高中生物背景知识 DNA的发现Word格式文档下载.docx

1、剑桥大学的二等生 威尔金斯1916年出生于新西兰惠林顿。父亲曾在爱尔兰学医，后因在爱尔兰工作不好找而新西兰又需要医生，便移居新西兰。1923年，威尔金斯和姐姐到了学龄，而新西兰可供选择的学校不多，于是举家回迁。父亲后来在伯明翰的一所中学找到了校医的职位，一家又搬往那里。 威尔金斯从小喜欢做模型。一天，父亲工作的学校校长来访，听说威尔金斯的爱好后，说他应该上剑桥大学，到卡文迪什实验室做研究。虽然威尔金斯从来没有听说过卡文迪什，但他记住了这个名字。他后来还果真上了剑桥，并在第一年就接受卡文迪什实验室副主任马科斯奥利凡特（）的指导，听卢瑟福（Ernest ）的课。而他在那里接触到了X光衍射技术及其权

2、威JD贝纳尔（J. D. Bernel），为他以后研究DNA打下了基础。不过，威尔金斯承认，他热衷于反战，还加入了英国共产党（贝纳尔也是英共党员），结果耽误了学业，毕业成绩仅二等下，无缘进入卡文迪什继续深造，只能打道回老家。好在他打听到奥利凡特在伯明翰大学担任物理系主任，还对他有些印象。奥利凡特告诉他，系里新来的曾在通用电器公司研究所工作的约翰兰德尔（John Randall）是发光研究的专家，正缺一个研究助手。两人研究兴趣相投，于是威尔金斯来到了伯明翰大学。获得博士学位 第二次世界大战期间，伯明翰的物理学家们和全英国的科学家一样，都投入到与军事有关的研究，唯有威尔金斯是例外。因为刚从工业界转

3、来的兰德尔希望在他的帮助下尽快建立起在学术界的地位，而威尔金斯希望能取得研究成果和博士学位。他写出了两篇论文，在征得奥利凡特同意后，仅加了几句句子把它们联起来，又写了一个引言，从而完成了博士论文并被通过。威尔金斯没有料到，从剑桥获得二等下的学位居然是因祸得福，因为他如果留在剑桥，势必要参与与军事有关的研究，而那些研究并不适合作为博士论文。这样，威尔金斯在奥利凡特和兰德尔的帮助下，用了不到三年时间便获得了博士学位。 战争期间的伯明翰大学是英国原子弹研究的重镇，在奥利凡特的领导下，威尔金斯参加了蒸发金属铀得研究，并在1944年2月到1945年7月间随奥利凡特前往美国加州大学伯克利分校研究原子弹。从

4、物理学转向生物学 威尔金斯返回英国，原因之一是导师兰德尔就任圣安德鲁斯大学物理系系主任，有意探索物理学和生物学之间的联系，给他安排了一个职位。但更重要的是，恰在此时，威尔金斯读到了欧文薛定锷（）的著作生命是什么。半个多世纪后，威尔金斯回忆说，是薛定锷用物理学的语言描述生命现象，在自己面前展现了“生物物理学”的美妙前景。 当时，大多数科学家认为，染色体中的DNA与基因有着某种联系，但不是遗传物质本身。化学家已经测出了DNA的组成，有磷酸盐、糖环和氮基。于是，研究其三维结构的重任落到了物理学家的身上。由X光能够使基因变异，威尔金斯想到其他的介质比如超声波能否起到相同的作用。但他在这方面没有取得多大

5、进展。 这时，威尔金斯觉得圣安德鲁斯大学地处偏僻，研究环境也不理想，英国医学研究委员会不大会把很大的研究基金给圣安德鲁斯大学，要研究，应该在剑桥这样的地方，最好是在伦敦。于是，威尔金斯离开圣安德鲁斯，来到伦敦。但现实是，在等级森严的英国，研究基金一般只给有名望的科学家，青年科学家想独立门户相当困难。英王学院 而兰德尔又向威尔金斯伸出了援手。原来，伦敦大学英王学院聘请兰德尔当物理系系主任，而兰德尔想在那里建立生物物理学研究。兰德尔的名声为他赢得了充裕的研究基金，英国医学研究委员会聘请他担任生物物理研究组主任，让生物学家和物理学家一起工作。威尔金斯觉得，兰德尔颇具远见卓识，他不但关注自己的研究，在

6、很多时候甚至牺牲自己的兴趣来推动科学研究事业，为学院聘请来一流的教授，推动组建生物科学学院，从而使学院的生物科学研究在英国名列前茅，而他自己的实验室则在新兴的分子生物学领域主导世界。 兰德尔给研究人员以充分的自由，让他们组建研究小组，从事自己感兴趣的研究课题，从而激发了科学家的热情，营造了一种和谐和努力出成果的氛围。兰德尔热诚欢迎女科学家，实验室成员中女性的比例相当高，这也为实验室增添了社交气氛和科学研究的凝聚力。这一切给了威尔金斯一种全新的体验。 在英王学院，威尔金斯先是继续他的超声波与基因变异关系的研究，但进展依然不理想。这时，兰德尔希望他能接手自己的研究，转攻DNA在生物细胞中运动和生长

7、的情况。威尔金斯也愿意改换研究方向。于是，他自制了简单的在可见光、紫外线和红外线下都能工作得反射显微镜，研究基因是如何自行复制并控制细胞生长的，为基因就是DNA的发现提供了证据。后来，威尔金斯被晋升为生物物理研究组的主任助理。用X光研究DNA 科学家终于弄明白，DNA就是基因，威尔金斯也决定集中精力研究原子在生命分子中的排列。具体来说，就是用显微镜来研究分子结构。后来，在来实验室访问的美国生物化学家杰拉尔德奥斯特（Gerald Oster）的建议下，他开始使用更强大的X光来研究DNA分子。在一次学术会议上，威尔金斯很幸运得到了瑞士生物化学家鲁道夫席格纳（Rudolph Signer）无偿提供的

8、纯DNA样品，这种从小牛胸腺中提纯的样品与众不同，它干燥时呈细小的针簇状，而一旦遇潮，便变成粘粘糊糊的一团。威尔金斯把受潮的DNA涂在薄片上，再放到显微镜下观察偏振紫外线的吸收情况。不过，这种DNA似乎不太容易保持片状，而往往形成象蜘蛛网中那又长又细的纤维。拿到显微镜下仔细观察，它们又是异乎寻常的均匀和透明。于是，威尔金斯产生了一种直觉，纤维中的分子的排列一定十分有规律，而且是结晶，可以用X光衍射来研究。要是这种直觉正确的话，X光衍射的图像会相当清晰，提供的有关DNA分子结构的信息也比显微镜多得多。 虽然当时威尔金斯对X光衍射分析知之甚少，但事实证明他的直觉是正确的。当时，实验室仅有的一架普通

9、的X光衍射照相机，只能用来研究比DNA纤维大得多的单晶。于是，威尔金斯和兰德尔的学生雷蒙勾斯林（Raymond Gosling）动手改造照相机。他们采纳了兰德尔的建议，设法充入氢气以驱除空气，把DNA暴露在潮湿的氢气环境中接受X光。他们还用避孕套做成可伸缩的封口，调节X光管的位置。就这样，威尔金斯和雷蒙获得了更清晰、更详细的DNA衍射照片，第一次显示出DNA确实是结晶状的。1951年，威尔金斯在意大利的一次学术会议上展示了这张相当清晰的结晶DNA的X光衍射照片，得到了X光衍射专家的肯定。沃森就是在这次会议上与威尔金斯相识，并受到这张X光照片的启蒙。 接着，勾斯林和物理学家阿雷克史脱克斯（Ale

10、c Stokes）一起测量了DNA照片上所有的点的位置，推算出DNA分子是以单斜晶存在的。雷蒙确认，这些分子呈柱状沿着纤维的长度方向堆积在一起。史脱克斯注意到，在沿纤维方向或靠近纤维方向上不产生衍射，由此认为DNA可能呈螺旋状。威尔金斯则根据以往研究染色体（主要由DNA组成）的经验，对史脱克斯的螺旋形的想法十分感兴趣。这时，威尔金斯感到需要更新设备和增添人手。1950年夏天，兰德尔聘请了罗莎琳德富兰克林，一个研究蛋白质溶液的X光衍射专家。而这正是威尔金斯想要讲述的DNA双螺旋结构的发现史中的尚未人知的一面，展现了作者与富兰克林相处的日子一段富兰克林的传记作者认为传主受到不公正待遇的日子。建议富

11、兰克林改行研究DNA 富兰克林曾在法国巴黎研究煤的结构，虽然她没有结晶材料方面的经验，但精通X光衍射技术。由于蛋白质溶液似乎没什么前途，威尔金斯便向兰德尔建议让富兰克林改行研究DNA。兰德尔接受了威尔金斯的建议，富兰克林也同意改行。 富兰克林来实验室时，威尔金斯正好在休假，兰德尔便召集了她和史脱克斯、勾斯林开会，讨论DNA研究。威尔金斯一回到英王学院，便来到实验室，这时富兰克林正背对着他坐在办公桌前。当富兰克林回头时，给威尔金斯的第一印象是她相当端庄，有一双沉稳、耐看的黑眼睛。他们讨论了一些问题，富兰克林也清楚她的任务。总之，威尔金斯得到的最初印象是富兰克林有点衿持，但会成为一个好同事，因为四

12、年来进入实验室的男男女女彼此关系融洽。有意思的是，富兰克林在墙上放了一面很小的镜子，这样她坐在办公桌前时正对着镜子。但镜子太小，她不可能看清谁在她背后，所以，威尔金斯觉得她大概很在意自己的仪容。 富兰克林告诉威尔金斯，她要先完成煤研究的论文。这对从一个实验室转到另一个实验室的科学家来说是再平常不过的，再说写论文也不会占据她很多时间。而威尔金斯正好与雷蒙合作一篇短文，提出DNA分子的碱基与分子的长度方向呈直角，又通过相互滑动并倾斜与伸长的DNA分子的长度方向相平行。之后，威尔金斯开始研究DNA纤维为什么会在吸水后伸长和收缩，希望从分子受潮时纤维的变化来了解其结构，从而对X光的结果作出解释。 富兰

13、克林直到第二年也就是1952年的复活节才开始投入DNA的工作。她改制了由史脱克斯和勾斯林设置的灵敏聚焦X光管。这时，威尔金斯开始考虑席格纳的DNA与其他生物体中的DNA是否一样，他和同事们分别获得了人、鲱鱼、小牛和墨鱼精子等的DNA的X光衍射照片，结果是尽管它们的X光衍射照片大同小异，但没有一种能形成象席格纳DNA那种美丽的纤维。这一发现在生物学上的意义相当显著，说明DNA的结构可能要比蛋白质简单得多。另外，所有照片的中央都有一个相当清晰的“X”字样，史脱克斯认为，这是螺旋形的显著标志。“回到你的显微镜去！” 1951年7月，威尔金斯在剑桥大学报告实验室的研究结果，引起了包括化学家马克斯佩鲁兹

14、（Max Perutz）在内的专家的兴趣。但是，就在他离开教学大楼时，吃惊地看见富兰克林向他走来，言辞坚决地要他停止X光衍射的工作，结束时，她说：”威尔金斯感到震惊和迷惑：她为什么要我停止？她有什么理由告诉我怎么做？她难道没有意识到最新进展对彼此的研究都有贡献？ 究其原因，虽然是威尔金斯建议富兰克林改行研究DNA，但兰德尔在给富兰克林的信中对此却只字不提，而威尔金斯是实验室中从事X光研究的关键人物，又是医学研究委员会小组的主任助理。信中也不提雷蒙和史脱克斯。所以，给富兰克林的感觉，是兰德尔建议她改行。而兰德尔召集的由富兰克林、史脱克斯、勾斯林参加的第一次讨论DNA研究的会议，定下了把威尔金斯排

15、斥在X光研究之外的基调。而看到威尔金斯也在用X光衍射研究DNA，富兰克林自然要不高兴，这就是他们之间产生隔阂的起因。 那年夏天，威尔金斯在意大利开会时，收到了兰德尔的一封信，说他将直接负责墨鱼精子的X光研究。后来，威尔金斯在美国参加高顿学术会议期间又收到了兰德尔的另一封信，信中提到英国医学研究委员会要威尔金斯集中精力改造光学显微镜。虽然威尔金斯认为，用显微镜观察活的生物细胞要比用X光研究静止的结构更有趣，但他从来没有向兰德尔表示过要停止DNA的X光研究。在威尔金斯看来，兰德尔之所以写这两封信，是因为他把X光研究墨鱼精子的DNA看成自己的“领地”，不希望别人涉足。他聘请富兰克林也是为了让威尔金斯

16、离开而他自己能参与。于是，就有了富兰克林与威尔金斯在剑桥大学教学楼前发生冲突。 威尔金斯趁美国之行，在纽约哥伦比亚大学见到了生物化学家欧文查加夫（Erwin Chargaff），“对他非常重要”。查加夫曾分析DNA的硝基，发现在四个硝基中鸟嘌呤与胞嘧啶数目相同，腺嘌呤和胸腺嘧啶数目相同。但他并没有提出这些一比一的比例是由配对取得的。不过，查加夫认为，DNA碱基的复杂次序证明DNA可能就是基因结构本身。B-DNA 威尔金斯在给兰德尔的回信中，介绍了他与查加夫会面的情况。他在9月回到伦敦后，也向富兰克林介绍了他的见闻。但是，富兰克林打断了威尔金斯，说在他离开期间取得了新的结果。威尔金斯想继续介绍查

17、加夫的理论，又一次被富兰克林打断，富兰克林反而冷静又不乏幽默地指责威尔金斯不想听她的介绍。 原来，富兰克林发现，当DNA的湿度达到92%时，会形成另一种X光衍射图像B-DNA，它比威尔金斯等获得过的图像清晰得多（他们的结晶A-DNA的湿度为75%）。富兰克林指出，显然，DNA分子有两种不同的结构，当湿度在75%和92%之间变化时结构从A变到B。威尔金斯虽然觉得这是一个重要的发现，但富兰克林对同事不以为然的态度，使得他欲赞扬富兰克林而不能。而且75%湿度的第一个清晰的DNA结晶图像，是英王学院X光研究DNA的起点。 问题是，实验室的X光研究如何在和谐和合作的气氛中继续下去。威尔金斯觉得不采取任何

18、行动会在他和富兰克林之间造成更大的矛盾。威尔金斯对查加夫的工作相当感兴趣，研究由查加夫提供的DNA样品，而富兰克林则继续使用席格纳DNA。后来，兰德尔又召集威尔金斯和富兰克林开会，建议富兰克林研究A-DNA，而威尔金斯也可以研究B-DNA，以对彼此公平。 1951年夏天，美国大化学家莱纳斯鲍林（Linus Pauling）发表了蛋白质螺旋的论文，根据化学键的量子力学理论和最新的键长、键角的精确数据，搭出了多种蛋白质分子结构内的原子排列，包括蛋白质最重要和基本的螺旋结构。鲍林的发现，为搞清楚原子间结合的细节、构建可能的分子结构的三维模型提供了新方法。 读完鲍林的论文，威尔金斯发现鲍林似乎没有办法

19、根据结构来推算X光衍射。他找史脱克斯讨论这一点，史脱克斯在第二天就得出了一个贝塞尔方程式，肯定了他一年前的想法，如果DNA是螺旋形的，靠近纤维方向的衍射很微弱。而最令人兴奋的是史脱克斯算出的衍射密度点与富兰克林的B-DNA衍射图像相吻合。于是，威尔金斯和史脱克斯找富兰克林分享这一结果。但富兰克林还没有听完两人的解释就生气地说：“你们居然敢解释我的结果！”她那强烈的态度，使威尔金斯和史脱克斯感到没有与她讨论的余地。 1951年10月，英王学院举办了一次学术讨论会。威尔金斯重复了7月在剑桥大学所讲的内容，史脱克斯用贝塞尔方程式描述了DNA螺旋的衍射结构，但他没有将这一工作与富兰克林的B-DNA联系

20、起来，而富兰克林则报告了DNA各种可能的结构，唯独没有讨论螺旋结构，显然，她并不想让人觉得她赞同威尔金斯和史脱克斯的螺旋结构解释。 威尔金斯、史脱克斯和富兰克林之间缺乏合作，显然大大阻碍了研究的进展。为了试图沟通，威尔金斯介绍了剑桥大学卡文迪什实验室的新的工作方法，佩鲁兹负责X光衍射的工作，但X光衍射的先驱和实验室主任劳伦斯布拉格（Lawrence Bragg）每天都了解研究进展，并把结果带回家研究，第二天再与佩鲁兹讨论。威尔金斯希望模仿这一工作方式，但富兰克林说，“布拉格是诺贝尔奖得主。”言下之意是威尔金斯能力不够。富兰克林似乎很不赞成彼此之间的沟通和交流。当威尔金斯想比较墨鱼精子的衍射图像

21、和富兰克林的B-DNA的衍射图像有多接近，他婉转地指出A-DNA与精子有明显的差别。但富兰克林生硬地说，A-DNA和B-DNA与精子没有任何相近之处。 12月的一天，罗莎琳德出乎意料地来到威尔金斯的办公室，说她仔细观察了B-DNA，发现在DNA分子中有两处高密度区，它们被沿长度方向的重复距离的八分之三隔开。他们都没有认识到其实这表明DNA有两个螺旋链。在富兰克林去世后多年才发现的笔记本上，富兰克林清楚地记录着，就在沃森和克里克搭出DNA双螺旋模型之前，富兰克林也开始思考DNA有两股螺旋。只是罗莎琳德没有想到威尔金斯正在思考的碱基配对。克里克说得对，那时富兰克林离双螺旋仅“两步之遥”。英王学院和

22、剑桥大学：合作与竞争 就在英王学院的讨论会后两个星期，克里克打电话给威尔金斯，说他和沃森正在搭DNA模型，问威尔金斯是否来剑桥看看。于是，威尔金斯和富兰克林、勾斯林等一行人坐火车前往剑桥。不过，整个模型却令人失望。克里克解释说，沃森误解了英王学院的讨论会上的结果。威尔金斯也没有对它太重视，但有一种强烈的感觉，那就是，他们这仅仅是开始，并将继续朝这个方向努力。如果DNA结构的研究出现竞赛的话，沃森和克里克就是竞争对手。威尔金斯承认，当时并没有想到合作，这一方面是因为英王学院开辟了新的研究领域，他们理应可以自由探索；另一方面，两个实验室都受到医学研究委员会的资助，彼此竞争似乎颇为愚蠢。 威尔金斯回

23、伦敦后，给克里克写了一封信，不但对沃森和克里克的模型泼冷水，而且希望剑桥方面停止DNA的研究。后来，两个实验室的主任兰德尔和布拉格决定沃森和克里克应该停止，并签署了一份备忘录。于是，沃森和克里克给了英王学院一套他们设计的金属架，提供了有关原子间距离和化学键间键角等用来搭DNA模型的有用信息。但威尔金斯他们并没有很好地利用这套金属架，因为富兰克林强调，只有用X光技术发现了结构才能搭模型，另外，她认为，B-DNA可能是螺旋状的而A-DNA不是。而英王学院对DNA结构的认识在很大程度上取决于在X光衍射方面富有经验的富兰克林的见解。 进入1952年，威尔金斯开始使用新的高分辨照相机观察精子，得到了更清

24、晰的图像。但其结晶性并不象以前的DNA图像那样明显，威尔金斯吃不准所用的结晶是否正确。一天，威尔金斯偶然遇到了布拉格并给他看了图像，布拉格完全肯定图像提供了DNA螺旋结构的有力证据。于是，威尔金斯写信给克里克，还附上一张图像的草图，标出由点和阴影形成的一个“X”字形。一张1952年的照片 1952年7月，富兰克林正式宣判DNA螺旋结构的死刑。她给威尔金斯和史脱克斯看了所收集到的A-DNA的密度数据，衍射方向与纤维的轴成直角或接近直角。如果结构是螺旋形的，那么，反射在图像两边的密度应该相同。但是，富兰克林仔细测量得出的结果显示出轴的两边密度不同。于是，她得出结论，DNA是倾侧的。这一发现令人非常

25、失望，因为如果DNA不是螺旋状或其他简单的形状，其结构将很难确定。 就在富兰克林宣判螺旋状DNA死刑时，她的抽屉里放着一张尚未示人的X光衍射照片，这张后来名噪一时的1952年拍摄的照片，非常清楚地给出了DNA很可能是螺旋结构的重要证明。1953年1月的一天，勾斯林把这张由他和富兰克林拍摄的B-DNA照片给了威尔金斯，并说他可以保存和使用。威尔金斯想，这可能是因为富兰克林在离开实验室之前把数据留给同事以便他们跟踪研究。那张照片比她在1951年拍摄的照片更清晰、反差更强烈，螺旋的X形状更明确。 令人不解的是，为什么富兰克林已经发现了这一证据，却仍然告诉威尔金斯和史脱克斯DNA不是螺旋状的？虽然与沟

26、通富兰克林不易，但如果她当时就给威尔金斯等看这张照片，他们几乎肯定会对她的观点提出质疑。后来，威尔金斯在给英国医学研究委员会的报告中指出，最新的研究似乎不支持DNA是螺旋形的结论。 几天后，沃森来访，威尔金斯给他看了这张照片。威尔金斯说，我感到很困惑的是，既然罗莎琳德已经获得前所未有的DNA是螺旋状的证明，为什么她的研究却着眼于非螺旋。威尔金斯还觉得必须告诉沃森关于DNA中碱基配对的想法。但当时沃森急于离开，两人没有时间详谈，威尔金斯仅提了一句：“我想查加夫的比例是DNA结构的关键。”沃森说，“我也这么想。 一个月后，克里克来伦敦告诉威尔金斯他和沃森关于配对的想法。但在午餐时，他们光顾着谈论富

27、兰克林，忘记了讨论配对。几个星期后，威尔金斯也想出个所以然。B-DNA似乎很明显是螺旋状的，而富兰克林的结晶A-DNA不是。为了解释这个矛盾，威尔金斯设想，DNA可能是倾侧的螺旋状，磷酸盐有规律地排在外面，碱基倾侧地藏在里面大的腺嘌呤和鸟嘌呤在一边，小的胸腺嘧啶和胞嘧啶在另一边。这些碱基由氢键联起来以满足查加夫的一一相对的比例。这一想法后来被证实，但当时威尔金斯认为DNA可能会有三股或更多的螺旋。 1953年1月28日，富兰克林在离开实验室前报告了她的研究结果，内容集中于A-DNA，对B-DNA只字不提。提问时，威尔金斯问，怎样解释她所讨论的非螺旋结构与她那张B-DNA照片所显示的结构之间的矛

28、盾？她回答说，这并不矛盾，B-DNA是螺旋的，而A-DNA不是。显然，她没有考虑到DNA会在螺旋和非螺旋之间变来变去。后来，克里克在称赞富兰克林非凡的科学研究能力时指出，“她缺乏直觉。也许她不相信直觉。”她往往认为，结论应该“用事实说话” 不久，威尔金斯前往剑桥看望克里克，谈起鲍林在继续其模型研究，基于此，克里克和沃森问威尔金斯，如果他们重新搭模型你是否在意？威尔金斯并没有把科学研究看成是一场竞赛，尤其不喜欢伦敦和剑桥竞赛的想法。不过，沃森和克里克并没有提到如何协调彼此的研究。也许布拉格也认为，伦敦和剑桥的备忘录签署已一年，英王学院已获得了机会，给医学研究委员会的报告说明已放弃了螺旋结构。现在

29、该轮到剑桥了。一旦鲍林抢先一步，他和佩鲁兹等就会相当难堪。但威尔金斯却感到很失望，因为富兰克林将离开。虽然威尔金斯并不认为自己将成为发现DNA结构的大功臣，他也不乐意让沃森和克里克捷足先登。但毕竟DNA不是私有财产，他别无选择。其实，就象沃森在双螺旋中所说，不论威尔金斯同意与否，他们都会开始重搭模型。尽管沃森和克里克没有告诉威尔金斯怎么搭，但至少在准备搭模型这一点上他们是开诚布公的。 回到伦敦后，威尔金斯开始重新组建他的DNA研究小组，他从法国的哈里特艾佛茹丝（Harriet Ephrussi）那里要来了具有生物活性的DNA样品，他在纽约斯隆凯特琳癌症研究所的朋友利奥纳德汉密尔顿（Leonard Hamilton）也寄来了高质量的人DNA样品。就在威尔金斯给克里克写信报告这一切、并胸有成竹地说取得进展为时不远时，剑