ＤＮＡ結構中的第三個男性

曹　聰

一九六二年的諾貝爾生理學或醫學獎授予了英國的弗朗西斯·克里克（Francis Crick）、美國的詹姆斯·沃森（James Watson）和具有英國和新西蘭雙重國籍的莫里斯·威爾金斯（Maurice Wilkins），“以獎勵他們在核酸分子結構方面的發現及其在生物體的信息傳遞中的意義”。雖然授獎詞沒有直接提到這三位科學家在一九五三年證明了脫氧核糖核酸（也就是DNA）的雙螺旋結構，但科學界公認，這一諾貝爾獎是頒發給這一發現的。

雖然威爾金斯在三人中最資深（在發現DNA雙螺旋結構時，沃森獲得博士學位不久，而克里克還是博士生），但多年來人們把這一發現歸功于沃森和克里克，這多少是沃森一九六八年出版的《雙螺旋：發現DNA結構的個人經歷》（三聯書店二○○一年翻譯出版）一書?？死锟撕屯柦鹚巩敃r就認為，這本從當事人的角度回憶DNA雙螺旋結構發現的書會誤導讀者，建議哈佛大學出版社撤銷了出版合同，最后，這本書由一家商業出版社出版并很快成為暢銷書?！峨p螺旋》把科學家之間激烈競爭的事實赤裸裸地展現在讀者面前。最令人不舒服的，可能是書中對威爾金斯的合作者羅莎琳德·富蘭克林（Rosalind Franklin）的描寫。在沃森的筆下，出身于博學的銀行家家庭、家境優越的富蘭克林不以大家閨秀自居，秉性、相貌堅毅，從來不涂口紅，雖然年過三十，卻依然是一身英國女青年學者的打扮。書中對她與威爾金斯合作非常不愉快的描寫，給威爾金斯帶來了負面的影響。

一九五八年，三十七歲的富蘭克林患癌癥不幸英年早逝，而克里克、沃森和威爾金斯在四年后獲得了諾貝爾獎。后來，多種關于富蘭克林的傳記都指責威爾金斯未經富蘭克林同意就把B-DNA的X光衍射照片給沃森看，直接啟發了沃森和克里克，從而使他們首先提出了DNA雙螺旋結構。所以，威爾金斯成了男性科學家不公平對待其女同事的“典型”，并由此引申出諾貝爾科學獎的公正性問題。所幸的是，當事人威爾金斯在二○○三年出版了《雙螺旋結構的第三個男性》，講述了眾所周知的DNA雙螺旋結構發現史上鮮為人知的故事，并澄清了五十多年前他與富蘭克林相處的經歷。

第二次世界大戰期間，威爾金斯在伯明翰大學獲得博士學位后，參加了英國的原子彈研究，并在一九四四年前往美國加州大學伯克利分校繼續這一研究。戰后，威爾金斯返回英國，原因之一是讀博士時的導師蘭德爾就任圣安德魯斯大學物理系系主任，有意探索物理學和生物學之間的聯系，給他安排了一個職位。但更重要的是，恰在此時，威爾金斯讀到了歐文·薛定鍔（Erwin Schr歞inger）的著作《生命是什么？》。半個多世紀后，威爾金斯回憶說，薛定鍔用物理學的語言描述生命現象，在自己面前展現了“生物物理學”的美妙前景。

當時，大多數科學家認為，染色體中的DNA與基因有著某種聯系，但不是遺傳物質本身?；瘜W家已經測出了DNA的組成，于是，研究其三維結構的重任落到了物理學家的身上。這時，威爾金斯覺得圣安德魯斯大學地處偏僻，研究環境也不理想，英國醫學研究委員會不大會把很大的研究基金給圣安德魯斯大學，要研究，必須在劍橋這樣的地方，最好是在倫敦。于是，威爾金斯離開圣安德魯斯，來到倫敦。但現實是，在等級森嚴的英國，研究基金一般只給有名望的科學家，青年科學家想獨立門戶相當困難。

蘭德爾此時又向威爾金斯伸出了援手。原來，倫敦大學英王學院（Kings College）聘請蘭德爾當物理系系主任，而蘭德爾想在那里建立生物物理學研究。蘭德爾的名聲為他贏得了充裕的研究基金，英國醫學研究委員會聘請他擔任生物物理研究組主任，讓生物學家和物理學家一起工作。威爾金斯覺得，蘭德爾頗具遠見卓識，他不但關注自己的研究，很多時候甚至犧牲自己的興趣來推動科學研究事業，為學院聘請一流的教授，推動組建生物科學學院，從而使學院的生物科學研究在英國名列前茅，而他自己的實驗室則在新興的分子生物學領域主導世界。

在英王學院，威爾金斯先是繼續他的超聲波與基因變異關系的研究，后來轉攻DNA在生物細胞中運動和生長的情況。他自制了簡單的在可見光、紫外線和紅外線下都能工作的反射顯微鏡，研究基因是如何自行復制并控制細胞生長的，為基因就是DNA的發現提供了證據。后來，威爾金斯被晉升為生物物理研究組的主任助理。

在一次學術會議上，威爾金斯幸運地得到了瑞士生物化學家魯道夫·席格納（Rudolph Signer）無償提供的純DNA樣品，這種從小牛胸腺中提純的樣品與眾不同，它干燥時呈細小的針簇狀，而一旦遇潮，就變成黏黏糊糊的一團。威爾金斯把受潮的DNA涂在薄片上，再放到顯微鏡下觀察偏振紫外線的吸收情況。不過，這種DNA似乎不太容易保持片狀，而往往形成像蜘蛛網中那又長又細的纖維。拿到顯微鏡下仔細觀察，它們又是異乎尋常地均勻和透明。于是，威爾金斯產生了一種直覺，纖維中分子的排列一定十分有規律，而且是結晶，可以用X光衍射來研究。要是這種直覺正確的話，X光衍射的圖像會相當清晰，提供的有關DNA分子結構的信息也比顯微鏡多得多。

雖然威爾金斯對X光衍射分析知之甚少，但事實證明他的直覺是正確的。當時，實驗室僅有的一架普通的X光衍射照相機，只能用來研究比DNA纖維大得多的單晶。于是，威爾金斯和蘭德爾的學生雷蒙·勾斯林（Raymond Gosling）動手改造照相機，從而獲得了更清晰、更詳細的DNA衍射照片，第一次顯示出DNA確實是結晶狀的。一九五一年，威爾金斯在意大利的一次學術會議上展示了這張照片，得到了X光衍射專家的肯定。沃森就是在這次會議上與威爾金斯相識，并受到這張X光照片的啟發。

接著，勾斯林和物理學家阿雷克·史脫克斯（Alec Stokes）一起測量了DNA照片上所有的點的位置，推算出DNA分子是以單斜晶存在的。史脫克斯注意到，在沿纖維方向或靠近纖維方向上不產生衍射，由此認為DNA可能呈螺旋狀。對此，威爾金斯很感興趣。這時，威爾金斯感到需要更新設備和增添人手。一九五○年夏天，蘭德爾聘請了羅莎琳德·富蘭克林，一個研究蛋白質溶液的X光衍射專家。而這正是威爾金斯想要講述的DNA雙螺旋結構的發現史中尚未為人所知的一面，展現了作者與富蘭克林相處的日子——一段富蘭克林的傳記作者認為傳主受到不公正待遇的日子。

富蘭克林曾在法國巴黎研究煤的結構，雖然她沒有結晶材料方面的經驗，但精通X光衍射技術。她本來準備研究蛋白質溶液，但威爾金斯向蘭德爾建議讓富蘭克林改行研究DNA。蘭德爾接受了威爾金斯的建議，富蘭克林也同意改行。

富蘭克林來實驗室時，威爾金斯正好在休假。他一回到英王學院，便來到實驗室，這時富蘭克林正背對著他坐在辦公桌前。當富蘭克林回頭時，給威爾金斯的第一印象是她相當端莊，有一雙沉穩、耐看的黑眼睛。他們討論了一些問題，富蘭克林也清楚她的任務?？傊?，威爾金斯得到的最初印象是富蘭克林有點矜持，但會成為一個好同事。有意思的是，富蘭克林在墻上放了一面很小的鏡子，這樣她坐在辦公桌前時正對著鏡子。但鏡子太小，她不可能看清誰在她背后，所以，威爾金斯覺得她大概很在意自己的儀容。

富蘭克林告訴威爾金斯，她要先完成煤研究的論文。這對從一個實驗室轉到另一個實驗室的科學家來說是再平常不過的，再說寫論文也不會占據她很多時間。但事實上，直到第二年也就是一九五一年的復活節，富蘭克林才開始投入DNA的工作。

而這時，威爾金斯和同事們分別獲得了人、鯡魚、小牛和墨魚精子等的DNA的X光衍射照片，結果是它們大同小異。這一發現在生物學上的意義相當顯著，說明DNA的結構可能要比蛋白質簡單得多。另外，所有照片的中央都有一個相當清晰的“X”字樣，史脫克斯認為，這是螺旋形的顯著標志。

一九五一年七月，威爾金斯在劍橋大學報告實驗室的研究結果。但是，就在他離開教學大樓時，吃驚地看見富蘭克林向他走來，言辭堅決地要他停止X光衍射的工作，她以“回到你的顯微鏡去！”結束。威爾金斯感到震驚和迷惑：她為什么要我停止？她有什么理由告訴我怎么做？她難道沒有意識到最新進展對彼此的研究都有貢獻？

究其原因，雖然是威爾金斯建議富蘭克林改行研究DNA，但蘭德爾在給富蘭克林的信中對此只字不提。所以，富蘭克林覺得，是蘭德爾讓她改行。而富蘭克林剛來實驗室的第一次DNA研究會議，威爾金斯沒有參加，會上定下了把威爾金斯排斥在X光研究之外的基調?，F在，看到威爾金斯也在用X光衍射研究DNA，富蘭克林自然要不高興，這就是他們之間產生隔閡的起因。

那年夏天，威爾金斯在意大利和美國參加學術會議期間，收到了蘭德爾的兩封信，說他自己將直接負責墨魚精子DNA的X光研究，要威爾金斯集中精力改造光學顯微鏡。在威爾金斯看來，蘭德爾之所以寫這兩封信，是因為他把X光研究墨魚精子的DNA看成自己的“領地”，不希望別人涉足。他聘請富蘭克林也是為了讓威爾金斯離開而他自己能參與。于是，就有了富蘭克林與威爾金斯在劍橋大學教學樓前發生的沖突。

威爾金斯美國之行的一個“非常重要”的收獲，是在紐約哥倫比亞大學見到了生物化學家歐文·查加夫（Erwin Chargaff)。查加夫曾分析DNA的堿基，發現鳥嘌呤與胞嘧啶數目相同，腺嘌呤和胸腺嘧啶數目相同。

威爾金斯在給蘭德爾的回信中，介紹了他與查加夫會面的情況。他在九月回到倫敦后，也向富蘭克林介紹了他的見聞。但是，富蘭克林打斷了威爾金斯，說在他離開期間自己取得了新的結果。威爾金斯想繼續介紹查加夫的理論，又一次被富蘭克林打斷，富蘭克林反而冷靜又不乏幽默地指責威爾金斯不想聽她的介紹。

原來，富蘭克林發現，當DNA的濕度達到92%時，會形成另一種X光衍射圖像B-DNA，它比威爾金斯等獲得過的圖像清晰得多（他們的結晶A-DNA的濕度為75%）。富蘭克林指出，顯然，DNA分子有兩種不同的結構，當濕度從75%變為92%時結構從A變到B。威爾金斯雖然覺得這是一個重要的發現，但富蘭克林對同事不以為然的態度，加上75%的DNA結晶圖像是英王學院X光研究DNA的起點，使得他欲贊揚富蘭克林而不能。

問題是，實驗室的X光研究如何在和諧與合作的氣氛中展開。避免更大矛盾的方法，就是威爾金斯和富蘭克林彼此研究對方的DNA構形。

一九五一年夏天，美國大化學家萊納斯·鮑林（Linus Pauling）發表了蛋白質α螺旋的論文，根據化學鍵的量子力學理論和最新的鍵長、鍵角的精確數據，搭出了多種蛋白質分子結構的原子排列，包括蛋白質最重要和基本的α螺旋結構。鮑林的發現，為搞清楚原子間結合的細節、構建可能的分子結構的三維模型提供了新方法。

但是鮑林的論文似乎沒有解決根據結構來推算X光衍射圖像的問題。于是，威爾金斯找史脫克斯討論這一點，史脫克斯在第二天就得出了貝塞爾方程式，肯定了他一年前的“DNA是螺旋形”的想法。而最令人興奮的是史脫克斯算出的衍射密度點與富蘭克林的B-DNA衍射圖像相吻合。于是，威爾金斯和史脫克斯興沖沖地去和富蘭克林分享這一結果。但富蘭克林還沒有聽完兩人的解釋就生氣地說：“你們居然敢解釋我的結果！”她那強烈的態度，拒人于千里之外。

一九五一年十月，英王學院舉辦了一次學術討論會。威爾金斯重復了七月在劍橋大學所講的內容，史脫克斯用貝塞爾方程式描述了DNA螺旋的衍射結構，但他沒有將這一工作與富蘭克林的B-DNA聯系起來，而富蘭克林則報告了DNA各種可能的結構，惟獨沒有提及螺旋結構，顯然，她不想給人以她認同威爾金斯和史脫克斯的螺旋結構的錯覺。

十二月的一天，富蘭克林出乎意料地來到威爾金斯的辦公室，說她仔細觀察了B-DNA，發現在DNA分子中有兩處高密度區。他們都沒有認識到其實這表明DNA有兩個螺旋鏈。在富蘭克林去世后多年才發現的筆記本上，富蘭克林清楚地記錄著，就在沃森和克里克搭出DNA雙螺旋模型之前，她也開始思考DNA有兩股螺旋。只是她沒有想到威爾金斯正在思考的堿基配對問題。那時，富蘭克林離雙螺旋僅“兩步之遙”。

就在英王學院的討論會后兩個星期，克里克打電話給威爾金斯，說他和沃森正在搭DNA模型，問威爾金斯是否來劍橋看看。于是，威爾金斯和富蘭克林、勾斯林等一行人坐火車前往劍橋。不過，整個模型卻令人失望。但威爾金斯強烈地感覺到，這僅僅是競爭的開始。威爾金斯在《自傳》中承認，他當時并沒有想到合作。

威爾金斯回倫敦后，給克里克寫了一封信，不但對沃森和克里克的模型潑冷水，而且希望劍橋方面停止DNA的研究。后來，兩個實驗室的主任——蘭德爾和勞倫斯·布拉格（Lawrence Bragg）——決定沃森和克里克應該停止，并簽署了一份備忘錄。于是，沃森和克里克給了英王學院一套他們設計的模型架，并提供了有關原子間距離和化學鍵間鍵角等用來搭DNA模型的信息。但威爾金斯他們并沒有很好地利用這套模型，因為富蘭克林強調，只有用X光技術發現了結構才能搭模型，另外，她認為，B-DNA可能是螺旋狀的而A-DNA不是。而英王學院對DNA結構的認識在很大程度上取決于在X光衍射方面富有經驗的富蘭克林的見解。

進入一九五二年，威爾金斯使用新的高分辨照相機觀察精子，得到了更清晰的圖像。但其結晶性并不像以前的DNA圖像那樣明顯，威爾金斯吃不準所用的結晶是否正確。一天，威爾金斯偶然遇到了布拉格并給他看了圖像，布拉格完全肯定圖像提供了DNA螺旋結構的有力證據。于是，威爾金斯寫信給克里克，還附上一張圖像的草圖，標出由點和陰影形成的一個“X”字形。

一九五二年七月，富蘭克林正式宣判DNA螺旋結構的死刑。她給威爾金斯和史脫克斯看了所收集到的A-DNA的密度數據，指出如果結構是螺旋形的，反射在圖像兩邊的密度應該相同。但是，富蘭克林仔細測量得出的結果顯示出軸的兩邊密度不同。于是，她得出結論，DNA是傾側的。這一發現令人非常失望，因為如果DNA不是螺旋狀或其他簡單的形狀，其結構將很難確定。后來，威爾金斯在給英國醫學研究委員會的報告中指出，最新的研究似乎不支持DNA是螺旋形的結論。

其實，就在富蘭克林宣判螺旋狀DNA死刑時，她的抽屜里放著一張尚未示人的X光衍射照片，這張后來名噪一時的一九五二年拍攝到的照片，非常清楚地給出了DNA很可能是螺旋結構的重要證明。一九五三年一月的一天，勾斯林把這張由他和富蘭克林拍攝的B-DNA照片交給威爾金斯，說他可以保存和使用。這時，富蘭克林正準備離開實驗室。那張照片比她在一九五一年拍攝的照片更清晰、反差更強烈，螺旋的X形狀更明確。

令人不解的是，為什么富蘭克林已經發現了這一證據，卻仍然堅稱DNA不是螺旋狀的？如果她當時就給威爾金斯等人看這張照片，他們幾乎肯定會對她的觀點提出質疑。

幾天后，沃森來訪，威爾金斯給他看了這張照片，并說起了自己的困惑。他還覺得必須告訴沃森關于DNA中堿基配對的想法。但當時沃森急于離開，兩人沒有時間詳談，威爾金斯僅提了一句：“我想查加夫的比例是DNA結構的關鍵?！蔽稚f，“我也這么想?！?/p>

富蘭克林已經放棄了DNA螺旋結構，并把照片交給了威爾金斯，所以并不存在威爾金斯未經富蘭克林同意就向沃森展示那張照片的問題。威爾金斯在《自傳》澄清了這個事實。而富蘭克林半途而廢，也許可以用克里克的話來解釋：“她缺乏直覺。也許她不相信直覺。”她往往認為，結論應該“用事實說話”。

一個月后，克里克來倫敦告訴威爾金斯他和沃森關于配對的想法。但在午餐時，他們光顧著談論富蘭克林，忘記了討論配對。幾個星期后，威爾金斯也想出個所以然。B-DNA似乎很明顯是螺旋狀的，而富蘭克林的A-DNA不是。為了解釋這個矛盾，威爾金斯設想，DNA可能是傾側的螺旋狀，磷酸鹽有規律地排在外面，堿基傾側地藏在里面——大的腺嘌呤和鳥嘌呤在一邊，小的胸腺嘧啶和胞嘧啶在另一邊。這些堿基由氫鍵聯起來以滿足查加夫的一一相對的比例。這一想法后來被證實，但當時威爾金斯錯誤地認為DNA可能會有三股或更多的螺旋。

不久，威爾金斯前往劍橋，交談中，克里克和沃森問威爾金斯，如果他們重新搭模型他是否在意？威爾金斯并沒有把科學研究看成是一場競賽，尤其不喜歡倫敦和劍橋競賽的想法。不過，沃森和克里克并沒有提到如何協調彼此的研究。也許倫敦和劍橋的備忘錄簽署已一年，英王學院已獲得了機會，威爾金斯給醫學研究委員會的報告說明已放棄了螺旋結構?，F在該輪到劍橋了。但威爾金斯卻感到很失望，因為富蘭克林將離開。雖然威爾金斯并不認為自己將成為發現DNA結構的大功臣，他也不樂意讓沃森和克里克捷足先登。但畢竟DNA不是私有財產，他別無選擇。其實，就像沃森在《雙螺旋》中所說，不論威爾金斯同意與否，他們都會開始重搭模型。在這一點上，他們是開誠布公的。

回到倫敦后，威爾金斯開始重新組建他的DNA研究小組。但就在他給克里克寫信報告這一切、并胸有成竹地說取得進展為時不遠時，劍橋方面已經完成了他們的模型。

卡文迪什實驗室的約翰·肯德魯（John Kendrew）給威爾金斯打來電話，邀請他前往參觀克里克和沃森的新模型（肯德魯因蛋白質結構的研究而獲得一九六二年諾貝爾化學獎）。從這個高高立起的模型，威爾金斯認出了一些來自自己實驗室的特征，磷酸鹽在外面，堿基在中間，通過氫鍵相聯。但這個模型的不同之處在于只有兩股螺旋。就在威爾金斯集中于模型時，克里克在一旁不停地說話，用二重軸之類的話題來分散他的注意力。他終于認識到，克里克只字不提堿基配對。而這個結構的令人震撼之處就在于兩種堿基對具有相同的空間結構和形狀。是威爾金斯最先注意到兩個查加夫堿基對——嘌呤和嘧啶——大小差不多，但他沒有深入進行仔細的和實實在在的研究。而這為克里克和沃森指明了基因復制的機理：把堿基對分開，然后每個堿基與另一個堿基配對——鳥嘌呤配胞嘧啶、腺嘌呤配胸腺嘧啶，DNA分子就能自行復制。

看完模型后，克里克和沃森邀請他成為描述DNA雙螺旋結構論文的共同作者，這著實令威爾金斯感到驚訝。他并沒有感謝沃森和克里克的大度，相反產生了對這個結構的一種擁有感，因為他有這方面的經驗，模型不少地方依賴于英王學院的工作。但他冷靜下來后說，他沒有參加模型的構建，所以不能當作者。

結果劍橋和英王兩家分別撰寫論文共同在《自然》雜志發表?？死锟撕臀稚瓕懥艘黄涛?，英王學院也在一兩個星期內總結出他們的X光工作。就在威爾金斯的論文快寫完時，勾斯林給了威爾金斯一篇富蘭克林和他的論文，希望能與威爾金斯等人的論文同時發表。當時威爾金斯認為，富蘭克林在離開實驗室前就已經放棄了對DNA螺旋結構的探索，并給了威爾金斯那張照片，后來也可能并沒有繼續這方面的研究。但最后，《自然》雜志還是發表了她那張一九五二年的照片——那張沃森承認給他啟發的照片。富蘭克林去世后人們從她的筆記本發現，她在快離開英王學院時又開始對DNA螺旋結構重新考慮，而這獨立于劍橋大學的工作。

事實是，英王學院的小組是完全有能力捷足先登的。史脫克斯是理論家，富蘭克林和威爾金斯是實驗專家，而杰佛利·布朗（Geoffrey Brown）對DNA在生物學方面的重要性有充分的認識。如果富蘭克林在一九五二年五月取得這張照片時就與同事分享，DNA研究的進展將會更快。威爾金斯到一九五三年初時還不知道這張照片的存在，也不知道富蘭克林后來又重拾起當年的工作。富蘭克林的筆記沒有提及堿基配對，而威爾金斯認為這很重要。如果威爾金斯和富蘭克林早一點探討這個問題，幾乎沒有什么可以阻礙他們發現雙螺旋。

威爾金斯后悔沒有花更多的時間與富蘭克林討論她的發現及其對理解DNA本質的重要性。而富蘭克林的優越感也使威爾金斯暫時喪失了自信心。結果，那種和諧的科學共同體的氛圍不見了，英王學院也喪失了取得科學發現優先權的機會。

在威爾金斯看來，自己獲得的諾貝爾獎，其實是對英王學院從二十世紀四十年代后期到六十年代初期在核酸結構和功能研究工作的獎勵。這其中自然包括富蘭克林對DNA結構的貢獻，但這種貢獻不一定與實驗室中其他研究人員的貢獻有著本質性的差別。同時，他指出，DNA雙螺旋結構的發現史說明在科學研究中具有思維開放的重要性。

至于威爾金斯與富蘭克林之間的恩怨，也許有人會認為這是典型的“他說、她說”的故事，而富蘭克林永遠失去了“她說”的機會。威爾金斯承認，他與富蘭克林之間從來沒有成為好朋友，但開始時相處不錯，他對這個同事評價也很高。富蘭克林離開英王學院后，他們有機會在倫敦的學術會議上見面，有一次富蘭克林還開車送威爾金斯回英王學院。

但是，許多關于DNA的故事、關于富蘭克林的故事，連當事人都認不出了，也使威爾金斯感到不舒服。他認為，富蘭克林不見得會喜歡被描繪成女性主義的偶像，她只是有自己的處世哲學。所以，威爾金斯出版《自傳》，不但為自己正名，更將有助于還歷史的本來面目。威爾金斯駕馭史實，娓娓道來，既不過分自詡，也不為自己護短，體現出一個已屆耄耋之年的老人尊重歷史、以便后人研究的心態。

最后要指出的是，雖然本書以《雙螺旋結構的第三個男性》為題目，是牛津大學出版社編輯的決定，但是，書名本身反映出圍繞著講述和重述DNA雙螺旋結構發現的歷史時出現的矛盾、指責、困惑甚至爭議。

(The Third Man of the Double Helix: The Autobiography of Maurice Wilkins, Oxford: Oxford University Press, 2003)