DNA雙螺旋結構的陰暗面

編者按：1962年，沃森、克裡克與威爾金斯因研究DNA雙螺旋結構模型的成果，而共同獲得了諾貝爾生理學或醫學獎。但是，他們真的是第一個發現雙螺旋結構的人嗎？日本科學家福岡伸一在《生物與非生物之間》一書中指出，從某種意義上說，他們三人一起「剽竊」了科學家羅莎琳德·富蘭克林的研究成果。

防不勝防的誘惑

無論是《自然》《科學》這樣的頂級科學雜誌，還是其他發表論文的專業期刊，大家採取的都是 「同行評審」（peer review）的篩選方法。專業期刊的編輯委員會收到某個領域的論文之後，就會請這個領域的專家，即作者的同行進行評審。評審員要從論文的創新性、實驗方法、推論的妥當性等角度入手，為論文打分，並將結果反饋給編輯委員會。委員會再根據評審員給出的分數來決定要不要刊登這篇論文。為了防止徇私舞弊，編輯委員會不公開評審員的身份，杜絕了「走後門」的可能性。

今時今日，科研人員的研究工作劃分得越來越細了。匿名的同行評審的確是唯一一種能儘量保證公平公正的評判方法。然而，讓同行相互評價也會帶來不可避免的問題—在人人爭當「第一發現者」的世界裡，在「第二名」沒有立足之地、得不到任何榮譽與嘉獎的世界裡，在狹小的專業領域裡，所有同行都是你的競爭對手。

我們不妨做個假設：假如你被選為某篇論文的匿名評審員，需要給論文打分。（這也意味著專業期刊的編輯委員會認為你是該領域的第一人，所以你二話不說欣然答應了。）

然而，一看到委員會送來的論文，你就驚呆了。因為論文出自你時刻關注的競爭對手F教授的研究團隊。而且論文的主題，正是你暗中研究的課題。最關鍵的是F教授走在了你的前頭，研究成果令人嘆為觀止。你怎麼知道他的結論沒出錯呢？因為你預測的結果也是這樣，分毫不差。就連你的研究團隊還沒解開的問題，也能在論文中找到相應的數據。

如此誘人的果實擺在眼前，善良如天使的人恐怕也會伸出罪惡之手。你開始在雞蛋裡挑骨頭，說F教授的論文有些細節做得不好，得把圖表改一改，再做些實驗，才能把這篇論文登出來。你一邊拖延時間，一邊把論文裡的數據交給部下，讓他們加班加點把結果歸納成論文。只要把論文投去另一份專業期刊，也許就能搶在F教授的前面了。就算沒趕上，也能偽裝成「幾乎在同時分別得出了同樣的結論」。

這顯然是犯規行為，而且是不折不扣的剽竊。問題是同行評審本就不可能做到百分百中立，評審員既然讀到了別人的論文，就不可能不受論文信息的影響。在學術史上，同行評審造成的不公正現象的確時有發生，有些被揭露了，有些則不為人知。

關於二十世紀最大發現的疑問

沃森與克裡克發現了DNA的雙螺旋結構，這算得上是二十世紀最偉大的發現了。但他們發現這個秘密的過程著實耐人尋味。我們不妨分析一下這個現成的案例。

詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克裡克將散落在地的拼圖組裝起來，闡明了DNA的結構。他們的千字論文就發表在一九五三年四月二十五日的《自然》雜誌上。

詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克裡克

論文還配了一張示意圖：由糖與磷酸構成的雙鏈相互交纏，呈螺旋狀，A與T、G與C嵌在雙鏈之間，均勻分布。這一結構不僅解開了查戈夫法則的成立之謎，更暗示了互補的雙螺旋具有自我複製機制。所有讀到這篇論文的人都震驚了。那麼，解開DNA結構之謎的關鍵是什麼呢？論文對此一筆帶過，也很少有人把注意力放在這上面。

螺旋狀的雙鏈旁邊標有小小的箭頭，箭頭分別指著相反的方向。沒錯，DNA的雙鏈在化學層面具有明確的方向性，有頭也有尾，而雙鏈的方向恰好相反。只有這樣，雙螺旋內部的核苷酸才能完美契合，呈階梯狀等間隔、等距離地均勻分布。

正因為雙鏈的化學方向是相反的，所以嵌在兩種引物之間的DNA片段才能在合成反應中依照兩倍、四倍的數目增加。穆利斯的發現，也建立在雙螺旋結構的基礎上。

那麼問題來了：沃森與克裡克是如何想到DNA螺旋呈反向平行（antiparallel）結構的呢？實不相瞞，他們暗中「透視」到了重要的線索。

羅莎琳德·富蘭克林的X射線晶體衍射圖

一九二○年，羅莎琳德·富蘭克林出生於一個富裕的英國猶太人家庭。她的父母對她非常嚴格，在她九歲時就把她送往一所寄宿學校，在力所能及的範圍內為她提供一流的教育環境。天資聰慧的富蘭克林很快對理科產生了興趣，後來順利考入劍橋大學。

富蘭克林的專業是X射線晶體衍射。取得學位後，富蘭克林前往法國留學。二戰結束後，重歸平靜的倫敦大學國王學院向她伸出了橄欖枝。一切始於一九五○年，富蘭克林三十歲那年的秋天。在之後的二十多個月裡，幸運與不幸同時降臨在她身上，朝四面八方散射而去。

倫敦大學國王學院交給富蘭克林的研究課題是用X射線分析DNA結晶。當時，埃弗裡的發現（DNA就是遺傳物質）終於得到了學界的廣泛認同。既然如此，那麼下一個目標就是弄清DNA的結構。

那時，來自美國的詹姆斯·沃森還不到二十五歲。為了在學界一舉成名，他來到了富蘭克林的母校劍橋大學。他在那裡結識了弗朗西斯·克裡克，兩人一拍即合。然而，關於DNA結構的信息實在太少了，唯一的提示就是關於核苷酸的查戈夫法則。

學界風起雲湧，但羅莎琳德·富蘭克林不為所動。她很慶幸國王學院為她提供了絕佳的研究環境，讓她用擅長的X射線剖析物質的結構。於是，她腳踏實地地走上了研究之路。

在後來公開的手記與私人信件中，沒有關於DNA重要性的隻言片語。她之所以努力研究DNA，並不是因為認識到DNA在生物學上有多麼重要。對她而言，DNA不過是用來做研究的材料，而晶體學是一門只能循序漸進的學科。

羅莎琳德·富蘭克林

要分析DNA晶體，就需要儘可能純淨的DNA，還要讓DNA結晶。結晶沒有理論可以遵循，在科學發達的二十一世紀也是如此。唯一的辦法就是不斷嘗試，摸索使DNA結晶的條件。從某種角度來看，這就是晶體學的關鍵。畢竟要得出足夠鮮明的X射線衍射圖片，就需要大而精美的結晶。通過衍射模式推導分子結構也是一項大工程，離不開複雜而困難的計算。現在這部分工作都由電腦程式代勞，可是在富蘭克林那個年代必須親自計算。

她的目標只有一個，就是用「歸納法」揭示DNA的結構。這並非她的野心使然。她對待這項任務的態度就像我們玩填字遊戲和數獨一樣，逐個擊破，穩步推進，填平一格又一格。把格子填滿了，DNA的結構自然會呈現在眼前。這樣的研究不需要跳躍，不需要靈感，不需要機緣巧合，需要的只是不斷積累的數據與觀察到的事實。將模型與公式拒之門外，貫徹「歸納」二字，在她看來，這就是唯一的解法。

富蘭克林的研究的確紮實。開始研究後僅一年左右，她便發現DNA存在兩種形態， A型與B型，兩者的含水量不同。她還確定了這兩種DNA的結晶條件。而且她還將X射線準確照射到微小的DNA晶體上，成功拍攝到了美麗的衍射圖片。她沒有公布這些研究數據，而是獨自進行演算。其實，富蘭克林的歸納法距離真相僅一步之遙，只是她自己沒發現罷了。

沃森與克裡克呢？他們採用的是典型的「演繹法」，先憑直覺（或特殊的靈感）構思出圖式，再進行驗證。這種方法頗有些急於求成的傾向，一旦走偏，研究人員就會對不利於證實主張的數據視而不見。但這種方法的優勢在於思維的飛躍。只有演繹法才能打破陳規，開拓出新的天地。

沃森與克裡克沒有通過實驗搜集數據，而是用紙球與鉛絲搭建分子模型，爭論探討。既然DNA能傳承生命的遺傳信息，那它的結構一定能保證自我複製機制順暢運行，而且這一結構一定有規律性，能滿足查戈夫法則。

然而，演繹法終究也需要用數據與事實做「跳板」。而他們所需要的跳板，真是踏破鐵鞋無覓處，得來全不費功夫。

被偷看的衍射圖片

在羅莎琳德·富蘭克林看來，自己是一個獨立自主的科研人員，通過X射線衍射圖片分析DNA的結構是屬於自己一個人的科研項目。然而，早在她來到倫敦大學國王學院之前，莫裡斯·威爾金斯就開始了對DNA的研究。他可不這麼想—威爾金斯覺得富蘭克林是他的下屬，他才是DNA研究項目的總負責人。只是威爾金斯不擅長X射線衍射，所以他希望富蘭克林的加入能對項目起到推進作用。認識上的差異正是不幸的開端。

富蘭克林是個很有原則的人。她絕不妥協，常常正面頂撞威爾金斯。有一次，她甚至放出狠話，讓威爾金斯以後不要再插手DNA項目。這場冷戰讓威爾金斯實在束手無策。

在研究DNA的結構這件事上，威爾金斯和富蘭克林所在的倫敦大學國王學院，與沃森和克裡克所屬的劍橋大學卡文迪許實驗室是競爭對手。但雙方的研究人員私交甚密，尤其是克裡克與威爾金斯，兩人年紀相仿，頗有交情。每次與克裡克聚餐，威爾金斯都要控訴富蘭克林的諸般罪狀。他還給富蘭克林起了個綽號—「黑暗女士」。

沃森、克裡克與威爾金斯各出版了一本備受關注的著作。沃森的著作名為《雙螺旋》，克裡克的著作名為《狂熱的追求》，威爾金斯的著作名為《雙螺旋背後的第三人》。

一九六八年出版的《雙螺旋》雖然是科普讀物，卻極為暢銷。他用直截了當的筆鋒描寫了科學家在研究DNA結構時的醜惡嘴臉。擔憂、焦躁、猜疑、忌妒……讀者就喜歡看這樣的八卦。

但很多讀者沒有意識到，這本書的敘述並不客觀。只有作者沃森是天真無邪的天才，沒有任何過失，其他角色都失真了。許多參與此事的人都提出了異議，連克裡克都表示這本書讓他很不愉快。最委屈的莫過於羅莎琳德·富蘭克林。她被沃森描述為威爾金斯的「助手」，性格古怪，歇斯底裡，卻沒發現自己手中的數據有多麼重要，是不折不扣的暗黑派女研究者。在文中，沃森將她稱為「Rosy」。

還有一件很重要的事被沃森一筆帶過了：有一次，沃森造訪倫敦大學，與富蘭克林爭了個面紅耳赤，鬧得很不愉快。於是他和威爾金斯結成「被害者同盟」，成了親密戰友。然後，威爾金斯向他透露了一個天大的秘密——

威爾金斯偷偷複印了一張富蘭克林拍攝的DNA晶體的X射線衍射圖片。就是這張圖片揭示了DNA的立體形態。

我問這種結構是什麼樣子，威爾金斯從隔壁房間拿出一張稱為「B型」照片的複印件給我看。

我一看照片便目瞪口呆，心怦怦直跳……只有螺旋結構才會在照片上呈現那種醒目的交叉的黑色反射線條。

——詹姆斯·沃森《雙螺旋》

威爾金斯的說辭

訓練有素的醫生只要看一眼胸透的片子，就能發現肺結核的線索，或是早期肺癌形成的陰影。而在外行眼裡，這些蛛絲馬跡不過是一團朦朧的雲霧。

其實醫生對著燈光看片子的時候，看的並不是片子上的圖像。他是在對比自己提前準備好的「理論」與片子有何異同。如果病人得的是肺結核，那麼左右肺葉下端的楔形部位會呈現出若隱若現的水線；如果是肺癌，就會看到不同於正常人的毛細血管軌跡。醫生都有相應的知識儲備，即理論負載。

數值、圖表、顯微鏡照片、X射線圖片……科學數據看似客觀，然而，所有看到數據A的觀察者未必能得出完全相同的客觀事實A'。百聞不如一見，但這「一見」帶來的結果因人而異。數據背後的含義最終都要用語言來呈現。而編織出這些語言的，就是名為理論負載的濾網。

當沃森以不正當的手段看到富蘭克林拍攝的DNA晶體的X射線衍射圖片時，他真的準備好了嗎？真的有足夠的理論負載嗎？在他的自傳《雙螺旋》中就有關於這一幕的描寫。沃森說，他一看到那張衍射圖片，就立刻參透了它的意義，頗有些醍醐灌頂的感覺。

「我一看照片便目瞪口呆，心怦怦直跳。」

此話當真？無論沃森是有意還是無意，這些文字終究是事後寫成的「故事」。事實的真相是，無論沃森還是威爾金斯都不精通晶體衍射學，不可能立刻看懂數據背後的奧秘。大家不妨讀一讀威爾金斯的自傳，就知道事情是怎麼回事了。正所謂兼聽則明，為公平起見，我們也來看看洩露機密數據的「反派」威爾金斯的說辭吧。

沃森在書裡坦然承認他們偷看了富蘭克林的衍射圖片。關於基因的研究就此拉開帷幕，迎來了全盛時期。H. F. 賈德森在他的著作《創世紀的第八天》中生動地刻畫了當時研究的盛況，也對沃森等人的做法口誅筆伐。威爾金斯為此心痛不已，但他始終保持沉默。直到最近，他終於道出了自己的心聲，出版了《雙螺旋背後的第三人》。

威爾金斯在書中寫道，看到人們以種種形式描述「剽竊數據」一事，他深感心痛。他承認，當年的確是他把富蘭克林的衍射圖片拿給了沃森。他也意識到自己的行為太輕率了，但表示這絕非世人口中的「剽竊」，他間接得到了富蘭克林的許可。

這是一個非常微妙的問題。當時，富蘭克林受夠了與威爾金斯的爭吵，決定調去其他研究室工作。但富蘭克林帶了一個名叫格斯林的研究生。富蘭克林一走，研究室的領導威爾金斯就不可避免地成了格斯林的導師。於是威爾金斯就得到了瀏覽富蘭克林與格斯林共同獲取的研究數據的權限，而富蘭克林也沒有表示反對。

威爾金斯在《雙螺旋背後的第三人》中回顧了沃森看到圖片的那一瞬間：當時沃森急著要走，威爾金斯也沒有想到這張圖片會成為決定性的線索。看到圖片時，沃森沒有表現出特別驚愕的樣子。且不論他的心有沒有怦怦直跳，至少他沒有「目瞪口呆」。

誰才是「有準備的人」？

事後，人們對富蘭克林拍攝的衍射圖片大加讚揚。可是乍一看，膠片上只有零零散散的黑點，與抽象畫有得一拼，比胸透片子還難懂。為了將黑點變成有意義的信息，需要各種複雜的數學轉換與分析。沃森不可能一眼看出圖片的玄機。如果威爾金斯有足夠的理論負載，能充分意識到這張圖片的意義，他就不會把如此重要的數據輕易展示給競爭對手了。

在這個故事的登場角色中，對衍射圖片的分析最有心得、理論負載最充足的人，其實是克裡克。他是學物理出身，也有用X射線分析蛋白質結構的經驗。

然而，克裡克在著作《狂熱的追求》中寫道，「當時我沒有見到這張照片。」這話恐怕有點問題。

順便一提，這本書的英文書名是「What Mad Pursuit」。克裡克有「自由的靈魂閱歷」，他的筆觸和沃森在《雙螺旋背後的第三人》中表現出的張揚（showy）截然不同，毫不浮誇，只是淡淡地陳述往事。描述DNA雙螺旋結構的發現過程時，他的語氣也很低調謹慎。克裡克在這本書中做出的預言更讓人印象深刻。他認為，基因（DNA）與蛋白質的胺基酸序列這兩種不同的「密碼」能自如轉換，一定是因為中間有「衍接器」發揮了橋梁作用。而且他還通過思想實驗推測出了「衍接器」應具備的性質。

後來，科學家們相繼發現了信使RNA與轉運RNA。前者是傳令兵，負責複製DNA信息，並將信息搬運出來；後者是翻譯，能將核酸的遺傳密碼與胺基酸一一對應。由此可見，克裡克的預言分毫不差，正中靶心。在生物學的歷史中，理論預言通過實驗得到驗證的例子並不多見，這也算是有劃時代意義的大發現了。

寧靜的激情

在著手研究DNA之前，克裡克做過很多研究。但他對這些研究課題並不感興趣，無論做什麼都提不起勁來。他的專業原本是物理。當他來到倫敦大學時，實驗室的氛圍舊態依然。他不得不去研究水的黏性在高溫高壓的環境下會產生怎樣的變化。不久後二戰爆發。克裡克被分配到英國海軍，從事水雷方面的研究工作。

戰爭結束後，他終於來到了基礎研究的聖地—劍橋大學卡文迪許實驗室。然而實驗室給他安排的任務是從馬的血液中提取一種叫血紅蛋白的蛋白質，然後分析它的結構。這個課題也無法激起克裡克的熱情。他渴望著更大的挑戰，比如揭示永恆的未解之謎。

發現DNA的雙螺旋結構後，沃森走上了科學行政之路，後來還主持了基因組測序計劃，成了一代名家。而克裡克始終站在科研的第一線。

克裡克寫自傳時非常謹慎，對一個事實避之不提。然而，這件事才是解開DNA結構之謎的關鍵，而且也凸顯出同行評審的弊端。實不相瞞，克裡克在富蘭克林毫不知情的情況下，偷偷看到了她的DNA研究數據。

一九五二年，富蘭克林將手頭的研究數據歸納成年度報告，提交至英國醫學研究委員會。這個政府機構為富蘭克林提供了研究經費，所以她有義務匯報研究成果。成果的好壞直接決定了下一年還能不能拿到經費，這在當時是很普遍的做法。所以，富蘭克林把取得的所有成果都詳細地寫進了報告裡。

報告不是學術論文，不需要進行嚴格的同行評審，自然也不會公開。科研人員可以把尚未公布的數據與研究過程中的實驗性數據寫進報告。問題是，英國醫學研究委員會中手握預算分配權限的人必然會看到這份報告。這就意味著報告和論文一樣，會被同行看到。

馬克斯·佩魯茨就是一個有權瀏覽報告的人。他是委員會的成員，隸屬劍橋大學卡文迪許實驗室，是克裡克的導師。報告的複印件先到了佩魯茨手裡，而佩魯茨又把報告交給了克裡克。於是，克裡克就看到了富蘭克林的實驗數據。他有足夠的時間仔仔細細地看，不受任何人的打擾。

對沃森與克裡克來說，這份報告可謂意義重大。報告中不僅有圖片和富蘭克林親手測定的數值，旁邊還有註解。看到了這份報告，就相當於在交戰時得到了敵國的密碼解讀表。報告上寫明了DNA結晶的晶胞分析數據。只要看到這些數據，就能推斷出DNA螺旋的直徑以及轉一圈的長度、雙鏈之間有多少對階梯狀分布的鹼基。最關鍵的是，報告中還有一句意味深長的話：

「DNA的晶體結構為C2空間群。」 

這句話與克裡克的理論負載完美吻合。那感覺就像他終於找到了拼圖的最後一塊。所謂C2空間群，就是兩個構成單位的方向相反，呈點對稱分布。克裡克很清楚，血紅蛋白的晶體結構也是C2空間群，因為他對血紅蛋白做過太多太多的分析，早已爛熟於心。

「Chance favors the prepared minds.」機會只青睞有準備的人。巴斯德的名言果然不假。

克裡克立刻對數據進行了詮釋—DNA雙鏈的方向是相反的。A與T、G與C兩對鹼基與DNA雙鏈的走向垂直，恰好固定在DNA雙螺旋的內部。而DNA雙鏈的複製方向也是相反的，所以穆利斯的PCR反應才能成立。這就是解謎的關鍵！

看到這份報告之後，沃森與克裡克終於對自己的模型產生了信心。他們立刻向《自然》雜誌投稿。

但是，一份尚在評審過程中的報告、一份包括機密數據的報告，在作者毫不知情的情況下到了競爭對手的手裡，啟發了具有劃時代意義的大發現，這無疑是嚴重的違規操作，有悖科研的原則。是佩魯茨主動把報告交給了克裡克，還是克裡克或沃森開口要的？一九六九年，佩魯茨在《自然》上辯解道：「那時我還年輕，不是很在乎這種操作規章。況且那報告也不是什麼機密，我沒有理由不給他們看。」

一九六二年底，在DNA雙螺旋結構大白於天下十年後，詹姆斯·沃森、弗朗西斯·克裡克與莫裡斯·威爾金斯在斯德哥爾摩站上了諾貝爾領獎臺，春風得意。他們以DNA雙螺旋結構發現者的身份，榮獲諾貝爾生理學或醫學獎。而馬克斯·佩魯茨也在同一年憑藉對蛋白質結構的分析獲得了諾貝爾化學獎。所有「共犯」都到齊了。

貢獻最大的羅莎琳德·富蘭克林呢？她沒有親眼見證三人榮獲諾貝爾獎，甚至不知道她的數據成了世紀大發現的重要啟示。早在四年前的一九五八年四月，她就因癌症早早地離開了這個世界，年僅三十七歲。

（本文節選自《生物與非生物之間》一書第六、七章，有刪節，經出版方新經典出版公司授權發布）

[日] 福岡伸一 / 曹逸冰 / 南海出版公司 / 2017-3 /

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