关于DNA的发现和研究的科学故事，好的加150分。

詹姆斯·杜威·沃森

美国生物学家

痛性痉挛

弗朗西斯·哈里·康普顿·克里克

英国生物物理学家

20世纪50年代初，英国科学家威尔金斯等人用X射线衍射技术研究了DNA结构三年，认识到DNA是螺旋结构。女物理学家富兰克林在1951结尾拍了一张非常清晰的DNA的X射线衍射照片。

1952年，美国化学家鲍林发表了一篇关于DNA三链模型的研究报告，该模型被称为α螺旋。沃森与威尔金斯和富兰克林讨论了鲍林的模型。威尔金斯展示了富兰克林一年前拍摄的DNA射线衍射照片。沃森看到DNA内部是螺旋结构，他马上产生了一个新概念:DNA应该是双链结构，而不是三链结构。他们继续遵循这一思路，并努力将研究成果集中在这一领域。沃森和克里克根据各种有关DNA研究的资料和自己的研究分析，得出了一个结论:DNA是双链螺旋结构。这真是一个激动人心的发现！沃森和克里克立即行动，立即联手在实验室搭建了DNA双螺旋模型。从2月22日1953开始，他们夜以继日地工作，废寝忘食。终于，在3月7日，他们成功构建了自己美丽的DNA模型。

沃森和克里克的模型正确地反映了DNA的分子结构。从此，遗传学和生物学的历史从细胞阶段进入了分子阶段。

沃森、克里克和威尔金斯因对DNA分子研究的杰出贡献，分享了1962诺贝尔生理医学奖。

詹姆斯·沃森

沃森(生于1928)是美国生物学家。

20世纪40年代末50年代初，DNA被确认为遗传物质后，生物学家们不得不面对一个难题:DNA应该具有怎样的结构才能承担遗传的重任？它必须能够携带遗传信息，能够自己复制和传递遗传信息，能够表达遗传信息控制细胞活动，能够变异和保留突变。这四点缺一不可。如何构建一个DNA分子模型来解释这一切？

当时有三个主要的实验室几乎同时在研究DNA分子模型。第一个实验室是伦敦国王学院的威尔金斯和富兰克林实验室。他们通过X射线衍射研究DNA的晶体结构。当X射线照射生物大分子的晶体时，晶格中的原子或分子会使射线发生偏转。根据得到的衍射图像，可以推断出分子的大致结构和形状。第二个实验室是加州理工学院伟大的化学家莱纳斯·鲍林的实验室。在此之前，鲍林已经发现了蛋白质的螺旋结构。第三种是非正式的研究小组。事实上，他们什么也没做。23岁的年轻遗传学家沃森1951年从美国到剑桥大学做博士后时，虽然他的真实意图是研究DNA的分子结构，但他挂的项目是研究烟草花叶病毒。比他大12岁的克里克当时正在做博士论文，题目是《多肽与蛋白质:X射线研究》。沃森说服了与他共用一个办公室的克里克研究DNA分子模型。他需要克里克在X射线晶体学方面的知识。他们从1951年10月拼凑模型。经过几次尝试，他们终于在1953三月得到了正确的型号。这三个实验室如何相互竞争，因为沃森的自传《双螺旋》而广为人知，这本书风靡全球。一个值得讨论的问题是:为什么沃森和克里克没有威尔金斯和富兰克林那样的第一手实验数据，没有鲍林那样丰富的构建分子模型的经验(两人都是第一次构建分子模型)，却赢得了这场竞赛？

这些人，除了华生，都不是遗传学家，而是物理学家或者化学家。虽然威尔金斯在1950年首次研究了DNA的晶体结构，但他对当时DNA在细胞中的作用一无所知。只是在1951他才认为DNA可能参与了核蛋白控制的遗传。富兰克林也没有理解DNA在生物细胞中的重要性。鲍林对DNA分子的研究纯属偶然。他在19511美国化学会杂志上看到一篇关于核酸结构的论文，觉得很可笑。为了反驳这篇论文，他着手构建DNA分子模型。他把DNA分子作为化合物来研究，而不是遗传物质。这两个研究小组完全基于晶体的衍射图案建立了他们的模型，鲍林甚至基于20世纪30年代拍摄的模糊衍射照片。在不了解DNA的生物功能的情况下，单纯根据晶体衍射图样有太多的可能性可供选择，很难做出正确的模型。

沃森在1951来到剑桥之前，就已经做了同位素标记追踪噬菌体DNA的实验，并坚信DNA是遗传物质。据他回忆，到了剑桥，他发现克里克也是“一个知道DNA比蛋白质更重要的人”。但据克里克自己说，他当时对DNA了解不多，也不认为它在遗传上比蛋白质更重要。他只是觉得DNA作为一种与核蛋白结合的物质，值得研究。对于一个研究生来说，确定一个未知分子的结构是一项值得做的工作。在确信DNA是遗传物质后，我们还必须了解遗传物质需要什么性质才能发挥基因的作用。和克里克、威尔金斯一样，沃森后来也强调了薛定谔的《生命是什么？他甚至说，在芝加哥大学读完这本书后，他决心要解开基因之谜。如果这是真的，我们就很难理解为什么沃森在申请印第安纳大学研究生的时候申请鸟类学了。因为印第安纳大学动物学系没有鸟类学专业，沃森在院长的建议下转向遗传学研究。当时，伟大的遗传学家赫尔曼·缪勒碰巧是印第安纳大学的教授。沃森不仅参加了缪勒的“突变和基因”课程(成绩为A)，还考虑成为他的研究生。但我觉得缪勒研究的果蝇在遗传学上走过了一段辉煌的时期，于是我换了研究噬菌体遗传的萨尔瓦多·卢里亚(Salvador Luria)做我的老师。然而，缪勒认为遗传物质必须具有自催化、异催化和突变的三重特征的观点肯定对沃森产生了深远的影响。正是因为沃森和克里克坚信DNA是遗传物质，并且明白遗传物质应该具有什么样的特征，他们才能在如此少的数据基础上做出如此伟大的发现。

他们依靠的只是三条数据:第一条是当时广为人知的，即DNA由六种小分子组成:脱氧核糖、磷酸和四种碱基(A、G、T、C)，这些小分子由四种核苷酸组成，组成DNA。第二条证据是最新的。富兰克林获得的衍射照片显示，DNA是由两条宽20埃的长链组成的双螺旋。第三个证据是最关键的。美国生物化学家埃尔文·查戈夫确定了DNA的分子组成，并发现DNA中四种碱基的含量与传统认为的不一样。虽然四个碱基在不同物种中的含量不同，但A和T的含量总是相同的，G和C的含量也是相同的。

查加夫早在1950就发表了这一重要结果，但奇怪的是，研究DNA分子结构的三个实验室都忽略了这一结果。甚至在查加夫于1951年春天访问剑桥并见到沃森和克里克之后，沃森和克里克也很少关注他的结果。在沃森和克里克最终意识到查加夫比的重要性，并请剑桥的年轻数学家约翰·格里菲斯计算出A吸引T，G吸引C，A+T的宽度等于G+C的宽度之后，他们很快拼凑出了DNA分子的正确模型。

沃森和克里克在4月25日的《自然》杂志上发表了他们的发现，1953，超过1000字，并附有插图。在论文中，沃森和克里克以谦逊的语气暗示了这种结构模型的遗传重要性:“我们并非没有意识到，我们推测的特殊配对立即暗示了遗传物质的复制机制。”在随后的论文中，沃森和克里克详细解释了DNA双螺旋模型对遗传学研究的重大意义:首先，它可以解释遗传物质的自我复制。“半保守复制”的想法后来被马修·梅塞尔森和富兰克林·W·斯塔尔用同位素示踪实验证实了。其次，它可以解释遗传物质是如何携带遗传信息的。第三，可以解释基因如何变异。基因突变是因为碱基序列的改变，可以通过复制保存下来。

但遗传物质的第四个特征，即遗传信息如何表达才能控制细胞活动？这种模式无法解释。沃森和克里克当时也公开承认，他们不知道DNA如何能够“对细胞产生高度特殊的影响”。但是，这个时候基因的主要功能是控制蛋白质的合成，这就成了* * *学问。那么基因是如何控制蛋白质合成的呢？有没有可能以DNA为模板直接把氨基酸和蛋白质连接起来？沃森和克里克提出DNA双螺旋模型后的一段时间，假设在DNA结构中，不同的碱基对之间形成不同形状的不同“孔”，在这些孔中插入不同的氨基酸，可以形成具有特定序列的蛋白质。然而，这一假设面临一个大问题:染色体DNA存在于细胞核中，而大部分蛋白质存在于细胞质中。细胞核和细胞质被一层大分子不能穿过的核膜隔开。如果蛋白质是直接由DNA合成的，蛋白质就无法进入细胞质。另一种核酸RNA主要存在于细胞质中。RNA和DNA的组成非常相似，除了两个不同之处。它有核糖但没有脱氧核糖，有尿嘧啶(U)但没有胸腺嘧啶(T)。早在1952提出DNA双螺旋模型之前，Watson就已经假设遗传信息的传递方式是从DNA到RNA，再从RNA到蛋白质。在1953 ~ 1954期间，沃森进一步思考了这个问题。他认为在基因表达过程中，DNA从细胞核转移到细胞质中，其脱氧核糖转化为核糖，成为双链RNA，然后利用碱基对之间的孔洞作为模板合成蛋白质。这个古怪的想法在提交发表之前就被克里克否决了。克里克指出，DNA和RNA本身都不能直接充当连接氨基酸的模板。遗传信息只体现在DNA的碱基序列上，需要一个接头将碱基序列和氨基酸连接起来。这个“连接器假说”很快被实验证实。

从65438年到0958年，克里克提出了两个理论，奠定了分子遗传学的理论基础。第一种理论是“序列假说”，认为核酸的特殊性完全由其碱基序列决定，碱基序列编码特定蛋白质的氨基酸序列，蛋白质的氨基酸序列决定蛋白质的三维结构。第二个理论是“中心法则”。遗传信息只能从核酸传递到核酸，或从核酸传递到蛋白质，而不能从蛋白质传递到蛋白质或从蛋白质传递。沃森后来更清楚地表达了中心规则，即遗传信息只能从DNA传递到RNA，然后从RNA传递到蛋白质。结果在1970中发现病毒中存在RNA合成DNA的逆转录现象。人们说，中心规则需要修改，如果增加一条遗传信息，它可以从RNA转移到DNA。事实上，根据克里克最初的说法，没有必要修改中心规则。

碱基序列是如何编码氨基酸的？克里克在破译这种遗传密码的问题上也做出了巨大贡献。组成蛋白质的氨基酸有20种，但碱基只有4种。显然，从1个碱基编码1个氨基酸是不可能的。如果1个氨基酸由两个碱基编码，只有16个组合(4的平方)，这是不够的。所以至少三个碱基编码1个氨基酸，有64种* * *的组合才能满足需要。1961年，克里克等人在《噬菌体T4》中证明了蛋白质中1氨基酸的序列由三个碱基编码(称为1密码子)。同年，两位美国分子遗传学家马歇尔·尼伦伯格和约翰·马特海破解了第一个密码子。到1966，所有64个密码子(包括3个合成终止信号)都被鉴定出来。密码子作为所有生物来源于同一祖先的证据之一，在所有生物中基本相同。从此，人类有了破解遗传之谜的密码表。

DNA双螺旋模型(包括中心法则)的发现是20世纪最重要的科学发现之一，也是生物学史上唯一可以与达尔文进化论相提并论的发现。它和自然选择一起统一了生物学的大概念，标志着分子遗传学的诞生。这门融合了遗传学、生物化学、生物物理学和信息学的新学科，主导着生物学所有学科的研究。它是许多人共同努力的结果，克里克、威尔金斯、富兰克林和沃森，尤其是克里克，是最杰出的英雄。

痛性痉挛

弗朗西斯·哈里·康普顿·克里克(弗朗西斯·哈里·康普顿·克里克1916 . 6 . 8—2004年7月28日)

出生于英格兰中南部一个郡的首府北安普顿。当我还是个孩子的时候，我喜欢物理。1934高中毕业后，考入伦敦大学物理系，三年后大学毕业，随即攻读博士学位。但1939年二战爆发，打断了他的学业，他进入海军部研究鱼雷，毫无建树。到战争结束时，三十多岁的克里克在事业上仍然一事无成。1950年，34岁的他考入剑桥大学物理系攻读研究生，想在著名的卡文迪许实验室研究基本粒子。

此时，克里克读到了著名物理学家薛定谔的一本书《什么是生命》，书中预言了一个新的生物学研究时代即将开始，并指出生物学问题最终将由物理学和化学来解释，并且很有可能从生物学研究中发现新的物理学定律。克里克深信自己的物理学知识对生物学的研究有所帮助，但他缺乏化学知识，于是开始研究有机化学、X射线衍射理论和技术，并准备探索蛋白质的结构。

1951年，23岁的美国生物学博士沃森来到卡文迪许实验室，他也受到了薛定谔《什么是生命》的影响。克里克和他一拍即合，开始合作研究DNA这种遗传物质的分子结构。虽然性格不同，但在事业上志同道合。沃森生物基础扎实，训练有素。而克里克则凭借物理学的优势，不受传统生物学观念的束缚，经常以全新的视角思考问题。他们取长补短，借鉴了当时也在研究DNA分子结构的鲍林、威尔金斯和富兰克林的成果。结果不到两年就完成了DNA分子的双螺旋结构模型。而且，克里克凭借其深刻的科学洞察力，不顾沃森的犹豫，坚持在自己的第一篇论文中加入了“DNA的特异性配对原理，这立即使人们想起了遗传物质可能的复制机制”这句话，从而不仅发现了DNA的分子结构，而且从簇结构和功能的角度对其进行了解释。

从65438年到0962年，46岁的克里克与沃森和威尔金斯一起获得了诺贝尔生物学或医学奖。

后来克里克首次独立提出了蛋白质合成的中心法则，即遗传密码的方向是:DNA→RNA→蛋白质。他还对遗传密码的比例和翻译机制的研究做出了贡献。从65438年到0977年，克里克离开剑桥，成为加州圣地亚哥索尔克研究所的教授。

2004年7月28日晚，弗朗西斯·克里克在与结肠癌进行了长期斗争后，在加利福尼亚州圣地亚哥的桑顿医院去世，享年88岁。