高中生物科学家小故事物理化学家与晶体学家富兰克林

物理化学家与晶体学家富兰克林罗莎琳德·埃尔西·富兰克林（RosalindElsieFranklin，1920-1958），英国物理化学家与晶体学家，专注于探讨DNA、病毒、煤炭与石墨等物质的结构，其所拍摄的DNA晶体衍射图片“照片51号”以及关于此物质的相关数据，是詹姆斯·沃森与佛朗西斯·克里克解出DNA结构的关键线索。1920年7月25日，富兰克林诞生于伦敦一个富有的犹太人家庭。她的父亲是一位银行家，母亲知书达理，接受过高等教化。作为家中长女，她喜爱在家里的手工作坊干些技术活。在圣保罗女子学院，年轻的富兰克林起先表现出对物理课和化学课的酷爱，1941年，她获得剑桥高校纽纳姆学院自然科学学士学位，1942年到1946年，富兰克林在英国煤炭应用探讨协会从事与斗争相关的探讨工作。1945年获得剑桥高校的博士学位，并受邀加入巴黎的化学中心试验室。1947年起先，她来到法国国家化学试验室学习一门新兴的技术——X射线晶体衍射技术。导师是闻名的晶体学家雅克。很快，富兰克林就成为了这一领域的佼佼者。在1946年到1949年间，她发表了5篇和煤相关的石墨化碳和非石墨化碳的文章，这些论文都具有里程碑意义，今日仍旧在被引用。截至1957年，她还发表了十几篇有关碳和煤的论文，这些文章变更了物理化学家对煤等物质的微小结构的相识。1951年，应伯纳尔之邀，富兰克林来到伦敦高校国王学院工作，起先运用X射线衍射技术探究DNA的分子结构。X射线衍射试验非常枯燥繁琐，持续时间长，稍有不慎就会因图像不清晰而前功尽弃。但是靠着她多年以来良好的职业素养，加上女性特有的细致与耐性，她很快就发觉，保持DNA的湿度可以使X射线图像更为清晰。DNA分子很简单失水，而水分子又很简单攻击磷酸根，由此，她推想出DNA分子的磷酸根骨架应当位于外侧，而碱基应当在内侧，这一推论，对于相识DNA分子结构具有重要意义。1952年6月，富兰克林得到了B型DNA分子清晰的X线衍射图像（编号为51号），清晰地显示了DNA呈现出双螺旋结构。可以说，这是一张具有里程碑意义的图像，但缺憾的是，她本人始终没有意识到它的重大意义。通过X射线衍射结果，富兰克林精确推断出DNA双螺旋每10个碱基对为一周期，距离为34埃，螺旋直径为20埃。到1953年2月24日，富兰克林已经完成了关于B型DNA分子三维螺旋结构的构想。3月17日，她完成了关于DNA结构的论文草稿。可以说，她已经接近破解DNA分子结构的隐私了。可最终，这临门一脚却被沃森与克里克抢了先。富兰克林在国王学院进行探讨的这两年，出于自身特性缘由，以及当时妇女的社会地位，宗教等种种因素影响，她始终没有与她的上级威尔金斯绽开有效合作，甚至他们同处一个试验室，却基本不交谈。威尔金斯为了弄清晰她的探讨究竟进展到什么程度，还得去参与她举办的研讨会，才能获得确定信息。1953年4月25日，富兰克林和戈司陵（R·G·Gosling）在《自然》杂志上发表了《钠DNA的分子构型》一文；同年7月25日又在《自然》杂志上发表了《在钠DNA的晶体结构中双链螺旋的证明》一文，下面将依据这两篇文章的内容阐述富兰克林对DNA双螺旋结构的建立所作出的贡献。在文章《钠DNA的分子构型》一开头，富兰克林就写道：“DNA纤维给出了两种不同类型的X射线衍射图．第一种对应的结晶形式是A型结构，它是在75％的相对湿度下获得的，已有学者在别处具体地描述了这项探讨。在较高的湿度内另一种不同的结构是B型结构，显示出较低的结晶层次，其湿度保持在一个宽敞的范围内。形式A变更为形式B是可逆的，经受这种可逆变更的B型结构，水的含量可以从干重量的40％～50％变更到百分之几百。”富兰克林指出：“B型结构的X射线图（图1）以明显的样式显示出这个螺旋结构外形的特征。”接着，她从B型结构的形成过程说明螺旋特征，“当DNA的含水量超过它的重量的40％的时候，就从A型结构变为B型结构，这个变更伴有纤维长度大约30％的增加和这个分子实质上的重新排列，因此在B型结构中，DNA的结构单位基本上是不受相邻分子影响的，水的外壳爱护了每个单位，于是每个单位不依靠它的相邻分子，自由地起先建立最少能量的构型，由于卷绕的长链分子的性质，很可能这个一般的形式就是螺旋。假如我们接受螺旋结构的假设，从B型结构的X射线衍射图，根据螺旋的性质和大小，作出确定的推断是可能的。”她还从单股螺旋的结构因子的表示式动身，说明DNA结构的螺旋性质，她指出：“在第1、第2、第3和第5层线上最内部的强度最大值近似地位于从原点射出的直线上。”而这个“视察到的B型结构的强度最大值的线性阵列近似地对应于在结构因子中的贝塞尔函数J1、J2、J3……等等中的第一个最大值。”图1DNA的衍射图谱富兰克林还从密度分布动身得出磷酸基－糖链在DNA结构外边的结论。她说：“因为这个最大值的线性阵列是X射线最显著的特征，所以我们必定得出结论：这个分子结晶学上重要的一部分处在这个螺旋的直径上，这只能是这个磷酸基团或磷原子。”接着又说：“假如10个磷原子在半径为1.0nm的螺旋的一圈上，在一个分子中两个相邻的磷原子的距离是0.71nm，这对应于在一个充分扩展的分子中一系列磷原子之间的距离，从而进一步表明，磷酸盐位于这个结构单位的外边。”她最终说：“假如这个结构是螺旋，我们发觉磷酸盐基团或磷原子处在直径大约为2．0nm的螺旋上，而这个糖和碱基团必需相应地向内转向螺旋轴。”

在1953年7月的文章中，她又补充说明道：“对密度和强度两者的考虑导致我们更喜爱一个更为简洁的螺旋结构，在这个结构中磷原子位于半径大约为0.85nm的螺旋上，而不是1.0nm这个值也处在层线峰值扩展的范围内。”富兰克林在1953年4月的文章中说：“首先，运用叠加方法对A型结构的帕特森函数的探讨已经表明，只有两条链通过这个结构中主要的单位细胞，因为A⇄B的变换是很简单可逆的，在B型结构中的这些分子以3条链的形式拧成一股好像是很不行能的。其次，从B型结构的X射线图的测量能够很简单地显示出每个单位的链条数或者是两条或者是三条，沿着这条纤维轴这些链条并不是等间隔的。例如，三条等间隔的链条将意味着第n层线将取决于J2n，将导致直径大约为6.0nm的一个螺旋，这就比在A型结构中的主要单位细胞大很多倍，就核苷酸直径的大小而论是荒唐可笑的。在其他方面，三条不等间隔的链条在晶体学上将是不等效的，这又再一次说明三条链好像是不行能的，因此沿着这条纤维轴只存在具有不等间隔的两个同轴的分子好像是可能的。”

在1953年7月的文章中，她进一步提出在A型结构中两链分子的证据，她说：“对于A型结构，我们已经测量了反射的位置和强度，已经计算了圆柱形的平均帕特森函数，其函数图形如图2所示。图中半径为0．90nm的光滑螺旋的帕特森函数的理论曲线如曲线（i）和（ii），在纤维轴上高度为c/2（c是螺距‚c＝2.8nm）处很强的峰值显示出这两条链的磷酸盐基团近似由c/2的间距分开，明显，曲线（i）和曲线（ii）一起穿过大部分重要的帕特森峰值。”图2结晶的钠DNA的帕特森函数图在这篇文章中，她还从DNA含水量的角度提出双链结构的证据，她说：“我们的测量给出了在75％的相对湿度时，或含水量大约为干重量的40％（或每个核苷酸大约包含8H2O）时的密度为1.47g/cm3，我们已经证明对于这些测量运用的样本是A结构的形式，而不是B结构的形式，这些结果对应于每个晶格有23个核苷酸，它是与原来的晶胞在两条链中的每一条包含了11个核苷酸的建议较为一样的。”在1953年7月那篇文章的末尾，她对A型结构和B型结构的联系作了一个小结。她说：“我们建议在A型结构中的晶胞像在B型结构中一样，两条共轴的螺旋链在相反的方向上绕转，在从B到A的变更中，每转一圈碱基的数目从10增加到11，螺旋的螺距从3.4nm削减到2.8nm，在A型结构中，磷酸基位于半径为0.9nm的螺旋上，在这两条共轴链的磷酸基之间大约具有c/2的间距”。关于富兰克林在工作中存在的一些差距和不足，克里克在1974年4月在《自然》杂志上发表的文章《双螺旋：个人的观点》一文中说：“富兰克林距离解决问题只差两步远．她须要相识到两条链必需在相反的方向上延长．在他们的正确的异构形式中，这些碱基对是配对在一起的。”虽然存在一些不足，富兰克林的工作还是得到科学界高度的重视和崇高的评价，沃森和克里克把他们的划时代

的发觉主要归功于5个人，其中一人就是富兰克林。在沃森和克里克的闻名论文《核酸的分子结构

——－脱氧核糖核酸的结构》中写道：“我们得到伦敦国王学院威尔金斯博士、富兰克林博士及其同事们一些尚未发表的试验结果和思想的鼓舞。”克里克在1954年在《科学的美国人》杂志上发表的《遗传物质的结构》一文中说：“在由威尔金斯、富兰克林和他们在伦敦国王学院的同事们获得的X射线衍射图的基础上，我们才能够通过建立模型得到接近DNA的结构。”关于富兰克林的工作，沃森在《双螺旋》一书的尾声一节中，订正了他此前对富兰克林所作出的错误的评价，充分确定地说：“富兰克林在伦敦国王学院试验室所从事的X射线的探讨工作越来越被认为是杰出的。”“我与克里克都极为赞许她那正直的品行和宽

宏大量的秉性，只是在多年之后，我们才渐渐理解了这位才华横溢的妇女。”“直到她去世前的几个星期，她还在不遗余力地从事高水平的工作，富兰克林的这种英勇精神是值得我们学习的。富兰克林的贡献是毋庸置疑的，她辨别出了DNA的两种构型，并胜利地拍摄了它的X射线衍射照片。沃森和克里克未经她的许可运用了这张照片，但她并不在意，反而为他们的发觉感到兴奋，还在《自然》杂志上发