破解遗传密码的无名英雄：双螺旋结构背后的关键物理学家

罗莎琳德·富兰克林是一位受过物理学训练的科学家，正是她对物理原理，特别是X射线衍射的巧妙运用，为确定脱氧核糖核酸（DNA）的结构提供了最关键的实验数据。尽管双螺旋发现的故事常常围绕着沃森和克里克建立模型展开，但正是富兰德林细致入微的实验工作和她对散射物理学的深刻理解，真正照亮了通往这一开创性发现的道路。她的故事证明了将基础物理学技术应用于复杂的生物学问题所具有的巨大力量，同时也突显了科学发现中那些常被忽视的无名英雄。

在富兰克林在20世纪50年代初进行关键工作之前，科学界已经知道DNA是参与遗传的关键分子，但它的三维结构仍然是个谜。各种模型被提出，但都没有得到令人信服的实验证据的支持。挑战在于分子微观的尺寸和复杂的原子排列。在当时的技术条件下，直接“看到”这样的结构是不可能的。正是在这一点上，X射线衍射——一项由富兰克林改进并熟练运用的技术——变得不可或缺。

X射线衍射的原理是，当X射线遇到晶体或半晶体材料时，会被材料中原子的电子云散射。散射的波相互干涉，在探测器（如照相胶片）上形成衍射图样。由布拉格定律首次阐明的关键洞见是，衍射束的角度和强度与材料中原子排列和间距直接相关。本质上，衍射图样就是分子结构的独特“指纹”。布拉格定律，表示为 nλ=2dsinθ，将X射线的波长 (λ)、晶体中重复原子平面之间的距离 (d)、衍射角 (θ) 以及代表衍射极大级次的整数 (n) 联系起来。通过分析衍射图样中斑点的位置和强度，像富兰克林这样的物理学家就可以反推出分子的结构参数。

富兰克林带着她的煤炭结构博士研究以及在巴黎工作期间积累的X射线衍射专业知识来到了伦敦国王学院的医学研究委员会（MRC）单位。她运用严谨的物理技术从DNA纤维中获得了高质量的X射线衍射图样。这并非易事，提取和制备足够有序的DNA纤维以产生清晰的衍射图样需要精确控制湿度和其他环境因素。富兰克林对细节的关注和高超的实验技能在实现这一目标方面至关重要。

她最著名的成果，通常被称为“照片51号”，是DNA的“B”型——一种水分较多、在生物学上更相关的状态——拍摄到的异常清晰和界限分明的X射线衍射图样。这张照片，比当时产生的任何其他照片，都包含了揭示DNA结构所需的关键物理信息。富兰克林的才华不仅在于获得这张照片，更在于她解读其中蕴含的物理信息的能力。

照片51号的显著特征提供了几个关键的结构信息。最引人注目的是图样中心清晰的“X”形。在衍射物理学中，X形图样是螺旋结构的特征。X形臂的角度与螺旋的螺距呈反比关系。富兰克林对这个角度的分析使她能够计算出B型DNA的螺旋螺距。

此外，沿垂直轴（“子午线”反射）出现的清晰、离散的斑点表明沿纤维轴存在重复单元。这些斑点的间距，同样可以通过布拉格定律解释，揭示了沿DNA分子的主要重复距离。富兰克林正确地将这个间距确定为对应于堆叠碱基对之间的距离。沿子午线某些反射的缺失也提供了关于螺旋对称性的线索，特别是表明存在螺旋轴。

衍射斑点的强度也包含了关于螺旋内部电子密度分布以及原子排列的重要信息。虽然从二维衍射图样直接计算三维结构是一个涉及傅里叶变换的复杂数学过程，但富兰克林敏锐的物理直觉使她能够从观察到的强度及其分布中得出重要的结论。例如，子午线上的强反射表明，含有较重磷原子的磷酸骨架（具有更多电子）很可能位于分子的外部，在特定角度对散射贡献很大。

富兰克林对照片51号及其他衍射图样的详细分析使她得出结论，DNA是一个具有特定尺寸的螺旋：螺距为3.4纳米，沿纤维轴的重复单元距离为0.34纳米，与碱基的堆叠距离相对应。她还推断磷酸基团位于分子的外部。这些定量数据直接来源于X射线衍射的物理现象及其基本原理，提供了构建准确模型所迫切需要的具体测量值。

富兰克林的工作对沃森和克里克建立模型产生了深远的影响。尽管他们如何获得照片51号的情况一直是历史讨论的话题，但不可否认的是，这张照片以及富兰克林随附的数据和见解至关重要。照片51号为DNA的螺旋性质及其关键尺寸提供了无可辩驳的实验证据，使得沃森和克里克能够超越推测性的模型，构建出他们现在著名的双螺旋结构。他们的模型，具有两条反平行的链和互补的碱基配对，完美地解释了富兰克林的衍射数据所揭示的物理约束。