DNA雙螺旋結構發現者
——莫里斯·威爾金斯

張 建 （江蘇省黃橋中學 江蘇泰興 225411）

DNA雙螺旋結構是20世紀科學史上最偉大的成就之一，可以與達爾文的進化論和愛因斯坦的相對論相媲美。大家提到DNA雙螺旋結構時很自然想到沃森和克里克創造的DNA雙螺旋模型。但他們精妙的模型是基于其他科學家的生化研究和X射線晶體研究而提出的。這其中就有英國倫敦國王學院的著名生物物理學家——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衍射照片對沃森—克里克提出雙螺旋模型提供了堅實的基礎。盡管如此，由于威爾金斯與富蘭克林之間的私人誤會受到許多人的誤解，以致一直沒有受到世人應有的尊敬。

1 漫漫求學與科學研究之路

1.1 漫漫求學路 1916年12月15日，威爾金斯出生于新西蘭。身為校醫的父親對科學摯愛的精神在童年的威爾金斯心中埋下了科學研究的種子。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之路[1］。威爾金斯進入愛德華國王學校學習。在校期間，由于學習刻苦，成績一直名列前茅。父親的工作使他掌握了大量科學實驗的技術和技巧，特別在顯微鏡制備方面。隨后，威爾金斯進入圣約翰學院學習物理學。在此期間，有幸遇到了他的導師，著名原子物理學家科克羅夫特。1938年，威爾金斯從圣約翰學院獲得物理學學位，隨后進入伯明翰大學物理系，成為著名固體物理學家約翰·蘭德爾博士的研究助手，并攻讀博士學位。1940年，威爾金斯憑借磷光理論和磷原子中被俘電子的穩定性機理的研究而獲得博士學位。

1.2 坎坷科研路 此時，第二次世界大戰正在慘烈地進行。1943年，威爾金斯跟隨奧利芬特研究小組來到美國，加入了奧本海默領導的曼哈頓計劃。在此，他收獲了科學知識共享及科學與應用的緊密結合而帶來的快樂。但是，后來原子彈巨大的殺傷力使威爾金斯感到深深的內疚，以致成為戰后反核運動的主力成員之一。

戰后，威爾金斯偶讀到著名理論物理學家薛定諤的《生命是什么》，被書中復雜生物大分子的結構概念所吸引。后來，威爾金斯將研究方向轉向生物學。在蘇格蘭圣安德魯大學成為一名物理學講師，并加入自己的博士生導師約翰·蘭德爾博士的生物物理學研究小組。不久，跟隨蘭德爾博士將實驗室遷到國王學院，并在這里建立了生物物理學實驗室。在蘭德爾的建議下，威爾金斯使用紫外顯微技術研究細胞的內部結構。當他興奮地看到細胞中遺傳物質的載體染色體時，意識到用顯微鏡對細胞進行整體研究，無法揭示生命的本質。于是，威爾金斯將生物大分子分離出來，再對分子結構展開深入研究。所以，威爾金斯開始將X射線衍射技術應用于生物大分子結構的研究。但是未經X射線衍射技術系統培訓的威爾金斯在后續研究中受到一定程度的限制。

2 關于DNA結構的研究

2.1 揭開DNA分子結構研究的序幕 分子生物學研究者從3個方面探討生命的本質，并形成3個學派：結構學派、信息學派和生化遺傳學派[2］。作為結構學派的主陣地英國國王學院，以其先進的實驗儀器為手段展開了生物大分子結構研究。在此間，威爾金斯選擇了DNA分子結構研究。1950年，在倫敦法拉第學會上，威爾金斯收到了瑞士化學家席格納分發給參會人員的自制牛胸腺高度聚合DNA樣品。威爾金斯研究發現，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光衍射的國王學院畢業生戈斯林。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可以看出DNA纖維為一種晶體結構，并且排列較有規律。實驗成功的一個重要原因是DNA纖維的潮濕環境。這得益于之前蛋白質晶體研究中保持潮濕環境狀態，所得結果較為理想[3］。這點對后來富蘭克林的成功提供了重要參照。但是，威爾金斯根據X射線衍射錯誤地得出DNA是單股螺旋。再加上實驗室缺乏相關研究專家，所以一段時間內對DNA的結構研究進展幾乎處于停滯狀態。盡管如此，這些引起了后來許多科學家的極大興趣。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分子結構研究 在意大利那不勒斯的一個學術會議上，威爾金斯展示了X射線衍射技術應用于DNA結構方面的研究成果，并公布了一系列衍射照片。這被臺下的沃森所關注，他敏銳地感到這項研究的重要性，并表示出與威爾金斯合作研究的愿望?？蛇z憾的是威爾金斯并沒有同意。事實證明這對威爾金斯來說是一個很大的遺憾。倘若他們能有效合作，憑借兩者的學識優勢，DNA結構發展的歷程可能會改寫，甚至會出現沃森——威爾金斯模型。對DNA結構研究充滿熱情的沃森在卡文迪許實驗室遇到了威爾金斯的朋友博士生克里克。克里克對DNA結構的研究同樣充滿向往。通過與威爾金斯的交流與討論，克里克系統了解了DNA結構，也正是兩人的朋友關系為后來沃森和克里克獲得DNA結構照片提供了條件。沃森和克里克的互補、相互批評及相互激勵的通力合作成為后來成功的基礎。相比之下，威爾金斯并不很強的合作意識遺憾地使他的DNA結構研究進展緩慢。在威爾金斯到美國進行學術交流期間，一名X射線晶體學研究專家羅薩琳·富蘭克林被蘭德爾邀請至國王學院，并改進了威爾金斯的實驗儀器，使DNA的研究有了很大的進展。但是，威爾金斯與富蘭克林的研究獨立而競爭地進行，并沒有產生有效的合作。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驗基礎上展開對DNA的研究。威爾金斯研究小組研究了不同來源的DNA,發現了衍射圖像的相似性，得出了DNA結構的普遍性。但所獲得的DNA衍射圖片并不理想。此時的富蘭克林與戈斯林在DNA衍射方面研究進展比較順利。在沃森對國王學院的一次訪問中，威爾金斯出于學術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合發表的方式將資料給予沃森會更規范。這一點威爾金斯做得有點欠妥。當然這次分享加速了DNA研究發展的進程。其實，威爾金斯與富蘭克林之間的關系還是比較融洽的。但是，沃森的自傳著作《雙螺旋》中對人物的描述有點失真，具有很強的誤導性，特別是對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，DNA結構的闡明是許多科學家作出重要貢獻的結果，他們都應受到應得的榮譽。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。但是她的X衍射成果對DNA結構的闡明作出了巨大的貢獻。

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衍射照片中的關鍵數據，以及在對查格夫規則（A-T，G-C）進行了合理解釋的基礎上，提出了DNA雙螺旋結構模型。盡管雙螺旋DNA模型有不可否認的優點，但是，當時文獻中所用的X射線數據不足以嚴格地檢驗假設的結構。對此，威爾金斯與他的同事提供了可供引用的關于小牛胸腺DNA的X射線數據。這給DNA雙螺旋模型給予了堅定的支持。對此，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。他認為，作為一名物理學家用X射線分析DNA結構并得到一定的數據是理所當然的[4］。于是1953年4月25日Nature雜志上發表了只署名了沃森和克里克的DNA雙螺旋結構的經典論文。

盡管如此，仍然不能忘卻威爾金斯在DNA雙螺旋模型的實驗建構中作出的巨大貢獻。是他第1個得出較為清晰的DNA的X射線衍射照片，從而揭開DNA分子結構研究的序幕；是他為DNA結構提供了更為充分的實驗圖片和數據以證明沃森和克里克模型的正確性；是他研究了DNA B型結構以外的A型和C型，并將有關數據發表在Nature上，使DNA雙螺旋結構更為可信；是他對不同來源DNA展開了研究，得出了DNA都是有相似結構的研究成果。所以，威爾金斯與沃森、克里克共享了1962年諾貝爾生理或醫學獎。國王學院院長里克·特雷納說，威爾金斯是“20世紀最偉大的科學家之一”。這樣的榮譽與認可是實至名歸的。