质a螺旋结构模型的同时，伦敦大学金学院的威尔金斯及其同事富兰克林正用X衍射方法
进行着DNA的研究，他们拍摄了当时最好的DNA衍射图，积累了大量分析资料，为DNA模
型的建立提供了极重要的根据。
建立DNA双螺旋模型的第四个知识来源，就是有关DNA本身的历史知识。最早确定
DNA物理性质的是豆869年米歇尔提出的“核素”，19世纪末、细胞学家如O．赫特维希
和威尔逊等人曾推测染色质的组成成分可能就是核素，赫特维希还推测核素可能承担着
性状的传送职能。此后，柯塞尔系统地研究了核酸的分子结构，发现这类分子存在着两
类核酸，一为脱氧核糖核酸报pDNA），另一类是核糖核酸（RNA）他把核酸水解，分离
出各有四种含氮碱（即腺瞟吟、鸟瞟吟、胞啧啧，以上三种二类核酸都有，此外，DNA
还含有胸腺嚷嚷，RNA含有尿陵牌）。19三五年，莱文等人进一步发现核酸里有五个碳
原子组成的糖分子（在RNA中为核糖，在DNA中五碳糖缺一个氧原子，称脱氧核糖）。其
后，又发现核酸的磷酸组分。于是由一个含氮碱基一个磷酸和一个脱氧核糖共同组成了
一个接着酸。莱文等人还对核酸作定量分析，测定四种含氮碱基的克分子数相等，莱文
由此推测在一切生物来源的DNA中四种碱基数是等量的，这意味着核酸是由固定和重复
排列的核音酸组成，所以不论核酸的来源如何，它们的成分总是相同。根据这种推论，
便认为核酸不可能携带极复杂的遗传信息，它们仅仅是简单的线性排列的四核音酸多聚
体。莱文的四核音酸说从此成了核酸的生化范式，以致影响到1944年艾维里已明确证实
DNA是遗传物质时，人们还不把它看成是遗传物质。
1952年，美国生物化学家查哥夫应用理化分析和测量技术证明四种核音酸的含量是
不等的，DNA不是由四种核青酸单调重复排列的多聚体，四种碱基在DNA中的相对数量因
物种不同而有其特异性，即在不同的物种中DNA含量各不相同。他进一步测定了源晗和
啧啧的总的克分子比为1。而腺瞟吟与胸腺喷陡、鸟瞟吟与胞陵牌的充分子量之比也大
都是1。这表明DNA四种碱基是两两互补；此外，它们依次作顺序排列，这意味着储存遗
传信息的编码。但是，有关DNA传导遗传信息、控制或调节生物的生化反应、表达生物
性状、以及实现自我复制等问题，只是在彻底弄清DNA三维结构（基因的具体形态）后
才有可能解答。
二DNA双拐旋结构模型的发规
模型是人为摹似自然现象物态相似的一种认识方法，它是对自然界宏观客体或微观
世界客观对象的模仿。依据客观对象的规模和大小，人们借助有关理论的指导，可以按
比例缩小或放大原型的尺寸制造模型，可以间接地研究原型的规律。在生物界用动物等
实物模拟人的生理生化或病理过程，以弄清人的生理或病理机制。但是，模拟自然现象
的模型无论是缩小或放大，都能近似或比较近似地再现对象实体，符合原型的规律。通
过思维设计放大的微观模型，需要严格验证，必须将模型与用理化手段取得的实物图象
或用其他方法来检测，以证实模型的确实性。从这个意义上讲，模型是对自然现象的一
种人为仿制品。
模拟自然现象的模型，它的作用在于：第一，给人以感性直观的明晰性、简洁性的
认识。第二，使人们直接研究参与构成模型各种因素及其矛盾关系，找出它在模型中的
作用和由此产生的种种效应，并将这种认识应用到原型上，第三，根据这种认识，用来
解决原型中出现的种种问题。所以模型在人们认识自然和解决问题过程中起到了中介的
作用。
任何模型都是解决实际对象中出现的种种问题而制造的，水库模型为求得相似条件
下有关因素的各类参数，据此可作为实际设计的参考根据。建立DNA模型时需要考虑这
个模型的设计不是单纯地建立它的化学结构，还要考虑它必须具备遗传物质的生物学特
性。按照这个要求，这个模型至少要解决这样一些问题：第一、模型要反映出具有携带
和传递遗传信息的功能；第二，模型能说明DNA自我复制机制；第三，模型能说明引起
生物突变的原因；第四，模型必须符合化学规律，特别是要符合查哥夫规则。总之，这
个模型应是实实在在的基因的反映或基因的模式。沃森和克里克正是出于这种认识，提
出了DNA双螺旋模型。
50年代初，人们已普遍肯定DNA是生物的遗传物质。为搞清楚DNA的机制，需要先弄
清楚DNA的化学组成和它的三维结构。这两者对了解基因（DNA）的性质是个关键问题。
1951年春天，沃森在那不勒斯参加生物大分子会上看到威尔金斯的DNA结晶体X衍射
图象，给他以极深刻的印象，他认定了这张照片将能成为“解决生命奥秘的钥匙”埃森：
《双螺旋》，中文版第20页）。这张照片表明DNA是一种可用简单方法来测定的有规则
的结构，因为它能结晶。这就解除了沃森原先认为基因有异常不规则结构的思想顾虑。
在这之前，美国的鲍林已成功地建立了蛋白质X螺旋结构模型，鲍林建立这个模型
时不完全依靠X衍射图谱，他更着重探讨原子间的相互关系，制造了一组分子模型（沃
森称它象儿童玩具的模型），然后用X衍射图数据来检验模型的效果，并从理论上证明
这两者的一致性。鲍林制造模型的举动引发沃森和克里克也想用同样方法来建立DNA分
子结构模型。沃森说：“我们看不出为什么我们不能用同样的方法解决DNA问题！我们
只要制作一组分子模型，开始摆弄起来就行了”（同前书第30－31页）。当鲍林建立蛋
白质a螺旋模型时，探讨每条蛋白质多肽链都由自身基团间的氢键自主地折叠成螺旋状
的情况，他注意到每条氨基酸借助氢键连接起来，并固定在各自的位置上。这个发现至
少成为启发沃森等人在探讨DNA分子多维度时的重要方法。
沃森和克里克初步设想：因DNA是结晶聚合体，它可能是一种含有许多核音酸并作
有规则直线排列的东西，因为DNA的糖和磷酸骨架是非常有规则的，这种情况能最好解
释DNA分子结构。可是威尔金斯根据DNA衍射图谱指出：DNA分子直径比一条单一核音酸
链直径大，所以DNA分子可能是一个包括有几条绕在一起的多核昔酸链的复杂螺旋。
此后，沃森和克里克认识到DNA分子的特异性应是碱基的差别，而它的糖和磷酸都
是共同的，核音酸之间的联系只与糖和磷酸相关。于是他们又假设有一种相同的化学键
联结着所有的核青酸，它的分子结构表现为糖和磷酸的有规则性和碱基顺序不规则性的
混合体（作这样的安排为的是体现基因的多样性）。但克里克认为制作模型先要弄清楚
DNA分子核音酸链的数目，从衍射图谱上看，可能是两条、三条或四条多枚着酸链。于
是他们设想DNA是以糖和磷酸骨架为中心、多枚苛酸链排列在外面的结构。51年冬天，
他们着手建立模型，先把模型搭成几条多孩背酸链围绕着糖和磷酸骨架的形状，并假定
多接管酸链之间借助盐键联结起来。理由是盐键的“两价正离子如Mg——可以维系两个
或更多的磷酸基团”（同前书第54页）。但是因这个设想在DNAX衍射图中没有看到两价
正离子的镁或钙，所以假定镁或钙离子嵌进了糖和磷酸骨架中，他们专门设计了模型中
磷酸H图滚形状，制作成由三条多核青酸链纠缠在一起的螺旋模型，并确定沿螺旋轴每
隔28A绕一周。他们当时认为这个设计图案和X衍射图谱相符，并且还用富兰克林的定量
分析法加以验证，螺旋参数的选择与富兰克林提出的数据相吻合。
但是，以糖和磷酸骨架为中心的模型，要把参差不齐的碱基排列和组装在这个骨架
上，问题就大了。由于原子堆集过密，组装的结果既不符合化学规律，也构成不了DNA
有规则的模型，这个模型是失败的。
他们继续通过各种途径，把探讨建立模型的工作再深入一步。沃森转入对TMV（烟
草花叶病毒）的研究，这项工作启发他对生物晶体结构的螺旋有对称的想法。他进一步
思考查哥夫测定的DNA化学特性（即由直哥夫测定的腺源吟和胸腺晓健、鸟瞟鸣和胞陵
牌的充分子量比值都是1，总的瞟岭和喷晚的充分子量的比值也相同），这表明两类不
同碱基之间可能是互补配对，他猜测DNA分子结构的基本组成形式就是配对的。当时，
和他们相识的化学家格里菲斯曾提到，“基因复制是在互补表面交替形成基础上进行的”
（同前书第78页），这个提示意味着遗传学家和物理学家们曾设想过的，基因复制是正
本和负本的互补。格里菲斯计算过一个DNA分子碱基的相互吸引力（弱相互作用），计
算结果表明：它们是不同类碱基间的相互吸引力，这表明“腺瞟哈和胸腺噙牌的平面应
该粘在一起的”（同前书第79页），这种情况也适用于鸟瞟吟和胸腺喷院的互补。这个
计算结果给查哥夫提出的不同类碱基配对互补的规则提供了有力佐证。
1952年，富兰克林用X射线拍下了DNA分子结构的B型照片，经威尔金斯鉴定，证明
只有螺旋结构才能出现交叉形的反射线条，这张照片还可精确确定DNA分子多核音酸链
数目。沃森根据B型照片就DNA应是单链、双链、三链或三条以上的核音酸链形成螺旋的
事进行苦心推敲。B型照片给他的启示和测得的数据使沃森联想起生物界繁衍配对的现
象，预示DNA分子结构也可能是配对成双链的构型。所以他决定要做一个双链的模型。
现在需要解决三个问题：第一，DNA碱基是怎样排列的？是有规则排列还是无规则
排列？从X衍射图谱来看，螺旋每隔34A重复一次，表示了碱基沿螺旋轴方向完全旋转一
周的距离，这个距离表示了螺旋角度最合适的键角角度，它预示着碱基应是有规则的排
列。还有，富兰克林曾推测DNA磷酸和糖骨架在外部，碱基在骨架中心。如果碱基是有
规则的排列，那么它应该表明每个核音酸糖—磷酸基团都有完全相同的三维结构。但是，
碱基是不相同的，连接的多核音酸的碱基顺序也不可能有规则，若把大大小小的碱基拼
在一起，外部的糖一磷酸骨架就会变形。这是一个难题，如果不能解决，螺旋模型就建
立不起来。
第二，多孩着酸又是如何联结在一起的？靠什么力把碱基连接起来？沃森和克里克
长久以来未曾考虑过氢键的作用，他们过多地考虑金属离子盐键的作用，在鲍林建立蛋
白质a螺旋结构模型和明确指出氢键的连接力作用时，他们仍然在离子键上打转转。然
而根据X衍射图，双链碱基间的连接是靠很多不规则的氢键完成的，在理论上，戈兰德
和约尔丹提出碱基间能形成相连氢键的理论。这样，才使他们明白碱基上一个或几个氢
原子可以移位形成相连的氢键，而正是这种氢键才能把同一个分子中的碱基连接起来。
第三，要解决碱基间的键合问题，哪个碱基与哪个碱基键合？这个问题一度把沃森
5队歧途，沃森经过长期思索得不到答案。有一次他无意中画出腺源吟结构时，突然想
到同类碱基间可能形成两个氢键，并实现键合。更重要的是他也曾设想过在瞟吟碱与呼
唤碱之间可能也形成氢键，并把二者连接起来。这个推测是构成双螺旋结构模型关键的
一步。但是，当时他更热衷于设想DNA分子都是由相同碱基的双链构成，每个DNA分子都
可能是同类碱基配对的双链，而两条链则是由同类碱基对的氢键将它们连接起来，互相
缠绕在一起形成螺旋结构。这个构型按沃森的想法可能说明复制问题，他设想两条链的
其中一条可能是合成时另一条的模板，这个模型虽然可解释生物遗传上的若干问题，但
是同类配对的方法解决不了不规则的碱基顺序问题。这样做，整个模型由于碱基大小不
一，就会显得凹凸不平，而且完全不符合查哥夫的等量规则。由此看来，同类配对的双
螺旋结构模型的设想也是行不通的。
在此情况下，沃森用纸板制成碱基模型，来回拼凑，移来移去突然发现通过二个氢
键维系的一个腺瞟吟同一个胸腺喷晚的形状，竟然同一个鸟漂岭和一个跑呼峻联系的形
状相同。这个发现无疑是一个重大突破，但当时他错误选择了碱基的互变异构体（酿醇
式），这种结构的碱基间不能形成氢键。美国晶体学家多纳休及时指出了这种错误，并
指出通常情况下四种碱基都以酮式结构存在而不是酿醇式结构，后者却因两个碱基间距
离过远而无法形成氢键。
沃森和克里克吸取了失败教训后，就改进了他们的方法。沃森用硬纸剪成的碱基模
型作了多种配对的可能尝试，采用碱基的酮式结构后，发现由二个氢键联系的腺瞟呼和
胸腺嘴徒对的形状，和以同样方式维系的鸟瞟吟和胞喷晚对的形状相同，这种互补的联
系不仅能形成氢键，还表明DNA螺旋的直径是一样的，这种互补关系还正好说明了查哥
夫提出的两类碱对1：1的对等关系。因此，他们认定了DNA接着酸链只有两条。此外，
有关X衍射图诺表明，两条链应呈螺旋形的，其直径约为20A，相邻核音酸间的距离是3．
4A，旋转一周（正好十个核音酸）为34A，根据这些情况，他们制成了DNA金属立体模型。
沃森和克里克指出：“在这种结构中两条链围绕着一条共同的轴线缠绕，并通过核音酸
碱基之间的氢键彼此连接起来……。两条链都是右手旋转的螺旋，但原子在糖一磷主链
上的顺序是反方向的，并成对地垂直于螺旋轴线。糖和磷酸基因在外侧，而碱基在内侧
（沃森、克里克：《核酸的分子结构》，载《遗传学经典论文选集》，科学出版社1984
年版，第148页），全部结构象沿轴心旋转的梯子，形成了一个特定的螺旋模型。根据
计算和分析，这个模型既符合X衍射图谱有关结晶分子的各个数据，又和立体化学的原
则一致。沃森和克里克终于建立生命史上具有巨大意义的基因（DNA）模型。人们把这
个发现誉为分子生物学新时代的开端。
DNA双螺旋结构作为遗传物质，它的生物学特性在以后若干年中陆续得到证实，这
种特性具体表现在DNA的功能上。确定DNA的基本功能大致有以下几个方面：第一，它的
自我复制机制。沃森和克里克在制作DNA模型时已经想到DNA的自行催化的繁殖机制。由
于双螺旋的对称性，它们的互补性质十分明显，当基因增殖时两条链分开，每条链实现
自我复制，即各自成为配对物的模板，借助其互补特性形成新的双链，构成了新的DNA
分子链。沃森和克里克掼出：“……我们的脱氧核糖核酸模型实际上是一对样板。这两
条样板是彼此互补的。我们假定，在复制之前氢键断裂，两条链解开并彼此分离。然后，
每条链都可以作为样板，在其上形成一条新的互补链。这样我们最后得到了两对链，而
此前我们仅有一对链，而且在复制过程中，也是严格符合碱基对顺序的”（沃森：《双
螺旋》，中文版第155页）。这种复制称半保留复制，即原先的链保留，而后分开来分
别到子分子中成为新链的模板。1958年，梅塞尔森和斯塔尔证明DNA的复制确如沃森和
克里克所描述的是一种半保留的复制机制。
第H，DNA指导蛋白分子的合成。蛋白质是按照DNA分子的结构合成的，所以DNA是蛋
白质合成时的模板。它的实现分两个步骤，第一步，DNA先转录到特殊的核酸——信使
核糖核酸（InRN）单链上。因为核音酸是专一配对的，信使核糖核酸上的碱基排列顺序
同DNA上的碱基排列顺序互补配对，rnLRNA就成为了DNA的“副本”。这就是说InRNA的
核音酸排列顺序是DNA核昔酸排列顺序的翻板。每三个核音酸组成一个“密码子”，对
应于某一种氨基酸，即三个核音酸决定一个特定的蛋白质氨基酸。第二步，这条InRNA
移到细胞质的核糖体里什RNA），借助既能识别mRNA密码子又能识别氨基酸顺序的转移
核糖核酸（tR－NA）单链“翻译”成蛋白质氨基酸。由于每个tRNA都有一个特定的“反
密码子”，能认别遗传密码，它的另一端和特定的氨基酸相结合。处在核糖体内的mRNA，
由每个特定的tRNA携带着某种氨酸，借助反密码子在mRNA上找到自己的位置，按照mRNA
核音酸排列顺序，把不同的氨基酸排列起来组成多肽（蛋白质或酶）。
由此可知，从DNA到蛋白质是一个单向的信息流。沃森在从事DNA结构模型设计时已
想到基因指导蛋白棋会成过程，当时，他记下了DNAnRNAn蛋白质这样单向性流动公式，
表示遗传信息从DNA传到蛋白质的作用过程。这种遗传信息传递过程称为“中心法则”。
后来，梯明等人发现了“反向转录酶”，可指导RNA中的信息转录到DNA上，表明DNA与
RNA之间在少数情况下可以发生逆转。但是，核酸指导蛋白质合成的法则依然是正确的。
第三，基因突变的分子基础是DNA核音酸排列顺序发生了变化。早在1949年，鲍林
曾推测镰状红细胞贫血症的起因是血红蛋白多肽链内部发生变化所致。1957年，英格拉
姆证明镜状红细胞贫血症是因为在血红蛋白分子中的B链上，第六位上的谷氨酸突变成
激氨酸造成的，如果追溯组成谷氨酸的密码，它是GAA，突变成绿氨酸后密码子为GUA，
其中的A（腺瞟吟）变成了U（尿障院），正是这个碱基发生了突变才引起氨基酸成分的
变化，从而5！起了镰状红血球贫血症。以后，人们了解到：通过核音酸碱基的代换，
或者通过核音酸碱基的添加或缺失，发生碱基序列的变化，从而引起基因突变，并影响
到有机体表型以及有机体生理生化反应等方面的变化。
总之，DNA双螺旋结构模型在揭示生命的基本问题上已取得了极其辉煌的成就。由
于DNA双螺旋的发现，现在知道：基因就是DNA分子上的多核高酸片段，它决定特定的多
肽链氨基酸顺序，即指导蛋白质或酶的合成，是实现基因自我复制和发生突变的基本单
位。这样的单位也叫一个“顺反子”，基因就是一个“顺反子”。
随着时代的进展和科学的发展，基因从假定中的“诞生子’和承担专一遗传作用的
“种质”，到孟德尔实验中推导出的遗传因子，再到摩尔银通过果蝇杂交后代中出现的
重组频率推导出基因的重组的存在，把基因落实到染色体上作直线排列的领料。但自
DNA双螺旋结构模型建立后，人们终于找到了遗传和发生变异的实在物，找到了生物的
遗传和变异的机制。（张乃烈）
------------------
--------------------------------------------------------------------------------
基因的革命
