DNA双螺旋结构发现者
——莫里斯·威尔金斯

张 建 （江苏省黄桥中学 江苏泰兴 225411）

DNA双螺旋结构是20世纪科学史上最伟大的成就之一，可以与达尔文的进化论和爱因斯坦的相对论相媲美。大家提到DNA双螺旋结构时很自然想到沃森和克里克创造的DNA双螺旋模型。但他们精妙的模型是基于其他科学家的生化研究和X射线晶体研究而提出的。这其中就有英国伦敦国王学院的著名生物物理学家——莫里斯·威尔金斯。

图1 莫里斯·威尔金斯

他与罗萨琳·富兰克林的DNA晶体X衍射照片对沃森—克里克提出双螺旋模型提供了坚实的基础。尽管如此，由于威尔金斯与富兰克林之间的私人误会受到许多人的误解，以致一直没有受到世人应有的尊敬。

1 漫漫求学与科学研究之路

1.1 漫漫求学路 1916年12月15日，威尔金斯出生于新西兰。身为校医的父亲对科学挚爱的精神在童年的威尔金斯心中埋下了科学研究的种子。6岁的威尔金斯随父亲来到英格兰，自此开始了自己的求学之路[1］。威尔金斯进入爱德华国王学校学习。在校期间，由于学习刻苦，成绩一直名列前茅。父亲的工作使他掌握了大量科学实验的技术和技巧，特别在显微镜制备方面。随后，威尔金斯进入圣约翰学院学习物理学。在此期间，有幸遇到了他的导师，著名原子物理学家科克罗夫特。1938年，威尔金斯从圣约翰学院获得物理学学位，随后进入伯明翰大学物理系，成为著名固体物理学家约翰·兰德尔博士的研究助手，并攻读博士学位。1940年，威尔金斯凭借磷光理论和磷原子中被俘电子的稳定性机理的研究而获得博士学位。

1.2 坎坷科研路 此时，第二次世界大战正在惨烈地进行。1943年，威尔金斯跟随奥利芬特研究小组来到美国，加入了奥本海默领导的曼哈顿计划。在此，他收获了科学知识共享及科学与应用的紧密结合而带来的快乐。但是，后来原子弹巨大的杀伤力使威尔金斯感到深深的内疚，以致成为战后反核运动的主力成员之一。

战后，威尔金斯偶读到著名理论物理学家薛定谔的《生命是什么》，被书中复杂生物大分子的结构概念所吸引。后来，威尔金斯将研究方向转向生物学。在苏格兰圣安德鲁大学成为一名物理学讲师，并加入自己的博士生导师约翰·兰德尔博士的生物物理学研究小组。不久，跟随兰德尔博士将实验室迁到国王学院，并在这里建立了生物物理学实验室。在兰德尔的建议下，威尔金斯使用紫外显微技术研究细胞的内部结构。当他兴奋地看到细胞中遗传物质的载体染色体时，意识到用显微镜对细胞进行整体研究，无法揭示生命的本质。于是，威尔金斯将生物大分子分离出来，再对分子结构展开深入研究。所以，威尔金斯开始将X射线衍射技术应用于生物大分子结构的研究。但是未经X射线衍射技术系统培训的威尔金斯在后续研究中受到一定程度的限制。

2 关于DNA结构的研究

2.1 揭开DNA分子结构研究的序幕 分子生物学研究者从3个方面探讨生命的本质，并形成3个学派：结构学派、信息学派和生化遗传学派[2］。作为结构学派的主阵地英国国王学院，以其先进的实验仪器为手段展开了生物大分子结构研究。在此间，威尔金斯选择了DNA分子结构研究。1950年，在伦敦法拉第学会上，威尔金斯收到了瑞士化学家席格纳分发给参会人员的自制牛胸腺高度聚合DNA样品。威尔金斯研究发现，DNA纤维可以作为X射线衍射分析的极佳材料。于是，将其交给了比较擅长X光衍射的国王学院毕业生戈斯林。果然，不久一张令人兴奋的DNA晶体X衍射照片问世（图2），从照片上的完美斑点可以看出DNA纤维为一种晶体结构，并且排列较有规律。实验成功的一个重要原因是DNA纤维的潮湿环境。这得益于之前蛋白质晶体研究中保持潮湿环境状态，所得结果较为理想[3］。这点对后来富兰克林的成功提供了重要参照。但是，威尔金斯根据X射线衍射错误地得出DNA是单股螺旋。再加上实验室缺乏相关研究专家，所以一段时间内对DNA的结构研究进展几乎处于停滞状态。尽管如此，这些引起了后来许多科学家的极大兴趣。这其中就包括沃森和克里克。

图 2 DNA晶体X衍射照片[3］

2.2 奠基和丰富DNA分子结构研究 在意大利那不勒斯的一个学术会议上，威尔金斯展示了X射线衍射技术应用于DNA结构方面的研究成果，并公布了一系列衍射照片。这被台下的沃森所关注，他敏锐地感到这项研究的重要性，并表示出与威尔金斯合作研究的愿望。可遗憾的是威尔金斯并没有同意。事实证明这对威尔金斯来说是一个很大的遗憾。倘若他们能有效合作，凭借两者的学识优势，DNA结构发展的历程可能会改写，甚至会出现沃森——威尔金斯模型。对DNA结构研究充满热情的沃森在卡文迪许实验室遇到了威尔金斯的朋友博士生克里克。克里克对DNA结构的研究同样充满向往。通过与威尔金斯的交流与讨论，克里克系统了解了DNA结构，也正是两人的朋友关系为后来沃森和克里克获得DNA结构照片提供了条件。沃森和克里克的互补、相互批评及相互激励的通力合作成为后来成功的基础。相比之下，威尔金斯并不很强的合作意识遗憾地使他的DNA结构研究进展缓慢。在威尔金斯到美国进行学术交流期间，一名X射线晶体学研究专家罗萨琳·富兰克林被兰德尔邀请至国王学院，并改进了威尔金斯的实验仪器，使DNA的研究有了很大的进展。但是，威尔金斯与富兰克林的研究独立而竞争地进行，并没有产生有效的合作。威尔金斯与X射线晶体衍射专家斯陶克建立了威尔金斯研究小组，富兰克林和戈斯林在威尔金斯的实验基础上展开对DNA的研究。威尔金斯研究小组研究了不同来源的DNA,发现了衍射图像的相似性，得出了DNA结构的普遍性。但所获得的DNA衍射图片并不理想。此时的富兰克林与戈斯林在DNA衍射方面研究进展比较顺利。在沃森对国王学院的一次访问中，威尔金斯出于学术交流的目的将富兰克林的完美X射线衍射提供给了沃森。这使很多人感觉威尔金斯很不道德。倘若威尔金斯与富兰克林以联合发表的方式将资料给予沃森会更规范。这一点威尔金斯做得有点欠妥。当然这次分享加速了DNA研究发展的进程。其实，威尔金斯与富兰克林之间的关系还是比较融洽的。但是，沃森的自传著作《双螺旋》中对人物的描述有点失真，具有很强的误导性，特别是对富兰克林的描述尤其苛刻。这使得人们把矛头指向了威尔金斯。我们必须明白一点，DNA结构的阐明是许多科学家作出重要贡献的结果，他们都应受到应得的荣誉。遗憾的是富兰克林由于疾病于1958年逝世而无缘分享这些荣誉。但是她的X衍射成果对DNA结构的阐明作出了巨大的贡献。

沃森和克里克从鲍林的三螺旋模型中获得灵感，并参考了富兰克林的DNA X衍射照片中的关键数据，以及在对查格夫规则（A-T，G-C）进行了合理解释的基础上，提出了DNA双螺旋结构模型。尽管双螺旋DNA模型有不可否认的优点，但是，当时文献中所用的X射线数据不足以严格地检验假设的结构。对此，威尔金斯与他的同事提供了可供引用的关于小牛胸腺DNA的X射线数据。这给DNA双螺旋模型给予了坚定的支持。对此，沃森和克里克提出在论文里署上威尔金斯的名字，但是遭到威尔金斯的拒绝。他认为，作为一名物理学家用X射线分析DNA结构并得到一定的数据是理所当然的[4］。于是1953年4月25日Nature杂志上发表了只署名了沃森和克里克的DNA双螺旋结构的经典论文。

尽管如此，仍然不能忘却威尔金斯在DNA双螺旋模型的实验建构中作出的巨大贡献。是他第1个得出较为清晰的DNA的X射线衍射照片，从而揭开DNA分子结构研究的序幕；是他为DNA结构提供了更为充分的实验图片和数据以证明沃森和克里克模型的正确性；是他研究了DNA B型结构以外的A型和C型，并将有关数据发表在Nature上，使DNA双螺旋结构更为可信；是他对不同来源DNA展开了研究，得出了DNA都是有相似结构的研究成果。所以，威尔金斯与沃森、克里克共享了1962年诺贝尔生理或医学奖。国王学院院长里克·特雷纳说，威尔金斯是“20世纪最伟大的科学家之一”。这样的荣誉与认可是实至名归的。