充分展现了100年来遗传学的重大发展，而连接首尾的关节点，则是1953年沃森和克里克共同提出的DNA双螺旋结构模型。

我们今天隆重纪念DNA双螺旋模型发现70周年，还在于DNA双螺旋结构的发现是在生物学历史上唯一可与达尔文进化论相媲美的重大发现，它与自然选择一起，统一了生物学的大概念，标志着分子遗传学、分子生物学的诞生。是科学史上一个划时代的里程碑。

在20世纪上半叶的几十年里，几代科学家不懈努力终于将遗传物质的化学本质确定为DNA。在此基础上，玻尔、薛定谔等一批物理学家的适时加入，同生物学家强强联手，将物理学的新观点、思维方式和研究手段引入遗传学研究，深深影响着战后整整一代的青年科学家，包括沃森和克里克。

沃森当时刚刚拿到生物学博士学位，年轻有为，才华横溢，精力旺盛。他知识渊博，直言不讳。

克里克是一个深受物理学家薛定锷和化学家鲍林思想影响的物理学家，战后从物理学转入生物学研究。他认为，运用物理学和化学的科学概念和精确的术语重新思考生物学的基本问题，是会有成果的。

1951年，23岁的沃森从美国来到英国剑桥大学著名的卡文迪许实验室做博士后，虽然其真实意图是要研究DNA分子结构，但挂着的课题项目却是研究烟草花叶病毒。与他分享同一个办公室的克里克比他年长12岁，当时正在做博士论文“多肽和蛋白质：X射线研究”。沃森说服他一起研究DNA分子结构，他需要克里克在X射线晶体衍射学方面的知识。两人从此开始了现代生物学史上最动人心弦的合作。

沃森和克里克确定了一个明确的目标：提出一个结构模型，它既要能解释X射线衍射分析的图像，又要能阐明基因自体催化（复制）和异体催化（编码蛋白质）等生物学性质。

1953年2月，沃森、克里克在分子生物学家威尔金斯的帮助下，看到了化学和X射线晶体学家富兰克林在1951年11月拍摄的一张十分漂亮的DNA晶体X射线衍射照片，这一下激发了他们的灵感。他们不仅确认了DNA一定是螺旋结构，而且分析得出了螺旋参数。他们采用了富兰克林和威尔金斯的判断，并加以补充：磷酸根在螺旋的外侧构成两条多核苷酸链的骨架，方向相反；碱基在螺旋内侧，两两对应。沃森、克里克在他们的办公室里夜以继日地搭建着模型。他们所做的显然不是一般意义上的实验研究，而是对已有的关于DNA的实验与观察资料进行审视与评判，再将它们融会在一起，形成一个有崭新科学思想的整体。这使人想起一位先哲的话：“见人人之所见，思人人所未思。”

他们测量了两种碱基对和DNA长链上每一种键的旋转角度，并和X射线衍射图像一一对比，不断修正。沃森以惊人的记忆力把从威尔金斯和富兰克林实验室得到的新的信息全部融入了这个模型，克里克则以他特有的思想和表达能力把一切都记录下来。

1953年2月28日，世界上第一个DNA双螺旋结构的分子模型终于诞生了。

这个模型不但外形美，更有内在的科学美。它的科学美体现在两个方面。第一，碱基配对的专一性保证了复制的高度精确性，只要一条链上的碱基序列确定了，其互补链上的碱基序列也随之确定了；第二，就一条链而言，模型并不限制碱基排列顺序，这保证了DNA可以负载无穷多样的遗传信息。这充分体现了基因的两大属性：变异的无穷多样性和复制的高度精确性。

1962年，沃森、克里克因发现DNA分子结构，与改进了X射线衍射技术的威尔金斯一起获得了诺贝尔医学或生理学奖。可惜富兰克林已于1958年去世了，她生前对双螺弦结构也作出了重要贡献。

从X射线衍射分析技术看，沃森和克里克是不及威尔金斯和富兰克林的；就结构化学知识而言，沃森和克里克更不是鲍林的对手。沃森和克里克能够在这场科学竞赛中取胜，靠的是两人的合作，靠的是知识和能力的互补，靠的是博采众家之长。

沃森和克里克发现了DNA双螺旋结构，开启了分子生物学时代。在以后的几十年至今，分子遗传学、分子免疫学、细胞生物学等新学科如雨后春笋般涌现，一个又一个生命的奥秘从分子角度得到了更清晰的阐明，DNA重组技术更是为利用生物工程手段的研究和应用开辟了广阔的前景。

2006年10月，第一届国际基因组学大会在我国杭州西子湖畔召开，78岁的沃森到会致辞，他对中国基因组学的发展甚为赞赏。2017年3—4月，89岁的沃森来华访问了清华大学和北京大学，并在清华作了题为“双螺旋：科学、文化和人生”的主题演讲。在深圳访问国家基因库和参加国际精准医疗峰会期间，他度过了自己89周岁的生日，在中国算是九十大寿。今年沃森95岁了，我们祝愿他健康、长寿！

（作者系国家教育咨询委员会委员，中国科技馆研究员、原馆长）