作者 高关中（德国汉堡）2026/8/28

20世纪生物学的最大发现是DNA双螺旋结构。DNA是英语deoxyribonucleic acid的缩写，意译脱氧核糖核酸。它携带所有细胞生物体的遗传信息。1953年，英国科学家克里克（1916-2004）和美国科学家沃森（1928-2025）在剑桥卡文迪什实验室共同发现了DNA双螺旋结构，这标志着分子生物学的诞生。该发现揭示了遗传信息是如何被存储以及如何从一代传给下一代的。由于这一重大发现，他们荣获1962年度诺贝尔生理学医学奖。

优势互补，黄金搭档

弗朗西斯·克里克（Francis Crick）1916年6月8日出生于英格兰的北安普顿东郊的韦斯顿法维尔（Weston Favell）。他从小就有旺盛的求知欲，思维敏锐，对眼前的世界充满了好奇。为了他的求知欲，母亲给他买来亚瑟·米（Arthur Mee，1875-1943）主编的10卷一套《儿童百科全书》。书中内容包括艺术、科学、历史、神话、文学等各个领域，然而最能够引起他兴趣的是科学领域。他的家庭条件不错，父亲开鞋厂，属于中产阶级，因此童年时代克里克接受了良好的教育，先后在北安普顿和伦敦读完了中学。中学毕业后，他进入伦敦大学学习物理学，但由于二战爆发使他被迫中断了博士学位的攻读，来到英国海军部研制磁性水雷。

二战结束时，克里克已到了而立之年。这时候，他对“生物与非生物的区别”产生了浓厚的兴趣，但那时他在生物学、有机化学以及晶体学方面都没有什么基础，因此他花了两年时间认真自学了这方面的知识，完成了从物理学家到生物学家的转变。

1947年，克里克进入剑桥大学斯特兰奇韦斯实验室，研究生物学和细胞的物理特性。两年后又加入该校卡文迪什实验室，他要在这里完成自己的博士论文课题——多肽和蛋白质：X射线衍射。在这里，他遇到了年轻的沃森。在沃森的邀请下，两人开始合作，拉开了颇具传奇色彩的DNA分子结构的研究。

再介绍一下沃森，即詹姆斯·沃森（James Watson，又译华生），1928年4月6日出生于美国芝加哥。因资赋优异而提早在15岁就进入芝加哥大学，1947年获得动物学学士学位。期间，他接触到理论物理学家薛定谔探讨生物学的名著《生命是什么？-活细胞的物理面貌》（What is Life?）；又受遗传学家缪勒（Hermann J. Muller, 1890-1967，1946年诺贝尔生理医学奖得主）的影响，决定从事遗传学的研究。他进入了卢里亚（Salvador Luria, 1912-1991，1969年诺贝尔生理医学奖得主）的噬菌体研究实验室，对基因如何复制产生兴趣。并于1950年获得印第安纳大学遗传学博士学位，时年22岁。 

毕业后，沃森到丹麦接受生物化学博士后训练，期间，在一个学术会议中，他从伦敦国王学院的威尔金斯（Maurice Wilkins，1916-2004）演讲中得知DNA具有规则的分子结构，他看到所展示DNA结构的X光衍射图像，虽然不甚清晰，但引起他很大的兴趣。他认为DNA的结构是生物学最根本的问题，并意识到“解开DNA结构”的关键技术就是晶体衍射（Crystal Diffraction，又译晶体绕射）技术。于是他设法转到英国剑桥大学卡文迪许实验室。沃森在那里遇见了物理学家克里克，并说服后者一起参与DNA分子模型的研究。

克里克与沃森的两人组合，堪称黄金搭档。沃森是学生物的，曾经专门研究过噬菌体和遗传学，擅长生物学思维推演；而克里克是学物理出身的，则对X射线晶体衍射进行过深入的研究，擅长空间建模。这使得两人能够取长补短、优势互补，弥补了他们资金不足、实验设备落后的劣势。

发现DNA双螺旋结构，意义重大

1952年1月，沃森看到了威尔金斯带来同事女科学家罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin，1920-1958）拍下的DNA的晶体结构X射线衍射照片（51号照片），发现DNA的内部是一种螺旋形结构。当时其他研究者认为DNA应该是一种三链螺旋结构，而沃森则敏锐地发现DNA应该是一种双链螺旋结构。沃森将自己的想法告诉了克里克，克里克经过认真分析后完全赞同他的想法，于是两人在理论上形成了高度的一致：DNA是一种双链螺旋结构。1953年2月28日，兴奋的克里克冲进剑桥鹰酒吧（The Eagle Pub），向众人宣布他和沃森“发现了生命的秘密”。如今酒吧内挂有纪念牌匾，是科学爱好者的必去圣地。

随后，两人立即行动起来，在实验室里联手开始用金属棒和纸板搭建DNA双螺旋模型，终于在1953年3月7日，将他们心中的DNA分子模型搭建成功了。

1953年4月25日，两人在《自然》杂志上发表了名为《核酸的分子结构——DNA的结构》的论文。这篇不足千字的论文，开头一句写道：“我们希望提出一种 DNA 的结构，这种结构可以解释遗传物质的复制机制。”他们的论文引起了轰动，解决了遗传学研究中的许多关键性问题，被誉为是“生物学的一个标志，开创了新的时代”。

DNA双螺旋结构模型虽然解释了遗传学的许多关键问题，但是遗传信息怎样得到表达以控制细胞活动，对于这个问题双螺旋模型还无法给予解释。为此，克里克又进行了进一步的研究，并相继提出了两个学说，很好地回答了这些问题，奠定了分子遗传学的理论基础。

克里克提出两个学说，分别是 “序列假说”和“中心法则”。 第一个学说是“序列假说”（Sequence Hypothesis），认为一段核酸的特殊性完全由它的碱基序列所决定，碱基序列编码一个特定蛋白质的氨基酸序列，而蛋白质的氨基酸序列决定了蛋白质的三维结构。第二个学说是“中心法则”（central dogma），认为遗传信息只能从核酸传递给核酸，或核酸传递给蛋白质，而不能从蛋白质传递给蛋白质，或从蛋白质传回核酸。后来他把中心法则更为明确地表示为遗传信息只能从DNA传到RNA（核酸分DNA和RNA两种，RNA是核糖核酸，为生物大分子，主要负责传递遗传信息并协助合成蛋白质），再由RNA传到蛋白质。

DNA双螺旋模型的确定和克里克的两个学说，是20世纪最为重大的科学发现之一，也是生物学历史上惟一可以与达尔文进化论相媲美的重大发现。它统一了生物学的大概念，标志着分子生物学的诞生。使物理学和生物学相结合，形成分子生物学的最显著的特点之一。此后，遗传学的历史和生物学的历史都从细胞阶段进入了分子阶段。达尔文的进化论终于有了分子层面的解释，现代生物学大厦的地基打好了。有学者称克里克是“20世纪的达尔文”，说：“20世纪有两大象征符号，一是原子弹的蘑菇云，另一个是DNA双螺旋。”

DNA双螺旋学说不但阐明了DNA的基本结构，并且为一个DNA分子如何复制成两个结构相同的DNA分子以及DNA怎样传递生物体的遗传信息提供了合理的说明。DNA复制是半保留的，意思是DNA双螺旋在细胞分裂过程中分开，每个单螺旋充当模板，就像翻砂工用的模子。根据碱基配对的原则，可以浇注出（合成）它们缺少的另外一股单螺旋，一新一旧两股单螺旋形成和原来DNA分子一模一样的新DNA分子。这个过程将一个起始分子分成两个“女儿”分子，实现了DNA分子的复制。说明一下，DNA双螺旋的两股单螺旋（两条链）不一样，它们是互补且反向平行的关系，可以互相推导出来。

DNA双螺旋结构不但可以说明复制机理，而且可以说明怎样带有大量的遗传基因。我们常说的基因（gene），就与DNA有密切关系。DNA是一种长链生物大分子，像一条包含所有遗传密码的长链。基因是DNA分子上具有遗传效应的特定片段，两者的关系类似于整本书与其中有意义的字句。基因作为携带遗传信息、能够指导蛋白质或RNA合成的基本功能单位，本质上就是DNA分子上的一段特定核苷酸序列。而A、T、C、G四种碱基是四种核苷酸的重要组成部分。由于DNA分子量非常巨大，它的双螺旋长度可以是直径的几万倍，因此能含有大量的遗传基因。就像拍电报的电码，虽然只有“·”和“-”两种符号，但按不同顺序排列起来，就可以表达千变万化的不同内容了。

遗传密码（genetic code）也与DNA和基因有密切关系。基因是内容：是一段具体的DNA序列，里面写了具体的生物信息。而遗传密码是规则：是解读所有基因内容时所共用的翻译对照标准。DNA双螺旋结构的发现是遗传密码破译的起点和物理基础。如果没有弄清DNA的结构，科学家就无法理解遗传信息是如何存储和表达的。

在发现DNA双螺旋结构之前，人们虽然知道DNA与遗传有关，但不知道它是如何记录信息的。双螺旋结构展示了一系列碱基对（碱基对是互相配对的一对碱基，如A 与 T 配对，G 与 C 配对）组成的“阶梯”，这让科学家们恍然大悟：碱基的排列顺序就是遗传信息的编码（即遗传密码）。例如 ATCGGA……就是基因的语言，它决定了生物体会合成什么样的蛋白质，进而决定了生物的性状。

DNA双螺旋结构还能解释遗传的变异。如果在复制过程中出一点意外（如受环境影响），就会造成变异或突变。

我们可以把 DNA双螺旋结构 比作人类第一次发现了“生命天书”的物理材质和排版格式，而遗传密码的破译则是真正读懂了这本天书中字里行间的具体含义。

由于在DNA分子研究方面的卓越贡献，克里克、沃森和威尔金斯三人分享了1962年的诺贝尔生理学或医学奖。

补充一下威尔金斯的功绩，他出生于新西兰，曾在剑桥卡文迪什实验室工作。后到伦敦国王学院从事研究。在沃森和克里克提出双螺旋结构模型后，威尔金斯及其团队利用高精度的X射线衍射技术，对该模型进行了精确的数学和物理实验验证，证明了该结构在技术和科学上的正确性。作为幕后支持者，他被称作“发现双螺旋结构的第三个人”。而提供关键照片的罗莎琳德·富兰克林，因英年早逝，可惜无缘诺奖。

克里克等人揭开DNA的结构链，找到了解读遗传密码的钥匙。遗传密码特指密码子（3个连续的核苷酸，又称联体密码）与蛋白质中氨基酸之间的对应规则。恩格斯有句名言：“生命是蛋白质的存在形式”。蛋白质的主要功能是进行新陈代谢以及作为细胞的重要组成部分，其种类成千上万，而组成它们的却只有20种不同的氨基酸。20世纪60年代，美国遗传学家尼伦伯格（Marshall Nirenberg，1927-2010）等科学家发现了所有20种氨基酸和它们相对应的核苷酸的排列方式，成功破译了生物体的遗传密码表，1968年获得诺奖。

我们知道，细胞核是细胞的司令部，都含有一种叫染色体的东西，染色体就是由DNA和蛋白质以及少量的 RNA一起构成的。以精子和卵子为例，它们是人体的生殖细胞，都携带着父母的遗传物质，其中精子携带父亲的一半核DNA（23条染色体），卵子携带母亲的一半核DNA（23条染色体），当精子和卵子结合成受精卵时，两者的核遗传物质组合在同一个细胞核中（核DNA各占一半），恢复为23对（46条）染色体，其中包含大约2万个蛋白质编码基因。这些基因与来自母亲的线粒体基因共同作用，决定了新生命的遗传特征。

随着科学家破译了遗传密码，人们对遗传机制有了更深刻的认识。现在，人们已经开始向控制遗传机制、防治遗传疾病、合成生命（如合成酵母）等更大的造福人类的工作方向前进。这就是前沿高科技之一的遗传工程（也称基因工程）。中国科学家在2018年成功人工合成了“单染色体真核酵母”，实现了合成生物学领域的重大突破。这是一项世界首创的杰出基础科学突破。

余音袅袅

除了重磅的专业论文外，克里克还写了四部著作，《论分子与人》《生命的起源与本质》《惊人的假说——灵魂科学的探索》和自传《狂热的追求》。

晚年克里克将兴趣转向神经科学。1976年，他进入加州圣迭戈的索尔克生物研究所（Salk Institute for Biological Studies），开始从事对脑和意识的研究。

2004年7月28日，克里克在圣迭戈桑顿医院去世，享年88岁。剑桥大学冈维尔与凯斯学院（Gonville & Caius College）竖起克里克青铜雕塑纪念这位分子生物学之父。伦敦创办了克里克研究所（The Francis Crick Institute），建在圣潘克勒斯（St Pancras）车站旁，是欧洲最大的单体生物医学实验室。大楼底层设有展览厅，定期举办关于基因、生命科学和人类历史的科普展览。

再说沃森，离开剑桥后到哈佛大学教书，升为教授。1968年，出任位于纽约长岛的冷泉港实验室（Cold Spring Harbor Laboratory）主任。带领实验室从病毒研究中心转型为分子生物学的核心基地，推动了基因克隆和癌症机制的研究。他提倡自由的学术环境，吸引了全球的青年科学家。在上世纪80年代，美国的生物技术浪潮兴起，他成为科学与政策之间的关键人物之一。其间，他曾出任美国“国家人类基因组研究中心”第一任主任，力促了“人类基因组计划”的完成。2025年11月6日，沃森在纽约长岛去世，享年97岁。

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