dna双螺旋结构的螺旋直径（三螺旋里朝外你不知道的DNA双螺旋结构之诡异前身）

这年头，要想随手画个什么东西代表生物学，无论博士生中学生还是街头大妈，十有八九都会在纸上描个DNA双螺旋给你看——虽然方向经常是反的。连中关村北大街都在街道中心竖了个真心不好看的硕大金色双螺旋，以示我们还是很重视科学精神的。大概只有小朋友们在这种时候还会画些花花草草，或是涂几只小动物了，自从1953年沃森和克里克发现双螺旋结构，生物学步入分子时代，它们原有的代表性形象就在双螺旋边上黯然失色了。这个漂亮的双螺旋结构把神乎其神的生命过程和物理实体联系起来，告诉我们生命如何被编码，遗传信息如何被复制，代代相传。然而你可曾知道，这养眼的双螺旋结构问世之前，科学家们曾经提出若干诡异的DNA结构模型，比如三股螺旋、四股螺旋，比如实际上朝里面的部分偏偏朝外面长的里朝外模型，比如相同碱基硬是要互相配对的拧巴模型……它们最都被证明是妥妥的错了。今天的我们若是当事后诸葛亮，甚至都要怀疑那些冰雪聪明的科学家当年是不是脑子刚被门夹了一下——但是，真的是这样吗？

DNA由外面的两条螺旋骨架和里面的一对对碱基组成，然而沃森和克里克一度坚信骨架是躲在里面的。他们不是瞎猜，而是有理有据：罗莎琳·富兰克林（Rosalind Franklin）的X射线衍射实验数据提示，就和化学家莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）之前提出的蛋白质α螺旋结构域一样，DNA结构很可能也是螺旋，而且螺旋的不少参数都可以从衍射照片中估计出来；大家已经知道DNA的化学组成，知道DNA单链由核苷酸共价聚合而成，但X射线数据和单链结构矛盾，因此DNA应当是由不只一条单链组合而成；骨架上的磷酸基团在溶液中带负电，两个基团可能由带正电的离子“撮合”，在螺旋中心相互连接……说干就干，两人开始热火朝天地干活——搭积木。

没错，就是搭积木。组成DNA大分子的原子之间的距离和角度必须满足一定的关系，但对于一个如此之大的分子来说，可能的形态几乎有无数种，不可能枚举讨论。他们需要靠实验证据和化学知识提出可能大致结构的猜想，然后用定制的模型积木块搭出来。积木块制作得很精细，因此如果这个假象的模型中化学键的位置关系有一点不合适，模型就很难稳定地搭起来，从而证明这个猜想可能不那么合情合理。

沃森和克里克就这样热火朝天地搭起了他们心目中的三螺旋模型。螺旋中心的镁离子将三条磷酸戊糖骨架吸引在一起，三条单链盘绕而上，每28埃（也就是2.8纳米）转过一圈，处于由富兰克林的X射线数据估计得到的合理区间内。模型初步落成，两人有些小激动，给富兰克林的同事莫里斯·威尔金斯（Maurice Wilkins）打了个电话：我们做了个看上去还不错的模型，你来看看？威尔金斯和富兰克林于是坐火车来到牛津。然而结局是富兰克林痛批了他们的模型一顿：镁离子周围会紧密结合一层水分子，很难像这样裸露着位居中央；这个模型里水的含量足足比实验测得的足足低了十倍……沃森和克里克又看了一眼自己搭的模型，此时简直像在看一个不争气的傻儿子。的确，好多地方的原子都待得不那么舒服，好像随时都可能掉下来，而且三螺旋模型中连接核苷酸的化学键的方向似乎没有任何约束，违反他们的化学直觉。他们大概是弄错了。

屋漏偏逢连夜雨，上级领导觉得他们研究DNA大概折腾不出什么东西来，做出决定：“你们还是别干这个了吧。”克里克被发放去捡回蛋白质研究老行当，沃森则开始捣鼓烟草花叶病毒和细菌的性生活。然而，上级的命令并没有阻止他们去想DNA， DNA结构的谜团总是纠缠着他们不放。他们午餐时讨论，连手头看似无关的活竟也有所启发。种种迹象表明，DNA分子的骨架是在外面的，而且碱基之间可能会由氢键结合，形成碱基对。

沃森和克里克挣扎在弃疗边缘时，前方忽然传来小道消息：鲍林要发表他的DNA结构了！两人心里咯噔一声：我去，傻逼了。鲍林的儿子悄悄把稿件塞给他们，这份稿件六个星期之后将要公之于众。他们伸出颤抖的双手，接过稿纸，毕竟若是鲍林捷足先登，他们之前的努力就白费了，但半分钟之后就发现哪里好像不太对劲。鲍林提出了一个三螺旋结构模型，三条单链骨架在内、碱基在外，相互盘旋而成，沃森不禁联想起他们自己之前被枪毙的类似方案，心中浮起疑云。再一看，是眼花了吗，鲍林模型的磷酸基团竟然都含有完整的氢原子，根本就没带身为一个酸应该带的负电荷——DNA，脱氧核苷酸，首先它得是个酸呀，鲍林这位全世界数一数二的化学家难道是忘记了常识，阴沟里翻了船？沃森和克里克长舒一口气，还好，没出局。但六个星期之后大家就会发现这个错误，鲍林就又会开始全身心投入DNA结构的研究之中。他们必须争分夺秒。

不断地开脑洞，不断地猜猜猜，不断地考证。这两人这回又提出了一个新猜想：DNA由两条链构成，以同样的碱基成对结合：A和A，T和T，C和C，G和G。虽说数据既支持三链模型又支持双链，但他们想了想，好像“二”这个数字对生命来说更有意义些，毕竟都说“成双成对”嘛。四个碱基往纸上一画，嘿，同样的两个碱基之间真的会形成氢键呢。模型搭出来了，好像挺靠谱，但问题也不小，不同碱基大小不同，导致你如果沿着螺旋往前走，就会发现有的地方宽、有的地方窄，弄得骨架凹凸不平——又是一个扔进废纸篓的错模型。事实上，不同的碱基才互补配对，A和T，C和G，这个今天的生物学常识解释了卡伽夫（Chargaff）法则，也就是DNA样本中的A=T，C=G。沃森和克里克早就知道这个，之前还想到过这种互补配对法则，激动了半天，结果又自己否决掉了这个想法，觉得不同碱基沿双螺旋的某种特殊排列规律也可能造成这个法则，愣是要往同型配对这个牛角尖上钻。科学进展从来就不是线性的。

话说回来，同型配对模型错归错，其实却是一个重要的概念飞跃——从三链到双链，从里朝外到碱基配对，最重要的是，它提示了用不同的碱基排列来编码遗传信息的可能性。在此之前，他们只是用物理和化学手法搭积木建模型，试图找到一个和已有证据不矛盾的结构，却没有过多考虑DNA作为遗传物质所需要具备的生物学性质。遗传学家们早就为遗传信息的传递方式吵了好多年，却只能捣鼓没有物理实体的抽象“基因”概念。如果DNA确实是遗传物质，DNA结构将会为这些抽象的概念和规律找到归宿，让它们能用物理和化学的理论解释，连接两个原本割裂的世界。这么看来，这个奇葩的同型配对模型其实非同寻常，虽然它是错的，因为最重要的概念之跃迁，其实在这个错误模型之时就已完成。

后来呢？后来就是激动人心的著名魔法时刻啦，沃森和克里克勤于钻研，灵感忽至，搭出了优美无比的双螺旋模型：“它如此漂亮，一定得存在。”一篇短而有力的论文划破时代，分子生物学诞生了。当然还有后来的诺贝尔奖。然后双螺旋的形象出现在每一个角落。这是我们熟知的正史，然而本文作者这么致力于聊那些诡异的野史，怎么会有兴趣重复这些光芒四射的著名故事呢？反倒是那些奇奇怪怪的错误科学理论，横尸路旁，消失于正史视野之外，暗藏着有关科学如何运行的核心秘密。

应该为它们好好立块纪念碑。