第3章
DNA

科学家们最初认为，蛋白质携带基因。毕竟，在生物体内，大部分重要任务是由蛋白质完成的。然而，科学家们最终发现，遗传物质依靠核酸承载，核酸是细胞中的另一常见物质。糖、磷酸和四种称作“碱基”的物质串联成链即为核酸。核酸有两种：一种是RNA，另一种是DNA。从进化角度看，简单的冠状病毒和复杂的人体，本质上均由蛋白质包裹遗传物质而成，都在极力复制其本身的核酸编码的遗传物质。

1944年，生物化学家奥斯瓦德·艾弗里（Oswald Avery）在纽约洛克菲勒大学与同事一起最早发现并确认DNA为储存遗传信息的物质。他们提取了一株细菌的DNA，将该DNA同另一株细菌混合，证明DNA传输遗传物质，能实现对另一株细菌的可遗传改变。

揭开生命谜题的第二步是弄清DNA如何发挥作用。这需要根据所有自然之谜的根本性线索破解谜题。确定DNA的精准结构——所有原子如何组合在一起，最终形成什么形状——能解释DNA的作用原理。此项工作需要融合20世纪出现的三项学科的内容：遗传学、生物化学和结构生物学。

詹姆斯·沃森

詹姆斯·沃森是一个来自芝加哥中产家庭的男孩儿，他轻而易举地完成了公立学校的课程学习。沃森既聪明过人，又莽撞无礼，他喜欢利用自己的聪明才智惹恼他人。后来，虽然这一特点对其科学家生涯大有裨益，但相比之下，作为一名公众人物，该特质对他却没有那么大的益处。在沃森的一生中，他会含混不清地快速说出不完整的句子，以此消除急躁情绪，帮助自己摒弃冲动的想法。沃森后来说，父母教会他的重要一课，就是“为寻求社会接纳而虚伪做作，会腐蚀你的自尊”。这一课，沃森学得很好，甚至过了头。从童年时期到鲐背之年，不论对错，沃森都对自己的主张和观点直言不讳，丝毫不顾及他人情面。有时，沃森因此不被社会接纳，但是他从不缺乏自尊。 ¹

沃森从小到大最喜欢观鸟。在电台节目《神童》（Quiz Kids）上赢得三次战争债券后，沃森用债券购买了一副博士伦双筒望远镜。沃森每天黎明前便起床，和父亲前往杰克逊公园，花两个小时寻找罕见的鸣鸟，然后推着手推车去实验学校上学。手推车是神童的坩埚 。

沃森十五岁进入芝加哥大学学习。在那里，沃森打算成为一名鸟类学家，从而放纵自己，沉浸于对鸟的热爱，远离自己所厌恶的化学。但是在大学四年级，沃森读到了《生命是什么》（What Is Life?）一书的书评。在书中，量子物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）将自己的关注重点转向生物学，他认为基因分子结构的发现将能解释基因如何将遗传信息传递给子孙后代。第二天早上，沃森把这本书从图书馆借走，从那以后，他便沉迷于搞清楚基因是怎么回事。

沃森成绩平平，申请攻读加利福尼亚理工学院博士时遭到拒绝，而哈佛大学也未向他提供奖学金。 ² 因此，沃森前往印第安纳大学就读。印第安纳大学通过招募在美国东海岸难以获得终身职位的犹太裔教授，外加其他方面的努力，建成了全美名列前茅的遗传学系，群星荟萃，未来诺贝尔奖得主赫尔曼·穆勒（Hermann Muller）和意大利移民、微生物学家萨尔瓦多·卢瑞亚（Salvador Luria）在此任教。

沃森在印第安纳大学研究病毒，卢瑞亚担任其博士生导师。本质上，病毒仅是由蛋白质包裹遗传物质组成的，不能独立生存。但是病毒入侵细胞后，会劫持细胞系统，进行自我增殖。在病毒中，攻击细菌的病毒最易于研究。科学家将其命名为“噬菌体”（请记住这一术语，因为在我们讨论CRISPR的发现时，它将再次出现），它是“侵袭细菌的病毒”的缩写，意为病毒的攻击对象为细菌。

沃森加入了卢瑞亚的国际生物学家圈子，这个圈子名为“噬菌体小组”。沃森说：“卢瑞亚对大多数化学家深恶痛绝，对纽约市科学界争强好胜的化学家尤甚。”但是卢瑞亚不久便意识到，要搞清楚噬菌体，化学不可或缺。因此他帮助沃森获得了博士后研究员一职，在哥本哈根研究噬菌体。

沃森感到乏味无趣，他也无法理解监管自己研究的口齿不清的化学家。1951年春，沃森暂停研究，离开哥本哈根，参加在意大利那不勒斯举行的一场会议。会议主题是关于细胞内发现的分子的。对沃森而言，虽然大多数报告如同耳边风，但是伦敦国王学院生物化学家莫里斯·威尔金斯（Maurice Wilkins）的演讲让他着迷不已。

威尔金斯专门从事结晶学和X射线衍射研究。换言之，威尔金斯会将一种分子的饱和液体冷却，对所形成的结晶体进行提纯。随后，他会设法弄清这些结晶体的结构。如果从不同角度照射一个物体，你便可通过研究物体投射的影子，确认物体结构。X射线结晶学家的工作与之大同小异：他们使用X射线从不同角度照射晶体，记录晶体的影子和衍射花样。在报告即将结束之际，威尔金斯在幻灯片上展示该项技术已经应用于DNA研究。

沃森回忆道：“突然之间，化学令我亢奋不已。我知道基因能够结晶，因此，基因一定具有规则的结构，我们可以通过直截了当的方式破解基因结构之谜。”在接下来的几天里，沃森寸步不离威尔金斯，希望能加入威尔金斯的实验室，但未能如愿。

弗朗西斯·克里克

1951年秋，沃森反而进入剑桥大学卡文迪许实验室，成为一名博士后。实验室由结晶学家先驱劳伦斯·布拉格爵士（Sir Lawrence Bragg）领导。从30余年前至今，布拉格爵士一直是科学领域最年轻的诺贝尔奖获得者。 ³ 布拉格与自己的父亲一起获得了诺贝尔奖——两人发现了晶体衍射X射线的基本数学定律。

在卡文迪许实验室，沃森与弗朗西斯·克里克相遇，形成历史上最为强大的一对科学家组合。克里克曾在第二次世界大战期间服役。身为一名生物化学理论家，他已36岁，却仍未取得博士学位。不管怎样，克里克对自己的直觉信心满满，对剑桥大学的规矩满不在乎。克里克无法自我克制，总是纠正同事漫不经心提出的想法，然后还会夸耀一番自己的做法。在《双螺旋》的开篇，沃森写下了令人难忘的一句话：“我从未见过弗朗西斯·克里克表现出谦虚谨慎。”这句话同样适用于沃森。与他们各自的同事相比，沃森与克里克更加欣赏彼此的傲慢无礼。克里克回忆说：“傲慢无礼、冷酷无情、心浮气躁，这些特质在我们两个人身上自然流露。”

沃森相信，弄清楚DNA的结构是解开遗传之谜的关键，克里克与他的想法不谋而合。不久，两人共进午餐，一起吃肉馅土豆泥饼，在实验室附近陈旧的老鹰酒吧高谈阔论。克里克的声音震耳欲聋，笑声活力十足，布拉格爵士会因此分散注意力。所以，爵士把沃森和克里克分配到一间破败的砖砌房间，专供两人使用。

悉达多·穆克吉 是一位作家，也是一名医生。他说：“沃森和克里克彼此互补，因傲慢无礼、脾气古怪、才华横溢而走到一起。两人虽然对权威嗤之以鼻，但又渴望得到权威的认可。两人认为，科学权威人士滑稽可笑，古板无趣，但两人知道自己如何能巧妙地融入其中。虽然两人将自己想象成典型的圈外人，但是坐在剑桥大学各学院内的四方院里，最能让两人感到轻松自在。两人自封为满朝弄臣中的小丑。” ⁴

莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）是加利福尼亚理工学院的生物化学家。鲍林刚刚综合利用X射线结晶学、自己对化学键量子力学的理解以及万能工匠（Tinkertoy）建模，揭示了蛋白质结构，震动了整个科学界，为自己获得首个诺贝尔奖铺平道路。在老鹰酒吧吃午餐期间，沃森和克里克秘密计划如何使用同样的伎俩，在发现DNA结构的竞争中击败鲍林。两人甚至请卡文迪许实验室工具车间的工作人员切割好马口铁和铜线，打算在确定所有元素和连接部分后，在供试验用的桌面模型中用马口铁和铜线代表DNA中的原子和其他组成部分。

此举存在一个障碍。莫里斯·威尔金斯是伦敦国王学院的生物化学教授，此前在那不勒斯，其DNA晶体的X射线照片已激起沃森的兴趣，而沃森和克里克将涉足威尔金斯所在的领域。沃森写道：“英国人具有公平竞争的意识，弗朗西斯因此不愿涉足莫里斯的领域。在法国，显然并不存在公平竞争，因而不会出现此类问题。美国也不会允许违反公平竞争的行为继续发展。”

威尔金斯在击败鲍林的问题上，似乎显得不慌不忙。他与一位聪慧过人的新同事陷入了痛苦的内部斗争，在沃森书内的描述中，此次斗争既有戏剧性，又无足轻重。威尔金斯的新同事是一位31岁的英国生物化学家，于1951年来到伦敦国王学院工作。在巴黎学习期间，她掌握了X射线衍射技术。这位新同事名叫罗莎琳德·富兰克林。

罗莎琳德·富兰克林认为，自己会带领一个团队研究DNA。在此诱惑之下，富兰克林来到国王学院任职。威尔金斯比富兰克林年长4岁，当时已经进行DNA研究工作。威尔金斯以为罗莎琳德·富兰克林是以自己的下属的身份在国王学院就职，使用X射线衍射技术，帮助自己开展研究的。因此，两人的关系陷入紧张局面，冲突一触即发。几个月里，两人几乎不和对方说话。国王学院的体系存在一定的性别歧视，这有利于将两人分开：学院有两个教师休息室，一个供男教师使用，另一个供女教师使用。女教师休息室破旧昏暗，令人无法忍受，而男教师休息室条件优越，可当作雅致的午餐室。

富兰克林是一位专注的科学家，衣着得体。英国学术界喜欢怪人异类，倾向于透过有色性别眼镜看待女性，而富兰克林的做法与英国学术界的偏好背道而驰。沃森在书中对富兰克林的描述显示，这种态度颇为明显。“虽然她特点鲜明，但是她并非毫无吸引力。如果稍稍注意衣着打扮，她可能会魅力四射。但她并不注意这一点。她从不涂口红，无法让嘴唇与她的乌黑直发形成对比。她31岁，衣着却与英国青少年女性别无二致。”

虽然富兰克林拒绝与威尔金斯和其他人分享自己的X射线衍射花样，但是在1951年11月，富兰克林安排了一场讲座，总结了自己的最新发现。威尔金斯邀请沃森从剑桥乘火车南下。威尔金斯回忆道：“她语速飞快，紧张地与一位听众交流了15分钟。在一词一句间，既没有一丝热情，也未显一点儿轻浮。但是，我并不认为她完完全全令人厌烦。一时间，我想知道，如果她摘下眼镜，好好做个发型，会是什么模样。然而，我后来主要关注的是她对晶体X射线衍射花样的描述。”

第二天早上，沃森向克里克简单介绍了情况。沃森此前并没有做笔记，此举惹恼了克里克。因此，沃森的介绍中有许多要点模糊不清，尤其是富兰克林在自己的DNA样本中发现水分子的相关内容。然而，克里克漫不经心地绘制了图标，声称富兰克林的数据表明，DNA为2～4条长链扭转组成的螺旋结构。克里克认为，通过摆弄不同模型，他们不久便会找到答案。在一周时间内，即使一些原子受到挤压，距离过近，两人依然觉得自己找到了正确的答案：在其模型中，三条链在中间呈螺旋状，四个碱基从主干部分向外突出。

两人自鸣得意，邀请威尔金斯和富兰克林北上来到剑桥，亲眼看看自己的模型。威尔金斯和富兰克林于第二天早上抵达。克里克话不多说，开始展示三螺旋结构。富兰克林立刻发现，该结构存在缺陷。她说：“你们错了，原因如下。”她像一位怒气冲冲的老师，疾言厉色地指出了问题所在。

富兰克林坚持认为，自己的DNA照片并未显示其分子为螺旋形。对于这一点，结果证明她判断错误。但是她的另两个反对理由准确无误：扭曲的主干必须位于外部，而非内部；该模型的含水量并不饱和。沃森冷冰冰地说：“在此阶段，出现了令人尴尬的状况。我对罗西的DNA样本含水量的记录并不清晰。”威尔金斯立刻与富兰克林站到一边，告诉富兰克林，如果她和自己马上前往车站，两人还能赶上3:40返回伦敦的火车。于是两人即刻便启程。

沃森和克里克不仅颜面扫地，而且被迫坐上冷板凳。布拉格爵士命两人停止DNA研究。他将两人的建模组件打包发往伦敦，交给了威尔金斯和富兰克林。

祸不单行，在沃森灰心丧气之时，传来了消息：莱纳斯·鲍林将从加利福尼亚理工学院来到英格兰做讲座，此举很可能促使鲍林自己尝试展开行动，破解DNA结构之谜。此时，美国国务院雪中送炭。在催生党派斗争的古怪环境中，美国政府人员在纽约机场拦下鲍林，以其不停发表和平主义观点为由，没收了鲍林的护照。美国联邦调查局（FBI）认为，如果批准鲍林出行，他可能会威胁美国国家安全。因此，鲍林从未得到机会，在英格兰讨论其所做的结晶学的相关工作。这一情况促使美国在弄清DNA结构的竞赛中败北。

鲍林的儿子彼得是一个年轻学生，他在沃森和克里克所在的实验室学习。两人得以通过彼得，监视鲍林工作的部分进度。沃森认为，彼得热情友善，十分有趣。他回忆道：“我们谈话的主题主要是比较英格兰、欧洲大陆和美国加利福尼亚州女孩儿的优点。”但是，1952年12月的一天，彼得漫步到实验室，将双脚跷在桌子上，公布了沃森一直害怕听到的消息。彼得手里拿着一封自己父亲的来信。在信中，父亲称自己已经构想出一种DNA结构，即将就此项发现发表相关论文。

莱纳斯·鲍林的论文于2月初送抵剑桥。彼得最先拿到一份，然后他闲庭信步，走进实验室，告诉沃森和克里克，他父亲的答案与两人之前努力得到的结果颇为相似：一个含有三条链的螺旋，中间为主干。沃森一把抓过彼得外套口袋里的论文，念了起来。沃森回忆道：“我立刻感到有什么不对劲，然而我找不出哪儿出了问题。我看了插图几分钟，才恍然大悟。”

沃森发现，在鲍林提出的模型中，部分原子连接并不稳定。沃森与克里克和实验室其他人员进行了讨论，随即确信，鲍林犯了一个“愚蠢的错误”。他们兴奋不已，便在下午提前下班，赶往老鹰酒吧。沃森说：“酒吧晚上开门营业的那一刻，我们便已等在那里，为鲍林的失败举杯庆祝。弗朗西斯要请我喝雪莉酒，我让他换成了威士忌。”

“生命的秘密”

沃森和克里克知道，他们不能再浪费时间，亦无法继续遵守命令，听从威尔金斯和富兰克林的意见。因此，一天下午，沃森带着早些时候收到的鲍林的论文，乘火车南下，前往伦敦与威尔金斯和富兰克林见面。沃森抵达时，威尔金斯不在。所以沃森不请自来，优哉游哉地走进富兰克林的实验室。富兰克林正俯身趴在一个灯箱上，鉴定她最新拍出、最为清晰的DNA的X射线花样。虽然富兰克林生气地瞪了沃森一眼，但是沃森仍然开始了对鲍林的论文内容进行总结。

有那么一会儿，沃森和富兰克林就DNA是否可能为单螺旋结构展开了争论，富兰克林对此持怀疑态度。沃森回忆道：“在理解她长篇大论的过程中，我坚持认为，任何普通聚合分子的最简结构都是单螺旋。当时，罗西几乎无法控制自己的情绪。她提高嗓门儿，告诉我如果我停止大吵大闹，看看她的X射线照片，就能轻而易举地发现，我的说法是愚蠢可笑的。”

沃森指出，富兰克林如果知道如何同理论家合作，那她会成为一名更加成功的优秀实验人员。虽然此言不虚，却粗暴无礼。此后，双方的谈话急转直下。沃森说：“突然之间，罗西从我俩之间的实验台后向我走来。我害怕她怒火中烧，可能向我发起攻击，于是我抓起鲍林的论文稿，急匆匆地离开了。”

在冲突达到高潮之际，威尔金斯从实验室路过，立马带沃森去喝茶，平复其情绪。威尔金斯坦言，富兰克林拍摄了一些含水DNA的图像，为证明DNA结构提供了新证据。威尔金斯随后进入邻近的一个房间，拿出了一张打印出来的照片。这张照片后来成为举世闻名的“照片51号”。威尔金斯通过正当方法获得了这张照片：他的博士生为富兰克林工作，拍下了这张照片。但把这张照片展示给沃森却不合适。沃森记下了一些关键参数，将这些参数带回了剑桥，与克里克共享。富兰克林认为，DNA结构的主干链如同螺旋阶梯的线条，位于分子外部，而非分子内部。那张照片表明，富兰克林的这一说法乃不刊之论。但是富兰克林却错误地认为，DNA不可能具有螺旋结构。沃森立刻发现，“只有在螺旋结构中，才会出现照片中凸显的黑色交叉影像”。一项针对富兰克林的记录的研究发现，甚至在沃森来访后，富兰克林与成功确定DNA结构依然相距甚远。 ⁵

返回剑桥的火车车厢内没有暖气。在车厢里，沃森在手中《泰晤士报》的页面空白边缘处快速写下了自己的想法。晚上，沃森所在的住宿学院大门紧锁，因此他不得不翻过后门才能进入学院。第二天早上，沃森进入卡文迪许实验室时，与劳伦斯·布拉格爵士不期而遇。此前，布拉格爵士下令，沃森和克里克不得进行DNA研究。沃森兴奋地把自己了解的情况做了总结。面对这种情况，加之此前听说沃森渴望回到剑桥建立模型，布拉格爵士准许了。于是沃森冲下楼，来到车间，开动机器，开始制作一套新的组件。

不久，沃森和克里克得到了富兰克林的更多数据。富兰克林已向英国医学研究理事会提交了与其研究相关的论文。一名理事会成员将论文分享给了沃森和克里克。虽然严格意义上说，沃森和克里克并未盗用富兰克林的发现，但是两人在未经富兰克林允许的情况下使用了她的研究成果。

届时，沃森和克里克已就DNA结构形成了非常不错的想法。该结构由两条核糖-磷酸链交缠而成。两条链呈扭曲的螺旋状，形成了双链螺旋结构。四个DNA碱基——腺嘌呤（adenine）、胸腺嘧啶（thymine）、鸟嘌呤（guanine）和胞嘧啶（cytosine）——从该结构中突出。现在，人们更加熟悉代表这些碱基的字母：A、T、G和C。富兰克林认为，在DNA结构中，主干部分在外，碱基指向内部，如同一架扭曲的梯子或一段螺旋形楼梯，沃森和克里克对该观点予以认同。后来，沃森在一次有气无力的祷告中承认：“她（富兰克林）过去对该问题毫不退让，所言所述反映出其一流的科研水平，而非一位误入歧途的女权主义者的情感迸发。”

沃森和克里克最初认为，碱基会自行配对。例如，由一个腺嘌呤形成的半条横档 会与另一个腺嘌呤结合。一天，沃森使用自己剪制的碱基纸板模型，开始摆弄不同的碱基。他说：“我突然意识到，腺嘌呤和胸腺嘧啶配对，由两个氢键固定。鸟嘌呤和胞嘧啶配对，至少由两个氢键固定。二者在形状上一模一样。”沃森所在的实验室拥有擅长不同领域的科学家，能在此工作，沃森非常幸运。其中一位是一名量子化学家。这位量子化学家证实，腺嘌呤会吸引胸腺嘧啶，鸟嘌呤会吸引胞嘧啶。

该结构产生了令人兴奋的结果：两条链分开时，它们可以得到完美复制。因为任意半条横档都会吸引其天然搭档。换言之，该结构可实现分子的自我复制，传送编入分子序列中的信息。

沃森随即回到车间，催促工人们加快生产四种碱基模型。此时，机器操作工人们受到沃森情绪的感染，兴奋不已，几个小时便焊好了闪闪发亮的铁板。现在，所有部件准备就绪。沃森仅花了一个小时，就根据X射线呈现图像的数据和化学键规则，将部件安装完毕。

在《双螺旋》一书中，沃森用令人难忘、略显夸张的措辞写道：“弗朗西斯脚下生风，飞奔进老鹰酒吧，在大家都能听见他说话的位置，宣布我们已发现生命的秘密。”答案美妙绝伦，令人难以置信。该结构完美无缺，与分子功能珠联璧合，含有可进行自我复制的序列。

1953年3月的最后一个周末，沃森和克里克完成了两人的论文。论文仅有975个字。沃森说服妹妹用打字机打出了该论文，他的理由是：“她将参与自达尔文出版《物种起源》以来生物学领域中可能最为著名的事件。”克里克希望论文包含一个扩展章节，阐明遗传的影响，但是沃森说服克里克打消了这一想法，理由是结尾越短，效果越好。自此，科学界最具意义的句子之一应运而生：“我们注意到，我们假设的特定配对直接表明，遗传物质中可能存在一种复制机制。”

1962年，沃森、克里克和威尔金斯荣获诺贝尔生理学或医学奖。富兰克林于1958年因卵巢癌去世，终年37岁，死因可能是经常暴露于辐射之中。由于已经离开人世，富兰克林不具备获奖条件。假如她在世，诺贝尔奖委员会将面临一个尴尬局面：每项诺贝尔奖最多只能由三名获奖人共享。

20世纪50年代，同时发生了两场革命。克劳德·香农、艾伦·图灵等数学家证明，可使用名为比特的二进制码对所有信息进行编码，进而在装有开关、能处理信息的电路的推动下引发一场数字革命。与此同时，沃森和克里克发现了如何通过四个碱基字母的DNA序列，为构建各类生物体内所有细胞的指令进行编码。一个基于数字编码（0100110111001……）和遗传代码（ACTGGTAGATTACA……）的信息时代由此诞生。两波大潮奔腾交汇，推动历史洪流加速向前。 ImExxCr+NuDgD3eU6fSmaXTNE/FIt4PJWC9HCn2y2N35wuhiT92zcp3aYHms3NRL