为纪念我们 150 周年，我们将回顾那些有助于定义科学进步、理解和创新的《Popular Science》故事（包括成功和失败），并增加一些现代背景。探索完整的《档案摘录》系列，并在此处查看我们所有的周年纪念报道。
当 《Popular Science》编辑 Wallace Cloud 报道 1962 年诺贝尔奖授予 DNA 结构发现者时，获奖者之一的 James Watson 告诉 Cloud，“这项发现并非来自一个充斥着技术人员的研究所，而是四位头脑的产物。”但诺贝尔基金会仅授予了三位科学家 DNA 结构发现奖：James Watson、Francis Crick 和 Maurice Wilkins。
自 1869 年以来，科学家们就已了解 DNA，但直到 1953 年，其结构仍然难以捉摸。了解其形状有助于解释这种生命生成分子是如何工作的。在伦敦大学学院工作的 Maurice Wilkins 和 Rosalind Franklin 捕捉到了分子的第一张 X 射线图像，而 Watson 和 Crick 后来在他们获得诺贝尔奖的论文中对此进行了破译和描述。Watson 在为他 1963 年 5 月的《Popular Science报道中接受采访时告诉 Cloud，Franklin “本应分享”诺贝尔奖。
在 DNA 发现的传说中，是 1952 年 5 月拍摄的51 号照片揭示了 DNA 螺旋结构的许多信息。四十年后，获奖作家兼传记作家 Brenda Maddox 在《DNA 之暗女 Rosalind Franklin》一书中详细介绍了 Franklin 对 DNA 研究的惊人贡献。美国剧作家 Anna Ziegler 则创作了戏剧《51 号照片》，该剧于 2015 年在伦敦西区首演，以记录 Franklin 的诺贝尔奖案例暴露出的性别歧视。
自 1895 年瑞典化学家 Alfred Nobel—他因制造炸药而闻名—遗嘱将大部分财产用于年度奖项以来，在物理学、化学、医学、文学与和平领域（1968 年增加了经济学）共产生了 975 位获奖者，其中只有 58 位是女性。无需诺贝尔奖也能看出，这个比例并不均衡。在 Franklin 的案例中，诺贝尔基金会表示他们不再追授奖项（Franklin 于 1958 年去世）。DNA 双螺旋结构被破译至今已近七十年，诺贝尔基金会授予三位科学家四人工作的成果也已六十年。这个比例依然不均衡。
《DNA——它发出生命的信号》（Wallace Cloud，1963 年 5 月）
三位男士如何凭借解开一个拼图游戏而获得诺贝尔奖：拼凑出一个分子的各个部分，这个分子造就了你——并让你保持活力。
去年 12 月，一位美国生物学家和两位英国物理学家因一项十年前的发现获得了诺贝尔奖的正式认可——这项发现引发了生物学界的一系列连锁反应。
他们确定了一种分子的结构，该分子能够回答科学家们一个多世纪以来一直在追问的问题。
- 心脏肌肉是如何“知道”如何跳动的？
- 脑细胞是如何“知道”如何在思考和感受中扮演自己角色的？
- 身体的细胞是如何“知道”如何生长、繁殖、愈合伤口、抵抗疾病的？
- 传染性细菌是如何“知道”要引起哪些疾病的？
- 大多数生物的生命始于一个受精卵细胞，这个细胞是如何“知道”如何变成植物、动物、人类的？
- 如果一个这样的细胞要分裂形成一个人，它又是如何“知道”要孕育出一位潜在的爱因斯坦或玛丽莲·梦露的？
基因是由什么构成的
听起来期望一个分子做这么多事情——即使它有一个名字拗口的脱氧核糖核酸（更常见的叫法是 DNA）。但这却是科学事实：基因是由 DNA 构成的。DNA 分子提供了指导所有生物（除了少数病毒）生命过程的基本指令。DNA 分子包含以化学密码形式存在的信息——生命的密码。
DNA 结构发现的影响被誉为“其潜在意义比原子弹或氢弹更加深远的革命。”诺贝尔基金会主席 Arne Tiselius 教授曾表示，它“将导致操纵生命、创造新疾病、控制思想、影响遗传——甚至可能沿着某些期望的方向进行的方法。”
我在哈佛大学的实验室里询问了诺贝尔奖三人组中的美国成员 James D. Watson 博士，关于这些推测。那是在他飞往斯德哥尔摩接受与剑桥大学 Francis H. C. Crick 博士和伦敦国王学院 Maurice H. F. Wilkins 博士共同颁发的奖项前几周。
这位精力充沛的 34 岁诺贝尔奖得主，在 25 岁时（他 15 岁上大学，之前是广播节目《Quiz Kid》的常客）在英国完成了获奖研究，但他不赞同关于 DNA 研究未来的种种离奇预测。他说，“忙于研究的普通科学家看向未来，一般是向前看一小时到两年，不多于此。”
他承认 DNA 结构发现的重要性堪比原子结构的研究（这导致了原子弹的诞生），并补充说，“它将对医学产生非常深刻的、缓慢的影响。医生们将停止做愚蠢的事情。我们对 DNA 的了解不会治愈疾病，但它提供了一种新的视角——告诉你如何看待疾病。”
Watson 博士接着解释了他和他的同事们在 1953 年在英国那些充满灵感的脑力劳动日里发现了什么，以及他们是如何做到的。
他说，这项发现并非来自一个充斥着技术人员的研究所，而是四位头脑的产物：他和 Crick 进行了理论工作，解读了 Wilkins 制作的神秘 X 射线衍射照片，Wilkins 的合作者是一位英国女科学家 Dr. Rosalind Franklin。她于 1958 年去世。Watson 博士说，她“本应分享”诺贝尔奖。
接续思路
DNA 并不是一种新发现的物质。它早在 1869 年就被分离出来，到 1944 年，遗传学家们已经确信它是基因的物质——染色体中遗传信息的位置。然后他们开始问：“它是如何工作的？”这就是 Watson 和他的共同获奖者们所回答的问题。
他们知道 DNA 是已知最复杂的“巨分子”之一。人们认为它具有长链状结构，由重复的原子团组成，侧链以规则的间隔伸出。
DNA 分子的形状很重要。在细胞中，许多较大的分子像机器零件一样协同工作，它们的机械性能与化学活性同等重要。然而，即使是电子显微镜，虽然可以看到一些最大的巨分子，但也只能显示 DNA 像一根线，缺乏细节。
“观察”分子的方法之一是通过化学处理将其分解成小分子。对于 DNA 而言，这些碎片——六种亚分子单位——已经被识别出来。现在需要弄清楚这个拼图是如何组合在一起的。
另一种方法是使用 X 射线，但以一种特殊的方式。一种称为 X 射线衍射的技术可以让物理学家以一种独特的方式观察某些类型的分子——那些形成晶体的分子。
从细胞中提取并纯化的 DNA 是一种凝胶状物质。你可能会觉得它与晶体相去甚远。但是，当它在正确的张力下被拉伸并干燥时，它会形成具有复杂晶体结构的纤维。
其中一位诺贝尔奖得主 Wilkins 博士是一位曾在美国参与曼哈顿计划的物理学家。第二次世界大战后，他回到英国，对生物学问题产生了兴趣，并成为了一名生物物理学家。在 20 世纪 50 年代初，他完善了一种制作 DNA 纤维 X 射线衍射照片的方法。
拍摄这些照片是通过将一束非常窄的 X 射线射过样品。一些 X 射线会与原子相互作用而弯曲。衍射出的 X 射线波相互干扰，形成一个在胶片上成像的图案。
X 射线衍射照片并不能显示它们所代表的分子轮廓。它们处于“倒空间”——照片上的小距离代表分子中的大空间，反之亦然。这些图像必须通过数学分析来解释；分子越复杂，解释就越困难。
Crick 和 Watson 博士开始研究解释 DNA X 射线衍射照片的方法。他们在剑桥相遇，Watson 在获得印第安纳大学博士学位几年后前往那里做研究。
倒推法
Crick 已经为预测各种分子模型的 X 射线图像会是什么样子制定了一个理论。也就是说，图像太难解释了，他们不得不倒推：先设计一个模型，然后用数学方法确定其 X 射线衍射等效物应该是什么。然后将预测与 X 射线照片上的实际距离和角度进行比较。
两位实验者与 Wilkins 分享了一个想法：一个扭曲的螺旋分子结构可能符合 X 射线数据（人们已经发现这种扭曲存在于细胞产生的其他分子中）。他们构建了一个由杆、夹子和薄金属片（代表拼图的各种已知碎片）组成的模型，并对其进行了数学评估。
这个第一个模型未能奏效，他们暂时搁置了这个问题，转而进行其他研究。几个月后，在 1953 年 2 月，他们了解到加州理工学院诺贝尔奖得主化学家 Linus Pauling 为 DNA 提出的一个结构。从他们之前的工作中，他们知道 Pauling 一定是错的。这促使他们尝试另一个模型，并纳入了关于 DNA 某些亚分子确切形状的新信息。
一个月后，他们得到了一个非常吻合 X 射线数据的模型。基于此，他们提出了深刻的“沃森-克里克假说”，该假说解释了 DNA 分子如何在细胞中发挥作用。该假说已通过许多实验室的巧妙实验得到检验，并在分子生物学的新世界中被奉为金科玉律。
生命的钥匙
DNA 分子被揭示为一个双螺旋结构，大致像一个扭曲的梯子。
梯子的两条腿是相同的，但横档则不同，这正是分子存储信息能力的关键。构成横档的四种不同亚单位的顺序就是生命的密码。
亚单位横跨横档连接的方式是 DNA 传递信息能力的关键。每个横档实际上由两个单元组成，但单元的配对遵循明确的规则；分子可以“解开拉链”，每半边都充当模板来重建缺失的半边，从而产生两个与原始分子相同的分子。
沃森-克里克假说使得对“生命分子基础”有了新的认识：在细胞——实际上是一个微型化工厂——中，DNA 分子包含指令，这些指令告诉工厂的分子机器要建造哪些新分子。而产物分子反过来决定了细胞的功能，无论是血细胞、神经细胞、精子细胞，还是（如果不是多细胞生物的一部分）也许是致病细菌。
通过这种方式，DNA 分子中存储的信息规定了整个细胞群落，例如构成一个人的细胞群落——他的头发和眼睛颜色，他的基本才能，他对疾病的内在敏感性或抵抗力。
程序化一个人
一个单独的 DNA 分子大约有 10,000 个亚单位长（也就是说，梯子上有那么多横档），而规定一个人所需的指令列表大约有 100 亿个 DNA 单位长。如果包含该信息的 DNA 分子首尾相连，它们将构成一个 10 英尺长、但只有十二万分之一英寸厚的链。实际上，这些链被捆绑在细胞核中的微观结构——染色体中，这些染色体保存着遗传的机器。
这些规定必须代代相传。这发生在细胞分裂过程中，此时染色体分裂。在细胞分裂准备阶段，染色体中的 DNA 分子已经解开，并被细胞的机器复制。
由 DNA 控制的细胞工作，不仅对健康生活很重要，对疾病也很重要。例如，病毒会接管细胞，通过干扰正常指令流并替换新指令，将它们变成病毒工厂。遗传性疾病是由于在复制 DNA 分子的过程中，编码指令中出现了“错误”。这些变化也会将正常细胞转变为癌细胞，癌细胞“忘记”了它们通常的角色，并“学会”了新的功能。
这些事实解释了为什么 DNA 在生物学家中引起如此大的轰动。如果能找到一种方法将人造化学信息发送到细胞中并改变 DNA 分子中存储的指令，几乎一切皆有可能。
但这不太可能在今年或明年实现。首先必须破译密码。这正是目前 DNA 研究的主要方向。
另一个悬而未决的、也许更神秘的问题是，细胞是如何“决定”使用其 DNA 档案中特定指令的。这个前沿领域的发现将解释细胞如何响应外部刺激——以及一个受精卵是如何有选择地分裂形成构成人体的多种不同类型的特化细胞的。
部分文本经过编辑，以符合当代标准和风格。
