本文来自微信公众号：Nature Portfolio （ID：nature-portfolio），作者：Matthew Cobb & Nathaniel Comfort，原文标题：《剽窃or借鉴？还原DNA双螺旋结构发现的真相 |《自然》长文》，题图来自：视觉中国
富兰克林并不是发现DNA双螺旋结构的受害者。写于1953年的一封不为人知的信件和另一篇从未刊登的新闻稿揭示了她是平等的贡献者。
詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）都是20世纪最知名的科学家。他们在英国剑桥大学时期共同发表的一篇开创性论文描述了DNA双螺旋结构的发现。70年前，这篇论文连同另外两篇论文一起发表在《自然》[1-3]。但人们普遍认为，他们是窃取了伦敦国王学院的物理化学家罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin）的数据后才发现了双螺旋结构。
传言称，发现双螺旋的决定性时刻是沃森在未征得富兰克林同意或知晓的情况下看了她拍摄的DNA的X射线图之后——这张图又名“照片51号”（Photograph 51），被认为是“分子生物学的点金石”，是开启“生命密码”的钥匙（当然还有后来的诺贝尔奖）。1958年，年仅37岁的富兰克林死于卵巢癌。在这一版故事中，富兰克林被描述为一位优秀的科学家，但未能分辨出她自己的数据所传达的关于DNA的信息。据传，她在拍摄照片后的几个月都没有意识到这张照片的重要性，而沃森一眼便看出了端倪。
这一版的故事进入了主流文化的视野。2015年由Anna Ziegler执导、Nicole Kidman主演的话剧《Photograph 51》便以此为主题。英国还在2020年富兰克林百年诞辰之际推出了印有她头像的50便士硬币。整个事件还在推特上被编成了讽刺笑话（“沃森和克里克在1953年发现了什么？富兰克林的数据。”）；美国加州的7年级学生更是以此创作了一场精彩的rap battle。
但这并不是真相。
罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin）独立发现了DNA结构如何决定蛋白质。来源：Photo Researchers/Science History Images/Alamy
笔者中的一人（N.C.）在撰写沃森的传记，另一人（M.C.）在撰写克里克的传记。2022年，我们一起在英国剑桥大学丘吉尔学院查阅了富兰克林的档案，并翻阅了她的笔记，重建了她思路的整个诞生过程。我们找到了1953年的一篇从未被研究过的新闻稿，这篇新闻稿是在采访富兰克林后写的，原定发表在美国的全球性杂志《时代周刊》（Time）上；我们还发现了富兰克林的一位同事写给克里克的一封不为人知的信件。两份资料共同呈现了双螺旋发现的另一个版本。富兰克林并非未能理解DNA的结构。她其实是发现DNA结构的平等贡献者。
还原富兰克林故事的真相非常重要，因为她是女性追求科学事业的榜样。她不仅反对当时常见的性别歧视，还反对科学界一些更不易察觉的现象，其中的一些现象到今天仍然存在。
富兰克林与DNA
1950年代初，人们对DNA的结构和功能还不了解。研究人员在他们分析的所有细胞类型中都发现了DNA，而且已知DNA由连接了A、T、C、G（腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和鸟嘌呤）这四个碱基的磷酸盐骨架组成。
1944年，微生物学家奥斯瓦尔德·埃弗里（Oswald Avery）和他的同事证明了DNA（不是蛋白质）或能让无害的肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）变成有害的形式[4]。但当时距离认识到DNA是全部有机体的遗传物质还很远。
在伦敦国王学院，由英国医学研究理事会（MRC）资助，约翰·蓝道尔（John Randall）领导，莫里斯·威尔金斯（Maurice Wilkins，1962年与沃森和克里克共同获得诺贝尔奖）为副手的生物物理学家团队正在利用X射线衍射法研究DNA的结构。1951年，富兰克林加入了他们，富兰克林当时在巴黎的化学服务国家中心实验室用这项技术研究酶的结构。
威尔金斯（左）、沃森和克里克出席1962年诺贝尔生理学或医学奖的颁奖典礼。来源：King’s College London Archives: K/PP178/15/3/1
众所周知，富兰克林和威尔金斯后来发生了争执，不仅是个性方面，两人在科研方法上也互不相让。虽然富兰克林不介意一辩高下，并决定要按自己的方式继续，但威尔金斯对冲突很厌恶，没有很快做出回应。为了缓解两人之间的紧张情绪，蓝道尔只能把DNA的工作分摊开来。在威尔金斯后来称之为很吃亏的工作分配中，他把从瑞士化学家鲁道夫·席格纳（Rudolf Signer）那里得到的少量很纯的DNA给富兰克林使用，自己使用纽约哥伦比亚大学的奥地利生物化学家埃尔文·查戈夫（Erwin Chargaff）的质量较次的DNA。
席格纳的DNA让富兰克林能深入探索威尔金斯早前的一个发现——溶液中的DNA可能有两种形态，即她称为的晶体或A型，以及类晶或B型。富兰克林发现，提高样本室的相对湿度就能让A型变为B型；重新降低相对湿度又能恢复到晶体 A型。
富兰克林主要研究A型，而威尔金斯研究的是B型。对一名物理化学家来说，晶体形态似乎是不二之选。在照相底板前用X射线轰击时，晶体型能产生清晰而丰富的衍射图案。更多细节意味着更多数据，也能得到更准确但也更有难度的分析。相较之下，B型产生的图案更模糊，细节也不清晰，但分析起来更容易。一开始，富兰克林理解A和B型都是螺旋结构。她在1951年11月的一次演讲中共同描述了这两种形态：“有多链的大型螺旋结构，外部是磷酸基团，螺旋间的磷酸-磷酸键遇水后会断裂”[5]。
由于无法解析A型结构，富兰克林在1952年年中提出A型不是螺旋结构，她甚至还用一则晶体DNA螺旋的模拟丧礼通知来取笑威尔金斯[6]。她不是唯一一个对A型数据无从下手的人：在双螺旋论文[1]发表后，克里克在提及富兰克林关于A型的那张十分准确但包含大量数据的复杂图像时写道，“我很高兴我没有更早看到它，不然我肯定会非常担心”[7]。
至于B型，她和伦敦国王学院的所有人都意识到这是某种螺旋结构。但它对富兰克林来说是一种干扰。在高湿度下，水分子会和DNA内的原子挤在一起，产生她称之为“肿胀”、“膨胀”的无序结构。“无论如何，”她在1951年的演讲稿中写道，提高湿度后，“这个东西最终会水解，例如，水会让链条互相分离”[5]。她把B型视为进水后的人为产物，是失去晶体秩序的一种现象——所以是“类晶”。这也解释了为何她在1952年末和1953年初不接受DNA本质上是螺旋的论点。
从化学家的角度看，富兰克林决定聚焦晶体A型的决定是合情合理，她在分析A型后得出的结论也没问题。但她对更干燥的A型的关注忽略了细胞内很湿的现实，这可能意味着DNA其实更接近湿润的B型。再加上她坚持要求在尝试任何模型前分析全部的衍射数据，她的进度为此耽误了一年多。
照片51号的意义
即使是富兰克林的拥护者也常常不知不觉间地抹黑了她的研究——这可以追溯到沃森1968年出版的、扭曲事实的畅销书《双螺旋》（The Double Helix）[8]。沃森对故事下一个关键点的讲述常被用来佐证富兰克林如何被剥夺了她应得的功劳。这无意间破坏了她的形象。
根据沃森的讲述，1953年初，他访问了伦敦国王学院，并与富兰克林发生了争吵。他写道，是威尔金斯解救了他，并给他看了照片51号，这张照片清晰展示了B型的结构，是富兰克林8个月前与她的研究生雷蒙·葛斯林（Raymond Gosling）共同拍摄的。但富兰克林把这张照片丢在一边，去研究A型了。当时她正准备被调去同在伦敦的伯贝克学院，并被要求放下手头的DNA工作。葛斯林现在的导师是威尔金斯，他便把照片给了威尔金斯。（他说自己是在征得富兰克林的同意下这么做的[9]。）沃森在《双螺旋》中写道，这张照片证明了DNA螺旋是“必然存在的”——只有螺旋结构才能产生这些图案[8]。
由于沃森的讲述，照片51号引发了一阵狂热。它已成为代表富兰克林重要成就和不公待遇的象征。
富兰克林与葛斯林拍摄的B型DNA的X射线衍射图，也称照片51号。来源：King's College London Archives/Science Photo Library
但是，沃森的说法包含一个很荒谬的前提。它假设富兰克林这位杰出的化学家根本不理解自己的数据，而他这个晶体学新手却能一眼识破乾坤。此外，包括沃森在内的所有人都知道，仅从一张照片是无法推断任何具体结构的，其他结构也能产生同样的衍射图案。如果不进行仔细测量——而沃森坚称自己没有测量过——这张图像所透露的不过是B型可能是某种螺旋结构而已，而这本来就没有人怀疑。多条证据——包括《双螺旋》，只要仔细阅读的话——还表明，沃森和克里克在1953年1月到3月无限逼近正确结构的期间，这张照片起到的作用不是很少就是没有。事实证明，富兰克林和威尔金斯的其他数据才是最后一锤定音的关键，而且当时的情况也不像后来流传得有这么多恶意。
沃森看了照片后确实为之一振——这和他看到照片的时间点有关。就在几天前，这个剑桥大学团队收到了美国化学家莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）的一篇手稿，鲍林在手稿中称自己解出了DNA的结构。虽然鲍林犯了一些低级错误，但卡文迪许实验室主任、鲍林的长期对手劳伦斯·布拉格（Lawrence Bragg）鼓励沃森和克里克重新开始搭建模型。沃森本来是去国王学院展示鲍林的错误，而威尔金斯正好给他看了那张照片。把这一段作为《双螺旋》的高潮部分是典型的文学手法：一个灵光乍现的经典时刻，外行的读者很容易理解。
1951年起，威尔金斯经常告知沃森和克里克他研究B型的进度，尤其是他相信这个结构含有一个或多个螺旋，每34埃（Å）重复一次，他可能还说过每次重复有大概10个单元。就在沃森看到照片51号不久，克里克的导师马克斯·佩鲁茨（Max Perutz）就给了他们一份国王学院MRC团队的非正式活动报告，这份报告是佩鲁茨在1952年12月正式访问期间拿到的。报告有一页是富兰克林描述她的工作。佩鲁茨在1969年写给《科学》（Science）的信中表示，他虽然不应该在没有征得国王学院团队同意的情况下就分享了这份报告，但这份报告并非机密文件[10]。事实上，1953年1月，国王学院的研究人员Pauline Cowan在邀请克里克参加富兰克林和葛斯林演讲的信中写道，“他们说这次演讲主要是针对非晶体学领域的听众，佩鲁茨对这方面了解可能比他们要讲得更深，所以你们可能会觉得没必要来听”。由此可见，富兰克林似乎已经默认佩鲁茨会在他们惯例的非正式学术交流中把她的知识分享给克里克了[11]。
富兰克林在这份MRC的报告中确认了B型34埃的结果。她还报告了DNA的晶胞（晶体的重复单元）很大；比任何已知分子结构的任何晶胞含有更多原子。富兰克林还添加了A型的一些关键的晶体学数据，指出它具有“C2”对称性，这意味着DNA分子在反方向有偶数的磷酸糖链。
克里克关于双螺旋历史的演讲稿在1961年5月被交给了牛津大学的科学史学家，这篇讲稿连同他人生中的各类正式和非正式讲话都表明，对沃森和克里克确认最终结构具有重大意义的并不是照片51号，而是这份报告。
但说到底，让沃森和克里克“发现”双螺旋结构的既不是照片51号也不是MRC的报告，而是他们后来称之为“试错”的6周，期间他们一直在进行化学计算和摆弄纸板模型。（沃森在《双螺线》中记录了这个过程；克里克在上世纪60年代末和70年代初接受史学家Robert Olby的系列采访中也有讲述。）
富兰克林的数据，以及沃森和克里克与威尔金斯的多次谈话似乎提供了很关键的信息——磷酸基团位于DNA分子外部；每34埃重复一次；每次重复可能有10个碱基以及反方向有偶数链（提示有C2对称）。但根据两人的讲述，他们曾在这６周里的某一刻忽略过上述的每一条信息。当他们终于搭建出DNA结构的概念模型，MRC的报告为他们的假设提供了非常重要的确认。
所以，真相并不是他们窃取了国王学院团队的数据后，突然灵光一闪发现了DNA的结构。事实是，他们经过自己的推导演绎出了DNA的结构，然后再用国王学院的数据——在未征得同意的情况下——佐证了他们的发现。
富兰克林的真实贡献
富兰克林在双螺旋的发现中贡献了许多关键信息。她清晰区分了A型和B型，解决了困扰之前研究人员的问题。（1930年代的X射线衍射实验无意间使用了DNA的AB混合形式，产生了无法完全解析的浑浊图案。）她的测量数据告诉她DNA的晶胞非常大，她还确认了该晶胞具有C2对称性[12]。
C2对称性是19世纪末发现的230种3D晶体“空间群”的一种。富兰克林没能发现其重要性，不是因为她没反应过来，而是因为她对此并不熟悉。据她的同事阿龙·克卢格（Aaron Klug）说，富兰克林日后对自己没能意识到其中的结构意义很自责[13]。克里克能看出其中深意是因为他正好深入研究过C2对称性。但其实他在建模时并没有用到富兰克林对C2对称性的确认；确切地说，这个有力的证据是在他们完成模型时才得到的。
沃森（左）和克里克搭建的DNA双螺旋结构模型。来源：A. Barrington Brown， Gonville & Caius College/Science Photo Library
富兰克林还独立发现了DNA结构的一个基本信息：DNA原则上是如何决定蛋白质的。1953年2月，她想赶在离开国王学院前完成DNA的分析。不管她怎么努力，解析A型的工作总是一筹莫展，因此她转向了更简单、结构更清晰的B型。她的笔记显示，到2月下旬，她已经认同A型可能也是螺旋结构，有双链，她还意识到链上的碱基顺序对整体结构没有影响，这说明任何碱基序列都是可能的。她指出，“无穷多类型的核苷酸序列或能解释DNA的生物学特异性”[14]。沃森和克里克也在差不多的时间得出了同样的观点，而这个观点最早是在1947年由英国诺丁汉大学学院（现为诺丁汉大学）的化学家John Masson Gulland提出的[15]。
富兰克林不理解基本的碱基配对，即A只能和T配对，C只能和G配对，并且每对碱基会在DNA里形成一模一样的结构。实际上，她所研究的碱基形态并不正确，所以再怎么努力也得不到满意的模型（沃森和克里克也是同样的情况，直到他们进入最后阶段才取得突破）。她既没意识到自己的数据提示了双链的相反走向，也没意识到高湿度下发现的B型才是具有生物学功能的形态。（A型只在实验室条件下发现。）她没时间取得最后突破，沃森和克里克比她先一步找到了答案。
富兰克林没有成功，部分原因在于她一直在靠一己之力，没有同事可以交流观点。她也没能进入以沃森和克里克为首的非正式学术交流圈子。尽管当时有些人对沃森和克里克使用国王学院团队的数据感到不满，这些人主要是伦敦国王学院的研究人员和沃森称为“剑桥的小生物化学家们” [16]，但卡文迪许的主要科学家如佩鲁茨、布拉格、约翰·肯德鲁（John Kendrew）却认为这再正常不过。而且，没有证据表明富兰克林对此也有异议。
还原真相
就在沃森和克里克看过了MRC的报告后，这一事实已无法改变。但他们本可以也应该获得使用这些数据的许可，并在论文中说明他们做了什么——首先是向富兰克林和威尔金斯，其次是向全世界。
1953年4月，《自然》发表了三篇关于DNA结构的背靠背论文，作者分别是沃森和克里克、威尔金斯和同事、富兰克林和葛斯林[1–3]。沃森和克里克表示他们受到了威尔金斯和富兰克林“未发表的实验结果和观点的一般性质知识的启发”。但他们坚称“对细节毫不知情”，表示DNA的结构“主要但不完全基于已发表的实验数据和立体化学的论点”[1]。这些陈述的真实性取决于对“细节”和“主要但不完全”的可能解读。
沃森和克里克在1953年8月投稿、1954年发表的一篇论文中对DNA的结构进行了全面描述，并尝试在这篇论文中澄清事实[17]。他们写道，如果没有富兰克林的数据，“我们的结构是不太可能或是根本不可能得到的”，他们还提到MRC报告是一份初步报告，富兰克林和威尔金斯在报告中“分别独立提出类晶[B]型的基本结构是螺旋，并含有相互缠绕的双链”。他们还指出，国王学院的研究团队“认为糖-磷酸骨架构成了螺旋的外部，每条链旋转34埃都会自己重复一遍”。
沃森和克里克对他们使用的信息的性质和来源的清晰说明，在之前对DNA结构发现经过的讲述中都被忽略了。除了表明剑桥大学的这两位科学家最终迈出了正确的一步，它还让我们的论据更为充分，即富兰克林在钻研DNA结构的四位科学家中是平等的成员。她的同事也是这么看她的，虽然承认她贡献的声明是姗姗来迟而且轻描淡写的。所有这些都能解释这个故事中存在的疑问——为何富兰克林和威尔金斯都没有质问过DNA结构是如何发现的。他们其实知道答案，因为他们预期佩鲁茨会分享他的知识，而且他们都看过沃森和克里克1954年发表的论文[17]。
《时代周刊》遗稿
在《自然》发表了三篇DNA论文的三周后，布拉格在伦敦盖伊医学院举行了一次关于该发现的演讲，并刊登在了《News Chronicle》日报上。这引起了《时代周刊》驻伦敦记者Joan Bruce的注意。虽然Bruce的文章从未见报，也从没有历史学家提到过，但这篇文章对于双螺旋结构的发现经过提供了不容忽视的新信息。
Bruce称这项研究由“两个团队”共同完成：一个团队是威尔金斯和富兰克林，他们通过X射线分析收集实验证据；另一个团队是沃森和克里克，他们专攻理论。Bruce写道，在某种程度上，两支团队是独立工作的，但“他们有沟通，时不时确认彼此的工作，或是攻克某个常见问题”。比如，沃森和克里克“就因为威尔金斯的X射线结果开始研究双螺旋理论”。而反过来，她写道，富兰克林也在“用她自己的X射线检验卡文迪许的模型，但有时无法验证卡文迪许的结构理论”[18]。我们当然注意到了这两件事都将富兰克林摆在了和威尔金斯、克里克、沃森对等的位置上。
可惜的是，Bruce在科学方面并不专长。她的文章让《时代周刊》派了剑桥的摄影师Anthony Barrington Brown去为沃森和克里克拍照，沃森也让朋友留意文章的刊登[19]，但也就到此为止了。这篇文章从未登报，也许是因为富兰克林告诉Bruce，如果要还原其中的科学真相，还有很多工作要做。Bruce对于这项发现的讲述就此尘封，Barrington Brown拍摄的精彩照片也不知去向，直到沃森15年后为《双螺旋》[20]的出版恢复了其中最好的几张。
人们不免会想，如果Bruce的文章在科学上得到了纠正并见报了，世人又会如何记住双螺旋的故事。从一开始，人们对富兰克林的印象就是发现双螺旋的四人组中的平等一员，她在提出科学问题，为寻找答案采取早期关键行动，提供关键数据，验证结果的团队中贡献了一半的力量。确实，双螺旋最早几次公开展示包括1953年6月的一次皇家学会座谈会，当时所有三篇《自然》论文[1-3，21]的作者都签了名。在这个故事的早期版本中，DNA结构的发现并非被看作是沃森和克里克的获胜，而是被视为多人努力的结果。
根据记者Horace Freeland Judson和富兰克林传记作者Brenda Maddox的说法，富兰克林的地位现在退居到双螺旋发现中“遭受不公的女主角”[22，23]。世人对她的记忆不应该只是双螺旋的受害者，而是DNA结构发现的平等贡献者。
参考文献：
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22. Judson， H. F. The Eighth Day of Creation: Makers of the Revolution in Biology (Cold Spring Harbor Laboratory Press， 1996).
23. Maddox， B. Nature 421， 407–408 (2003).
原文以What Rosalind Franklin truly contributed to the discovery of DNA’s structure标题发表在2023年4月25日《自然》的评论版块上 © nature doi: 10.1038/d41586-023-01313-5
本文来自微信公众号：Nature Portfolio （ID：nature-portfolio），作者：Matthew Cobb & Nathaniel Comfort