科学网—DNA双螺旋结构发现中,富兰克林是被忽视的女英雄吗？
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2025-11-21 12:51
| 系统分类: 人物纪事
罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Elsie Franklin 1920-1958）
纽约时间2025年10月6日，双螺旋结构发现者之一 詹姆斯· 沃森逝世，引发了一波悼念热潮。一些人 认为， 沃森和其搭档克里克 是在窃取了伦敦国王学院罗莎琳德·富兰克林的x线照片后才发现了DNA的结构。事实如何？ 在科学史上，女科学家罗莎琳德·富兰克林对于双螺旋结构发现具体有哪些贡献、她的贡献是否真的被长期忽视？非也。 人们之所以形成“富兰克林的贡献被长期忽视”，始作俑者是 记者霍勒斯·弗里兰·贾德森和富兰克林的传记作者布伦达·马多克斯。在他们的文章中罗莎琳德·富兰克林被贬低为双螺旋结构的“悲情女英雄” 。所以，富兰克林应该被铭记，不是作为双螺旋结构的受害者，而是作为解决该结构问题的同等贡献者 。
其实，从一开始富兰克林就会被视为破解双螺旋结构的四人科学团队中的一员，他是提出科学问题、提供关键数据并验证结果的团队成员之一。 有用的是“数据”，而非51号照片
詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克是二十世纪最著名的两位科学家。他们二人在剑桥大学开创性地发现了DNA的双螺旋结构。关于该结构的论文在70年前与另外两篇论文一起发表于《自然》杂志上。 传说，沃森之所以能发现DNA双螺旋结构的关键，是因为有人给他看了一张富兰克林拍摄的DNA X射线照片，但富兰克林并不知情。这张被称为“51号照片”的图像被奉为分子生物学的“点石成金”之作，是解开“生命奥秘”的钥匙（当然，也为沃森和克里克赢得了诺贝尔奖）。在这个故事中，富兰克林-这位1958年因卵巢癌去世，年仅37岁的科学家-被描绘成一位才华横溢的科学家，但她最终却无法解读自己拍摄的DNA数据。据说，她对着这张照片看了几个月都没意识到它的重要性，而沃森却一眼就明白了。这段故事已经深入人心。
51号照片（DNA的X射线衍射图像），由富兰克林和博士生戈斯林拍摄。
图源：KCL档案馆
真实情况是，在1953年1月至3月间沃森和克里克逐步解读出正确结构的过程中，这张照片几乎没有起到任何作用。事实上， 真正起决定性作用的是富兰克林和威尔金斯提供的其他数据 ，即便如此，实际发生的事情也远没有人们普遍认为的那样恶意。
但沃森在自己写的《双螺旋》一书中，有太多的文学加工和自我吹嘘。书中包含一个荒谬的假设：它暗示，技艺精湛的化学家富兰克林无法理解自己的数据，而沃森这位晶体学新手却能立即领会。此外， 包括沃森在内的所有人都知道，仅凭一张照片不可能推断出任何精确的结构 ——其他结构也可能产生相同的衍射图样。如果没有仔细的测量——沃森坚称他没有进行过测量——这张照片所揭示的仅仅是B型晶体可能是一种螺旋结构，这一点无人质疑。
来得早不如来得巧。沃森看到这张照片时确实感到震惊——因为他看到照片的时机恰到好处。就在几天前，剑桥大学的研究小组收到了美国化学家莱纳斯·鲍林的一份手稿，鲍林在手稿中声称已经破解了DNA的结构。尽管鲍林犯了一些基本的错误，但与他长期存在竞争关系的卡文迪什实验室主任劳伦斯·布拉格鼓励沃森和克里克继续构建他们的模型。沃森特意前往国王学院，向他们展示了鲍林的失误，威尔金斯给他看了那张照片。将这一刻塑造成 《双螺旋》 的高潮是一种文学手法： 一个经典的灵光乍现时刻，便于普通读者理解。
沃森看到第51号照片后不久，克里克的导师马克斯·佩鲁茨递给他们一份关于国王学院医学研究委员会（MRC）研究小组活动的非正式报告。这份报告是他在1952年12月对该小组进行正式访问时获得的。报告中包含富兰克林撰写的一页，描述了她的工作。
富兰克林在提交给医学研究委员会（MRC）的报告中证实了B型DNA的34 Å分辨率结果。她还指出，DNA的晶胞（晶体的重复单元）非常巨大，其包含的原子数量比任何其他已知分子结构中的任何晶胞都要多。富兰克林还补充了一些A型DNA的关键晶体学数据，表明其具有“C2”对称性，这反过来意味着该分子具有偶数条方向相反的糖-磷酸链。
克里克在 1961 年 5 月于牛津大学向科学史学家们讲授双螺旋结构历史时所作的笔记，以及他一生中发表的正式和非正式评论表明，与照片 51 不同，这份报告对于确认沃森和克里克最终获得的结构具有贡献。
詹姆斯·沃森（左）和弗朗西斯·克里克构建的DNA双螺旋模型。
图源：A. Barrington Brown
然而，最终，无论是第51号照片还是医学研究委员会的报告，都没有“赋予”沃森和克里克双螺旋结构的秘密。 真正让他们找到双螺旋结构的，是他们后来称之为“反复试验”的六周时间 ——进行化学计算和摆弄纸板模型。（沃森在 《双螺旋》一 书中明确阐述了这一点；克里克则在20世纪60年代末和70年代初接受历史学家罗伯特·奥尔比的一系列采访中阐述了这一点。）
富兰克林的数据以及沃森和克里克与威尔金斯的多次对话似乎提供了关键信息——磷酸基团位于分子外部；每34埃有一个重复单元；每个重复单元可能包含十个碱基，并且有偶数条链沿相反方向延伸（C2对称性的含义）。然而，据他们自己所述，在六周的时间里，他们或多或少地忽略了所有这些事实。一旦他们提出了结构的概念模型，MRC的报告就对他们的假设进行了重要的检验。
所以，这并非他们窃取了国王团队的数据，然后就凭这些数据解析出了DNA结构。相反，他们通过自己的迭代方法解析出了DNA结构，然后未经许可使用了国王学院团队（威尔金斯、富兰克林）的数据来验证结果。 富兰克林的贡献
富兰克林对双螺旋结构的发现做出了几项关键贡献。 她清晰地区分了A型和B型DNA ，解决了困扰先前研究人员的一个难题。（20世纪30年代的X射线衍射实验无意中使用了A型和B型DNA的混合物，导致衍射图谱模糊不清，无法完全分辨。）她的测量结果表明DNA晶胞非常巨大；她还确定了该晶胞所呈现的C2对称性。
C2对称性是19世纪末期已确立的230种晶体学三维“空间群”之一。富兰克林未能认识到它的重要性，并非因为她迟钝，而是因为她对它并不熟悉。据她的同事亚伦·克鲁格（Aaron Klug）所述，富兰克林后来表示，她“真想狠狠地抽自己一巴掌”，因为她没有意识到其结构意义。克里克之所以意识到这些意义，是因为他恰好对C2对称性进行了深入研究。但即便如此，他在构建模型时也没有直接采用富兰克林对这种对称性的测定；相反，它只是在模型完成后提供了强有力的佐证。
富兰克林还独立地领悟到了DNA结构的一个基本原理：DNA原则上是如何决定蛋白质的 。1953年2月，她正努力完成DNA分析工作，准备离开伦敦国王学院。由于A型DNA的结构一直难以解释，她转而研究结构更为简单、螺旋结构清晰的B型DNA。她的笔记显示，到2月底，她已经接受了A型DNA也可能是双链螺旋结构的观点，并且意识到特定链上碱基的排列顺序对整体结构没有影响。这意味着任何碱基序列都是可能的。正如她所指出的，“无数种核苷酸序列都可以用来解释DNA的生物特异性” 。沃森和克里克几乎在同一时间也领悟到了这一观点，而这一观点最早是由英国诺丁汉大学的化学家约翰·马森·古兰德于1947年提出。 富兰克林并没有理解互补碱基配对——A只能与T配对，C只能与G配对，每对碱基在分子中形成相同的结构。事实上，她当时使用的碱基形式并不正确，所以即使她尝试构建模型，也无法得到令人满意的结果（沃森和克里克在他们研究的最后阶段也遇到了同样的问题）。她也没有意识到，她的数据表明两条链的取向不同——或者说，在高湿度条件下发现的B型结构一定是具有生物功能的构象。（A型结构只在实验室条件下存在）她没有时间进行这些最后的推断，因为沃森和克里克抢先一步找到了答案。
富兰克林未能成功，部分原因是她孤军奋战，没有同行可以交流思想。她也被排除在沃森和克里克所处的非正式交流圈子之外。尽管当时有些人-尤其是国王学院的研究人员和沃森所称的一小群“剑桥小生物化学家” 对沃森和克里克使用国王学院团队的数据感到不满，但卡文迪什研究所的首席科学家-佩鲁茨、布拉格和约翰·肯德鲁-却认为这很正常。而且也没有证据表明富兰克林对此持不同意见。
真相并不复杂 1953年在《自然》杂志 发表三篇DNA论文三周后，布拉格在伦敦盖伊医院医学院就这一发现发表了演讲。英国 《新闻纪事报》头版对此进行了报道。这引起了 当时在《时代 》杂志工作的伦敦记者 琼·布鲁斯 的注意。尽管布鲁斯的文章此前从未发表过，也从未被历史学家提及，但其对双螺旋结构发现的新颖解读却引人注目。
布鲁斯的新闻稿撰写了 两个团队的研究工作：一个团队由威尔金斯和富兰克林组成，他们利用X射线分析收集实验证据；另一个团队由沃森和克里克组成，他们致力于理论研究。布鲁斯写道，在某种程度上，这两个团队是独立工作的，尽管“他们之间会相互联系，不时地互相验证彼此的工作，或者共同探讨某个问题”。例如，沃森和克里克“正是基于威尔金斯的X射线数据开始研究双螺旋理论”。相反，她写道，富兰克林“用她自己的X射线数据来检验卡文迪什模型，但并非总是证实卡文迪什的结构理论”。我们注意到，这两个例子都表明富兰克林处于优势地位，与威尔金斯、克里克和沃森并驾齐驱。
但这篇文章最终未能面世 ，或许是因为富兰克林告诉布鲁斯，这篇文章需要大量的修改才能使科学论证准确无误。布鲁斯对这项发现的新闻稿件被埋没，摄影家巴林顿·布朗拍摄的那些引人入胜的照片也失散了。直到15年后，沃森在《双螺旋》一书中“描绘”了自己的精彩发现。
试想一下， 如果琼·布鲁斯的文章得以发表 ，人们会如何看待双螺旋结构的故事，这着实令人着迷。 从一开始，富兰克林就会被视为破解双螺旋结构的四人团队中的一员，他是提出科学问题、迈出重要早期步骤、提供关键数据并验证结果的团队成员之一 。事实上，在1953年6月皇家学会的研讨会上，双螺旋结构的首次公开展示之一，是由《自然》杂志三篇作者署名的。在早期版本中，DNA结构的发现并非沃森和克里克赢得的竞赛，而是科学家团队共同努力的成果。
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