高中生物科學(xué)家小故事分子生物學(xué)家諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)威爾金斯

分子生物學(xué)家、諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)威爾金斯莫里斯·威爾金斯（MauriceHughFrederickWilkins，1916-2004），英國(guó)分子生物學(xué)家，專注于磷光、雷達(dá)、同位素分別與X光衍射等探討領(lǐng)域。因在倫敦國(guó)王學(xué)院期間與其同事富蘭克林應(yīng)用X射線衍射技術(shù)獲得了高質(zhì)量的DNA衍射圖譜，使其與佛朗西斯·克里克、詹姆斯·沃森共同獲得了1962年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1916年12月15日，威爾金斯誕生于新西蘭，身為物理學(xué)家的父親對(duì)科學(xué)摯愛的精神在童年的威爾金斯心中埋下了科學(xué)探討的種子。由于父母是愛爾蘭移民，6歲時(shí)他被帶到了英國(guó)，進(jìn)入愛德華國(guó)王學(xué)校學(xué)習(xí)。后來(lái)，威爾金斯進(jìn)入圣約翰學(xué)院學(xué)習(xí)物理學(xué)。在此期間，有幸遇到了他的導(dǎo)師——聞名原子物理學(xué)家科克羅夫特。1938年，威爾金斯從圣約翰學(xué)院獲得物理學(xué)學(xué)位，隨后進(jìn)入伯明翰高校物理系，成為聞名固體物理學(xué)家約翰·蘭德爾博士的探討助手，并攻讀博士學(xué)位。1940年，威爾金斯憑借磷光理論和磷原子中被俘電子的穩(wěn)定性機(jī)理的探討而獲得博士學(xué)位。二戰(zhàn)中，還在英國(guó)國(guó)內(nèi)平安部的威爾金斯參與了分別鈾同位素的探討工作，其探討成果后來(lái)被用于制造行原子彈。1944年，他進(jìn)入美國(guó)加利福尼亞高校伯克利分校，接著進(jìn)行同位素的相關(guān)探討。二戰(zhàn)結(jié)束后，他對(duì)于自己參與的探討成果被用于軍事目的而感到懊喪，因此起先找尋其他有意義的探討領(lǐng)域。這時(shí)候，他仔細(xì)閱讀了薛定諤的《生命是什么》一書。薛定諤在書中指出物理學(xué)可以用來(lái)理解生命本身，開創(chuàng)了一個(gè)叫做生物物理學(xué)的領(lǐng)域。此書為迷惘中的威爾金斯指明白方向，引領(lǐng)他走上了生物物理學(xué)的探討之路。后來(lái)，威爾金斯在蘇格蘭圣安德魯高校成為一名物理學(xué)講師，并加入自己的博士生導(dǎo)師約翰·蘭德爾博士的生物物理學(xué)探討小組。不久，威爾金斯跟隨蘭德爾博士將試驗(yàn)室遷到國(guó)王學(xué)院，并在這里建立了生物物理學(xué)試驗(yàn)室。在蘭德爾的建議下，威爾金斯運(yùn)用紫外顯微技術(shù)探討細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當(dāng)他興奮地看到細(xì)胞中遺傳物質(zhì)的載體染色體時(shí)，意識(shí)到用顯微鏡對(duì)細(xì)胞進(jìn)行整體探討，無(wú)法揭示生命的本質(zhì)。于是，威爾金斯將生物大分子分別出來(lái)，再對(duì)分子結(jié)構(gòu)綻開深化探討。所以，威爾金斯起先將X射線衍射技術(shù)應(yīng)用于生物大分子結(jié)構(gòu)的探討，但是未經(jīng)X射線衍射技術(shù)系統(tǒng)培訓(xùn)的威爾金斯在后續(xù)探討中受到確定程度的限制。分子生物學(xué)探討者從3個(gè)方面探討生命的本質(zhì)，并形成3個(gè)學(xué)派：結(jié)構(gòu)學(xué)派、信息學(xué)派和生化遺傳學(xué)派。作為結(jié)構(gòu)學(xué)派的主陣地英國(guó)國(guó)王學(xué)院，以其先進(jìn)的試驗(yàn)儀器為手段綻開了生物大分子結(jié)構(gòu)探討。在此間，威爾金斯選擇了DNA分子結(jié)構(gòu)探討。1950年，在倫敦法拉第學(xué)會(huì)上，威爾金斯收到了瑞士化學(xué)家席格納分發(fā)給參會(huì)人員的自制牛胸腺高度聚合DNA樣品。威爾金斯探討發(fā)覺(jué)，DNA纖維可以作為X射線衍射分析的極佳材料。于是，將其交給了比較擅長(zhǎng)X光衍射的國(guó)王學(xué)院畢業(yè)生戈斯林。果真，不久一張令人興奮的DNA晶體X衍射照片問(wèn)世，從照片上的完備斑點(diǎn)可以看出DNA纖維為一種晶體結(jié)構(gòu)，并且排列較有規(guī)律。試驗(yàn)勝利的一個(gè)重要緣由是DNA纖維的潮濕環(huán)境，這得益于之前蛋白質(zhì)晶體探討中保持潮濕環(huán)境狀態(tài)，所得結(jié)果較為志向。這點(diǎn)對(duì)后來(lái)富蘭克林的勝利供應(yīng)了重要參照。但是，威爾金斯依據(jù)X射線衍射錯(cuò)誤地得出DNA是單股螺旋，再加上試驗(yàn)室缺乏相關(guān)探討專家，所以一段時(shí)間內(nèi)對(duì)DNA的結(jié)構(gòu)探討進(jìn)展幾乎處于停滯狀態(tài)。盡管如此，這些引起了后來(lái)很多科學(xué)家的極大愛好，這其中就包括了沃森和克里克。圖1DNA晶體X衍射照片后來(lái)，威爾金斯受邀參與意大利那不勒斯的一個(gè)學(xué)術(shù)會(huì)議，在會(huì)議上，威爾金斯展示了X射線衍射技術(shù)應(yīng)用于DNA結(jié)構(gòu)方面的探討成果，并公布了一系列衍射照片。這被臺(tái)下的沃森所關(guān)注，他敏銳地感到這項(xiàng)探討的重要性，并表示出與威爾金斯合作探討的愿望?？扇焙兜氖峭柦鹚共](méi)有同意，事實(shí)證明這對(duì)威爾金斯來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的缺憾，倘如他們能有效合作，憑借兩者的學(xué)識(shí)優(yōu)勢(shì)，DNA結(jié)構(gòu)發(fā)展的歷程可能會(huì)改寫，甚至?xí)霈F(xiàn)沃森——威爾金斯模型。對(duì)DNA結(jié)構(gòu)探討充溢熱忱的沃森在卡文迪許試驗(yàn)室遇到了威爾金斯的摯友博士生克里克，克里克對(duì)DNA結(jié)構(gòu)的探討同樣充溢憧憬。通過(guò)與威爾金斯的溝通與探討，克里克系統(tǒng)了解了DNA結(jié)構(gòu)，也正是兩人的摯友關(guān)系為后來(lái)沃森和克里克獲得DNA結(jié)構(gòu)照片供應(yīng)了條件。沃森和克里克的互補(bǔ)、相互指責(zé)及相互激勵(lì)的通力合作成為后來(lái)勝利的基礎(chǔ)。相比之下，威爾金斯并不很強(qiáng)的合作意識(shí)缺憾地使他的DNA結(jié)構(gòu)探討進(jìn)展緩慢。在威爾金斯到美國(guó)進(jìn)行學(xué)術(shù)溝通期間，一名X射線晶體學(xué)探討專家羅薩琳·富蘭克林被蘭德爾邀請(qǐng)至國(guó)王學(xué)院，并改進(jìn)了威爾金斯的試驗(yàn)儀器，使DNA的探討有了很大的進(jìn)展。但是，威爾金斯與富蘭克林的探討?yīng)毩⒍?jìng)爭(zhēng)地進(jìn)行，并沒(méi)有產(chǎn)生有效的合作。威爾金斯與X射線晶體衍射專家斯陶克建立了威爾金斯探討小組，富蘭克林和戈斯林在威爾金斯的試驗(yàn)基礎(chǔ)上綻開對(duì)DNA的探討。威爾金斯探討小組探討了不同來(lái)源的DNA,發(fā)覺(jué)了衍射圖像的相像性，得出了DNA結(jié)構(gòu)的普遍性，但所獲得的DNA衍射圖片并不志向。而此時(shí)的富蘭克林與戈斯林在DNA衍射方面探討進(jìn)展比較順當(dāng)。圖2富蘭克林拍攝的DNA衍射圖譜在沃森對(duì)國(guó)王學(xué)院的一次訪問(wèn)中，威爾金斯出于學(xué)術(shù)溝通的目的將富蘭克林的完備X射線衍射供應(yīng)應(yīng)了沃森，這使很多人感覺(jué)威爾金斯很不道德。倘如威爾金斯與富蘭克林以聯(lián)合發(fā)表的方式將資料賜予沃森會(huì)更規(guī)范，這一點(diǎn)威爾金斯做得有點(diǎn)欠妥，當(dāng)然這次共享加速了DNA探討發(fā)展的進(jìn)程。其實(shí)，威爾金斯與富蘭克林之間的關(guān)系還是比較融洽的。但是，沃森的自傳著作《雙螺旋》中對(duì)人物的描述有點(diǎn)失真，具有很強(qiáng)的誤導(dǎo)性，特殊是對(duì)富蘭克林的描述尤其苛刻，這使得人們把矛頭指向了威爾金斯。我們必需明白一點(diǎn)，DNA結(jié)構(gòu)的闡明是很多科學(xué)家作出重要貢獻(xiàn)的結(jié)果，他們都應(yīng)受到應(yīng)得的榮譽(yù)。缺憾的是富蘭克林由于疾病于1958年逝世而無(wú)緣共享這些榮譽(yù)，但是她的X衍射成果對(duì)DNA結(jié)構(gòu)的闡明做出了巨大的貢獻(xiàn)。1951年底，沃森和克里克依據(jù)威爾金斯和富蘭克林的數(shù)據(jù)，曾提出過(guò)一個(gè)三股螺旋的DNA結(jié)構(gòu)，但是與威爾金斯、富蘭克林探討時(shí)經(jīng)過(guò)激烈的爭(zhēng)辯，發(fā)覺(jué)了一系列錯(cuò)誤，如把親水性的磷酸基團(tuán)放在螺旋內(nèi)側(cè)；沒(méi)有用堿基，而用糖-磷酸作為螺旋的骨架；DNA含水量少算了一半等，因此該模型宣告失敗。后來(lái)，沃森和克里克又進(jìn)一步做試驗(yàn)，他們參考了富蘭克林的DNAX衍射照片中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，在對(duì)查格夫規(guī)則（A-T，G-C）進(jìn)行了合理說(shuō)明的基礎(chǔ)上，提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。盡管雙螺旋DNA模型有不行否認(rèn)的優(yōu)點(diǎn)，但是，當(dāng)時(shí)文獻(xiàn)中所用的X射線數(shù)據(jù)不足以嚴(yán)格地檢驗(yàn)假設(shè)的結(jié)構(gòu)。對(duì)此，威爾金斯與他的同事供應(yīng)了可供引用的關(guān)于小牛胸腺DNA的X射線數(shù)據(jù)，這給DNA雙螺旋模型賜予了堅(jiān)決的支持。對(duì)此，沃森和克里克提出在論文里署上威爾金斯的名字，但是威爾金斯以沒(méi)有干脆參與這一發(fā)覺(jué)拒絕了沃森和克里克，于是，1953年4月25日Nature雜志上發(fā)表了只署名了沃森和克里克的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的經(jīng)典論文——《核酸的分子結(jié)構(gòu)——脫氧核糖核酸的結(jié)構(gòu)》，而威爾金斯與史道克斯(A·Stakes)和威爾遜(E·R·Wilson)也在同一日在該雜志上發(fā)表了《脫氧戊糖核酸的分子構(gòu)造》一文，同年10月24日，為了進(jìn)一步說(shuō)明這項(xiàng)試驗(yàn)工作，他與席慈(W·E·Seeds)、史道克斯和威爾遜又在《自然》雜志上發(fā)表了《結(jié)晶的脫氧戊糖核酸的螺旋結(jié)構(gòu)》一文。威爾金斯在1953年4月的文章中首先談到了他寫作這篇文章的目的是“初步描述具有螺旋形而且以自然狀態(tài)的形式存在的多肽鏈構(gòu)型的一些試驗(yàn)證據(jù)”。他運(yùn)用的樣品是纖維狀的DNA結(jié)晶體并使其保持在潮濕狀態(tài)，試驗(yàn)中DNA纖維和照相底片都放置在垂直于X射線束的方向上（圖3）。當(dāng)單色X射線束垂直通過(guò)DNA纖維時(shí)就像通過(guò)一個(gè)光柵一樣在照相底片上就會(huì)呈現(xiàn)明暗相間的X射線衍射圖樣，在衍射圖上的縱軸和橫軸分別以子午線和赤道線相稱。圖3X射線照相設(shè)置示意圖在這篇論文中他運(yùn)用的衍射圖是富蘭克林?jǐn)z制的B型結(jié)構(gòu)的DNA的X射線衍射圖（圖2）。他指出：X射線衍射圖照片是由兩個(gè)區(qū)域組成的，一個(gè)是由沿著這條鏈的堿基的有規(guī)則的空間排列確定的；另一個(gè)是由這條長(zhǎng)鏈的空間構(gòu)型確定的。他說(shuō)：“阿斯特伯里建議的這個(gè)劇烈的0.34nm反射對(duì)應(yīng)于沿著這條纖維軸中間的核苷酸的重復(fù)，然而這個(gè)約為3.4nm的層線并不是多核苷酸組成的重復(fù)而是由于鏈條構(gòu)型的重復(fù)，當(dāng)核苷酸具有比較高的密度的時(shí)候就引起了劇烈的衍射，在子午線上及旁邊反射的削減馬上可以得出具有平行于纖維軸的螺旋。這一段話說(shuō)明白螺旋結(jié)構(gòu)與衍射圖間的相互關(guān)系可作如下詳細(xì)說(shuō)明。如圖4所示，設(shè)核苷酸（或堿基對(duì)）之間的間距為h，則h＝0.34nm，在衍射空間（即倒易空間）中對(duì)應(yīng)線段的長(zhǎng)度h*＝1/h＝1/0.34，對(duì)應(yīng)于衍射圖上第10層線的衍射強(qiáng)度。設(shè)螺旋的螺距為p，則p＝3.4nm，在衍射空間（即倒易空間）中對(duì)應(yīng)線段的長(zhǎng)度p*＝1/p＝1/3.4，對(duì)應(yīng)于衍射圖上第1層線的衍射強(qiáng)度。圖4螺旋結(jié)構(gòu)與衍射圖間的相互關(guān)系示意圖接著，威爾金斯用貝塞爾函數(shù)作了進(jìn)一步說(shuō)明。在1953年4月的論文中，他畫出了在直徑為2.0nm處分布有半數(shù)質(zhì)量，而其余質(zhì)量沿著徑向分布的螺旋在倒易空間中的貝塞爾函數(shù)的平方在層線上的分布曲線圖（圖5）。他說(shuō)：“一個(gè)勻稱的連續(xù)的螺旋給出了一系列對(duì)應(yīng)于螺距的帶有間隔的層線沿著第n層線強(qiáng)度的分布正比于第n級(jí)貝塞爾函數(shù)Jn的平方。通過(guò)每個(gè)貝塞爾函數(shù)最內(nèi)部的最大值和原點(diǎn)畫始終線，這條線與赤道線所成的角度大約等于螺旋元件與螺旋軸之間的角度?！彼f(shuō)明道：“在衍射圖中在子午線及其旁邊反射的不存在，對(duì)應(yīng)于圖10中一個(gè)空白區(qū)域AAA，是這個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)的干脆結(jié)果。而在衍射圖中赤道及其旁邊的空白區(qū)域?qū)?yīng)于圖5中的一個(gè)空白區(qū)域BBB。”這就說(shuō)明在衍射圖上衍射強(qiáng)度最大值呈十字交叉分布是螺旋結(jié)構(gòu)X射線衍射的最顯著的特征。圖5單螺旋的貝塞爾函數(shù)的平方的分布曲線圖在1953年10月發(fā)表的文章中，威爾金斯指出寫作這篇文章的目的是“證明DNA是由兩條纏繞在一起的多核苷酸鏈組成的”。圖1是威爾金斯小組拍制的A型DNA的X射線衍射圖，圖中黑色矩形的高度正比于結(jié)構(gòu)因子，其面積正比于總強(qiáng)度。這條連續(xù)曲線與螺旋結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)因子相對(duì)應(yīng)。圖6DNA的X射線衍射強(qiáng)度圖關(guān)于螺旋的直徑，威爾金斯在前一篇文章中談到在衍射圖上劇烈的衍射發(fā)生在1.7nm處，最大的直徑為2.0nm。在本文中他從圖6中第2層線和赤道上的衍射強(qiáng)度與螺旋直徑為1.8nm的結(jié)構(gòu)因子曲線的一樣性，得出這個(gè)衍射是由嚴(yán)格規(guī)定的直徑大約為1.8nm的螺旋產(chǎn)生的。威爾金斯還得出螺旋的厚度不小于0.35nm，他又依據(jù)在第1、第3層線上的強(qiáng)度分布對(duì)應(yīng)于直徑為1.0nm的螺旋的結(jié)構(gòu)因子，從而推出“在這兩個(gè)直徑為1.8nm的螺旋之間的空間內(nèi)，還有一個(gè)直徑為1.0nm的螺旋”，而這后一個(gè)螺旋形是由一系列堿基對(duì)排列的形式確定的。威爾金斯還從A型DNA的X射線衍射圖中，視察到唯一的接近子午線的反射在第11層線中心，由此，他推斷出單股螺旋每一轉(zhuǎn)包含有11個(gè)核苷酸。威爾金斯還指出，在DNA不完全結(jié)晶的狀態(tài)中，堿基處在螺旋軸的平面上；在結(jié)晶的狀態(tài)中，堿基的平面傾斜于螺旋軸。“假如核苷酸大略是由與纖維軸成65°傾角的一系列平面形成的，衍射圖上強(qiáng)度的分布就能得到說(shuō)明?！蓖柦鹚惯€通過(guò)對(duì)DNA晶體的含水量和密度的測(cè)量，明確提出在DNA的螺旋結(jié)構(gòu)中包含有兩條鏈。他說(shuō)：“我們的測(cè)量表明，每個(gè)DNA的結(jié)構(gòu)單位有22個(gè)核苷酸，可以確定在螺旋系統(tǒng)中有兩條而不是3條核苷酸鏈，在一個(gè)螺距的長(zhǎng)度內(nèi)每條鏈上有11個(gè)核苷酸。”威爾金斯用大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明白沃森和克里克提出的DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并用詳細(xì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表示之。威爾金斯得出結(jié)論說(shuō)：“整條磷酸基－糖鏈大約處在距離螺旋軸0.9nm處，形成兩條間距為1.4nm、直徑為1.8nm的螺旋。一系列堿基對(duì)與螺旋軸大約成65°的傾角，在兩個(gè)直徑為1.8nm的螺旋之間，形成直徑為1.0nm的單股螺旋（圖7）。這個(gè)模型作為一個(gè)整體與從X射線衍射數(shù)據(jù)推斷出的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)得很好”。圖7DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的模型威爾金斯在DNA雙螺旋模型的試驗(yàn)建構(gòu)中做出了巨大貢獻(xiàn)，所以，威爾金斯