“DNA分子的結構”一節的科學史及備課建議

付馨悅

(北京師范大學附屬中學 100052)

“DNA分子的結構”是人教版高中生物《遺傳與進化》模塊第3章第2節的內容，其重點為DNA雙螺旋結構的特點。教材中呈現了沃森和克里克在《自然》雜志上發表的英文論文(詳見章題圖)、一段簡要的科學史和制作雙螺旋結構模型的方法。由于是英文原版論文常被廣大教師所忽略，而簡要的科學史并不足以呈現眾多科學家在發現DNA雙螺旋模型中的智慧和貢獻，使得DNA分子的結構特點難于總結，比如三螺旋模型是如何被否定的？如何推斷DNA分子的兩條鏈反向平行？若不闡述清楚，使得模型的制作也是困難重重。此外，X射線衍射技術的應用是成功構建模型的前提，而教材的章題圖中呈現的B型DNA和科學史中的A型DNA衍射圖譜并不是最為關鍵的啟發沃森和克里克的“照片51號”。

由于DNA分子結構的提出使遺傳學研究深入到分子層次，使人們逐漸清楚地了解遺傳信息的構成和傳遞的途徑，一個又一個生命的奧秘從分子角度得到了更清晰的闡明，而DNA重組技術的發展更是為利用生物工程手段的研究和應用開辟了廣闊的前景。因此，這部分內容對后續章節DNA的復制、基因的表達以及基因工程的教學，以及培養學生具有敏銳的洞察力、勇于競爭和善于合作的科學態度和科學精神均具有重要意義，有必要對其中的科學史等資料進一步地分析和整理，以利于教學目標的落實。

1 梳理復雜的人物關系

教材正文中出現的人物有沃森、克里克、威爾金斯、富蘭克林、化學家和查哥夫，在章題圖的英文論文中出現的還有鮑林、柯雷、弗雷澤、弗爾伯格和多諾休。此外，教材中沒有提及的薛定諤、艾弗里、赫爾希、盧里亞、德爾布呂克、布拉格、肯德魯、佩魯茨、格里菲斯和葛斯林等也在DNA分子結構的發現過程中有重要作用。比如沃森、克里克和威爾金斯不約而同提到了一本書，是由1933年諾貝爾物理學獎得主薛定諤撰寫的《生命是什么？》。在這本書里他敘述了生命的本質，人類、虎、鼠等所具有的特性，指出生命的特性是由染色體決定的。他還認為生命有說明書，說明書肯定存在于分子上。分子上有非常特別的構造，能利用某一方式將信息復制下來[1]。沃森是在芝加哥大學讀書時閱讀了此書，他說：“這本書非常清楚地提出了一個信念，基因是活細胞的組成部分以及要懂得什么是生命，必須知道基因是如何發揮作用的。正是這本書引導他去尋找基因的奧秘”[2]。1946年，克里克因這本書的啟發開始研究物理學在生物學中的應用。書中提出的可以用精確的概念，即物理學和化學的概念來考慮生物學的本質問題給他留下了深刻的印象[3]。1950年，威爾金斯也閱讀了這本書。半個多世紀后，威爾金斯回憶說，是薛定諤用物理學的語言描述生命現象，在自己面前展現了“生物物理學”的美妙前景。

其他各位也多是諾貝爾科學獎得主或相關領域的專家。尤其是富蘭克林的貢獻是不可磨滅的，她不但利用X射線衍射技術拍攝到清晰的DNA圖譜，專業地對晶體數據進行解讀使她發現糖-磷酸在DNA分子的外部，并且在她撰寫的報告中指出了兩條主鏈是反向平行的，對沃森和克里克最終構建出雙螺旋模型都有決定性作用?？ㄎ牡鲜矊嶒炇业闹魅尾祭褚虬l明利用X射線衍射技術對晶體結構進行研究與父親分享了1915年的諾貝爾物理學獎，他將實驗室的發展方向由純物理研究轉向利用X射線進行生物大分子結構的跨學科研究，他的領導和決策多次影響著沃森和克里克的研究進程。

2 闡明研究方法和實驗材料

一般來說，化學家如欲了解某物質之三維空間的構造，有兩條重要途徑可循：一種方法是按照物質特性使用物理學的工具(如X射線衍射法、電子顯微鏡和核磁共振法)探討分子中原子的相對位置；另一種方法是制作模型，對分子中的各種原子按照比例作出模型，并根據物理學的計算和實驗數據，確定各原子間的距離和鍵角[4]。比如，美國著名結構化學家鮑林就是通過建立模型的方法確定了蛋白質的α螺旋結構，榮獲1954年的諾貝爾化學獎。在研究DNA的三維結構時他也采取了模型法，他失敗的主要原因是沒有掌握最新的DNA衍射數據，使用的是1938年阿斯特伯里和貝爾拍攝的老照片。而威爾金斯早期采用的是顯微鏡法，后來在美國生物化學家杰拉爾德·奧斯特的建議下開始使用更強大的X光來研究DNA分子。

實驗材料的選擇往往是實驗成敗的關鍵，而這份材料的獲得頗具偶然性。在一場研討會中，威爾金斯從瑞士科學家魯道夫·席格納手上得到一種淬自小牛胸腺的純DNA樣品。隨后他和同事又分別利用人、鯡魚、小牛和墨魚精子等的DNA作為研究材料，效果并不是那么明顯。而富蘭克林和葛斯林就是利用這個小牛胸腺DNA獲得了清晰的“照片51號”，它曾經被X射線晶體衍射先驅之一約翰·貝爾納形容為“幾乎是有史以來最美的一張X射線照片”。而沃森和克里克的過人之處恰恰是借鑒他人經驗，把X射線衍射法與模型法結合起來。

3 分析沃森和克里克成功的原因

首先，他們的成功與其專業背景和個人興趣是分不開的。沃森在芝加哥大學動物學系畢業后申請了印第安納大學攻讀病毒學博士，師從盧里亞。畢業后赴丹麥哥本哈根與盧里亞和玻爾的學生、噬菌體小組的領導德爾布呂克一起研究噬菌體。而克里克的專業是物理學，與佩魯茨一起從事血紅蛋白的X射線研究使他具有較深的晶體學功底。兩個人專業互補并在探索基因本質的問題上有著共同的興趣，一拍即合。

其二，具有敏銳的洞察力和快速的行動力。沃森在那不勒斯的會議上被威爾金斯展示的X射線衍射照片所吸引，便迫不及待地直接從哥本哈根去了劍橋的卡文迪什實驗室，不但遇到了與他志同道合的克里克，隨后還在肯德魯的介紹下認識了查哥夫。當時的學術背景是1944年艾弗里的肺炎雙球菌的轉化實驗以及1952年赫爾希和蔡斯的噬菌體侵染細菌的實驗進一步證明了DNA是遺傳物質，DNA在生命活動中的重要性已經一目了然，DNA分子結構的發現指日可待，只是研究進展得并不順利。事件的轉折點是威爾金斯出示了富蘭克林和葛斯林拍攝的“照片51號”，原本放棄DNA三維構象研究的沃森和克里克迅速重拾舊業，在短短不到一個月的時間里就構建出了雙螺旋模型。

最后，采用了建模的方法。在構建模型的過程中，兩人雖多次犯錯甚至放棄過，但在專家的指導下及時修正自己的錯誤，始終把實驗檢驗和模型調整有機地結合起來。比如，將模型由三條鏈改為兩條鏈和主鏈由在內改為在外都接受了富蘭克林的批評和建議。在生物化學家查哥夫和數學家格里菲斯的幫助下，驗證了堿基互補配對思想的正確性。此外，化學家多諾休還指出他們使用的是錯誤的堿基分子結構式，鳥嘌呤和胸腺嘧啶應為酮式而非烯醇式。在每一步的調整過程中都考慮到了X射線衍射實驗和生物化學實驗的結果，使他們不斷修正錯誤走向正確。

4 深入挖掘章題圖的內涵

與以往的章題圖不同，第3章“基因的本質”別出心裁地選擇了一篇1953年4月25日在《自然》上發表的英文論文“核酸的分子結構——脫氧核糖核酸的一個結構模型”。縱觀中學生物學教材，也僅此一例，說明這篇論文在生命科學發展史上的重要意義。沃森和克里克在短短1000多字和一幅插圖的論文中，以謙遜的筆調指出了對鮑林和柯雷、弗雷澤兩篇論文的不同觀點，詳盡地描述了DNA雙螺旋結構的特點，并暗示了這個結構模型在遺傳上的重要性。

但需要注意的是在論文的右下角展示的X射線衍射圖譜源于威爾金斯等的論文，是由富蘭克林和葛斯林拍攝的B型DNA。事實上，在同日的《自然》雜志上除了沃森和克里克的論文外，還刊登了威爾金斯、史道克斯和威爾遜的論文“脫氧戊糖核酸的分子構造”，以及富蘭克林和葛斯林合寫的“胸腺核酸的分子結構”，對沃森和克里克啟發最大的“照片51號”刊于其中。威爾金斯和富蘭克林在論文中均對DNA衍射后的數據做了深入的解讀，并表示自己的數據與沃森和克里克的模型相符。

這篇論文后來成為分子遺傳學發展的風向標，在結尾還為DNA分子的半保留復制埋下了伏筆。同年的5月30日他們又在《自然》雜志發表“脫氧核糖核酸結構的遺傳學意義”的論文，展開說明雙螺旋結構在遺傳學上的意義。隨后威爾金斯和富蘭克林又分別發表“結晶的脫氧戊糖核酸的螺旋結構”和“在胸腺核酸晶體結構中雙鏈螺旋的證明”。這些論文進一步說明了他們對DNA雙螺旋結構的建立所做的貢獻。

DNA分子結構的提出是學科交叉、相互融合和相互借鑒的重大科學成果。在研究中既合作又競爭，多種觀點在交流中不斷地碰撞產生智慧的火花。雖因富蘭克林英年早逝未能獲諾貝爾獎而飽受爭議，但并不影響此成果在生命科學發展史上舉足輕重的地位。但囿于課程標準的要求、課時、教師專業水平和學生的認知能力等限制，不得不將X射線衍射技術的原理、相關的數學和化學知識做合理的回避。