罗莎琳德_富兰克林_陈静__________杨建邺

20世纪50年代早期,罗莎琳德,富兰克林独立发现的DNA结构,基本足以解释遗传的分子学基础。DNA分子存在于所有的活细胞内,它像一张蓝图,包含了所有能从一代传给另一代的遗传特性的密码。富兰克林的这个发现,却帮助詹姆斯 · 沃森(James Watson)和弗朗西斯 · 克里克(Francis Crick)赢得了诺贝尔奖——他们在她不知道的情况下使用了这些数据,甚至没有给她充分的荣誉。

童 年

1920年7月25日,罗莎琳德出生在伦敦一个富裕的犹太银行家家庭。父亲伊利斯 · 富兰克林,和她的母亲莫瑞尔 · 瓦蕾(Muriel Waley),都成长在为公众服务和好善乐施的传统中,银行家父亲在成人学院志愿讲授科学课程,并且帮助不计其数的犹太人逃出了纳粹德国。

但是作为孩子的罗莎琳德,却感到自己因为是个女孩而受到了歧视。她觉得家人不理解自己,记忆中的童年是一场为争取大家的承认而进行的紧张斗争。她喜欢缝纫,做木工,玩Meccano组合玩具,母亲也称赞罗莎琳德缝的花边“非常精巧”,她的储币盒“设计精美",但她分析事物的能力却几乎没人发现。”

求 学

罗莎琳德就读于圣保罗女子学校。这是一所专供富人家的女儿读书的全日制学校,其中有一个学期,为了提高法语水平她住在一所巴黎人的公寓里。回家以后,她便成为一个热情的法国崇拜者,对法国的服装烹饪和旅游都有着强烈的兴趣。也就从那时起,她自己做衣服,并且随着潮流的变化升高或者降低裙子的底边。

由于圣保罗学校优秀的物理和化学课程,罗莎琳德不到15岁时就已下定决心要成为一名科学家。罗莎琳德还是个十分投人的业余天文学家,她研究《伦敦时报》。上的星像图,在夜空中寻找一个个星座。她希望到剑桥大学学习物理和化学,于是就参加了——并且也通过了——入学考试。然而等待她的却是痛苦的失望。

父亲坚决反对妇女接受大学教育,拒绝付学费供她去剑桥读书父亲的拒绝还造成父母美满婚姻生活中唯一的一次危机。罗莎琳德最喜欢的一位姑姑,艾丽丝 · 富兰克林资助罗莎琳德去剑桥。紧接着母亲也宣布,从她自己的财产中支付罗莎琳德的学费。对此,伊利斯 · 富兰克林只好让步,同意支付罗莎琳德的学费。罗莎琳德深深爱着母亲,但却从来没有完全原谅自己的父亲,虽然她后来在研究病毒方面的工作让他引以为豪。就像他常跟朋友们说的,女儿总是处在特别不利的地位。

1938年二战爆发前,罗莎琳德 · 富兰克林进入了剑桥大学的一所女子学院——纽海姆学院。1939年9月二战爆发,罗莎琳德与父亲间出现了的第二次不和。伊利斯 · 富兰克林希望罗莎琳德退学,参加志愿卫国工作;但罗莎琳德坚决要完成学业。好在政府明确表示,所有理科学生应该完成学业。

初露锋芒

战争给罗莎琳德带来的少有的几件幸事之一,便是她与阿德里安娜 · 威尔(Adrienne Weill)的友谊。威尔是一位杰出的法国女物理学家,她曾在居里研究所与玛丽 · 居里和伊伦娜 · 约里奥 · 居里一同工作过。威尔逃到英国后在剑桥工作,富兰克林和她成为了好朋友,还与她同住了一年。战后,正是威尔给富兰克林在巴黎找了一份工作和一间房子。

1941年从剑桥毕业后,富兰克林跟隨后来的诺贝尔奖得主、化学家罗纳德 · 诺里斯(Ronald Norrish),从事了一年的物理化学方面的研究。然后,她得到了一份很有风险的工作,这份工作为她赢得了研究性科学家的名声。也是为了对战争做点贡献,她开始为英国煤炭利用研究联合会研究煤炭的物理结构。当时,她跟一个表妹住在一起,每天冒着空袭的危险,骑车狂奔穿越莆特内小广场,来到伦敦南部的工作地点。她从未抱怨,但非常害怕。(后来在她患病期间,她常常受到恶梦的折磨,神志不清地梦到穿越大草坪,心里想着战争会不会有结束的一天。)

在实验室里,富兰克林面临着一个庞大而重要的战时问题:如何更有效地利用英国的煤和木炭。通过一系列操作精细的实验,富兰克林发现了煤和碳在受热时所发生的结构变化,它们的分子形成了平行层,而这些层会彼此滑开,从而解释了为什么碳受热以后会变成石墨。

从22岁到26岁,富兰克林发表了五篇关于煤和碳的论文,至今这些论文仍然被广泛地引用。她的研究也帮助建立了高强度碳纤维的学科。这无论对于古老的木炭工业还是新兴的核能工业,都有极其重要的作用。在核能工业中,要用到石墨来降低裂变的速率。这项工作也使她在1945年从剑桥大学拿到了物理化学的博士学位,26岁的她成为了工业化学领域公认的权威。以今天的标准来看,如此年轻就取得如此重要的研究成果简直是不可能的。

富兰克林很快意识到她需要掌握正在不断发展的X射线结晶学领域方面的知识,这样才能去理解物质——构成这个世界的物质。结晶学是物理学的一个分支,是用于揭示物质内原子排列的一个强有力的技术手段。传统上结晶学家用X射线照射结晶状的固体,这些固体的分子以规则重复的方式排列。当一束光线射入晶体时,大部分光线能完全穿过晶体,少数光线在晶体内被反射,并从不同的方向投射到感光胶片或是别的探测装置上。研究人员根据胶片上黑点的强度和角度,可以分析出原子在晶体内的排列。英国人发明了这项技术并且非常擅长,许多女科学家,比如诺贝尔奖得主多罗西 · 霍奇金(Dorothy Hodgkin),都曾取得过这方面的早期成就。

但富兰克林从来就不是一个遵循传统的结晶学家。她不研究那些规则的简单的晶体,而是开创性的用X射线衍射来研究不规则的物质比如碳,以及比较复杂的物质比如生物分子。

巴黎的快乐时光

1945年战争结束时,富兰克林给威尔写信,询问巴黎有没有什么工作,可以提供给她这样一个对物理化学有所了解、对碳分子间空穴十分熟悉的人。在威尔的帮助下,她在巴黎的国家化学部实验中心找到了一个职位,并从1947年开始工作。

27岁富兰克林来到巴黎时,开始了一生中最快乐的三年时光。她是一个非常漂亮的姑娘,讲一口法语,让人一点都看不出英国人的保守。“她充满了乐趣,完全不是个沉闷的人,”她的传记作家,也是她在巴黎的朋友——安娜 · 萨尔(Anne Sayre)说:“我想她比她的实际年龄要小,有点爱捣蛋,爱捉弄人。她那会儿其实比我年长,可我感觉自己像是她的姨妈。”下班以后,富兰克林常常耍小聪明,搞恶作剧,然后开心极了。在宴会之类的“正式场合”她比较沉默,但她喜欢小型的聚餐。她还是法语最新流行语的专家,能以最快的速度玩复杂的法语单词游戏。她喜欢在背后聊聊朋友的三角恋情,逛跳蚤市场、街边集市和百货商场。跟她交谈总是轻松快捷,观察细致,而且常常是令人愉快。结晶学家大卫 · 萨尔(David Sayre)评论说:“她的特点就是快乐。

战争期间富兰克林被困在英国,哪里也不能去,她可以愉快地畅游欧洲大陆了。她细致地计划路线,甚至精确到分钟,她拿着地图、导游手册和国际时间表相互对照,确定最省钱又能穿过最多山地风光的路线。她喜欢山,喜欢户外活动,常常参加那种全天候的每日行进二十英里的长途跋涉,还有自行车旅行,累得精疲力竭。

她曾给卢扎逖的妻子丹妮瑟说过,她也许会高高兴兴地嫁人,但却不想要孩子。富兰克林太喜欢孩子了,她可不愿意将孩子交给保姆带,而她从事的科学工作又使她不可能成为一个全职妈妈。她也不喜欢父母的那种上层社会生活方式。虽然家里很有钱,但她的房间很朴素,她是个社会主义者。

实验室里的恩怨

到了1950年,也就是在法国呆了三年以后,富兰克林认识到该认真考虑自己的事业了。如果她想在英国建立自己的事业的话,这会儿就该回去了。

她的时间把握得非常好。结晶学家们已经掌握了如何测定简单的高度规则的小晶体的原子分布,现在他们正转而研究那些大型的生物物质的复杂排序。生物学家和生物化学家们运用物理学中的技术,解决了一个又一个重大问题。

物理学家约翰 · 兰德尔(John Randall)曾在二战中发明了雷达的关键技术,现在在伦敦大学国王学院组建了一支多学科研究队伍,物理学家、化学家和生物学家们正共同研究活细胞。他们已经知道是DNA(准确地说,脱氧核糖核酸)能将基因信息从一代传给另-代。他们也发现很多蛋白质的原子排列呈螺旋形,就像旋转楼梯,或者--卷拉开的弹簧。但没有人知道DNA的结构,更不会想到它将揭示遗传的秘密。

国王学院里--名叫雷蒙德 · 戈斯林的研究生拍下了DNA分子的一些X射线照片。这些照片应该算是当时拍得最好的了,但兰德尔认为应该让一位专家来分析它们。兰德尔四处寻找合适的人选,打听到罗莎琳德 · 富兰克林,就为她找了--份研究生的奖学金,将她聘请过来。他给她写了一封信,解释她未来的工作,他明确地告诉她,她将独立承担一个新课题。信中写道:“经过考虑并且和相关专家讨论后,我们想请你承担更为重要的工作,研究某种我们感兴趣的生物纤维……这就意味着在X射线实验方面,只有你和研究生戈斯林,以及从美国西那库斯来的研究生海勒(Heller)夫人担当临时助手。”

1951年富兰克林来到国王学院的第一天就参加了一次会议,这次会议对她后来的经历埋下诸多影响。那一次兰德尔的助手莫里斯 · 威尔金斯(Maurice Wilkins)正好外出度假了。威尔金斯在二战前就曾是兰德尔的研究生,战争中参加了原子弹的研究工作他对富兰克林的实验室工作将扮演至关重要而又充满争议的角色。在威尔金斯缺席的情况下,兰德尔参加了会议。他将DNA实验材料及资料交由富兰克林来“锁好,存好,保管好”。整个实验室已经几个月没有人做DNA方面的实验了,所以富兰克林便认为自己就接管这件事了。而当威尔金斯回来以后,他以为富兰克林是实验室请来的高级技术助手,来为实验室提供实验数据以供分析的;而且糟糕的是他们两人性格很不相同。

威尔金斯说话前要仔细考虑,而富兰克林明快、果断、冲动,跟人说话像打机关枪。“她能把我吓得思路不清,”威尔金斯跟他的同事阿荣 · 克鲁格这样说。一边是威 · 尔金斯的羞怯,一边是富兰克林的不善寒暄,两人见了面多半只是相互对视一下。后来他俩关系恶化到相互反感,这被尤德森称作是“科学史上伟大的私人恩怨之一。”在国王学院找不到轻松的友情,富兰克林的杜会生活便完全与实验室无关了。晚上和周末,她会去看戏剧,看电影,为工党做义务工作,与圣保罗学校和剑桥的朋友们在一起,每周回家看看父母,或者到乡下旅行。她还常在家里搞些小聚,餐,向她的英国朋友们介绍法国的佳肴,比如朝鲜蓟,黄油鲜土豆,还有上好的葡萄酒。放长假时,她会去西嘉岛潜水,去阿尔卑斯和南斯拉夫爬山,去以色列和欧洲大陆旅行,所到之处都拍下无数照片。

DNA新发现

回到实验室,富兰克林和戈斯林孤独地工作着,他们收集了大量的关于DNA的数据,发表了五篇论文。从她的论文,报告,以及记在红色小练习本上的实验笔记中——这些东西都在她去世之后交由她的好友加同事阿荣 · 克鲁格保管——我们可以追溯她那几年的工作。

首先,她改进了X射线照相机,使之能感受到像针一样细的光束。然后她又在她的DNA样品上下功夫。富兰克林因为研究过不定形煤和粘土这类的结构,知道如何对付那些不完全是结晶体的材料。所以她能找出一种更新更好的方法来排列DNA的绒毛状纤维。

她用一根玻璃棒,将这些前所未有的细丝拉开成平行状。因为-根纤维太细,无法反射X射线,所以她将这纤弱的丝线集成一束。然后她将X射线对准纤维的中心,得到了更为清晰的照片。最后,她又研究了纤维在潮湿空气中的状况。她将它们放在一个盖着的盐水罐子上,测量空气的湿度,并将湿度与纤维的状况联系起来。作为一名物理化学家,她清楚湿度的控制对于清晰的成像是至关重要的。水分子能够填充晶体原子闻的空隙,使得晶体能够直立并且稳固。

很快,她发现了根据DNA分子吸收水分的多少,它们以A和B两种形态存在。当纤维周围空气达到75%的相对湿度时,她得到的照片与戈斯林在她来之前得到的最好的照片差不多。她把这称为DNA的干燥A形态。当湿度上升到95%左右时,分子会伸长25%,而且突然离开它站立的地方。这些湿纤维散射的X射线在成像胶片上反映不出什么细节,而只留下一个简单的十字形。富兰克林知道,这种十字形是螺旋结构的特有迹象;这表明湿的DNA分子星螺旋结构。富兰克林把它称之为DNA的湿润B形态。

而且,富兰克林还能通过改变纤维周围空气湿度而使DNA分子在两种形态间转换。在国王学院仅仅一年,富兰克林就改变了对DNA的研究。她对DNA两种存在形态的发现,使她获得巨大的优势。其他研究学者都不知道,他们所研究的DNA样品,原来是两种结构的混合物。

因为分子很容易从周围空气中吸收或者释放水分,富兰克林便推断,DNA中含有磷酸糖。而且她还敏感地推断,这些糖应该位于分子的外侧靠近周围水分的地方。而包在螺旋结构内部与水隔开的碱基,应该像楼梯的一级级台阶那样顺着螺旋结构往上排。这两点她都猜对了。

富兰克林发现了DNA分子结构排列的四个重要特点中的第一个。还有三个未解之谜有待破译。她还需要认识到是由两条互相缠绕的磷酸链组成的螺旋结构;这两条链方向相反,这样才能一条向上旋,一条向下旋;链上一对特定的碱基通过氢键构成碱基对。谁能掌握DNA的这四个要点,谁就能解释遗传的秘密。但是富兰克林和其他所有人都无从知道这些。

[未完待续]