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DNA雙螺旋結構的發現者—詹姆斯·杜威·華生
DNA雙螺旋結構、相對論和量子力學這三者被譽為是20世紀最重要的科學發現。詹姆斯‧華生和克里克、威爾金斯等三人因共同解開DNA雙螺旋結構的奧秘,在1962年同獲諾貝爾生理醫學獎。發現DNA分子結構的過程是二十世紀科學史上最膾炙人口的故事,而主角華生也是個精彩而充滿爭議的人物。
 
 
前言
 
詹姆斯‧華生(James Watson)和克里克(Francis Crick)、威爾金斯(Maurice Wilkins)等三人在1953年因共同解開了DNA雙螺旋結構的奧秘,而在1962年同獲諾貝爾生理醫學獎。華生在1966-2007年曾擔任冷泉港實驗室的主任及負責人,建立了分子生物學及腫瘤研究的殿堂;1990-1992年又擔任美國國家衛生研究院人類基因組計畫負責人,在科學界擁有崇高的成就,卻也因率真、我行我素、口無遮攔的性格讓他付出不少代價。2007年因種族⾔論被停職退休,2014年拍賣掉自己的諾貝爾獎金牌,2019年強調「人種決定智商」的說詞,更讓他失去了冷泉港實驗室的名譽校⻑、名譽教授等所有榮銜。
 
威爾金斯(左1)、克里克(左3)和華生(右2)在1962受獎時與其他諾貝爾獎得主合影 (圖片來源:Cold Spring Harbor Laboratory,授權方式:CCBY-NC-ND 3.0 US)
▲威爾金斯(左1)、克里克(左3)和華生(右2)在1962受獎時與其他諾貝爾獎得主合影 (圖片來源:Cold Spring Harbor Laboratory,授權方式:CCBY-NC-ND 3.0 US)
 
他著作的《雙螺旋》與《別和無聊的人打交道》二本書也倍受爭議。毫無疑問的,發現DNA分子結構的過程是二十世紀科學史上最膾炙人口的故事,而主角華生也是個精彩而充滿爭議的人物。 

25歲解開DNA結構  34歲獲諾貝爾獎的天才科學家
 
詹姆斯‧華生在1928年4月出生於美國芝加哥,因資賦優異而提早在15歲就進入芝加哥大學,1947年獲得動物學學士學位。期間,他接觸到理論物理學家薛丁格探討生物學的一本著作《生命是什麼》;又受果蠅遺傳學家穆勒(Hermann J. Muller, 1946年諾貝爾生理醫學獎)的影響,讓華生決定從事遺傳學的研究,但研究路上他的導師並不是穆勒,而是進入了盧瑞亞(Salvador Luria, 1969年諾貝爾生理醫學獎)的噬菌體研究實驗室,並於1950年獲得印第安納大學遺傳學博士學位。 
 
畢業後,華生到丹麥接受生物化學博士後訓練,期間,在一個會議中,他看到倫敦國王學院的威爾金斯演講中所展示DNA結構的X光繞射圖,引起他很大的興趣,並意識到”解開DNA結構”的關鍵技術就是晶體繞射技術。於是他設法轉到英國劍橋大學卡文迪許實驗室(Cavendish Laboratory),在那裹有兩個實驗室積極進行著蛋白質晶體之X光繞射工作,試圖解出其三維結構。華生在那裏遇見了物理學家克里克,並說服後者一起參與DNA分子模型的研究。
 
華生、克里克(右)與麥卡蒂(左)合影 (圖片來源:Wikimedia Commons,圖片作者Marjorie McCarty,授權方式:CC BY 2.5)
▲華生、克里克(右)與麥卡蒂(左)合影 (圖片來源:Wikimedia Commons,圖片作者Marjorie McCarty,授權方式:CC BY 2.5)
 
這個時期,DNA結構的研究有幾個主要競爭者: 一是倫敦國王學院(the King’s College)的威爾金斯和富蘭克林(Rosalind Franklin),他們用X光繞射技術研究DNA的分子結構,並拍到了一張DNA晶體結構的照片,顯現出一些圈圈點點,依此他們猜想DNA的結構大概是螺旋狀。另一則是美國加州理工學院的化學權威鮑林(Linus Pauling, 1954年諾貝爾化學獎)的團隊。當時鮑林才剛在1951年,用X射線繞射探測出蛋白質α-螺旋結構的模型,其成果距離解開DNA的結構僅是一步之遙了。在這場競賽中,威爾金斯的實驗室以設備技術較優領先;但論及化學分子結構的理論,則以鮑林較為擅長。然而,華生和克里克卻是最年輕,最有衝勁,思想也最開放,溝通最順暢,故終能領先奪得桂冠。
 
華生與克里克製作的DNA結構模型複製品,現保存於科學博物館(倫敦) (圖片來源:Science Museum Group,授權方式:CC BY-NC-SA 4.0)
▲華生與克里克製作的DNA結構模型複製品,現保存於科學博物館(倫敦) (圖片來源:Science Museum Group,授權方式:CC BY-NC-SA 4.0)
 
1952年,華生和克里克邀請富蘭克林參觀他們初步建構的DNA三螺旋結構模型,卻被富蘭克林批評此模型的骨架向內,鹼基向外顯然昰錯誤的,作研究應多用功點。1953年初,華生看到威爾金斯秀出富蘭克林最新得到的DNA  X光繞射圖[1]後,與克里克討論,並確定DNA應是一種雙螺旋分子,而且先前富蘭克林已提醒他們螺旋骨架必需在外。他們另注意到美國哥倫比亞大學的查戈夫(Erwin Chargaff)提出一個發現:DNA鹼基A和T的含量大致相等,G和C的含量也約略相等,但對此並未有合理解釋。依據這些同儕的成果,華生提出了鹼基配對原理圓滿解決了這一事實,至此,DNA結構終於搭建完成。 
 
1953年由華生與克里克共同發表的論文中描述的DNA雙股螺旋結構[2] (圖片來源:Nature)
▲1953年由華生與克里克共同發表的論文中描述的DNA雙股螺旋結構[2] (圖片來源:Nature)
 
1953年4月25日,詹姆斯·華生和弗朗西斯·克里克在《自然》雜誌上發表一篇論文:《核酸的分子結構》。該文開宗明義寫著:「我們提出一個DNA的結構圖,這結構具有一些新穎的特色,會有相當重要的生物關聯。」這篇論文僅用了短短兩頁和1張手繪DNA雙螺旋的簡圖。然而,這個突破,為人類開啟了分子生物學及生命科學的大門。1962年,華生、克里克與威爾金斯一齊分享了諾貝爾生理醫學獎。可惜富蘭克林在1958年英年早逝(37歲),沒能獲得她應有的榮耀。
 
富蘭克林 (圖片來源:Wikimedia Commons,圖片作者MRC Laboratory of Molecular Biology,授權方式:CC BY-SA 4.0)
▲富蘭克林 (圖片來源:Wikimedia Commons,圖片作者MRC Laboratory of Molecular Biology,授權方式:CC BY-SA 4.0)
 
分子生物學重鎮-冷泉港實驗室的領導
 
華生於1956年開始在哈佛大學生物系任教,共二十年間,他的實驗室訓練出不少優秀的分子生物學家。此外華生也貢獻其知識,撰寫了許多生物科學領域的經典教科書,包括”基因的分子生物學”(Molecular Biology of the Gene),”細胞的分子生物學”(Molecular Biology of the Cell)及”重組DNA”(Recombinant DNA)等,相信許多生物科學領域的同學都曾拜讀過。1968年,華生兼任了冷泉港實驗室(Cold Spring Harbor Laboratory)的主任,這實驗室是噬菌體集團夏天的聚集地,也是分子生物學者的聖地。1994年華生成為冷泉港機構負責⼈,直到2007年10月,因為發表涉及種族歧視的言論而被停職退休。
 
綜觀60年代以來,自詹姆斯·華生入主冷泉港實驗室,建立了其在分子生物學領域的地位,使該機構成為世界上最有影響力的生物醫學研究與科研教育中心。1990年,詹姆斯·華生更領導美國國家衛生研究院的研究中心執行「人類基因體計畫」(Human Genome Project)。但在1992年因反對申請基因序列的專利,與國家衛生研究院院長意見不和而離職。但他對人類基因體計畫的推動仍不遺餘力,終使人類基因體初步定序在2000年完成。

歧視言論及拍賣獎牌惹議
 
2007年,78歲的華生接受《周日泰晤士報》(Sunday Times)專訪時,表示他「對非洲的前景向來很悲觀」因為他認為“許多的社會政策都建立在”黑人與白人智力是相當“的前提之上,但研究結果卻顯示這個前提是不正確的“;他還說「在他的實驗室裡,招募不到優秀的非裔學者」。此言一出,隨即引發了巨大的爭議,他馬上被解除冷泉港實驗室主席職位並退休,離開工作近40年的冷泉港實驗室;學界也紛紛取消邀請他的學術活動。
 
事後,他發表道歉承認自己的說法「沒有科學根據」才保住冷泉港實驗室的名譽頭銜。然而,2019年PBS 播映的紀錄片《美國大師:解碼華生》,華生再次強調自己的看法始終如一,「智商測試反映出黑人和白人之間確實存在差異,我認為這些差異是來自遺傳。」隨後於1月11日,美國冷泉港實驗室發表聲明,撤銷詹姆斯•華生的名譽主任,名譽教授等所有榮譽頭銜。雖然事後他的家人說明:這只是華生對基因命運相對狹隘的解釋,並不意味他就是個充滿偏見和歧視的人。

然而,回顧華生成名後的科學生涯,「出言不遜」並非僅這一兩次而已,他也曾表示肥胖者「讓人看了感覺很糟」;「愚蠢是一種疾病,應該被治療」,甚至「相貌不佳的女性也應該以基因工程來變美;他還支持墮胎,理由是可把具有「潛在同性戀」的胎兒墮掉。“種族歧視”,“性別歧視”,“肥胖歧視”,“愚蠢歧視”,“同性戀歧視”,這一連串不當言論日積月累,終於連諾貝爾獎光環都保護不了他了。

事實上,華生在1962年著手撰寫自傳《雙螺旋》(The Double Helix) (原名《誠實的吉姆》)時,先將書稿在朋友間傳閱,就已經引起許多不滿。他們認為華生扭曲和破壞了科學家的形象;連克里克都強烈反對華生將科學發現史以八卦的形式呈現給讀者。此外,書中尖酸刻薄或帶偏見地描寫同行,尤其是他在書中以男性沙文主義式批評女性科學家富蘭克林,說她没有女人味,常穿着深色的衣服,對人的態度很冷淡、很不好相處、更完全忽略了富蘭克林對發現DNA雙螺旋結構的貢獻。經一些修正後,該書在1968年還是出版了。華生特别澄清:”當初對羅莎琳•富蘭克林的印象,不論是科學上的還是個人方面的,都是錯的。“
 
在2010年出版的回憶錄《別和無聊的人打交道》(Avoiding Boring People),更是說及以前同事的壞話,說他們愚蠢又一直在浪費他的時間;更是以「恐龍」、「庸才」等名詞來形容他的同行。當然也有學者挺身反擊,如演化生物學家威爾遜(Edward O. Wilson)就形容華生為“所遇過最令人討厭的人”,“ 華生對其他生物領域的研究發表輕蔑且不禮貌的言論”,“如果不是他的發現對科學的意義重大,早就不被容忍了”。華生2007年自冷泉港實驗室離職後可能因為收入減少,竟然在2014年賣掉他的諾貝爾獎牌。雖然最後是俄羅斯富豪以四百多萬美金買下,並且將獎牌物歸原主表示敬意。但他卻是第一個諾貝爾得獎者還在世就拍賣獎牌的人。身為參與發現DNA雙螺旋結構的關鍵人物中唯一還在世的人,華生充滿爭議的行徑再添一筆。

後記
 
DNA雙螺旋結構的發現、相對論和量子力學這三者被譽為是20世紀最重要的科學發現。當提到DNA的雙螺旋結構,華生與克里克這兩位科學家的大名一定會被人們提及。華生雖然登上了20世紀分子生物學的高峰,卻因我行我素的行徑和接二連三的歧視言論,讓他不受學界同儕的歡迎,也惹來不少爭議。然而,華生與克里克一開始確實是沒有想到 DNA 結構的發現會引起近60年來的生物科技大革命。分子生物學酵素工具、聚合酶連鎖反應(polymerase chain reaction, PCR)、定序等技術等促成了近代基因工程的躍進,使許多遺傳疾病得以治療,人類基因解碼也得以探索生命的奧秘,這些都得感謝這個人。
 
責任編輯:郭啟東/國立中山大學
 
延伸閱讀:
[1] Rosalind E. Franklin and R. G. Gosling, “Molecular Configuration in Sodium Thymonucleate,” Nature 171, 740-741 (1953)
[2] J. D. Watson and F. H. C. Crick, “Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid,” Nature 171, 737-738 (1953)
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奠基DNA雙股螺旋結構的發現——羅莎琳•艾西•富蘭克林
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本文由科技部「主題科學傳播」團隊策劃執行
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DNA(39)主題科學日(69)雙螺旋結構(1)
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