DNA双螺旋结构的发现及其审美

1953年，沃森（Watson）和克里克（Crick）发现了DNA的双螺旋结构，这是继爱因斯坦相对论，量子力学之后的20世纪自然科学的第三大发现。DNA的双螺旋结构破解了“生命之谜”，人类从此进入了分子生物学时代，并且对遗传的研究迈入了分子层面。

一、 DNA双螺旋结构的发现过程

20世纪上半叶，生物学家证实DNA是多数生物的遗传物质，在此基础上一批青年科学家加入了生物学的研究。1951年，沃森在英国的卡文迪什实验室遇见了克里克，二人一见如故，决定携手进行DNA结构的研究^[1]。

1. 准备阶段

1951年11月，在看到富兰克林（Rosalind Franklin）的DNA结构报告中她同年拍摄的一张DNA晶体X射线衍射照片后，沃森产生了灵感，提出了DNA是一种的螺旋形结构的猜想，并且分析计算出了螺旋参数，于是一个三螺旋的DNA结构设想被提出^[2]。但是这种设想既无法构建出合理的DNA模型，也没有得到富兰克林的支持，工作陷入困境。这年年底，富兰克林发现了一个因实验数据理解错误的计算，这导致第一个DNA分子模型宣告失败^[3]。但他们没有放弃，而是继续收集整理资料，寻找可能的方案。

1953年2月，沃森和克里克在威尔金斯（Wilkins）的实验室看到了富兰克林在1951年11月最新得到的一张比以前得到的A型简单得多B型DNA晶体X射线衍射照片，这使沃森和克里克又产生了灵感，提出了一个双螺旋DNA结构的设想^[4]。他们的第二个模型是双链螺旋体，脱氧核糖和磷酸在外部形成双链骨架，相同碱基两两成对地排列在内侧。但是这种配对方式无法得到令人满意的DNA模型，同样宣告失败^[5]。他们苦苦思索四个碱基的布置，一次次在纸上画碱基结构，摆弄模型，一次次提出假设，一次次推翻自己的假设。他们虽然经历了很多失败，但总结了很多有益的经验教训，为第三种模式的成功建立奠定了基础。

2. 豁朗阶段

1952年6月，沃森和克里克邀请剑桥大学数学系研究生格里菲斯进行理论计算后得知：A吸引T，G吸引C，即嘌呤有吸引嘧啶的趋势。同年，生物化学家查尔加夫（Chargaff）通过化学成分的分析测定了DNA中4种碱基的含量，发现在数量上腺嘌呤(A)=胸腺嘧啶(T)，鸟嘌呤(G)=胞嘧啶(C)。这使沃森和克里克产生了碱基配对的想法。1953年2月20日，沃森又在根据自己的设想摆弄模型，他移动碱基的位置以找到配对的方式。突然，他发现A-T对竟然和G-C对均是一个双环和一个单环的组合，形状类似，直径相差较小，并且从这一发现解释了查尔加夫定律。于是果断放弃了碱基同配方案，采用了碱基互补配对的DNA双螺旋结构模型，即A与T，C与C配对。

1953年3月, 沃森与克里克开始搭建采用了碱基互补配对的DNA双螺旋模型,他们用一周的时间构建了DNA结构模型，测量出两种碱基对和DNA长链上每一种键的旋转角度。富兰克林和威尔金斯最新得到的晶体学数据也都支持这种采用了碱基互补配对的DNA双螺旋结构^[6]。3月18日，沃森和克里克经过三周的反复检查和改进，成功建立了第一个DNA分子双螺旋结构模型。由于缺少准确的X射线数据，他们不能确定模型是否完全正确。

3. 验证阶段

富兰克林和威尔金斯把根据这个金属材料制成的模型预测出的衍射图与X射线拍摄的衍射照片相比较，发现二者完全相符，数据分析进一步证实了双螺旋结构模型的正确性，并在英国《自然》杂志上撰写发表了两篇实验报告。

1953年4月25日，英国《自然》杂志发表了沃森和克里克的研究成果:DNA双螺旋结构的分子模型，后来被誉为20世纪以来生物学上最伟大的发现，标志着分子生物学的诞生。DNA分子结构的发现，更好地解释了DNA是遗传物质以及在分子水平上阐明了DNA的复制和控制蛋白质合成的功能。

二、发现过程中的审美因素

1. 科学美

1) 对称美

在沃森和克里克研究4种碱基的配对方式时，由于A和G比T和C大，如果采用同配方式，结果将使螺旋的直径不一致，这样便无法得到互相平行的双螺旋结构；最终在化学家多诺霍的指点下，他们推导出正确的喊基配对模型，因为A+T的长度刚好等于C+G的长度，通过这种配对方式得到的两条平行的向右螺旋的脱氧核苷酸长链，显示出一种螺旋对称美。

DNA双螺旋的结构图

2) 比例美

查尔加夫对DNA化学成分的分析表明腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶(T)的数量之比为1:1，鸟嘌呤(G)与胞嘧啶(C)的数量也等于1:1，显示出比例美。

3) 艰险美

沃森和克里克苦苦思索四个碱基的布置，一次次在纸上画碱基结构，摆弄模型，一次次提出假设，一次次推翻自己的假设。在他们的探索之路上充满着千难万险，DNA双螺旋结构深深地打着艰险美的烙印。

2. 美与创造

美的生命在于创造，美的创造（创造思维）有三要素：

1) 大胆突破（解放想象力）

在DNA双螺旋结构被发现的前两个月，沃森和克里克看到相关领域权威鲍林的一篇论文，其中错误地将DNA确定为三螺旋结构。沃森在仔细思考后毅然否定了鲍林的结论，这才取得了后来举世瞩目的发现。两位年轻的科学家没有盲目相信权威，而是大胆突破，解放自己的想象力，运用创造性思维提出自己的设想，这不仅要有勇气，还要有严谨的实验操作和深厚的知识背景。

2) 敏锐捕捉（发挥直觉能力）

富兰克林的DNA晶体X射线衍射照片和查尔加夫的DNA化学成分的分析测定DNA中4种碱基的含量，让两人产生了灵感，使他们捕捉到了DNA双螺旋结构的正确设想。

3) 认真权衡（调动分析能力）

敏锐扑捉到正确设想后，沃森和克里克继续循着直觉深入探讨，收集有关方面的研究成果。之后，他们从生物大分子的基本单位出发，运用化学规律发现核苷酸之间可能形成的排列方式，着重考虑对整个大分子结构的稳定性具有决定作用的氢键的形成方式，并开始了模型设计。两人测定四种碱基的大小、碱基对的排列方式以及两者之间氢键的引力以及DNA分子直径、螺距、键角等结构数据，再与DNA衍射图像逐一对比。

三、我的见解

在发现DNA双螺旋结构的四位科学家中，除了沃森的生物学背景外，克里克和威尔金斯毕业于物理学，而富兰克林则从事化学研究。虽然有着不同的知识背景，但都同时致力于DNA分子结构的研究，在合作与竞争、交流与辩论的共存中发挥了自己的长处，为DNA双螺旋结构的发现做出了巨大贡献。这是科学史上跨学科产生的重要科研成果^[7]。跨学科是创新思想的源泉，可以产生巨大的创新成果。将物理分析方法应用于分子结构的探索对于发现正确的DNA结构起着关键作用^[8]。现代科学的创造性发现决非个人所能实现，这需要理论家、实验家、工程及技术专家之间的紧密合作，取长补短，吸收他人优秀的理论和经验，善于思考，敢于实验。

科学的发展是一个积累知识、加深理解的过程。善于学习和辨别，只有对已有的结论进行提炼、证伪和实现，有选择地继承和发展，才能有大的创新。只有掌握了前人发展的所有关键知识，而不是盲从，才能抓住机遇，在巨人的肩膀上实现突破。

选择一个课题后，需要坚持不懈的努力，因为重大发现的旅程不会一帆风顺，中间会有失败和挫折。像克里克和沃森一样，也有过重大失败。因此，必须像克里克和沃森一样自信、无畏、不怕失败和嘲笑，为实现他们确定的目标而不懈努力。

实验是检验科学理论的唯一标准，保持理论与实验的密切配合是取得重大发现和证明理论正确性的关键。

参考文献

[1]DNA双螺旋结构发现的奥秘.新华网. http://www.xinhuanet.com/science/2018-07/06/c_137305189.htm

[2]郭继鸿.一纸改变人类:纪念DNA双螺旋结构发现60周年[J].中华心脏与心律电子杂志,2014,2(01):65.

[3]DNA双螺旋结构的发现史.新浪博客.http://blog.sina.com.cn/s/blog_445dac3b0101eqsd.html

[4]DNA双螺旋结构.百度百科. https://baike.baidu.com/item/DNA双螺旋结构/3936673#2

[5]DNA分子双螺旋结构的发现.百度文库. https://wenku.baidu.com/view/a0038cd6195f312b3169a525.html?sxts=1604406481967&word=dna双螺旋结构的发现过程

[6]马向涛.DNA双螺旋结构的发现之旅[J].中国医学人文,2017,3(09):42-43.

[7]王晓燕.DNA双螺旋结构发现过程的人文思考[J].郧阳医学院学报,2006(03):191-192.

[8]周光召.DNA双螺旋结构的发现[J].知识就是力量,2003(09):4-6.