生命编码背后的故事（廿九）
为招待老朋友威尔金斯和新朋友沃森，奥迪尔特意烤制了香喷喷、在战后的英国还比较稀有的牛肉。克里克的心情非常好，因为那个1951年的11月初正是他加入卡文迪许实验室以来最为得意的时刻。
就在指责布拉格剽窃引起轩然大波后没多久，佩鲁茨收到一篇论证蛋白质α螺旋结构的X射线衍射理论论文。克里克读后发现其中的数学推导有问题。
早在1912年，刚刚20出头、还是卡文迪许实验室研究生的布拉格发现X射线衍射的布拉格定律，成为历史上最年轻的诺贝尔奖获得者。因为这个定律，人类得以“透视”金属、矿物以及有机大分子的内部结构，直观地理解化学键。但布拉格定律只适用于那些由正多面体单胞重复排列而成、具备简单周期性的晶格，对旋转楼梯那样的复杂结构无能为力。鲍林构造出的螺旋是晶体中未曾见过的新结构，它会产生什么样的X射线衍射图案不为人所知。鲍林自己也没有具体探讨这个问题。他和随后的佩鲁茨都只针对其中最简单——“楼层”、“梯级”高度——的周期数值进行验证。那篇来自苏格兰的论文试图弥补这一缺陷，运用法国数学家傅立叶（Joseph Fourier）早在19世纪初奠定的“傅立叶变换”（Fourier transform）方法完整推导螺旋形结构对X射线的衍射行为。这是一个颇为繁复的运算，论文作者在其中犯了错误。
已经熟谙这一套数学方法的克里克如获至宝。他全身心投入，在一天一夜后完成正确的推导。实验室另一位专家还略胜一筹，同时用更为简洁优美的方式获得同样的结果。他们找出佩鲁茨过去拍摄的衍射照片，果然看到上面的图案与理论预测完全吻合。很快，克里克和那位同事联名的论文在《自然》杂志发表，解决螺旋结构的X射线衍射问题。因为这一成功，已经对克里克心灰意冷的布拉格也不能不对他刮目相看。
那时，克里克已经在卡文迪许实验室中蹉跎四年一事无成。这第一篇论文让他欢欣鼓舞。在那间小办公室里，他眉飞色舞地为新来的沃森详尽讲解其中奥妙，还曾设想将这些即兴讲授的内容记录整理，以《观鸟者的傅立叶变换》1为题正式出版。在招待威尔金斯的家宴上，克里克同样兴致勃勃地描述他的新发现：螺旋结构产生的衍射图案与其它晶体不一样，会是一个十字交叉的“X”形状。
威尔金斯却有点无动于衷。
在那不勒斯动物研究站开会期间，威尔金斯并没有遵从兰德尔的指示纯粹度假。他在那里忙于采集鱼类精子提取DNA样本，带回国王学院拍摄X射线衍射照片。结果有些照片与众不同，出现呈“X”状分布的亮点。
那时没有人知道阿斯特伯里的学生贝顿也刚刚拍摄出同样的照片。威尔金斯没有像阿斯特伯里那样不知所措。他敏锐地意识到DNA不同一般晶体，很可能有着与蛋白质相似的螺旋结构。专攻理论研究的斯托克斯（Alec Stokes）听说后琢磨了好几天，最终在回家的火车上运用一个数学技巧求解出“旋转楼梯”对X射线的衍射行为，证实那的确会产生一个“X”形图案。
那不勒斯会议的两个月后，英国医学研究委员会也在剑桥举行关于蛋白质结构的会议，以利其资助的科研机构互通信息。国王学院的兰德尔仍未能与会，那里的十几位研究人员由威尔金斯带领而来。虽然他们研究的并不是蛋白质，威尔金斯还是代表研究所发表汇报演讲。在重复他在那不勒斯讲解过的内容、展示高斯林一年前的那张DNA照片之后，威尔金斯还拿出一张鱼类精子DNA的新照片。虽然不甚清晰，这张照片显然与原先那张满屏星星点点的图案完全不同，只在中心附近有一些呈“X”形排列的亮点。
沃森那时候还没有来剑桥，卡文迪许实验室里无人关心DNA。克里克那天在会议厅后面毫无顾忌地与人闲聊，也没注意到他好朋友的新照片。对DNA没有兴趣的主持人佩鲁茨礼貌地说声“很有意思”就结束了会议。
直到离开会场，威尔金斯才碰到关心他新照片的人。那是与他同来的富兰克林。她早已等候在会场外，这时气冲冲地迎将上来，低声但不容置疑地告诉威尔金斯立即中止他的X射线研究，回去做他用显微镜观察DNA的本份工作。
富兰克林在1951年初回到伦敦后发现国王学院与她习惯、热爱的法国研究所不可同日而语。兰德尔的生物物理研究所那时有31位科学家，只有九名女性。所里的教职员午餐、休息室只为男性服务，即使已经功成名就的女教授也不得而入。她们只能与其他女职员一起挤在另外的小房间里就餐、聊天。生性好强的富兰克林在这里格格不入。她不再是在巴黎时那个活泼开朗的女性。在国王学院，她注重自己的身份和资格，严肃刻板不易近人，时刻对威尔金斯等男性同事保持着距离和警惕。
一位男性同事偏偏喜欢为每个人取外号以活跃气氛。富兰克林被冠之以来自她大名的昵称“罗茜”（Rosy）。早已有博士学位的富兰克林对这个小女孩风格的外号极为反感。虽然没有人敢当她面提起，“罗茜”还是成为威尔金斯以及克里克、沃森等人背后谈论她时的通用称呼。
在国王学院的最初几个月，富兰克林独自埋头完成她在巴黎工作的论文，曾一度与威尔金斯相安无事。但随着她逐渐开始介入实验工作，两人的关系很快每况愈下。威尔金斯一直将富兰克林看作新来的助手，踌躇满志地要带着她和高斯林破解DNA分子结构之谜。富兰克林则已经获取实验室主任兰德尔的指令，只等威尔金斯交接离开后由她自己一手掌管X射线衍射的实验。两人各有所思，一山不容二虎。
威尔金斯原来从医院借来的旧仪器已经被淘汰。他们从伯纳尔实验室里获得新型的X射线设备。富兰克林为新家伙专门设计出精巧的摄影装置，能够很方便从不同角度拍摄。威尔金斯曾依照伯纳尔拍摄蛋白质晶体的经验，让DNA样品保持湿度以获取清晰的图像。富兰克林也改进设计，利用他们需要持续补充的氢气带进水蒸气。这样不仅能长时间保持DNA样品周围的湿度，还可以人为可控地调节，在不同湿度条件下拍摄同一个样品的照片。这些技术革新行之有效，大大加快实验进度。威尔金斯在欣赏之余，也不自主地感受到来自“助手”的威胁。
他自己的拿手好戏是能娴熟地用玻璃棒从西格纳提供的样品溶液中挑出一根根细长的纤维状DNA晶体。有一次，他正坐在桌前全神贯注进行这个极为精巧的操作时，富兰克林突然出现在他面前，很不以为然地摇着头。她站在桌前居高临下地告诉威尔金斯一个技巧，可以使这个操作容易得多。威尔金斯被女性下属当众教训，原本脆弱的自尊心大受损害。
而富兰克林更是对威尔金斯始终没有把X射线衍射实验工作转交给她的意向失去耐心。她在剑桥会议上看着威尔金斯当仁不让地讲述“她的”课题时忍无可忍，遂当面严正指令威尔金斯退位。
完全没有思想准备的威尔金斯大为震惊。会后他们集体去流经剑桥的剑河上体验著名的“撑一支长篙”2泛舟休闲。威尔金斯坐在一条小船上时突然看到另一条船的船头上正站着手举长篙的富兰克林，如泰山压顶般直直地向他冲来。神经质的威尔金斯毛骨悚然，半开玩笑地惊呼富兰克林这一次是真要置他于死地。
回到伦敦，威尔金斯立即找他的心理医生就诊。他从大学时就患有精神抑郁症，对人际往来甚是恐惧，尤其惧怕女性。医生劝他积极主动，尽量向富兰克林示好以修复关系。威尔金斯于是很别扭地给富兰克林送巧克力等小恩小惠，但毫无效果。作为夹在两位导师之间的研究生，高斯林也表示爱莫能助。医生建议威尔金斯正式邀请富兰克林共享晚餐。当威尔金斯终于鼓足勇气来到富兰克林的实验室时，他刚好看到富兰克林像修车工人似从仪器下面爬出来。正值盛夏，她穿着又旧又脏的实验室大褂，浑身沾满机油，散发着强烈的汗臭。威尔金斯不由得落荒而逃，彻底打消与这位女“助手”近距离交往的念头。
九月份，当威尔金斯整个夏天开会、度假后回到工作岗位时，富兰克林倒主动找上门来。她一脸得意地拿出一张与高斯林一起拍摄的新照片，上面有着与过去不同的“X”形排列的亮点。威尔金斯有点哭笑不得。就在外出开会之前，他曾专门给富兰克林留纸条提醒她注意这个现象，还把斯托克斯的理论推导醒目地张贴在走廊布告栏里。富兰克林显然没有留意。但这无疑也是一个修复关系的好机会。威尔金斯急忙拉上斯托克斯一起去向富兰克林解释他们已经获得的理解：这样的衍射图案表明DNA分子中有着螺旋式的结构。不料，富兰克林乍听之下即火冒三丈，大声叱喝：“你们怎么敢替我分析我的数据！3”
斯托克斯的分析是数学推导，灵感其实来自威尔金斯早先拍摄的照片。但在惊吓之余，他没敢发表自己的发现。国王学院里的这场冲突因而成全了卡文迪许实验室的克里克，让他和他在那里的同事成为螺旋形结构会导致“X”形衍射图案的发现者。那也是他在科学领域的第一项重大贡献。当克里克在家宴中洋洋得意时，威尔金斯却只得苦笑。
威尔金斯不仅知道DNA分子中有着与蛋白质相似的螺旋结构，他自己还已经做过一番考量。相比于蛋白质，脱氧核糖核酸的分子小得多，成分也简单得多。洛克菲勒医学研究所的利文早在第一次世界大战之前就已经分析出其构成：脱氧核糖分子、四种碱基中的某一个碱基分子和磷酸分子以共价键连接成核苷酸分子。它们两两相连成为一条核苷酸长链。因为利文那时看到四种碱基出现比例相同，他认为每种碱基在长链中按同样顺序出现，基本单位是四核苷酸（参看本系列《十二：四核苷酸》中四核苷酸结构图）。
阿斯特伯里和研究生贝尔通过X射线衍射推断DNA的核苷酸长链其实像是很多“硬币”堆积而成的高塔（见本系列《十八：转化因子》中“硬币高塔”示意图）。每个“硬币”便是一个碱基分子与一个脱氧核糖连接而成的核苷分子，由磷酸在硬币边缘连接着。他们没有发现以四核苷酸为单位的周期性。他们因而认为所谓的四核苷酸并不存在，四种碱基更可能只是各自随机出现。
直到第二次世界大战之后，查戈夫才用仔细的生物化学手段分析出四种碱基的成分比例。因为碱基的名字生僻难记，它们逐渐被各自的第一个字母取代：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）。查戈夫发现它们的比例在不同生物的DNA中各不相同，但都符合一个简单规律：A = T；C = G。这个查戈夫定律那时还没有引起广泛注意。鲍林就曾在横渡大西洋的邮轮上对查戈夫不屑一顾。
但无论四种碱基以什么比例、如何分布，DNA的核苷酸长链毕竟比蛋白质的肽链简单得多。将其适当地扭曲成螺旋形，找出不同“楼层”间可以固定形状的氢键就可以完成鲍林式的大胆假设。但威尔金斯已经意识到实际情况远为复杂。正因为DNA的核苷酸链简单，其中没有多少颗原子，它也相对非常轻，与DNA样品的实际密度不符。如果按照密度估算，威尔金斯认为DNA的螺旋应该是由三条这样的核苷酸链组成。这样，DNA的分子结构不是蛋白质α螺旋那样的旋转楼梯。它更像是女孩子用三股头发编结而成的辫子，或者三根互相缠绕生长的野藤。
但构成这些长链主干的磷酸却带有负电。两条链接近时会互相排斥，很难想象它们如何才能纠缠在一起。更何况这些链还各自“携带”着脱氧核糖和碱基分子。它们在彼此缠绕的链之间怎样在三维空间中和平共处是一个远比蛋白质单纯的α螺旋复杂得多的难题。
因此，威尔金斯觉得克里克和沃森的想法过于天真。像鲍林那样“盲目”构造DNA模型的时机远未成熟，尚需更多、更详细的X射线衍射实验数据作为指导。但更让威尔金斯悲观的还不是这些技术难题。在那次宴会上，他面对新老朋友大倒了一番苦水。自从富兰克林那次在他和斯托克斯面前的爆发，他们的关系已经彻底恶化，彼此不再说话。在研究所主任兰德尔的“调解”下，威尔金斯不得不全盘交出X射线仪器设备，包括那些来自西格纳的珍贵DNA样品。富兰克林终于获得她理所当然的地位，带着高斯林如同从事秘密工作般做实验，将威尔金斯彻底排除在外。威尔金斯连他们拍摄出的照片都不得一见，更谈不上获取对进一步探究DNA结构有帮助的信息。
所以，当克里克表示他和沃森意愿尝试构造DNA模型时，早已灰心丧气的威尔金斯对这两位从未做过X射线衍射实验的新旧朋友越俎代庖的疯狂念头不以为然，也没有表示异议。他只是告诉他们不能指望他提供足以“小心求证”的X射线衍射数据。他们今后只能通过公开的论文和学术报告得知国王学院的新进展。不过正好，那里将在两星期后举办一场公开讲座。威尔金斯和富兰克林都会报告他们的工作。
那也会是威尔金斯第一次听取富兰克林新成果的机会。为了不与老朋友直接竞争，克里克借口他已经有重要安排而回避，只让少不更事的沃森代替出席。接下来的两个星期里，沃森恶补“观鸟者的傅立叶变换”，力求到时候能听懂富兰克林的讲述。
11月21日下午的国王学院讲座只有十几位听众。威尔金斯、斯托克斯和富兰克林依次上台介绍各自的工作。沃森坐在稀稀拉拉的听众席上，手里照例拿着报纸。他对威尔金斯的工作已经有所了解，而对斯托克斯的数学推导没有兴趣。他的任务只是替克里克听取富兰克林的报告。这也是沃森第一次见到富兰克林，对这位让威尔金斯魂不守舍的女性充满好奇。
富兰克林果然汇报了最为丰富的内容。她设计的新仪器能在不同的湿度下拍摄同一个DNA样品的X射线衍射照片，证实DNA有着两种不同的结构。干燥或微湿的DNA衍射照片有着密密麻麻的亮点，是威尔金斯和高斯林最早拍摄出的图案。随着湿度增加，DNA会转化成另一种形态，在衍射照片中表现出只是一个“X”形的十字交叉。这两种不同形态与阿斯特伯里的角蛋白α型和β型有着异曲同工之妙，富兰克林也将它们分别称为A型和B型。4但她不需要像阿斯特伯里拉长羊毛那样人为施加外力，微湿的A型DNA吸收水分后就能自己转化为B型。它们的分子结构也会如羊毛般拉长。富兰克林指出，那富含水分的B型应该是DNA在细胞中的自然生态，其“X”状的衍射图案说明分子中存在螺旋式结构。因为DNA分子能够方便地吸收、失去水分而改变形态，她认为其中容易与水分子发生作用的磷酸应该处在分子的外围。
这番专业的阐述让沃森直听得云山雾罩。他完全不明白富兰克林为什么要津津乐道DNA分子的吸水性。出于习惯，他也没有写下任何笔记。讲座结束后，沃森邀请威尔金斯在附近的一家中国饭店共进晚餐。两人相谈甚欢，不再有那不勒斯相遇时的尴尬。
克里克的重要安排是在讲座的第二天去牛津大学拜访霍奇金。伯纳尔当年的研究生已经在那里的自然历史博物馆里成为独树一帜的X射线衍射实验专家。克里克急切地要与她分享自己在螺旋形分子衍射中的得意之作。在伦敦与沃森汇合后，他们一同乘火车去牛津。在车上，克里克迫不及待地盘问沃森在国王学院的收获，不料想沃森支支吾吾，始终说不出个所以然。克里克对沃森没有笔记，因而拿不出一个确确实实的富兰克林实验数据尤为恼火，只得自己在纸上写写画画，琢磨DNA可能的结构。尴尬的沃森也只好在一旁无聊地读报纸。但不一会儿，克里克又兴奋地宣布，根据他的螺旋理论和沃森凭记忆提供的数据，DNA只有很少几个可能的结构，应该不难逐一分析确定。那个“X”形的衍射图案说明DNA中的螺旋只能由两条、三条或四条核苷酸长链组成。至于长链带负电而互相排斥的问题，克里克也觉得不难解决：如果长链之间存在带正电的金属离子，就可以搭桥般将长链拉到一起，编织成辫子。
到达牛津时，他们还有几个小时的时间。克里克顾不上带第一次来的沃森参观这个古老的校园。他们一个个书店搜寻，好不容易找到一本鲍林的《化学键的本质》，就在街上匆匆忙忙地翻阅，寻找化学键数据。那本书却没能提供他们需要的线索。但克里克依然信心十足地向沃森承诺，回剑桥后他们只需几天时间就能找出正确的答案。
沃森来到英国还只寥寥几个月。他已经摒弃那曾经让佩鲁茨和奥迪尔诧异的美国式短发平头，长出剑桥更为常见的长发。无论工作内外，他和克里克近乎形影不离。为逃避学校里难以下咽的饭食，沃森经常去克里克的小家打牙祭，享受奥迪尔精心烹制的佳肴。白天，他和克里克还是整天在办公室里争吵不休，中午又会一起步行到附近一家名叫“老鹰”5的酒吧吃午饭，继续他们的辩论。
从牛津回来后，他们争论的话题不再天马行空。DNA分子结构成为他们全身心投入的课题。卡文迪许实验室没有鲍林在加州理工学院拥有的成套、完备原子模型。他们只有肯德鲁曾经尝试蛋白质分子模型时留下的一些“原子”。其中有碳、氢、氮等，却没有DNA中独有的磷。沃森只好将代表碳原子的圆球缠上铜丝，将其体积变大后充当磷原子。分子中的脱氧核糖和碱基也只能以临时剪裁的金属片将就而成。克里克不断地冒出新的主意，沃森便用这些简陋模型加以验证、否决。
这天中午，他们在老鹰酒吧里大口地吞食鹅莓派时也终于达成共识。正如威尔金斯猜测，DNA分子是由三条核苷酸长链相绕而成的“三螺旋”（triple helix）。长链之间有一些二价的镁或钠离子，它们携带的正电荷抵消磷酸的负电，保持整个结构的稳定性。因为这些离子键的作用，磷酸彼此靠得很近，位于分子的中心。与它们相连的脱氧核酸和碱基都各自悬挂在三螺旋的外围。回到办公室后，两人很快完成他们的三维模型。
那是由一堆圆球、铜线和金属片构成的怪物，既没有鲍林空间填充模型的优雅整洁，也不具备α螺旋的简单明了。但在两位正处于疯狂追求之中的年轻人眼里，它简直完美无缺。克里克忍不住拿起电话告知威尔金斯这一重大突破。在伦敦的老朋友似乎兴趣索然，只勉强地答应过几天抽空来剑桥一睹为快。
克里克和沃森倍感失落。
（待续）
Fourier Transforms for Bird Watchers
引自徐志摩《再别康桥》；康桥即剑桥。
How dare you interpret my data for me!
富兰克林在那次讲座中报告的DNA其实有三种不同形态，但几个月后她纠正为只有两种。
The Eagle