DNA影子女士丨陈关荣​

导语

“科学与日常生活不能够也不应该被分割开来。”

——罗莎琳德·富兰克林

陈关荣 | 作者

邓一雪 | 编辑

剑桥大学校园里的“老鹰”（Eagle）酒吧很有名气。这不是因为它是个1667年开张的老店，也不是因为它坐落在著名的卡文迪许（Cavendish）实验室（该实验室从1874年建立以来产生了30个诺贝尔奖得主）旁边，而是因为1953年2月28日，卡文迪许实验室的生物物理学家弗朗西斯·克里克（Francis H. C. Crick，1916-2004）和一位从美国来访问的同事詹姆斯·沃森（James D. Watson，1928-）在那里宣布他们的合作“发现了生命的秘密”，即发现了脱氧核糖核酸（DNA）的双螺旋结构。他们因此与伦敦国王学院的新西兰裔生物物理学家莫里斯·威尔金斯（Maurice H. F. Wilkins，1916-2004）一起分享了1962年的诺贝尔生理学或医学奖，表彰他们“发现了核酸的分子结构及其在生物信息传递中的重要性”。事实上，克里克和沃森两人经常去这间小店吃午饭、喝咖啡，同时讨论科研问题。他们在那里还画出了20种典型氨基酸的排列，为分子生物学和 DNA 后来的发展提供了重要线索。他俩赢得诺贝尔奖后，咖啡店的常客们便多了个话题和戏称：获得诺贝尔奖的项目是“Eagle's DNA”。

图1. 剑桥大学校园里的 Eagle 酒吧及其DNA牌匾

与DNA并列的还有RNA即核糖核酸，两者合起来统称为核酸，是细胞内携带遗传信息的物质，在生物遗传和演化中起着非常重要的作用。DNA双螺旋结构的发现在生物学发展史上是可与达尔文进化论相媲美的重大事件，标志着分子生物学的诞生。

在DNA双螺旋结构的发现这个成功故事背后有一个关键人物——“影子女士”（Dark Lady）罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Elsie Franklin，1920年7月25日－1958年4月16日）。

图2. Rosalind Elsie Franklin

1921年，富兰克林出生于伦敦的一个犹太人家庭，中学就读于伦敦圣保罗女子学校。她的母亲谬丽尔（Muriel F. Waley）回忆说，“罗莎琳德16岁时就立志研读科学。”她的父亲艾里斯（Ellis A. Franklin）是伦敦工人学院的教师，主讲电磁学和第一次世界大战的历史，后来成为该校校长。可是，这位教员父亲竟然反对女儿去上大学，认为在那个年代女孩研读科学没有出路，甚至在她1938年进入剑桥大学时还拒绝为她支付学费。

富兰克林于1941年从剑桥大学本科毕业，随后进入研究生院。1942-1946年间，她先后发表了5篇科学论文，其中3篇是自己一个人写的。1945年，她以毕业论文“固态有机石墨与煤及相关物质的特殊关系之物理化学”获得物理化学博士学位。

毕业后，富兰克林到了巴黎，在法国国家化学中心实验室学习X射线衍射技术。在法国，她度过了一生中最惬意的时光。她经常参与实验室午餐讨论会，对政治、哲学乃至人权都感兴趣。同事们十分惊讶：“从来没遇到过法语说得这么好的外国人。”此外，她喜欢运动，经常游泳、爬山、健行。在穿着方面，富兰克林十分优雅时尚。学术研究上，她更是卓越出群。1950年1月，她发表了自己第一篇《自然》杂志文章，探讨了碳分子中的电子如何影响X射线的散射，从而声名鹊起。

1951年，富兰克林回到英国，在伦敦国王学院任职。在那里，她加入了研究DNA结构的行列。可是，当时比她年长几岁的同事威尔金斯并不喜欢她踏入自己的研究领域，但是在研究工作中又离不开她，于是把她当作助手使唤。然而，富兰克林认为双方应该是地位平等的。结果两人关系变得非常紧张，甚至见面时都不说话。后来，富兰克林干脆转到了另一个学院（Birkbeck College），在那里带领一个小团队研究烟草花叶病毒分子结构。她的团队在《自然》杂志上发表过相关论文，其中团队成员亚伦·克卢格（Aaron Klug）因后续研究成果获得了1982年诺贝尔化学奖。

富兰克林在法国学习的X射线衍射技术在DNA研究中派上了用场。通常物理学家用X射线来分析晶体的结构。当X射线穿过不同的晶体后会形成不同的衍射图形，从而显示出晶体原子的排列方式。1952年5月6日，富兰克林成功地拍摄了DNA晶体的X射线衍射照片，即后来著名的“照片51号”。她和博士生雷蒙德·葛斯林（Raymond Gosling，1926-2015）准确地分辨出了DNA的A型（干型）和B型（湿型）两种构型，还进一步发现了细长的A型在湿度逐渐增加之后会转变成为粗短的B型。当年在实验室里的分工是A型由富兰克林研究，而B型则由威尔金斯负责。1953年1月，富兰克林着手起草了三篇系列性论文，前两篇关于A型DNA的论文于3月6日投到了《晶体学报》（ACTA Crystallographica），而第三篇于3月17日写成的关于B型DNA的论文却被搁置了，几年后才由克卢格发现。其中的记录表明，富兰克林在2月24日就已经得出了两种DNA皆为双螺旋结构的结论。直至多年以后，克卢格还依据富兰克林的这些发表了的论文和未发表的草稿为她在DNA双螺旋结构上的原创性贡献作辩证。

图3. DNA晶体的X射线衍射“照片51号”及其解释

1953年对于这个故事中的所有人物都是十分关键的一年。1月30日，威尔金斯在没有告知富兰克林的情况下给来访的沃森看了那张照片51号。当时沃森非常兴奋。他后来回忆说，看到那张照片时“我嘴巴张得大大的，脉搏急促地跳动”。根据照片，沃森和克里克很快就确认了DNA的双螺旋结构。在这以前，两位曾错误地提出过三条链组成的DNA的结构模型，但遭到富兰克林的公开质疑，最后被上级终止了研究。这件事让沃森对富兰克林非常不满。

《自然》杂志在1953年4月25日同期发表了三篇论文，顺序是以沃森和克里克的文章“核酸的分子结构：DNA的结构”为先，然后是威尔金斯和两位助手的文章“DNA的分子结构”，最后是富兰克林和葛斯林的文章“胸线核酸的分子组合”。沃森和克里克的论文很大程度上依赖于富兰克林拍摄的DNA晶体的X射线衍射照片51号，但是他们发文之前并未征求富兰克林的同意，文中只是表示“受到了威尔金斯、富兰克林及其合作者们尚未发表的实验结果和思想的启发”。而威尔金斯与富兰克林的两篇论文都表示了自己的数据与沃森和克里克文章中的模型并不相佐。7月25日，富兰克林和葛斯林再次在《自然》杂志上发表文章“钠DNA晶体结构的双螺旋证据”，以详实的数据提供了DNA双螺旋结构模型及其相关理论的实验支撑。

图4. DNA的双螺旋结构

虽然富兰克林对沃森和克里克未经她许可擅自使用了“照片51号”一事并没有表示特别的介意，但是沃森却不时在各种场合对富兰克林冷嘲热讽。沃森在1968年出版的、后来颇受争议的《双螺旋》一书中，对富兰克林的描述充满偏见，还戏谑地把她称为莎士比亚戏剧中的人物“影子女士”（Dark Lady）。当然，今天这“影子女士”成为了富兰克林幕后英雄的美名。尽管如此，沃森对富兰克林的为人和工作态度依然十分敬佩。他书中最后写下的一句话是：“罗莎琳德的非凡勇气和正直广为人知；她知道自己身罹重病仍毫不顾虑，依然继续着她高水平的研究工作，直到去世的前几周为止。”这位诺奖得主沃森是个颇具争议性的人物，一生故事繁多。其中最有趣的是，2014年他以钱不够用为由将自己的诺贝尔奖章以470万美元高价拍卖给了俄罗斯大亨Alisher Usmanov，一时贻笑天下。后来，买家慷慨地把奖牌送还给沃森，而这个奖牌得主竟然也腆颜领受。

事实上，虽然沃森与克里克在诺贝尔领奖演说中都不像威尔金斯以及后来的克卢格那样去致谢富兰克林，但是他们最终还是公开承认富兰克林的研究成果在DNA双螺旋结构发现中是至关重要的，赞扬她功不可没。2003年，克里克在纪念DNA结构发现40周年的文章中写道：“富兰克林的贡献没有受到足够的肯定，其实她清楚地阐明了两种型态的DNA，并且定出A型DNA的密度、大小与对称性。”同年，伦敦国王学院将一栋新大楼定名为“富兰克林-威尔金斯大楼”（Franklin-Wilkins Building）时，沃森在大楼命名致词中说道：“罗莎琳德的研究成果是我们能够有这项重大发现的关键。”

图5. 《时代》杂志封面（March 5th, 2020）

1950年代初期，富兰克林的国际合作十分活跃。那时她从美国国家卫生研究院（NIH）获得了一笔十分可观的国际科研合作经费，研究小儿麻痺症病毒结构。她经常参加国际会议和外出访问，成为了病毒结构研究的早期全球性联系人。1955年，她的团队完成了烟草花叶病毒（TMV）模型的构建。那时，她还研究了病毒对植物的感染，以及TMV病毒中的RNA结构分析。1956年夏天，她到美国访问了好几所大学和研究院，包括加州理工学院、华盛顿大学、耶鲁大学以及加州伯克利大学。她在伯克利停留了一个月，与首位纯化出TMV结晶而荣获1946年诺贝尔奖的病毒学大师温德尔·史丹利（Wendell Stanley, 1904-1971）合作研究。但是，在访美期间她发现腹部开始肿胀，后来越发厉害，以至穿着裙子都有困难。回英国后，9月4日她在伦敦医院手术检查结果显示腹部有两个肿瘤。外界猜测，那是她长期使用X射线进行实验研究引起的病变。可是富兰克林并没有停止工作，她继续研究小儿麻痺症病毒结构。她的研究小组在1956年发表了7篇论文，在1957年又发表了6篇。

1957年底，富兰克林终于病倒了。12月2日，她在医院里写下了遗嘱。可是，翌年1月她稍觉好转，便立马出院重返实验室，还到生物物理研究协会兼职。然而，3月30日她再次病倒，最后于4月16日因肺炎及卵巢癌并发症不治，抱憾离世，享年38岁。她被安葬在伦敦Willesden犹太公墓里。墓碑中央镌刻着“Scientist”（科学家）一词，上头是一段简短的碑文：“她对病毒的研究和发现将持久地造福人类。”

图6. 富兰克林墓碑

当1962年沃森、克里克和威尔金斯获得诺贝尔生理学或医学奖的时候，富兰克林已经离世四年了。诺贝尔奖并不授予已经去世的人。此外，同一奖项至多由三个人分享。如果富兰克林当年依然活着，她也许会取代其中某人而获奖吧？也许。可惜历史没有“如果”。

图7. 1962年诺贝尔生理学或医学奖得主

不过，公正的历史并没有忘记杰出的罗莎琳德·富兰克林。

富兰克林在伦敦的故居被英国政府列为国家重要历史文物并挂上了她的蓝色牌匾名片。

图8. 罗莎琳德·富兰克林故居牌匾

2002年，英国皇家学会设立了“罗莎琳德·富兰克林奖”。

图9. Royal Society Rosalind Franklin Award

2004年，美国把成立于1912年的芝加哥医学院更名为“罗莎琳德·富兰克林医科大学”。

2018年，英国政府出资成立了“罗莎琳德·富兰克林研究院”，位于Oxfordshire的Harwell科技创新园区内，致力于医学研究。

2019年，欧洲航天局（ESA）将火星探测计划 ExoMars的火星漫游车命名为“罗莎琳德·富兰克林号”。

2012年4月，罗莎琳德的妹妹、作家与历史学家珍妮弗·格林（Jenifer Glynn）出版了一部回忆录《我的姐姐罗莎琳德·富兰克林》（My Sister Rosalind Franklin: A Family Memoir），描绘了罗莎琳德的一生，展示了她取得的学术成就以及对当时社会和学术界的影响。

人们将永远记住这位DNA影子女士。

图10. 牛津大学出版社（2012年4月）

复杂科学最新论文

集智斑图顶刊论文速递栏目上线以来，持续收录来自Nature、Science等顶刊的最新论文，追踪复杂系统、网络科学、计算社会科学等领域的前沿进展。现在正式推出订阅功能，每周通过微信服务号「集智斑图」推送论文信息。扫描下方二维码即可一键订阅：