三個實驗室的競爭　20世紀40年代末和50年代初，在DNA被確認為遺傳物質(zhì)之后，生物學(xué)家 詹姆斯·沃森 們不得不面臨著一個難題：DNA應(yīng)該有什么樣的結(jié)構(gòu)，才能擔當遺傳的重任？它必須能夠攜帶 遺傳信息，能夠自我復(fù)制傳遞遺傳信息，能夠讓遺傳信息得到表達以控制細胞活動，并且能夠突變并保留突變。這4點，缺一不可，如何建構(gòu)一個DNA分子模型解釋這一切？

當時主要有三個實驗室?guī)缀跬瑫r在研究DNA分子模型。第一個實驗室是 倫敦國王學(xué)院的威爾金斯、弗蘭克林實驗室，他們用X 射線 衍射法研究DNA的晶體結(jié)構(gòu)。當X射線照射到生物大分子的晶體時，晶格中的原子或分子會使射線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，根據(jù)得到的衍射圖像，可以推測分子大致的結(jié)構(gòu)和形狀。第二個實驗室是 加州理工學(xué)院的大化學(xué)家萊納斯·鮑林（Linus Pauling）實驗室。在此之前， 沃森 鮑林已發(fā)現(xiàn)了 蛋白質(zhì)的a螺旋結(jié)構(gòu)。第三個則是個非正式的研究小組，事實上他們可說是不務(wù)正業(yè)。23歲的年輕的遺傳學(xué)家沃森于1951年從美國到 劍橋大學(xué)做博士后時，雖然其真實意圖是要研究DNA分子結(jié)構(gòu)，掛著的課題項目卻是研究 煙草花葉病毒。比他年長12歲的克里克當時正在做 博士論文，論文題目是“多肽和蛋白質(zhì)：X射線研究”。沃森說服與他分享同一個辦公室的克里克一起研究DNA分子模型，他需要克里克在X射線 晶體衍射學(xué)方面的知識。他們從1951年10月開始拼湊模型，幾經(jīng)嘗試，終于在1953年3月獲得了正確的模型。關(guān)于這三個實驗室如何明爭暗斗，互相競爭，由于沃森一本風靡全球的自傳《雙螺旋》而廣為人知。值得探討的一個問題是：為什么沃森和克里克既不像威爾金斯和弗蘭克林那樣 沃森博士 擁有第一手的實驗資料，又不像鮑林那樣有建構(gòu)分子模型的豐富經(jīng)驗（他們兩個人都是第一次建構(gòu)分子模型），卻能在這場競賽中獲勝？

這些人中，除了沃森，都不是遺傳學(xué)家，而是 物理學(xué)家或化學(xué)家。威爾金斯雖然在1950年最早研究DNA的晶體結(jié)構(gòu)，當時卻對DNA究竟在細胞中干什么一無所知，在1951年才覺得DNA可能參與了核蛋白所控制的遺傳。弗蘭克林也不了解DNA在生物細胞中的重要性。鮑林研究DNA分子，則純屬偶然。他在1951年11月的《美國化學(xué)學(xué)會雜志》上看到一篇 核酸結(jié)構(gòu)的論文，覺得荒唐可笑，為了反駁這篇論文，才著手建立DNA分子模型。他是把DNA分子當作化合物，而不是遺傳物質(zhì)來研究的。這兩個研究小組完全根據(jù)晶體衍射圖建構(gòu)模型，鮑林甚至根據(jù)的是30年代拍攝的模糊不清的衍射照片。不理解DNA的 生物學(xué)功能，單純根據(jù)晶體衍射圖，有太多的可能性供選擇，是很難得出正確的模型的。

堅信DNA為遺傳物質(zhì)　沃森在1951年到 劍橋之前，曾經(jīng)做過用同位素標記追蹤噬菌體DNA的實驗，堅信DNA就是遺傳物質(zhì)。據(jù)他的回憶，他到劍橋后發(fā)現(xiàn)克里克也是“知道DNA比蛋白質(zhì)更為重要的人”。但是按克里克本人的說法，他當時對DNA所知不多，并未覺得它在遺傳上比蛋白質(zhì)更重要，只是認為DNA作為與核蛋白結(jié)合的物質(zhì)，值得研究。對一名研究生來說，確定一種未知分子的結(jié)構(gòu)，就是一個值得一試的課題。在確信了DNA是遺傳物質(zhì)之后，還必須理解遺傳物質(zhì)需要什么樣的性質(zhì)才能發(fā)揮基因的功能。像克里克和威爾金斯，沃森后來也強調(diào)薛定諤的《 生命是什么？》一書對他的重要影響，他甚至說他在芝加哥大學(xué)時讀了這本書之后，就立志要破解基因的奧秘。如果這是真的，我們就很難明白，為什么沃森向 印第安那大學(xué)申請研究生時，申請的是鳥類學(xué)。由于印第安那大學(xué)動物系沒有鳥類學(xué)專業(yè)，在系主任的建議下，沃森才轉(zhuǎn)而從事遺傳學(xué)研究。當時大遺傳學(xué)家赫爾曼·繆勒（Hermann Muller）恰好正在印第安那大學(xué)任教授，沃森不僅上過繆勒關(guān)于“突變和基因”的課（分數(shù)得A），而且考慮過要當他的研究生。但覺得繆勒研究的果蠅在遺傳學(xué)上已過了輝煌時期，才改拜研究噬菌體遺傳的薩爾瓦多·盧里亞（Salvador Luria）為師。但是，繆勒關(guān)于遺傳物質(zhì)必須具有自催化、異催化和突變?nèi)�重性的觀念，想必對沃森有深刻的影響。正是因為沃森和克里克堅信DNA是遺傳物質(zhì)，并且理解遺傳物質(zhì)應(yīng)該有什么樣的特性，才能根據(jù)如此少的數(shù)據(jù)，做出如此重大的發(fā)現(xiàn)。

DNA之父 　他們根據(jù)的數(shù)據(jù)僅有三條：第一條是當時已廣為人知的，即DNA由6種小分子組成：脫氧核糖，磷酸和4種堿基（A、G、T、C），由這些小分子組成了4種核苷酸，這4種核苷酸組成了DNA.第二條證據(jù)是最新的，弗蘭克林得到的衍射照片表明，DNA是由兩條長鏈組成的雙螺旋，寬度為20埃。第三條證據(jù)是最為關(guān)鍵的。美國生物化學(xué)家埃爾文·查戈夫（Erwin Chargaff）測定DNA的分子組成，發(fā)現(xiàn)DNA中的4種堿基的含量并不是傳統(tǒng)認為的等量的，雖然在不同物種中4種堿基的含量不同，但是A和T的含量總是相等，G和C的含量也相等。

得到正確模型　查加夫早在1950年就已發(fā)布了這個重要結(jié)果，但奇怪的是，研究DNA分子結(jié)構(gòu)的這三個實驗室都將它忽略了。甚至在查加夫1951年春天親訪劍橋，與沃森和克里克見面后，沃森和克里克對他的結(jié)果也不加重視。在沃森和克里克終于意識到查加夫比值的重要性，并請劍橋的青年數(shù)學(xué)家約翰·格里菲斯（John Griffith）計算出A吸引T，G吸引C，A+T的寬度與G+C的寬度相等之后，很快就拼湊出了DNA分子的正確模型。

沃森和克里克在1953年4月25日的《自然》雜志上以1000多字和一幅插圖的短文公布了他們的發(fā)現(xiàn) 沃森 。在論文中，沃森和克里克以謙遜的筆調(diào)，暗示了這個結(jié)構(gòu)模型在遺傳上的重要性：“我們并非沒有注意到，我們所推測的特殊配對立即暗示了遺傳物質(zhì)的復(fù)制機理�！痹陔S后發(fā)表的論文中，沃森和克里克詳細地說明了 DNA雙螺旋模型對遺傳學(xué)研究的重大意義：一、它能夠說明遺傳物質(zhì)的自我復(fù)制。這個“ 半保留復(fù)制”的設(shè)想后來被馬修·麥賽爾遜（Matthew Meselson）和富蘭克林·斯塔勒（Franklin W.Stahl）用同位素追蹤實驗證實。二、它能夠說明遺傳物質(zhì)是如何攜帶遺傳信息的。三、它能夠說明基因是如何突變的�；�因突變是由于堿基序列發(fā)生了變化，這樣的變化可以通過復(fù)制而得到保留。

但是遺傳物質(zhì)的第四個特征，即遺傳信息怎樣得到表達以控制細胞活動呢？這個模型無法解釋，沃森和克里克當時也公開承認他們不知道DNA如何能“對細胞有高度特殊的作用”。不過，這時，基因的主要功能是控制蛋白質(zhì)的合成，這種觀點已成為一個共識。那么基因又是如何控制蛋白質(zhì)的合成呢？有沒有可能以DNA為模板，直接在DNA上面將氨基酸連接成蛋白質(zhì)？在沃森和克里克提出DNA雙螺旋模型后的一段時間內(nèi)，即有人如此假設(shè)，認為DNA結(jié)構(gòu)中，在不同的堿基對之間形成形狀不同的“窟窿”，不同的氨基酸插在這些窟窿中，就能連成特定序列的蛋白質(zhì)。但是這個假說，面臨著一大難題：染色體DNA存在于細胞核中，而絕大多數(shù)蛋白質(zhì)都在細胞質(zhì)中，細胞核和細胞質(zhì)由大分子無法通過的核膜隔離開，如果由DNA直接合成蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)無法跑到細胞質(zhì)。另一類核酸RNA倒是主要存在于細胞質(zhì)中。RNA和DNA的成分很相似，只有兩點不同，它有核糖而沒有脫氧核糖，有尿嘧啶（U）而沒有胸腺嘧啶（T）。早在1952年，在提出DNA雙螺旋模型之前，沃森就已設(shè)想遺傳信息的傳遞途徑是由DNA傳到RNA，再由RNA傳到蛋白質(zhì)。在1953～1954年間，沃森進一步思考了這個問題。他認為在基因表達時，DNA從細胞核轉(zhuǎn)移到了細胞質(zhì)，其脫氧核糖轉(zhuǎn)變成核糖，變成了雙鏈RNA，然后再以堿基對之間的窟窿為模板合成蛋白質(zhì)。這個過于離奇的設(shè)想在提交發(fā)表之前被克里克否決了。克里克指出，DNA和RNA本身都不可能直接充當連接氨基酸的模板。遺傳信息僅僅體現(xiàn)在DNA的堿基序列上，還需要一種連接物將堿基序列和氨基酸連接起來。這個“連接物假說”，很快就被實驗證實了。

1958年，克里克提出了兩個學(xué)說，奠定了 分子遺傳學(xué)的理論基礎(chǔ)。第一個學(xué)說是“序列假說”，它認為一段核酸的特殊性完全由它的堿基序列所決定，堿基序列編碼一個特定蛋白質(zhì)的氨基酸序列，蛋白質(zhì)的氨基酸序列決定了蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。第二個學(xué)說是“ 中心法則”，遺傳信息只能從核酸傳遞給核酸，或核酸傳遞給蛋白質(zhì)，而不能從蛋白質(zhì)傳遞給蛋白質(zhì)，或從蛋白質(zhì)傳回核酸。沃森后來把中心法則更明確地表示為遺傳信息只能從DNA傳到RNA，再由RNA傳到蛋白質(zhì)，以致在1970年發(fā)現(xiàn)了病毒中存在由RNA合成DNA的反轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象后，人們都說中心法則需要修正，要加一條遺傳信息也能從RNA傳到DNA.事實上，根據(jù)克里克原來的說法，中心法則并無修正的必要。

堿基序列是如何編碼氨基酸的呢？克里克在這個破譯這個 遺傳密碼的問題上也做出了重大的貢獻。組成蛋白質(zhì)的氨基酸有20種，而堿基只有4種，顯然，不可能由1個堿基編碼1個氨基酸。如果由2個堿基編碼1個氨基酸，只有16種（4的2次方）組合，也還不夠。因此，至少由3個堿基編碼1個氨基酸，共有64種組合，才能滿足需要。1961年，克里克等人在噬菌體T4中用遺傳學(xué)方法證明了蛋白質(zhì)中1個氨基酸的順序是由3個堿基編碼的（稱為1個密碼子）。同一年，兩位美國分子遺傳學(xué)家馬歇爾·尼倫伯格（Marshall Nirenberg）和約翰·馬特哈伊（John Matthaei）破解了第一個密碼子。到1966年，全部64個密碼子（包括3個合成終止信號）被鑒定出來。作為所有生物來自同一個祖先的證據(jù)之一，密碼子在所有生物中都是基本相同的。人類從此有了一張破解遺傳奧秘的密碼表。

DNA雙螺旋模型（包括中心法則）的發(fā)現(xiàn)，是20世紀最為重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，也是生物學(xué)歷史上惟一可與 達爾文進化論相比的最重大的發(fā)現(xiàn)，它與自然選擇一起，統(tǒng)一了生物學(xué)的大概念，標志著分子遺傳學(xué)的誕生。這門綜合了遺傳學(xué)、生物化學(xué)、 生物物理和信息學(xué)，主宰了生物學(xué)所有學(xué)科研究的新生學(xué)科的誕生，是許多人共同奮斗的結(jié)果，而克里克、威爾金斯、弗蘭克林和沃森，特別是克里克，就是其中最為杰出的英雄。

沃森出生于 美國芝加哥。孩提時代就非常聰明好學(xué)，他有一個口頭禪就是“為什么?”，往往簡單的回答還不能滿足他的要求。他通過閱讀《世界年鑒》記住了大量的知識，因此在參加的一次廣播節(jié)目比賽中獲得“天才兒童”的稱號，而贏得100美元的獎勵。他用這些錢買了一個雙筒望遠鏡，專門用它來觀察鳥。這也是他和爸爸的共同愛好。

由于有異常天賦，沃森15歲時就進入芝加哥大學(xué)就讀。在大學(xué)的學(xué)習中，凡是他喜歡的課程就學(xué)得好，例如《生物學(xué)》，《動物學(xué)》成績特別突出。而不喜歡的課程就不怎么樣了。他曾打算以后能讀研究生，專門學(xué)習如何成為一名“自然歷史博物館”中鳥類館的館長。

在大學(xué)高年級時，沃森閱讀了一本艾爾文·薛定諤的書《生命是什么？》。他深深地被控制生命的奧秘的基因和染色體吸引住了。當S·盧里亞（一位從事噬菌體研究的先驅(qū)者）成為他的 博士生導(dǎo)師時，沃森就有了很好的機會來從事這方面的研究了。

1950年完成博士學(xué)業(yè)后，沃森來到了 歐洲。先是在丹麥的 哥本哈根工作，后來就加入著名的英國劍橋大學(xué)的卡文迪什實驗室工作。從那時起，沃森知道DNA是揭開生物奧秘的關(guān)鍵。他下決心一定要解決DNA的結(jié)構(gòu)問題。他很幸運能和 弗朗西斯·克里克共事。盡管彼此的工作內(nèi)容不同，但兩人對DNA的結(jié)構(gòu)都非常感興趣。當他們終于在1953年建構(gòu)出第一個DNA的精確模型時，完成了被認為是至今為止科學(xué)上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。

1962年，沃森與克里克，偕同威爾金斯共享 諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎。 莫里斯·威爾金斯和羅莎琳德·富蘭克林提供了有關(guān)DNA結(jié)構(gòu)的必要數(shù)據(jù)。沃森為此專門寫了一本書《雙螺旋－發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)的故事》，于1968年發(fā)表。這本書是首次采用談話的形式描述進行科學(xué)發(fā)現(xiàn)的詳細過程，一直暢銷不衰。

1956沃森到哈佛大學(xué)任生物學(xué)的助理教授。在那里他的研究重點是RNA和RNA在基因信息傳遞中所起的作用。1976年沃森擔任美國冷泉港實驗室主任。沃森使冷泉港實驗室成為世界上最好的實驗室之一，該實驗室主要從事腫瘤、神經(jīng)生物學(xué)和分子遺傳學(xué)的研究。

沃森在生物科學(xué)的發(fā)展中起了非常大的作用，例如在攻克癌癥研究上，在 重組DNA技術(shù)的應(yīng)用上等等。他還是 人類基因組計劃的倡導(dǎo)者，1988年至1993年曾擔任人類基因組計劃的 主持人。

沃森另一個感興趣的問題就是教育，他的第一本教科書《基因的分子生物學(xué)》為生物學(xué)課本提供了新的標準。隨后陸續(xù)出版了《細胞分子生物學(xué)》、《重組DNA》。他還積極探索利用多媒體進行教育的方法，并且通過互聯(lián)網(wǎng)設(shè)立DNA學(xué)習中心，這一中心也成為冷泉港實驗室的教育助手。

沃森被許多人描述為：才華橫溢、直言不諱、性格怪異。他知識淵博而不迂腐。精力非常旺盛，從學(xué)生時代開始他就很喜歡打網(wǎng)球。每天都堅持打一會兒網(wǎng)球。